Устройство подвески McPherson и её преимущества и недостатки

Любой велосипедист знает, насколько неудобным может быть транспортное средство, не оснащённое системой смягчения вертикальных колебаний при проезде неровностей дороги. Поскольку данное двухколёсное ТС приводится в силу с помощью мускульной силы, любое ощутимое утяжеление конструкции здесь неприемлемо.

Другое дело – автомобиль, для которого уровень комфорта для водителей и пассажиров выходит на первые роли. По этой причине подвеска является непременной компонентой практически все видов автотранспортных средств, от скутера до большегрузного карьерного самосвала.

Пружинные и телескопические амортизаторы гидравлического типа являются элементами подвески – сложной конструкции, обеспечивающей взаимодействие между колёсами, на которое передаются колебания при контакте с дорожным полотном, и самим автомобилем.

Считается, что изобретателем одного из наиболее распространённых вариантов – подвески МакФерсона – является некто» Гвидо Форнака, инженер знаменитой компании «Форд», который использовал этот механизм ещё в двадцатых годах прошлого столетия. Именно он предложил использовать двухрычажную систему, предполагающую использование верхнего рычага в сочетании с шаровой опорой, при которой амортизационный блок располагался сверху. Правда, такая конструкция была очень далёкой от совершенства, поскольку ограничивала манёвренность машины.

Значительно позже Эрл Стили МакФерсон, также являющийся сотрудником Ford, взял на вооружение разработку Форнака и модернизировал её, применив поворотный шарнир, устанавливаемый на брызговике. Это удешевило конструкцию, упростило её, позволив оснащать такой подвеской самые бюджетные автомобили. В серию подвеска МакФерсона пошла во второй половине 40-х годов, после окончания Второй Мировой войны. Первыми авто, оснащаемыми таким амортизационным блоком, стали фордовские модели, предназначенные для рынка Старого Света – Ведет, Зефир и Консул.

Со временем конструкция подвески МакФерсона совершенствовалась, но принцип её функционирования остался неизменным.

Преимущества и недостатки подвески McPherson

В настоящее время существует несколько альтернативных вариантов построения механизмов, обеспечивающих плавность хода автомобиля. Подвеска МакФерсона является одной из самых распространённых, но её трудно назвать не имеющей достойных конкурентов – несмотря на наличие большого перечная очевидных достоинств, есть у неё и не менее очевидные недостатки. Опишем плюсы и минусы подвески типа МакФерсон, начав с преимуществ:

• механизм данного типа достаточно технологичен, что удачным образом сочетается с относительно невысокой себестоимостью производства. Небольшое количество компонент позволяет собирать узел как единое целое, что существенно упрощает процесс сборки автомобиля – на установку подвески отводится одна технологическая операция, осуществляемая на отдельной или общей сборочной линии;
• компактные размеры конструкции МакФерсона позволяют устанавливать её даже на самые миниатюрные автомобили. При этом, несмотря на малые размеры, подвеска в состоянии выдержать большой вес самого автомобиля (разумеется, в пересчёте на одну полуось, как правило – переднюю);
• компактность удивительным образом сочетается с большим вертикальным ходом амортизационного блока, позволяя обеспечить оптимальный ход в широких границах работы узла, характерных для повседневной эксплуатации. Именно последнее свойство – большое расстояние между опорными элементами по высоте – позволяет существенно снизить уровень продольных и боковых сил, действующих на автомобиль в месте крепления подвески к кузову;
• небольшой вес устройства – дополнительный плюс, влияющий как на износ деталей ходовой, так и на уменьшение расхода дорогостоящего топлива;
• хороший ресурс у МакФерсон позволяет при правильной эксплуатации транспортного средства на протяжении длительного времени не думать о том, что узел преждевременно выйдет из строя;
• оптимальное распределение нагрузки между всеми нагруженными элементами подвески, и в первую очередь между нижним рычагом и шаровой опорой, позволяет разгрузить и увеличить срок беспроблемной эксплуатации других компонентов ходовой, включая сайлентблоки, втулки и т. д.;
• благодаря подвеске, функционирующей по принципу McPherson, появилась возможность продольного размещения силового агрегата в подкапотном пространстве, что также сулит ряд преимуществ;
• отличная диагностируемость устройства – вам не потребуется много времени и усилий, чтобы локализовать неисправность в данном узле, что снижает стоимость ремонта.

К сожалению, идеальным такой агрегат назвать никак нельзя – список недостатков системы МакФерсон тоже немал, что и обусловило ограниченную область применения подвески. Перечислим их:

• изменение кинематики автомобиля при существенных колебаниях элементов подвески относительно кузова транспортного средства. При попадании в подобную ситуацию нормальный развал, являющийся положительным, меняется на отрицательный. Вследствие этого ухудшаются такие показатели, как управляемость и устойчивость автомобиля;
• особенностью подвески МакФерсон является повышенная нагрузка на брызговики. Основной удар при наезде машины на препятствие приходится именно на брызговик. Поэтому при изготовлении автомобилей, использующих этот тип подвески, брызговики обязательно укрепляют. В противном случае, если машина подвергается интенсивной эксплуатации в условиях плохих дорог, брызговик начинает постепенно и последовательно разрушаться;
• таким же повышенным нагрузкам подвержена и амортизационная стойка, которая при длительной эксплуатации по дорогам, не отличающимся хорошим качеством, также разрушается. В первую очередь выходят из строя нижние клапана, затем приходит очередь деструкции опорной площадки. Ремонт таких поломок неприятен и с точки зрения финансов, и из-за высокой трудоемкости;
• для подвески типа McPherson характерно продольное раскачивание автомобиля. Особенно оно заметно во время торможения, когда в результате резкого нажатия на педаль тормоза происходит клевок машины, компенсировать который подвеска не в состоянии. Более того, из-за поперечного пространственного расположения рычагов этот клевок может даже усиливаться;
• чтобы уверенно гасить вертикальные колебания, диаметр штока стойки делают достаточно большим. При этом увеличиваются силы трения, что влечёт за собой снижение скорости реакции подвески на гашение вертикальных колебаний;
• наконец, нельзя не отметить повышенную шумность устройства данного типа по сравнению с подвесками других конструкций.

В силу перечисленных недостатков, как мы уже отмечали, сфера применения подвесок подобного типа ограничена. Тем не менее, в категории легковых авто она является доминирующей на передней оси, независимо от того, является ли привод передним или задним.

Массовое использование МакФерсон пришлось на 70-е годы прошлого столетия, когда конструкторам удалось существенно повысить эксплуатационный ресурс амортизационных стоек, который до этого был самым узким местом конструкции.

Сам изобретатель подвески был уверен, что она одинаково подходит для применения на обеих осях. Попытки устанавливать её сзади предпринимались неоднократно. Впервые это было продемонстрировано на Lotus Elite, причем К. Чепмену, конструктору английской автомобилестроительной компании, пришлось внести немало изменений в подвеску, благодаря чему она получила его имя. Но, как показала практика, установка МакФерсона сзади оказалась нецелесообразной, поэтому там решили ограничиться независимой подвеской с продольными рессорами.

Устройство подвески типа McPherson

Конструкция подвески МакФерсон, если сравнивать её с классическим устройством подавления вертикальных колебаний, более простая. Типичный узел состоит из следующих элементов:

• нижний рычаг, соединённый с шаровой опорой;
• колёсная ступица с тормозным диском;
• телескопическая амортизационная стойка, устанавливаемая на опорную чашку;
• поворотный кулак в сборе с рулевой тягой и щитом;
• витая пружина;
• протекторный буфер сжатия, оснащённый защитным чехлом (пластмассовым или резиновым);
• верхняя чашка с опорным подшипником;
• поперечная тяга, обеспечивающая устойчивость автомобиля.

Разумеется, именно такая компоновка применяется далеко не всегда. Существует немало модификаций, отличающиеся от классической схемы подвески Макферсон. В частности, культовый кар Porsche 911 оснащали торсионом вместо классической пружины – подобная конструкция обладала меньшей высотой, что для заниженного силуэта Порше было очевидным плюсом. Примерно такая же схема использовалась на некоторых французских автомобилях. А, скажем, на достаточно популярном Mercedes-Benz W124 пружина стоит отдельно от телескопического амортизатора. Похожая конструкция используется на платформе Fox, на основе которой производится целый ряд фордовских моделей.

Строго говоря, потенциал макферсоновской подвески далеко не исчерпан, поэтому можно ожидать, что и в будущем её конструкция будет подвергаться совершенствованию. Учитывая простоту и компактность конструкции, данный тип подвески ещё длительное время будет оставаться главенствующим на рынке легковых автомобилей.

Особенности конструкции МакФерсон таковы, что телескопическая амортизационная стойка монтируется в моторном отсеке вверху к брызговику, а внизу к поворотному кулаку. Несмотря на жёсткость соединения, конструкция имеет немало степеней свободы, позволяющих вращаться узлу в определённых направлениях и диапазонах.

Подвеска МакФерсон состоит также из шаровой опоры, которая смонтирована на рычаге, и через которую проходит передняя полуось с подшипником качения. Если говорить о телескопической стойке, то она в независимой пружинной подвеске данного типа выполняет сразу несколько функций:

• определяет вектор движения механизма в вертикальном направлении;
• гасит такие вертикальные колебания;
• выступает в качестве аналога поворотного шкворня для передних колёс.

Устройство подвески МакФерсон в общем случае обеспечивает следующую реакцию на проезд неровностей дороги: когда колесо попадает в ямку или на горб, оно либо опускается, либо, наоборот, поднимается вверх. Если бы амортизационного блока не было, кузов автомобиля также двигался бы в аналогичном направлении, а поскольку провал или подъём колеса при движении на скорости имеет кратковременный характер, вектор движения столь же молниеносно меняется на противоположный. Учитывая, что у автомобиля вес немалый, силы инерции неспособны реагировать на быстро изменяющуюся обстановку, и из-за повышенной нагрузки механизм сопряжения колёс и кузова быстро бы разрушался. Заметим, мы здесь даже не упоминаем о неудобстве для водителя и пассажиров – это подразумевается по умолчанию.

При наличии подвески нагрузка от колеса воспринимается витой пружиной, которая сжимается/распрямляется под действием соответствующей силы. Одновременно с этим работает и телескопическая стойка, соответственно укорачиваясь или удлиняясь. При попадании на препятствия большого размера пружина деформируется настолько, что часть колебаний передаётся на кузов. В следующий момент времени пружина меняет вектор движения на противоположный, стремясь восстановить свою прежнюю форму, что отражается и на изменении длины стойки. Этот процесс с точки зрения физики – колебания, которые гасятся благодаря амортизационному механизму. Чем качественнее пружина и телескопический амортизатор, тем быстрее происходит затухание колебательного движения

Здесь нельзя не упомянуть механизм крепления подвески к оси автомобиля, поскольку при поворотах автомобиля основная нагрузка приходится именно на эту компоненту. Специалисты называют этот узел подрамником. Это своеобразная основа, которая служит местом крепления рулевого механизма, стабилизатора поперечной устойчивости и опоры рычага. К кузову подрамник крепится посредством сайлентблока. Рычажные опоры обычно имеют резиновые детали, благодаря которым снижается вибрация, передаваемая на кузов машины, а также шум, издаваемый при срабатывании механизма гашения колебаний.

Нижние поперечные рычаги крепятся к подрамнику посредством резиновых втулок, причём с обеих сторон. Такая конструктивная особенность способствует увеличению жёсткости конструкции. С обратной стороны рычага к нему крепится поворотный кулак, являющийся компонентой поворотного механизма.

Именно он обеспечивает управление колесами автомашины при осуществлении манёвров. На поворотный кулак запрессовывается колёсная ступица, а сам механизм присоединяется к рулевой тяге с помощью шарнирного соединения.

Из-за перечисленных выше недостатков ПМ не используется на грузовых автомобилях, внедорожниках, рамных автомобилях, спорткарах и гоночных авто.

Вплоть до не давнего времени в число несовместимых с этой подвеской входили автомобили с гидропневматической подвеской, поскольку здесь просто был дефицит места для размещения амортизационного блока, но сейчас эта проблема успешно решена.

Приведенное описание конструкции подвески МакФерсон будет неполным, если не сказать о таком недостатке, как постоянно положительное плечо обкатки. Это означает, что ось поворота всегда расположена с внутренней стороны колеса (вернее – точки его контакта с дорожным полотном). Это приводит к ухудшению курсовой устойчивости ТС, увеличивая усилия, затрачиваемые при повороте рулевого колеса. Фирма ZF Lemförder из Германии модифицировала классическую конструкцию McPherson, что позволило решить и эту проблему. В частности, в схему подвески были внедрены два дополнительных шарнира, благодаря чему удалось функции поворотного механизма и направляющей. Такой патентованный механизм получил название Revo-Knuckle. Он позволил снизить трение механизмов, снизить уровень возмущения от имеющихся люфтов и улучшить скоростную курсовую устойчивость.

Принцип функционирования

Изучив конструкцию передней подвески МакФерсон, можно приступить к рассмотрению принципа работы этого узла, что позволит понять, чего следует опасаться при несоблюдении правил эксплуатации автомобиля.

Вы уже знаете, что при проезде неровностей дороги колесо машины смещается вверх или вниз относительно кузова, что приводит к сжатию пружины и амортизационной стойки.

При этом большая часть ударного воздействия приходится на пружину. Являясь инерционным механизмом, она не способна в полной мере погасить момент инерции, и тогда ей на помощь приходит телескопическая стойка, основное назначение которой – погасить излишки энергии удара. В определённой степени на колесо автомобиля при наезде на препятствие действует и продольная сила, заставляя его сдвигаться вперёд или назад. Чтобы этого не происходило, в конструкции подвески имеются рычаги, установленные под определённым углом (имеются варианты с одним рычагом А-образной формы).

Поскольку после проезда неровности происходит обратный процесс (колесо движется в противоположном направлении), пружина стремится вернуться в исходное положение. Обычно на восстановление требуется несколько итераций, при этом каждое из передних колёс «работает» независимо друг от друга. Здесь может возникнуть такое явление, как бортовая качка транспортного средства – достаточно, чтобы вектор движения обеих колёс оказался в противофазе, что для плохих дорог – явление обычное.

Этот недостаток независимых подвесок типа МакФерсон компенсируется наличием стабилизатора поперечной устойчивости. Именно он является тем связующим звеном, которое соединяет обе подвески в единое целое. Физически поперечный стабилизатор представляет собой обычный торсион, препятствующий силам скручивания. Он также гасит поперечные колебания автомобиля.

Таков в общих чертах принцип работы подвески МакФерсон. Исходя из этого, можно понять, почему она столь востребована на переднеприводных легковых авто среднего и малого класса, почему она редко устанавливается на заднюю ось. Приведём небольшой перечень современных моделей, на которых «трудится» подвеска McPherson:

• Hyundai Creta;
• Audi 80;
• Mitsubishi Lancer;
• ВАЗ 2109;
• Ford Focus;
• Chevrolet Aveo;
• Nissan Maxima;
• Volkswagen Passat;
• Skoda Octavia;
• Kia Soul;
• Toyota Camry.

Мы уверены, что среди наших читателей наверняка будут обладатели машин перечисленных моделей.

Но ряд конструктивных особенностей не позволяет использовать этот агрегат на следующих транспортных средствах:

• на гоночных/спортивных авто. Причина – плохие кинематические характеристики, что для данного класса машин неприемлемо в силу специфики их использования;
• грузовые машины лёгкого класса. Здесь использование МакФерсон неприменимо из-за слишком высокой нагрузки, приходящейся на брызговик в месте крепления амортизационной стойки;
• внедорожники, которые предназначены для эксплуатации в тяжёлых условиях. Причина та же – нагрузки на место крепления стойки, которые приводят к преждевременному разрушению брызговиков;
• рамные автомобили, для которых верхнее крепление стойки требует применения специальных кронштейнов большого размера. Такая конструкция не только утяжеляет машину, но и делает её обслуживание неудобным;
• авто с подвеской гидропневматического типа. Такие машины имеются в ассортименте многих компаний, особенно у французских. Здесь причина банальна – громоздкая конструкция узла, не оставляющая места для МакФерсон. Но именно французским конструкторам из Citroen удалось решить эту проблему.

В отличие от многорычажной, подвеска МакФерсон практически идеальна для машин легкового класса, эксплуатирующихся преимущественно в городских условиях и только изредка используемых для поездок в условиях бездорожья.

Присмотритесь к своему автомобилю – не исключено, что на его передней оси используется именно макферсоновский механизм.