Подвеска автомобиля: новое измерение

По мере того, как автомобильная промышленность внедряет беспрецедентные технологические достижения, системы подвески транспортных средств претерпевают серьезные изменения. На ведущих мировых рынках, где производительность, безопасность и комфорт имеют первостепенное значение, системы подвески активно развиваются, чтобы соответствовать потребностям современных транспортных средств. От появления электромобилей (EV) до внедрения автономного вождения – будущее автомобильных «ходовок» определяется инновациями и спросом клиентов на превосходное качество езды. Давайте рассмотрим самые свежие инновационные решения в этой области.

Чувствительные клапаны

В настоящее время для достижения желаемого уровня виброизоляции в транспортных средствах используются почти исключительно гидравлические амортизаторы, работающие параллельно с упругими элементами подвески. И даже в так называемых «газовых» амортизаторах (не путать с пневмоподушками) используется специальная жидкость, часто и не вполне корректно именуемая «масло».

Гидравлические амортизаторы гасят вибрации и смягчают удары за счет дросселирования этой жидкости, проходящей через сужение, а как вы знаете, любая жидкость, в том числе и маслообразная, меняет свою вязкость при изменении температуры. Стандартный амортизатор заполнен особым составом (будем использовать общепринятое – маслом), который вместе с клапанной системой отвечает за демпфирование. Поэтому в случае с обычным масляным амортизатором автомобиль на холоде в движении становится очень жестким — водители говорят, что он «гремит», и только после прогрева становится комфортнее. С другой стороны многие пользователи отмечают, что при высоких температурах окружающей среды автомобиль начинает «плыть» при движении по неровной дороге. Это происходит из-за низкой вязкости масла. И здесь мы подходим к сути инновационного предложения, которое не зависит от колебаний температуры.

Компания Master-Sport разработала амортизатор с новой клапанной системой, оснащенной биметаллической пружиной. В нем зависимость силы демпфирования от амплитуды температуры оказалась гораздо более гармоничной по сравнению с амортизатором обычной конструкции. Например, при температуре -40°C сила сжатия составляет 1980 Н, а сила отбоя — 405 Н. При нулевой температуре аналогичные показатели равны 1940 Н и 392 Н. В свою очередь, при +50°C – 1790 и 348 Н. Вывод? Эти значения оказались очень близки друг к другу, и, значит, поведение автомобиля в столь разных условиях практически идентично.

А теперь смотрите, что мы имеем у амортизаторов обычно конструкции, у которых силы демпфирования при различных температурах очень существенно отличается. Исследования показали, что обычные амортизаторы при температуре -40°C имеют силу сжатия 3033,6 Н и силу отбоя 1222,02 Н. При нулевой температуре аналогичные показатели составили: 2009,76 Н и 436,905 Н. В свою очередь, при +50°C: 1706,4 Н и 376,68 Н.

Инновационное решение уже защищено патентом, а детали прогрессивной технологической идеи теперь раскрыты. Они обеспечивают нечувствительность к изменению температуры за счет, как уже было отмечено использования специально разработанной клапанной системы. Ее преимущество в том, что она как бы «распознает» температуру масла и динамически адаптируется к заранее установленным характеристикам вибрации, поэтому независимо от вязкости (температуры) масла сила демпфирования амортизатора практически не меняется, оставаясь на оптимальном уровне. Более того, проведенное тестирование на ухудшение характеристик показало, что параметры остаются неизменными на очень больших пробегах, поэтому производитель готов предоставить своим клиентам гарантию до 80 тысяч км.

Для устойчивости управления

Новый McLaren W1, преемник культовых McLaren F1 и P1, отличается революционными инновациями, как в конструкции, так и в дизайне. В основе этого суперкара лежит совершенно новый 4,0-литровый двигатель V8 с двойным турбонаддувом MHP-8, входящий в состав высокопроизводительной гибридной силовой установки, которая развивает поразительную мощность 1275 л. с.

Но в контексте данного разговора нас больше интересует, конечно же, его ходовая часть – система McLaren Race Active Chassis Control III, которая включает в себя активную подвеску с продольным перемещением, титановые компоненты, напечатанные на 3D-принтере, активные задние поперечные рычаги и адаптивное демпфирование. Такая усовершенствованная подвеска позволяет W1 сохранять уверенную устойчивость и маневренность, как на дороге общего пользования, так и на спортивной трассе. Двойные поперечные рычаги передней и задней подвески дополнительно улучшают динамику вождения, обеспечивая баланс точности и комфорта.

Примечательно, что McLaren Automotive стал последним производителем гиперкаров, внедрившим технологию Divergent Adaptive Production System (DAPS) и детали, изготовленные методом аддитивного производства. Но сделал это весьма продуманно и с большими перспективами – британский автопроизводитель заключил многолетнее соглашение о сотрудничестве с калифорнийской компанией Divergent Technologies, занимающейся промышленным цифровым производством, чтобы развивать использование аддитивных технологий в выпуске автомобилей. 

Революционная технология DAPS от Divergent позволяет McLaren интегрировать более сложные и инновационные конструкции в архитектуру своих автомобилей, особенно в компоненты подвески, напечатанные на 3D-принтере. Эта система, включающая титановые компоненты, напечатанные на 3D-принтере, дает возможность McLaren значительно снизить вес критически важных конструкций, повысить эффективность производства и создать более устойчивую цепочку поставок.

Система подвески W1 работает в сочетании с передними и задними активными аэродинамическими элементами, встроенными в уникальную конструкцию днища, обеспечивающую высокие аэродинамические показатели. Это позволяет использовать крутящий момент на ведущей оси, обеспечивая необходимый уровень нагрузки и сцепления с дорогой, что снижает потребность в полном приводе и, следовательно, в дополнительном весе на передней оси.

В соответствии с влиянием «Формулы-1» передняя подвеска также включает в себя титановые торсионные стержни и поперечный рычаг с активным элементом для контроля крена, а задняя подвеска для контроля крена оснащена поперечным рычагом с активными амортизаторами.

Строго горизонтально в любой ситуации

Прогрессивные новации внедряются не только в нише дорогостоящих гиперкаров, но и в более массовых сегментах. Сначала, естественно, премиальных, чтобы потом дойти и до бюджетного класса. Одно из таких решений – система подвески 6D Dynamics нового Range Rover Sport SV, которая является самой сложной в своем классе. Это первая в мире комбинация гидравлических взаимосвязанных амортизаторов, пневматических пружин с регулировкой высоты и системы контроля крена.

Данная полуактивная система, которая устраняет необходимость в обычных стабилизационных балках (стабилизаторах поперечной устойчивости), значительно уменьшает крен и раскачивание, поддерживая практически ровное положение кузова во время резких поворотов и ускорений, а также снижает вес, повышает сцепление с дорогой и улучшает комфорт и плавность хода. Фактически, эта первая в мире система настолько эффективно контролирует крен, что на установленных всесезонных шинах достигается боковое ускорение 1,1g.

Помимо снижения веса на 8 кг по сравнению с традиционными антикреновными системами, подвеска 6D Dynamics интеллектуально реагирует на различные стили вождения, обеспечивая широкий спектр характеристик управляемости, соответствующих текущим условиям. Новый режим SV включает в себя уникальную калибровку жесткости на скручивание, жесткости на продольный изгиб, демпфирования сжатия и отдачи, а также дополнительное снижение автомобиля на 15 мм для обеспечения максимальной динамики.

А поскольку кроссовер остается, скажем так, более горизонтальным, а вес распределяется более равномерно, большая часть тормозной силы направляется на заднюю ось для повышения эффективности торможения.

Весь секрет, повторимся, в том, что традиционные стабилизаторы поперечной устойчивости заменены на взаимосвязанные гидравлические амортизаторы, которыми управляют два блока управления. Говоря простым языком, амортизаторы с гидравлическим приводом могут активно регулировать степень сжатия и отбоя. Это работает за счет того, что гидравлическая жидкость перетекает с одного борта автомобиля на другой, противодействуя крену кузова, в то время как центральный блок распределения нагрузки управляет давлением жидкости на обеих осях, чтобы уменьшить угол наклона. Чрезвычайно продуманная система, в сочетании с рулевым управлением задними колесами, системой распределения крутящего момента и активным задним дифференциалом позволяет кроссоверу вести себя так, как не должен вести себя автомобиль такого веса и размера.

 В 2023 году, по данным  GlobalData, рынок автокомпонентов для системы подвески оценивался примерно в 84,9 млрд долл. США, и, по прогнозам, к 2030 году он вырастет до 118,3 млрд долл. США, достигнув среднегодового темпа роста 4,9% в период с 2024 по 2030 годы.

 Комплкесный подход

Анализируя самые последние инновации в области подвески транспортных средств, приходишь к выводу, что будущее этой системы в комплексных решениях. Отрасль уходит от отдельных разрозненных продуктов, представляющих собой набор рычагов, стоек, сайлентблоков и проч. компонентов, нередко выпущенных разными производителями, и обращается к совокупным узлам из «одного окна». Одно из таких решений предлагает компании Marelli.

Технология основана на электромеханической системе, которая по-новому управляет вертикальной динамикой подвески автомобиля, представляя собой передовую альтернативу традиционным амортизаторам. Преимущества включают повышенную безопасность автомобиля, повышенные эксплуатационные характеристики и комфорт, а также высокую эффективность.

Система автономно определяет оптимальное поведение подвески каждого колеса автомобиля, нейтрализуя вибрацию и колебания кузова. Она состоит из четырех электронно-управляемых приводов, которые в режиме реального времени регулируют параметры подвески и демпфирования каждого колеса, обеспечивая оптимальное управление и комфорт при движении. Информация обрабатывается всего за 5 миллисекунд, чтобы с помощью интеллектуального алгоритма определить действия, необходимые в различных условиях. Таким образом, система активно корректирует и адаптируется к неровностям дороги и дорожным ситуациям, обеспечивая устойчивость и комфорт, создавая ощущение «волшебного ковра». Это помогает уменьшить укачивание, особенно во время таких занятий, как чтение или работа с ноутбуком – они, как ожидается, станут более распространенными с развитием беспилотного вождения.

Каждый из четырех приводов состоит из бесщеточного двигателя и редуктора с высоким передаточным числом, который соединяется с рычагом ходовой части и позволяет активно перемещать подвеску. Двигатели управляются специальными инверторами, получающими целевое значение хода от центрального блока, где находится программное обеспечение для управления динамикой автомобиля. Это современное программное обеспечение рассчитывает наиболее подходящее целевое значение для каждого привода на основе информации, полученной от датчиков (акселерометров и датчиков хода), установленных на подвеске, а также от других систем с электронным управлением, установленных в автомобиле.

Оно отслеживает самые различные сигналы, такие как ускорение, ход подвески, угол поворота рулевого колеса, параметры основного силового агрегата, нажатие на педаль тормоза, требуемый крутящий момент и т. д. и прогнозирует действия, которые должен выполнять каждый привод по отношению к рычагу подвески, чтобы установить необходимую силу реакции. Блок привода, встроенный в привод, получает запрос на силу от центрального ЭБУ и рассчитывает параметры (целевой ток) для управления электродвигателем привода с помощью встроенного алгоритма. Система питается от электрической цепи напряжением 48 В, встроенной в электрическую сеть транспортного средства.

Важно учесть, что система полностью не содержит масла и предназначена для сбора энергии и рекуперации электроэнергии, обеспечивая до 80% энергоэффективности по сравнению с пассивными или полуактивными системами. Таким образом, она может обеспечить все функции при практически нулевой «затрате энергии» для транспортного средства. Технология, которая адаптируется к различным конструкциям транспортных средств, имеет уменьшенный объем и вес, что обеспечивает большую гибкость для автопроизводителей при проектировании. Она также упрощает производственные процессы, сокращая время выхода на рынок.

Шаровой шарнир по-новому

Впрочем, и в сфере разработки отдельных деталей для ходовой части автомобилей остается пространство для изобретений и усовершенствований.

Неровные дороги — настоящее испытание для компонентов, отвечающих за передачу нагрузки от колес движущегося автомобиля на пружинную систему. В шаровом шарнире (поворотном кулаке) обычно есть пара взаимодействующих частей – вкладыш (иногда называемый обоймой) из модифицированного пластика и шаровой палец. Традиционные решения основаны на фиксации таких движущихся компонентов с помощью заполненных смазкой корпусов.

В процессе обычной эксплуатации вкладыш подвергается абразивному износу. Появляется зазор, из-за которого подвеска начинает шуметь. Как уменьшить обычный износ компонентов? Для уменьшения зазоров предложено использовать специальное кольцо. Эта инновационная идея воплотилась в патенте на шаблонную модель, созданную в Польше.

Зазор между пальцем и вкладышем компенсируется автоматически, что, конечно, продлевает срок службы шарового шарнира, уменьшает неприятный стук в подвеске и повышает безопасность вождения. Как показали испытания, усилие, необходимое для разрушения пальца при такой конструкции повышается примерно на 15–50%, в зависимости от качества традиционных предложений.

Большая прочность и долговечность этого пальца была достигнута, кроме того, и благодаря прессованию конструктивных элементов, ответственных за работу узла. Прессование детали с высокой точностью повышает ее прочность – в то время как минимальные требования к OE изделиям составляют 15 кН, у описанного шарового шарнира прочность достигает минимум 20 кН. Это позволяет предоставлять на узел  5-летнюю гарантию.

Для гусеничной техники…

В довольно консервативном сегменте коммерческого транспорта и спецтехники так же регулярно появляются новаторские разработки в области ходовой части. Например, новая система подвески повышенной проходимости Case IH для тракторов Quadtrac 2025 года получила награду EIMA International 2024 в номинации «Технические инновации» от международной экспертной комиссии.

Сверхпрочная подвеска разработана с нуля для мощности 715+ лошадиных сил, как у недавно представленного Quadtrac 715. Система полностью механическая и гидравлическая, без дополнительных датчиков или проводов. Независимая подвеска опорных и средних катков в ходовой части обеспечивает снижение вертикального ускорения в кресле оператора во время движения по дороге на 42%. 

Благодаря независимой двухрычажной подвеске средние катки полностью повторяют контуры почвы, обеспечивая более высокую скорость передвижения по полю в сложных условиях, что позволяет работать с высокой производительностью и получать желаемые результаты от навесного оборудования. Система также увеличивает площадь контакта гусеницы с почвой для большей тяговой мощности и минимально возможного давления на почву, сводя к минимуму уплотнение и размазывание почвы. 

Так же стоит отметить, что в сравнении с другими моделями у трактора ведущие колеса больше на 11% , а гусеница длиннее на 5% длиннее. Это обеспечивает более длительный срок службы гусеницы. Система не требует смазки и обслуживания втулок и штифтов. Автоматическая система натяжения гусениц обеспечивает правильное натяжение независимо от условий.

…и автобусов

В компании HEMSCHEIDT Fahrwerktechnik уверены, что будущее автомобильной техники – это системы шасси, работающие без сжатого воздуха. Ведь сжатый воздух является одним из основных потребителей энергии для подвески и амортизации автомобиля. Кроме того, он занимает слишком много места. Более эффективная альтернатива – использование масла в качестве гидравлической жидкости для гидропневматической подвески и амортизации.

Высокая энергетическая плотность масла означает, что время реакции и чувствительность шасси будут очень высоки. Масло передает усилия практически без потерь энергии. В случае больших перемещений груза, например, когда пассажиры выходят из автобуса или заходят в него, гидропневматическая система подвески выравнивает автобус за доли секунды.

Кроме того, и энергоэффективность значительно выше, чем при использовании сжатого воздуха. Это связано с тем, что масло как гидравлическая рабочая жидкость постоянно используется повторно в закрытом гидропневматическом контуре. Благодаря этому инновационному решению можно сэкономить более двух третей энергии, которая обычно используется для подъема и опускания автобуса.

С обычными подвесными и амортизирующими системами, работающими на сжатом воздухе, ситуация прямо противоположная. Просто из-за работы компрессора две трети энергии теряется. В конце обычной операции подъема и опускания с использованием сжатого воздуха, например, на автобусной остановке, теряется более 80% использованной энергии.

Компания HEMSCHEIDT Fahrwerktechnik разработала новую гидропневматическую систему подвески и амортизации в ходе интенсивного взаимодействия с заказчиками из сектора коммерческого транспорта, а также с производителями осей и шасси. Данная инновация открывает новые возможности для транспортных средств всех типов в сфере автобусных перевозок. Особенно сильно ее преимущества проявляются в сегменте электротранспорта. Гидропневматическая система подвески и амортизации экономит заряд аккумуляторов электробусов и обеспечивает более длительное время работы. Благодаря использованию масла в качестве гидравлической жидкости в шасси электробусы имеют значительно больший запас хода, что крайне важно для экономичной и эффективной эксплуатации, особенно в сфере местного общественного транспорта.

Кроме того, компоненты шасси, необходимые для гидропневматической системы, намного меньше по размеру. Благодаря высокому давлению, которое можно достичь с помощью гидравлических систем, чрезвычайно компактные цилиндры подвески требуют сравнительно небольшого пространства для установки на колесе.

Превосходная энергетическая плотность масла и быстрая передача энергии, которая из этого следует, дают преимущества и для других функций. При наличии соответствующих средств управления нагрузки могут распределяться между различными колесами или осями. Таким образом, система функционирует как гидравлический стабилизатор, который может компенсировать моменты крена без использования дополнительных компонентов. К тому же, необходимое демпфирование для транспортного средства может быть напрямую интегрировано в гидравлическую систему, так что подвеска и демпфирование обеспечиваются одной системой.