Подвеска с тягой

Подвеска с тягой и подвеска с толкателем относятся к специализированному типу автомобильной подвески , которая в значительной степени основана на системе с двойным поперечным рычагом , включающей элементы широко используемой стойки Макферсона . ^[1]

В автомобилях подвеска относится к системе, посредством которой транспортное средство поддерживает контакт между всеми своими колесами и землей. Обычно это достигается с помощью использования амортизаторов и пружин, которые обеспечивают направленные вниз силы на колесах для противодействия ударным толчкам. Однако в системах подвески с толкающими штангами эта стойка устанавливается поперек шасси, параллельно земле, в отличие от обычно используемой перпендикулярной системы. Таким образом, системы подвески с толкающими штангами позволяют перемещать основные компоненты из прямого воздушного потока, ближе к центру тяжести, и позволяют опустить центр тяжести, тем самым создавая более эффективное распределение веса и управление креном кузова.

В результате системы подвески с толкающими штангами могут предоставить уникальный путь для производительности, хотя и за счет повседневной управляемости, практичности и комфорта. Из-за этого системы подвески с толкающими штангами, как правило, наиболее широко используются в автомобилях, не предназначенных для дорог общего пользования, будучи специализированными для гоночных лиг формул , особенно Формулы-1 , ^[1] но редко встречаются в серийных автомобилях.

В 1960-х годах Brabham Automotive была крупнейшим производителем гоночных автомобилей с открытыми колесами в мире, заслужив известность несколькими победами в чемпионатах Формулы-2 и Формулы-3 . На протяжении 1960-х и вплоть до 1980-х годов Brabham вела жесткую конкуренцию с гоночными командами Lotus и McLaren , что создало необходимость в инновациях в чемпионатах по гонкам на формульных автомобилях.

В 1979 году инженер Гордон Мюррей , работавший под руководством Brabham, дебютировал с инновационной системой подвески с тягой на этапе Формулы-1, ^[2] реализовав конструкцию в гоночном автомобиле BT49 . Эта новая конструкция была революционной, поскольку отход от архаичной гидропневматической подвески, использовавшейся ранее, позволил значительно снизить дорожный просвет и аэродинамическую эффективность BT49, обеспечив победу в чемпионате в течение четырех сезонов с 1979 по 1982 год для Brabham.

В течение следующих двух десятилетий популярность подвески с тягой на гоночных автомобилях формулы колебалась, но неуклонно росла и в основном была обусловлена ​​инновациями и оптимизацией тех команд, которые продолжали ее использовать. Тем не менее, наблюдался заметный спад в использовании подвески с тягой в гонках формулы с середины 1990-х до начала 2000-х годов из-за изменения правил гонок формулы относительно высоты дорожного просвета и аэродинамики, а также изменения приоритетов гоночных команд с точки зрения целей производительности. ^[2]

Только в 2009 году тяговая подвеска возродилась в гонках формул, где новое изменение правил предусматривало, что передние крылья могут быть шире, задние крылья должны быть уже и выше, а диффузоры должны быть более жестко ограничены по размеру и форме. В ответ на это главный технический директор Red Bull Racing , инженер и специалист по аэродинамике Эдриан Ньюи увидел, что для тяговой подвески появилась новая ниша. Поскольку диффузор гоночного автомобиля RB5 сместился дальше назад, он понял, что тяговая подвеска поможет оптимизировать поток воздуха под автомобилем и в его аэродинамические компоненты. ^[3] В результате, пересмотренный RB5, используемый в сезоне 2009 года, обеспечил себе одну-две победы в Шанхае , Абу-Даби и Гран-при Великобритании .

Система тяги была снова принята на вооружение в сезоне Формулы-1 2022 года , после того как в последний раз она была замечена в 2015 году на Ferrari SF15-T , на передних подвесках Red Bull Racing RB18 и McLaren MCL36 . ^[4]

Подвеска с толкающим стержнем и тяговым стержнем похожи, но отличаются по конструкции, причем основное отличие заключается в размещении коромысла, которое управляет демпфированием удара по отношению к верхнему рычагу управления. По сути, это означает, что обе системы — толкающее стержне и тяговое стержне — функционально имеют одинаковую конструкцию. ^{[5] [6]}

В системе подвески с толкающими штангами есть верхний и нижний рычаги управления, по конструкции похожие на раму с двойным поперечным рычагом, которые обеспечивают структурно интегральное соединение между ступицами колес и шасси. Эти рычаги способны поворачиваться внутрь к центру автомобиля, что означает, что когда колеса испытывают толчки от земли, они движутся вверх и вниз. ^[2]

Между этими двумя рычагами управления поперечными рычагами ступицы колес соединяются с жесткой «толкающей штангой». Здесь, когда колеса движутся в поперечном направлении, эта штанга будет толкать вверх качающийся коромысло, создавая «качающееся» движение, которое преобразует поперечные силы от земли в продольные силы внутрь к шасси. ^[7]

На противоположном конце этого коромысла поперечно установлен амортизирующий койловер, по конструкции похожий на стойки Макферсона, которые обычно встречаются в серийных автомобилях. Поэтому, когда колеса движутся вверх и вниз по отношению к дороге, силы передаются внутрь к прочному шасси монокока, а не вверх в автомобиль. Таким образом, системы подвески с толкающими штангами обеспечивают гораздо большую устойчивость на высокой скорости, гораздо меньшие уровни крена кузова и гораздо более низкий центр тяжести автомобиля. ^[7]

Для систем подвески с тяговыми штангами единственное отличие заключается в ориентации коромысел. В системе с толкающими штангами коромысла расположены в самой высокой точке узла. Таким образом, шток находится под давлением, поскольку он передает силы сжатия вверх в коромысла. Однако в системе с тяговыми штангами коромысла расположены между верхним и нижним рычагами управления, в центре узла. Таким образом, шток находится под напряжением, поскольку он тянет против коромысел. ^[2]

Кроме того, рулевой механизм в системах подвески с толкающими штангами сильно отличается от обычных транспортных средств. В обычной системе рулевого управления рулевое колесо соединяется с рулевой колонкой, формой «реечной передачи», которая преобразует вращательное движение в линейное движение, которое поворачивает передние колеса. Однако в системе подвески с толкающими штангами рулевое управление управляется шаровыми шарнирами, расположенными на концах рычагов управления, которые позволяют ступицам колес и автомобилю поворачиваться. ^[2]

В результате этих факторов компоновка толкающей штанги отличается от других систем подвески, поскольку, в отличие от других, ее можно проектировать и собирать с компонентами, расположенными ближе или дальше от центра тяжести транспортного средства. В результате инженеры могут оптимизировать производительность своего транспортного средства в этой области, жертвуя комфортом и практичностью в пользу аэродинамики, управляемости и устойчивости на трассе.

Главные преимущества системы подвески с тяговыми штангами на гоночном автомобиле, ориентированном на гоночный трек, в первую очередь связаны с возможностью перемещения компонентов подвески ближе к земле, опускания шасси автомобиля и понижения центра тяжести для повышения эффективности в поворотах, крена кузова и устойчивости на высокой скорости. ^{[2] [7]}

Чтобы оптимизировать гоночный автомобиль для гонок по формулам или для других целей, инженеры в первую очередь должны сосредоточиться на том, насколько легко автомобиль может разгоняться и достигать максимальной скорости, насколько эффективно автомобиль может преодолевать и направлять окружающий его воздух, а также насколько эффективно кузов автомобиля может направлять этот воздух в свои аэродинамические компоненты для улучшения характеристик автомобиля на поворотах. ^{[8] [ ненадежный источник? ]}

В гоночных лигах формул правила часто предусматривают, что гоночные автомобили должны использовать двигатели с малым рабочим объемом и малой мощностью с легким шасси, чтобы сместить фокус гонки с инженерии на возможности вождения. В результате этих меньших двигателей специализированные гоночные автомобили, как правило, более чувствительны к силам, действующим на них, и незначительное увеличение величины этого сопротивления, веса и сил трения может иметь гораздо большее влияние на рабочую нагрузку и эффективность двигателя. ^{[8] [ ненадежный источник? ]} Подвеска с тягой, способная отодвинуть компоненты от основных воздушных каналов, поэтому способна снизить рабочую нагрузку на меньшие двигатели и улучшить ускорение во всем диапазоне мощности. ^[7]

Другим важным преимуществом использования тяговой подвески при проектировании автомобиля для гонок по формулам является оптимизация компонентов не только для снижения сопротивления, но и для улучшения прижимной силы. Сопротивление в целом является важной областью беспокойства для любого гоночного автомобиля, поскольку сопротивление играет прямую роль в определении общей производительности автомобиля, не только снижая ускорение и максимальную скорость, но и создавая турбулентность и нестабильность. ^[7] В обычной системе подвески амортизаторы и другие подобные компоненты располагаются под автомобилем, возмущая воздух вокруг себя и снижая эффективность, с которой воздух перемещается над и вокруг автомобиля, создавая существенное сопротивление. Однако тяговая подвеска отодвигает весь узел подвески от нижней части автомобиля, значительно повышая эффективность воздушного потока в необходимом воздушном канале. ^[2] Чем эффективнее воздух может проходить над и вокруг корпуса автомобиля, тем эффективнее этот воздух может быть направлен в сплиттеры, диффузоры и крылья автомобиля для создания прижимной силы. ^{[8] [ ненадежный источник? ]} По мере увеличения прижимной силы автомобиль становится более устойчивым на трассе, что улучшает сцепление шин с дорогой и, как следствие, характеристики прохождения поворотов и курсовую устойчивость.

Наконец, при проектировании специализированного гоночного автомобиля еще одной важной областью, вызывающей беспокойство, является способность проходить повороты, поскольку чем быстрее автомобиль способен сохранять сцепление на поворотах, тем меньше времени тратится на торможение и ускорение. При прохождении поворотов двумя самыми большими ограничивающими факторами являются прижимная сила и крен кузова. ^[2] Крен кузова происходит, когда центростремительные силы инерции, возникающие при повороте, перегружают амортизаторы на внешней стороне автомобиля, заставляя кузов «наклоняться» или крениться на одну сторону. ^{[8] [ ненадежный источник? ] [9]} В обычных конструкциях подвески наличие амортизаторов, выступающих перпендикулярно кузову, создает повышенную способность к крену кузова, поскольку силы действуют непосредственно вверх на катушки. Однако в конструкциях подвески с тяговыми штангами наличие поперечных рычагов и амортизаторов, установленных на одной линии с кузовом, вместо этого транслирует эти силы в продольном направлении, оставляя меньше места для крена кузова и значительно улучшая сцепление на поворотах. ^[9] Это также позволяет значительно снизить центр тяжести автомобиля, тем самым удовлетворяя обоим ключевым элементам способности проходить повороты на высокой скорости.

По этим причинам подвеска с толкающими штангами получила широкое распространение в гоночных лигах, ориентированных на трековые гонки, поскольку ее преимущества распространяются на многие аспекты общей производительности автомобиля.

Основные недостатки системы подвески с толкающими штангами связаны с общей стоимостью, практичностью и маневренностью при ежедневном использовании на серийных автомобилях.

Дорожные серийные автомобили, в отличие от чистокровных гоночных автомобилей, уделяют особое внимание комфорту, удобству использования и практичности в повседневной жизни. По этой причине подвеска с толкающими штангами редко используется в серийных автомобилях из-за ее многочисленных недостатков и компромиссов.

Одним из основных недостатков толкающей штанги является стоимость. В автомобилях серийных моделей для компании важнее всего оставаться прибыльной, и поэтому чаще всего используются наиболее экономически эффективные конструкции. Благодаря своей простоте, такие системы, как листовые рессоры или стойка Макферсона , могут быть относительно дешевы в проектировании и интеграции в автомобиль, а их широкая применимость делает их популярным выбором для таких автомобилей. ^{[7] [9]} Однако толкающая штанга подвески имеет множество движущихся частей, работающих вместе в сложной системе, что приводит не только к значительно более высоким затратам, но и к более высоким шансам поломки. ^[9]

С точки зрения удобства ежедневного использования, хотя подвеска с толкающими штангами весьма эффективна на ухоженной и ровной трассе, она мало смягчает удары и силы при движении по оживленным дорогам, что приводит к грубой и неудобной езде. ^[1] Это в значительной степени связано с неэффективностью использования поперечно установленного амортизатора для смягчения вертикальных сил. ^{[8] [ ненадежный источник? ]}

Системы подвески с тяговой штангой часто включают в себя большую раму, которая выступает за пределы корпуса шасси, что значительно затрудняет оценку габаритов транспортного средства с такой установкой и затрудняет маневрирование в транспортном потоке. ^[7]

В результате тяговая подвеска, за исключением специализированных гоночных автомобилей, часто рассматривается как непрактичная и непригодная для повседневного использования, а внедрение тяговой подвески в дорожные автомобили редко встречается, за исключением некоторых экзотических суперкаров , таких как концепт Lamborghini Murciélago .