Непроста простота - стабілізатори поперечної стійкості
Всякий водій, який їздив на автомобілі Ford Fiesta першого покоління (Mk1), звертав увагу на практично повну відсутність кренів цієї машини (особливо при завантаженні 1-2 людини) навіть в дуже напружених поворотах. Але ж у Фієсти в підвісках взагалі немає стабілізатора поперечної стійкості - деталі, що стала в сучасних машинах настільки поширеною, що багато хто вже і не розуміють, як можна боротися з креном кузова без використання стабілізатора.
Це оману так поширене, що багато хто і не замислюються - чому в незалежних підвісках практично будь-якого "формульного" спортивного боліда (і не тільки F1, а й більш "приземлені" серій), а так само деяких дрібносерійних автомобілів, немає ніяких стабілізаторів. Для багатьох відкриття цього факту стає справжнім шоком. Спробуємо розібратися, в чому тут справа.
Перш за все подумаємо - а чим же поганий стабілізатор поперечної стійкості? Адже крен він зменшує цілком успішно - так чому ж конструктори спортивних підвісок його не використовують?
Розглянемо просту ситуацію: автомобіль з незалежною підвіскою їде по дорозі, і несподівано наїжджає правим колесом на цеглу. Припустимо, що автомобіль їде досить швидко, і за час наїзду кузов (зважаючи на велику маси і, відповідно, інерції) не встигає зробити скільки-небудь істотного вертикального переміщення. Для простоти (щоб не розраховувати поправки на стиск шини) будемо вважати шину несжимаемой - для сучасних низькопрофільних шин це практично так і є. При цьому допущенні, праве колесо, завдяки підвісці, зробить хід вгору, рівний товщині цегли - причому ніякої стабілізатор цьому перешкодити не зможе.
Для повністю незалежної підвіски без стабілізатора, удар, який передається на кузов машини, в цьому випадку буде визначатися лише жорсткістю пружини правої підвіски і незначним зусиллям стиснення амортизатора, а ліва підвіска залишиться нерухомою.
Зовсім інша справа, якщо у нас є стабілізатор поперечної стійкості. Хід правої підвіски (на ту саму товщину цегли) закручує стабілізатор, і він передає додаткове зусилля на лівий важіль, пружину і амортизатор, викликаючи їх стиснення. Навіть якщо жорсткість стабілізатора всього лише дорівнює жорсткості лівої пружини (а в багатьох підвісках вона набагато вище - інакше Стабілізатор не буде ефективний проти кренів), це означає, що ліва підвіска буде також пробита, правда, лише на половину товщини цегли. Однак, і такий хід лівої підвіски означатиме посилення удару, що передається на кузов, в півтора рази в порівнянні з ситуацією без стабілізатора.
Здавалося б, ситуацію можна парирувати, пропорційно послабивши пружини підвіски. Але це лише здається - справа в тому, що при одночасному навантаженні правої і лівої підвісок, стабілізатор не працює і підвіски виявляються занадто ослабленими. Тобто - машина погано переносить поперечні хвилі асфальту (а тим більше "лежачих поліцейських") і виявляється схильна до глибоких "кивкам" при гальмуванні. А якщо послабити стабілізатор - він стане неефективний проти кренів кузова.
Причому ця ситуація для незалежної підвіски зі стабілізатором принципово непереборна - вона або менш комфортна, ніж чиста незалежна підвіска без стабілізатора, або, при тій же комфортності, гірше парирує поздовжню розкачку і "клевки" кузова. І чим жорсткіше стабілізатор - тим ці непереборні проблеми значніше.
В якості додаткових мінусів виступають:
- Погіршення прохідності (часткове діагональне вивішування) через розвантаження йдуть вниз коліс на нерівностях за рахунок закрутки стабілізатора йде вгору колесом протилежного борту. Саме тому всі справжні джипи настільки схильні до крену в поворотах, а їх стабілізатори поперечної стійкості, якщо навіть вони є, дуже слабкі.
- Складність налаштувань амортизаторів одночасно для ситуацій симетричною і несиметричного навантаження підвісок.
Змінити конструкцію звичайного міського автомобіля, практично, неможливо. Це витрати, зіставні з будівництвом гоночного автомобіля. Єдине, що залишається - налаштування підвіски тюнінговимі амортизаторами. За ідеєю, можна було б продовжити список пружинами і стабілізаторами. Однак, сторонні фірми, що виробляють пружні елементи, в першу чергу, орієнтуються на динамічних і агресивних водіїв. Тому їх пружини забезпечують зменшення кліренсу (що не завжди підходить рядовому водієві), а стабілізатори мають підвищену жорсткість (що збільшує компроміси самих стабілізаторів на нерівних покриттях).
Однак, є рідкісні зразки рішення складного питання - без стабілізаторів і без крену.
Крен в повороті можна усунути і без використання стабілізатора поперечної стійкості. Це, врешті-решт, суто геометрична задача - треба лише зробити підвіску такої геометрії, щоб при відому свободу вертикального переміщення коліс трикутник, утворений точками контакту коліс з дорогою і центром мас машини, мав би строго постійні розміри або, якщо це неможливо, як можна менше змінював би ці розміри і зберігав незмінну висоту своєї вершини (з тим, щоб вектор відцентрової сили, виходячи з центру мас, проходив через цю вершину).
Це завдання важке - але цілком здійсненне не тільки в разі складної підвіски багатоважеля з неравноплечіе важелями (як у F1), але і навіть для компактної підвіски McPherson. Що, як раз, блискуче довели інженери Ford, проектуючи в 1975 році автомобіль Fiesta.
Подивимося на малюнок - на ньому зображена схема геометрії підвіски Фієсти Mk1. Точки А - це осі гойдання нижніх V-образних важелів підвіски, точки Е - кульові шарніри цих важелів, точки С - верхні опори стійок Макферсон. Оскільки розмір А-С заданий конструктивно кузовом машини, а нижній важіль А-Е жорсткий - трикутник А-С-Е може змінювати свій розмір тільки по стороні С-Е за рахунок зміни висоти амортизатора (стійки Макферсон).
Це - як у всіх машин з підвіскою Макферсон. А ось що у Фієсти не як у всіх: якщо провести пряму з точки контакту колеса з дорогою У через вісь хитання нижнього важеля підвіски А - вона пройде через точку фронтальної проекції центру мас машини CoG (точка D).
Це більш-менш очевидно на малюнку. Менш очевидним є той факт, що розмір А-В майже постійний при ходах підвіски. Однак, це, в цілому, здається неважливим, оскільки очевидно, що при ходах колеса вгору-вниз пряма В-А-D буде змінювати свій нахил щодо горизонталі, що, як здається, призведе до спотворення розміру трикутника В-В-D і його зміщення з центру мас машини (CoG).
Щоб зрозуміти геніальність конструкторського фокуса, розглянемо гіпотетичний крен машини, що повертає ліворуч. Вона могла б нахилитися назовні повороту - при цьому праве колесо змістилося б вгору (розмір E-C зменшився), а ліве колесо змістилося б вниз (розмір Е-С збільшився) на однакову величину. Що в цьому випадку відбулося б з точкою перетину двох прямих B-A - тобто точкою D?
Вона, без сумніву, змістилася б у бік від центру мас машини CoG. Але куди? В сторону, протилежну діючої відцентрової сили - але при цьому залишилася б у першому наближенні на незмінній висоті. Тобто, вектор відцентрової сили, як і раніше буде проходити через точку D - незважаючи на гіпотетичне спрацьовування підвісок! Іншими словами, з точки зору вектора відцентрової сили, що виходить із центру мас машини, нічого не змінилося, трикутник не змінив свою висоту, а це значить, що крену кузова просто не може виникнути - немає плеча, на якому б відцентрова сила зробила роботу, адже вектор проходить точно через вершину трикутника. Тобто, зовнішнє колесо в повороті навантажується, внутрішнє - розвантажується, на обох колесах з'являються бічні зусилля, але просадки підвісок не відбувається. Крену - немає.
Важко зрозуміти? Тоді уявіть собі, що нижні важелі підвісок починалися б в точці D і закінчувалися б кульовим шарніром в точці B. Колеса на вибоїнах будуть переміщатися? Будуть. А крен будуть? Ні - тому що трикутник B-B-D виходить жорстким, і немає плеча, на якому б відцентрова сила викликала крениться момент. Блискуча ідея, і вона працює на практиці!
«Є маса сучасних машин із стабілізаторами, які задирають в повороті одне з коліс - приблизно, як старий Lotus Cortina з Джимом Кларком за кермом. Але Morgan нині робить чотириколісні автомобілі, і я хочу, щоб в віражах вони їхали на всіх чотирьох! Ми як і раніше в змозі збалансувати керованість без жодних там стабілізаторів, як в старі добрі часи. »
(Шеф-конструктор фірми Morgan про автомобілі Morgan Aero 8 з амортизаторами Koni, Кріс Лоуренс)