Автомобильная подвеска: когда фантастика становится реальностью
Настали захватывающие времена. Электромобили (почти) стали новой нормой, и передовые технологии, такие как системы помощи водителю и автономные транспортные средства, развиваются на наших глазах. Наряду с этими инновациями возникают уникальные задачи для автомобильных систем рулевого управления и подвески. Какие инновационные идеи для их решения предлагаются и реализуются? Об этом в нашем материале.
Система автомобильной подвески прошла долгий путь с тех пор, как производители начали выпускать первые транспортные средства с ДВС. Современные подвески намного эффективнее и надежнее, чем те, что были разработаны в прошлом. Они обеспечивают автомобилистам более плавный, безопасный и комфортный опыт вождения. Достижения в области материалов, дизайна и технологий сыграли решающую роль в их эволюции. Но теперь, похоже, из плавного эволюционного развития мы переходим к резкому революционному. Или это только так кажется?
Угловой модуль
Мечта об автомобиле, способном развернуться на одном месте, вращаясь вокруг своей оси и свободно заезжающем на парковочные места лишь на пару-тройку сантиметров длиннее своего кузова за счет движения боком, будоражат инженерные и водительские умы чуть ли ни с момента создания автомобиля как такового. Однако до сей поры все многочисленные проекты в этой сфере – а они действительно были многочисленными, появляясь по несколько штук каждое десятилетие – в силу различных причин (и главным образом сугубо технологических) в серию так и не были запущены. Но передовые технологии XXI век, наконец, сделали мечту реальностью.
Первым представившим действующий прототип подобной системы в наше время стала компания NEVS. Сделала она это после приобретения шведского производителя Protean Electric. Совместно разработанный «угловой модуль» с электроприводом, предназначен для городских транспортных средств следующего поколения.
Такие транспортные средства представляют собой мобильную концепцию для плавного и эффективного перемещения людей и грузов по оживленным городам. Этот угловой модуль был бы очень полезен в подобных условиях, поскольку для обеспечения максимальной маневренности обеспечивал бы неограниченные возможности поворота на 360 °. Полный поворот позволит автомобилю вращаться в пределах пространства, ограниченного собственным корпусом, помогая ему преодолевать чрезвычайно узкие городские улицы и парковаться в труднодоступных местах с точностью до сантиметра.
Поворот на 360 градусов стал возможен благодаря запатентованному поворотному интерфейсу, расположенному над основным рычагом углового модуля. Верхняя часть вращающегося интерфейса прикреплена к автомобилю; нижний интерфейс прикреплен к кронштейну модуля. Блок электрического рулевого управления (с проводным управлением) расположен над интерфейсом, так что ось направлена в нижнюю часть колеса.
От нижнего интерфейса вращения кабели управления двигателем, гидравликой и пневматическими регуляторами высоты хода проходят по кронштейну модуля и подключаются ко второму статическому интерфейсу в ступице и к колесно-моторному блоку. Когда модуль поворачивается на 360 градусов, вместе с ним вращается и весь комплект компонентов. В результате соединения и кабели не перекручиваются и не подвергаются напряжению.
Основной проблемой для подвесной системы была компактность, необходимая для обеспечения того, чтобы система занимала минимум внутреннего пространства, облегчая доступ людям с ограниченной подвижностью. Для достижения такой компактности команда разработчиков создала новую многорычажную конструкцию с дополнительным нижним шарниром поперечного рычага.
Запатентованный четырехосный механизм с двойным поперечным рычагом обеспечивает мощную передачу усилия как при минимальном, так и при полном диапазоне хода подвески. Эта новая конструкция подвески обеспечивает оптимальную геометрию и дополнительное сочленение нижнего рычага подвески для достижения желаемой кинематики, сохраняя при этом крайне важную компактность конструкции. Он также позволяет системе подвески демонстрировать идентичные характеристики во всех направлениях движения.
В результате конструкция единого модуля оптимизирована для всех четырех углов автомобиля, что сводит на нет необходимость в левой и правой или передней и задней версиях, тем самым снижая затраты на разработку и производство.
Важнейшей целью для команды разработчиков было обеспечить возможность опускания транспортных средств, чтобы бесступенчатый вход от бордюра к транспортному средству мог обеспечить легкий въезд и выезд пассажирам с ограниченной подвижностью, пользователям инвалидных колясок, детских колясок и для погрузки товаров.
Пневматическая система регулировки высоты движения позволяет увеличивать или уменьшать высоту автомобиля. Пневматический резервуар и компрессор используются совместно с другими системами и обеспечивают независимое регулирование подачи воздуха в подвеску на каждом углу для точного контроля уровня пола автомобиля.
Компания NEVS заявила, что будет использовать технологии Protean в будущих конструкциях автомобилей, когда сочтет это целесообразным. Но Hyundai Mobis опередил ее в постановке подобного решения на серийный поток. Впервые собственный электронный угловой модуль E-Corner, который объединяет системы рулевого управления, торможения, подвески и электропривода в одном колесе корейцы представили осенью 2021 года. И уже в январе 2024 года он стоял на концепт-каре Mobion на базе Hyundai Ioniq 5, позволяя индивидуально управлять каждым из четырех колес машины для обеспечения боковых перемещений, движения по диагонали и поворотов. Другими словами, Mobion может двигаться вперед и назад, а также вбок и по диагонали.
Согласно Hyundai Mobis, ходовые характеристики системы e-Corner были успешно протестированы на дорогах в 2023 году. Ранее тестовые автомобили, оснащенные новой системой привода, эксплуатировались только на закрытой местности. Данные о характеристиках E-Corner пока не представлены.
Кстати, модуль e-Corner – не единственная инновация e-drive, над которой работает Hyundai Group. В конце ноября 2023 года Hyundai и Kia представили так называемую «Систему универсального привода на все колеса» (сокращенно Uni Wheel), в которой электропривод расположен предельно близко к колесу – двигатель центральной оси больше не требуется. Однако в Uni Wheel используется обычная подвеска, и угол поворота каждого колеса не превышает 90 градусов.
Подвеска без амортизатора и пружин?
Вы скажете – это невозможно. Но не торопитесь. Британскому консорциуму удалось создать совершенно невероятный на грани черной и белой магии прототип подвески без амортизаторов и пружин, которая, тем не менее, полстью выполняет свою демпфирующую функцию и даже более того!
Это инженерное чудо называется LIFT (Lightweight Innovative Flexible Technology –Легкая Инновационная Гибкая Технология) и она почти на 40% легче обычной системы с двойными поперечными рычагами. Добиться такого уровня снижения веса автомобиля, в погоне за каждый грамм, было впечатляющим достижением интенсивного научно-исследовательского проекта, осуществляемого Simpact, Ariel (производителями спортивных автомобилей Ariel Atom и Nomad) и Университетом Уорика.
Современные системы подвески автомобилей развивались на основе концепции крепления рычагов к шасси. Рычаги и шасси жесткие, а контроль над поведением колес обеспечивается кинематикой системы. При проектировании подвески используются готовые компоненты, такие как втулки и пружинно-амортизационные узлы. В современных системах подвески нет ничего плохого, но партнеры по проекту полагали, что экономии массы можно добиться за счет нового комплексного подхода.
LIFT принципиально отличается; это гибкая система подвески, которая сочетает в себе функциональность пружинно-амортизационного блока с управлением рулевым колесом. Система, которая органично следует за дорогой, подобно крыльям ястреба. Это обеспечивает превосходный контроль кинематики колес, низкую динамическую массу и меньшее количество компонентов. Благодаря такому целостному представлению и интеграции функций упругости и демпфирования в новый дизайн получаются значительные преимущества.
Применение на спорт-каре Atom всего за один год стали возможными благодаря виртуальной программе инженерных испытаний и разработок. Эта высокоспециализированная, но эффективная методология, обеспечивающая решение «с первого раза». Компания Simpact, специализирующаяся на этой технике, создала подробную имитационную модель современного Ariel Atom и сопоставила ее с рядом статических и динамических испытаний, включая проверку на трассе и стендовый тест. Затем коррелированная модель позволила Simpact исследовать ряд конструктивных решений в условиях широкого спектра сценариев загрузки в виртуальной среде. Это позволило найти наиболее оптимальное решение до того, как деталь должна была изготовлена и испытана.
Результатом стал LIFT - инновационная гибкая композитная система подвески, которая обеспечивает снижение веса на 38,5% по сравнению с базовой моделью Ariel Atom без потери функциональности. При применении к современному автомобилю мы можем ожидать большей экономии веса там, где мы можем сочетать функциональность других компонентов, отсутствующих в Atom (например, стабилизатора поперечной устойчивости). Анализ существующей системы передней подвески Toyota Yaris позволил снизить вес на 46%.
Вы спросите: как же LIFT работает? Отвечаем. Обычная подвеска на двойных поперечных рычагах требует использования спиральной пружины для поддержания веса автомобиля и амортизации движений колес, в то время как амортизатор необходим для демпфирования и рассеивания поглощенной энергии, но система LIFT передает все эти функции гибкому нижнему рычагу подвески.
В его прототипе используется тщательно сконструированное переплетение композитных волокон разной толщины для выполнения работы пружины, но технология будет развиваться и будет включать пьезоволокна, которые заменят амортизатор.
Разработчики утверждают, что пьезоволокна способны изменять свою гибкость при подаче электрического тока, что позволяет контролировать демпфирующие свойства изделия с помощью быстрой компьютерной обработки. Эволюция композитной конструкции также позволит пьезоволокнам вырабатывать электроэнергию для использования в гибридных и электрических силовых агрегатах, точно так же, как она вырабатывается при рекуперативном торможении.
Все дело в массе
Тем, кому идея с подвеской из пьезоволокон кажется чересчур революционной и не осуществимой стоить вспомнить о том, что тенденция снижения неподрессоренной (да, и подрессоренной тоже) массы не теряет своей злободневности. Причем она актуальна не только для классический автомобилей с ДВС, но так же и для электромобилей. Поэтому вектор развития однозначен – автомобильная конструкторская мысль будет постоянно искать и апробировать решения для снижения веса, какими бы смелыми и даже умопомрачительные он ни казались.
Ведь более легкие машины позволяют повысить производительность и топливную (энергетическую) экономичность. Поэтому каждый сектор автомобилестроения находится под пристальным вниманием на предмет снижения веса.
Шасси и подвесные системы являются одним из таких секторов – использование более легких металлов и композитных материалов для компонентов является растущей тенденцией среди поставщиков и производителей. За последние годы мы стали свидетелями ряда инноваций в использовании углепластиков (CFRP) и стеклопластиков (GRP) для изготовления легких деталей подвески, и отрасль ожидает, что эта тенденция сохранится.
Еще в 2014 году Audi представила пружины подвески из стекловолокна, стремясь снизить вес, и не остановилась в развитии этих идей. Облегченные пружины, изготовленные из полимерного композита, армированного стекловолокном, позволили снизить вес каждой пружины на 2,5 кг и на 40% по сравнению со стальными пружинами. Пружины изготовлены из длинных стеклянных волокон, скрученных вместе и пропитанных эпоксидной смолой. Затем эта конструкция обматывается большим количеством стеклянных волокон под углом 45 градусов. Помимо того, что пружины из стекловолокна обладают прочностью, сравнимой со стальными, они не подвержены коррозии или воздействию химических веществ и потребляют меньше энергии при производстве.
Аналогичного прогресса добилась Volvo, представив новые рессоры для XC90, изготовленные из композитного материала, армированного стекловолокном. За ними стояли поставщики Henkel и Benteler-SGL. Компания Henkel (хорошо известная своей адгезивной технологией) также производит решения для автомобильных конструкционных компонентов с использованием литья смолы под высоким давлением (HP-RTM).
Двухкомпонентная полиуретановая композитная матрица Loctite MAX 2 компании позволила специалисту по композитам Benteler-SGL изготовить пружины RTM, армированные стекловолокном. Эти новые композитные компоненты, используемые вместо традиционных стальных пружин, снижают вес на 4,5 кг. Одним из ключевых преимуществ с точки зрения производства является то, что Loctite MAX 2 от Henkel имеет очень низкую начальную вязкость. Это обеспечивает быстрое впрыскивание в форму и превосходное проникновение между стекловолокнами, в то время как быстрое время отверждения может позволить демонтировать деталь всего за одну минуту.
Проблема себестоимости производства четко обозначена концептом на другом конце шкалы - Ford GT. В легком суперкаре используется ряд материалов, таких как магний и углеродное волокно, что значительно снижает вес, и, по словам представителей марки, отражает «целое десятилетие работы в областях, связанных с малым весом». Но новый GT стоимостью более 400 000 долларов как нельзя лучше подчеркивает проблему стоимости. Впрочем, по мере удешевления производственных процессов технология будет распространяться и на массовые модели. Некоторые смельчаки предсказывают появление и титановых подвесок. Хотя это кажется уже слишком дорого. И всегда будет слишком дорого.
Так что скорее уж более современные композиты. Одна из разработок, проводимых ZF, демонстрирует использование стеклопластика для уменьшения количества компонентов в типичной оси. Там, где обычное шасси оснащено сложной концепцией рычага и пружины, инженеры ZF использовали единственный компонент - направляющую колесо поперечную пружину - для решения задачи оптимального удержания на дороге. Помимо снижения веса, этот компонент упрощает конструкцию оси и ее промышленную установку.
Еще одним нововведением является облегченная стойка подвески McPherson, которая изготовлена из стеклопластика и весит вдвое меньше, чем обычные стальные стойки подвески. Концепция ориентирована на использовании в мини- и микроавтобусах весом до тонны.
Интеллектуальные пружины
В развитии процесса снижения массы пружины, как, скорее всего, и некоторые другие компоненты ходовой части обретут интеллект – отрасль уже является свидетелем интеграции искусственного интеллекта (ИИ) и технологий прогнозирования в систему подвески. Эта новая волна инноваций позволяет проводить анализ в режиме реального времени и реагировать на различные сценарии вождения, постоянно адаптируя настройки.
Инновационные решения компании TEVEMA позволяют использовать возможности интеллектуальных датчиков и регулировку демпфирования в режиме реального времени для обеспечения наилучших эксплуатационных характеристик рессор подвески.
Интеллектуальные пружины TEVEMA предназначены для получения данных о динамике подвески в режиме реального времени, что позволяет проводить точную диагностику и профилактическое техническое обслуживание. Встроенные в пружины датчики измеряют сжатие, растяжение и частоту, предоставляя важную информацию об амортизации и центровке колес.
Эти данные передаются в электронный блок управления автомобиля, который соответствующим образом регулирует усилие демпфирования, обеспечивая оптимальную производительность без ущерба для безопасности. Основное преимущество интеллектуальных пружин TEVEMA перед традиционными системами подвески заключается в дополнительном уровне точности и изощренности настройки подвески. Традиционные системы основаны на пружинах общего назначения, которые имеют более ограниченные возможности адаптироваться к изменяющимся условиям вождения.
Интеллектуальные пружины TEVEMA, с другой стороны, спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать регулировку демпфирования в режиме реального времени, улучшая отзывчивость и адаптивность подвески. Эта функция особенно полезна при движении на высоких скоростях и в условиях высокой нагрузки, когда точная реакция подвески необходима для оптимальной управляемости и безопасности.
Интеллектуальные пружины TEVEMA могут быть настроены в соответствии с уникальными требованиями автомобиля, от веса и управляемости до стиля вождения и рельефа местности.