Что такое торсионная подвеска и принцип ее работы

Виды

Торсионные подвески бывают нескольких видов:

1. Торсион с двойными поперечными рычагами. Здесь особенность в том, что торсион находится параллельно кузову авто. Данная особенность позволяет с точностью отрегулировать подвеску. К конструктивным особенностям такой подвески стоит отнести наличие особого крепежа:

• с одной стороны — к поперечному рычагу (находится в нижней части авто) или к рычагу, расположенному в противоположной стороне;
• с другой стороны — к кузову транспортного средства.

Такой вид торсиона наиболее востребован на автомобилях, имеющих повышенный уровень проходимости. Как показывает практика, больше всего торсионов с продольными рычагами устанавливается на авто японских и американских производителей.

2. Торсион с продольными рычагами. Главное отличие  такой конструкции — объединение торсионов с продольным типом рычагов. Как следствие, они располагаются уж не параллельно, а перпендикулярно кузовной части. Такой вид подвесок получил наибольшую популярность в легковых авто.

3. Торсион со связанными продольными рычагами

В последние годы данной конструкции уделялось особое внимание. Особенность — уникальная конструкция направляющего узла, функцию которого берет на себя несколько продольных рычагов

Последние с одной из сторон закреплены к ступицам колеса, а с другой — к кузовной части автомобиля. Необычную конструкцию имеет и сама балка, имеющая в сечении U-образный вариант исполнения.

Описанная выше особенность —  гарантия жесткости подвески и ее устойчивости на изгиб почти при полном отсутствии кручения. Некоторые специалисты считают эту особенность недоработкой, но на практике так и было задумано. Благодаря этим особенностям, колеса могут двигаться в любом направлении. При этом они никоим образом не зависят друг от друга.

Основные элементы таких конструкций — шарниры (металлические и резиновые), поперечный торсион, витая пружина, ступица колеса, амортизатор и продольный рычаг.

Применение торсионной модели

Расположение торсионной балки возможно продольно и поперечно. Расположение продольное используется на больших, тяжелых грузовых авто. На легковых авто используют поперечное расположение, обычно на заднем приводе.

В этих двух случаях механизм предназначен для обеспечения плавности хода, регулирования крена при повороте, обеспечения оптимальной величины затухания колебаний колес, кузова, уменьшения колебаний управляемых колес.

Для некоторых автомобилей торсионную подвеску применяют для автоматического выравнивания с применением мотора, стягивающим балки для дополнительной жесткости, зависимо от скорости, а также состояния покрытия дороги.

Конструкцию с регулируемой высотой можно использовать при замене колес. Это когда транспортное средство приподымают с помощью трех колес, а 4-е поднимается с помощью домкрата. Основным преимуществом такого вида подвесок считается долговечность, легкость в регулировке высоты, а также компактность по ширине транспорта.

Она занимает намного меньше пространства, чем пружинные подвески. Безусловно, торсионная конфигурация легка в эксплуатации, а еще в техническом обслуживании.

Виды торсионных подвесок

Передняя независимая торсионная подвеска на поперечных рычагах

Устройство и принцип работы торсионной подвески

Передняя торсионная подвеска на поперечных рычагах (один или два в зависимости от конструкции) состоит из следующих элементов:

• Продольно расположенный торсион, работающий на скручивание и заменяющий пружину.
• Воспринимающий основную нагрузку нижний или верхний рычаг, посредством которого происходит передача усилия на торсион.
• Демпфирующий элемент  — амортизатор, выполняющий функцию гашения колебаний.
• Стабилизатор поперечной устойчивости, компенсирующий крены кузова при движении.

Независимая передняя торсионная подвеска на двойных поперечных рычагах Toyota Hilux Surf

Компактность передней торсионной подвески на поперечных рычагах позволяет эффективно использовать свободное пространство. Например, для установки массивных приводов колес. В связи с этим торсионы получили распространение при производстве рамных внедорожников, сочетающих повышенную проходимость с мягкостью подвески. Например, Toyota Land Cruiser 100 (крепление торсиона к нижнему рычагу) и Toyota Hilux Surf (торсион на верхнем рычаге). Также торсионы применяются на передней оси коммерческих автомобилей.

Задняя независимая подвеска с поперечным расположением торсионов

В конструкциях задних подвесок с продольным расположением рычагов торсионы устанавливаются поперечно. Легендарный французский автомобиль Renault 16, выпускавшийся до 1990-х годов, оснащался передней подвеской с продольно расположенными торсионами, а задней — с поперечно.

Задняя подвеска с поперечным расположением торсионов

Особенностью упругих элементов задней подвески было их расположение — один находился позади другого, что конструктивно влекло  разность в колесной базе по сторонам автомобиля (одно из колес находилось ближе к переднему на несколько сантиметров). Управляемость и устойчивость автомобиля оставляла желать лучшего, однако именно компактность торсионной подвески позволила значительно увеличить объем багажного отделения, что в значительной степени определило популярность модели. В настоящее время подобная схема подвески автопроизводителями не применяется.

Полузависимая задняя торсионная балка

Задняя полузависимая U-образная торсионная балка

Полузависимая торсионная балка U-образного сечения, имеющая в составе интегрированный упругий стержень, становится более прочной на изгиб. При этом она позволяет колесам одной оси незначительно перемещаться друг относительно друга при проезде неровностей. Этим достигается улучшение управляемости и устойчивости автомобиля. Данная подвеска применяется на задней оси большинства бюджетных переднеприводных автомобилей.

Задняя независимая

Поперечные торсионы задней подвески устанавливаются в паре с продольными рычагами. Пример конструкции приведен на изображении ниже.

Интересным примером автомобиля с поперечными торсионными валами и продольными рычагами является Renault 16. Машина имеет различную колесную базу справа и слева. Расстояние между передним и задним колесами справа и слева отличается на несколько сантиметров. Причиной такого инженерного решения является последовательное расположение валов один за другим. Это слегка ухудшило управляемость автомобиля, но позволило увеличить багажное отделение.

История подвесок в бронетехнике

Благодаря своим особым свойствам, торсионы активно применялись ранее и используются до сих пор в бронетехнике.

Выполняются они в двух основных видах – полого или сплошного вала. Иная конструкция торсионных подвесок в производстве бронетехники не применяется.

Соединение торсионов с остальными узлами кузова осуществляется с помощью специальных головок, имеющих шлицы различного профиля – треугольника, прямоугольника или трапеции.

К примеру, в хорошо известном танке «Пантера» соединение производилось с помощью уникального клиновидного болта и головок с лысками.

Основное задачей разработчиков бронетехники было желание добиться максимальной прочности. И у них это получилось за счет увеличения диаметра головки торсиона. При этом необычная простота монтажа обусловлена наличием специальной резьбы на торце.

В большинстве случаев торсионы для бронетехники изготавливаются из надежных кремниевых или хромистых сталей.

ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Как сделать разварки дисков своими руками

Кроме этого, в состав сплава обязательно добавляется никель, ванадий, молибден и ряд других элементов.

Для достижения максимальной устойчивости хромистые стали проходят высокотемпературную обработку (предельный уровень температур закалки порой достигает 800-850 градусов Цельсия).

Еще один важный момент – повышение динамических свойств автомобиля. Этого удалось добиться за счет заневоливания – операции закрутки раскаленного торсиона выше предела его максимальной упругости и удержание в этом состоянии какой-то промежуток времени.

В итоге торсионы способны выдерживать огромные рабочие нагрузки. Такая методика активно применяется при производстве танков Т-72, где заневоливание производится дважды.

История торсионной подвески для бронетехники началась еще с 1940 года, когда была дана команда оптимизировать танк Т-34. Уже с 1941 года первые модели танка имели торсионную подвеску.

Благодаря такому нововведению, появилось возможность использовать больший объем топлива (до 750 литров) и увеличить объем боевого отделения. В дальнейшем из-за войны работы по оптимизации пришлось на время отложить.

В свое время отличились мастера Великобритании, которые одновременно с пружинами производили установку специальных гидравлических амортизаторов. Такое новшество позволило свести к минимуму продольные колебания кузова и улучшить плавность хода.

Плюсы и минусы

Как у любого узла автомобиля у торсионов есть свои преимущества и недостатки. К плюсам можно отнести:

• простую конструкции;
• надежность;
• небольшую массу и компактные размеры;
• простоту обслуживания благодаря небольшому количеству деталей;
• ремонтопригодность;
• плавный хода авто;
• снижение нагрузки, передаваемой на подшипники;
• возможность изменить дорожный просвет.

Минусы:

Производство торсионов относится к разряду сложных.
Управляемость ниже, чем при установке многорычажной подвески.
Подшипники, соединяющие торсионную балку с рычагами, быстро изнашиваются.
Эксплуатационные характеристики подвески полностью зависят от качества торсионов.
Водитель во время езды должен соблюдать осторожность.
Торсионы создают шум (скрипят), часто лопаются.

Еще видео на тему устройство и принцип работы торсионной подвески

При самостоятельной покупке, для замены необходимо учесть, что существуют левые и правые торсионы. На этих деталях имеются метки «R» (правый), «L» (левый), «-» (установка на задней части). При установке маркировку необходимо соблюдать точно.

Наши дороги далеки от идеала, поэтому подвеске необходимо уделять повышенное внимание. От ее типа зависит периодичность ремонтов

Теоретически в подобной ситуации лучшая подвеска жесткая. Исключение составляет езда по дорогам с глубокими ямами. Торсионная подвеска простая, но подходит лишь для управления на сравнительно низкой скорости и по пересеченной местности. По этому на сегодняшний день устанавливается на габаритных машинах, грузовиках и военной технике. Для спортивной езды торсионы совершенно не приспособлены.

Расчёты

Стержень, используемый как упругий элемент, который работает на скручивание, называется торсионом. Касательные напряжения τr{\displaystyle \tau _{r}}, возникающие в условиях кручения, определяются по формуле:

τr=TrJ{\displaystyle \tau _{r}={Tr \over J_{0}}},

где r — расстояние от оси кручения.

Очевидно, что касательные напряжения достигают наибольшего значения на поверхности вала при rmax=R{\displaystyle r_{max}=R} и при максимальном крутящем моменте Mmax{\displaystyle M_{max}}, то есть

τmax=TmaxRJ=TmaxWp{\displaystyle \tau _{max}={T_{max}R \over J_{0}}={\frac {T_{max}}{W_{p}}}},

где W_p — полярный момент сопротивления.

Это даёт возможность записать условие прочности при кручении в таком виде:

τmax=TmaxWp≤τ{\displaystyle \tau _{max}={\frac {T_{max}}{W_{p}}}\leq }.

Используя это условие, можно или по известным силовым факторам, которые создают крутящий момент Т, найти полярный момент сопротивления и далее, в зависимости от той или иной формы, найти размеры сечения, или наоборот — зная размеры сечения, можно вычислить наибольшую величину крутящего момента, которую можно допустить в сечении, которое в свою очередь, позволит найти допустимые величины внешних нагрузок.

τ=MtIV≤τadm{\displaystyle \tau ={\frac {Mt}{\frac {I_{0}}{V}}}\leq {\tau }_{adm}}

avec τ=16Mtπd3{\displaystyle \tau ={\frac {16\,Mt}{\pi d^{3}}}} (прут)

ou τ=16deMtπ(de4−di4){\displaystyle \tau ={\frac {16\,d_{e}\,Mt}{\pi (d_{e}^{4}-d_{i}^{4})}}} (труба)

Устройство торсионной подвески

Уникальные пружинные свойства специального сорта необходимо было использовать в реальном изделии. Абсолютно все торсионные подвески работают по единому алгоритму. А вот практическая реализация их может отличаться конструктивно, не нарушая принципиальную схему: 

1. Один конец жестко зафиксирован на корпусе. Автомобили с торсионной подвеской проектируются с учетом мощного воздействия в месте крепления. Силовой каркас рассчитан на эти нагрузки.
2. Торсион подвижен с обоих концов. Обеспечивают это подшипники и шлицевые соединения, которые компенсируют геометрические изменения в процессе эксплуатации.
3. Являясь важнейшей частью конструкции автомобиля, устройство торсионной подвески придает необходимые для контакта с покрытием качества. Механизм вертикального свободного хода колеса, таким образом, приобретает оптимальные значения.

Конструктивные решения отдельных элементов подвески могут значительно отличаться друг от друга в разных моделях. Изначальной задачей было смягчение ударных нагрузок, испытываемых колесами, на кузов. Принято разделять конструкции торсионных подвесок относительно движения машины на два вида:

• Продольные. Торсион расположен параллельно движению автомобиля. Чаще применяется для передних колес.
• Поперечные. Размер ограничен шириной автомобиля. Более сложная конструкция и чаще используется в задней подвеске совместно с другими элементами стабилизации и контроля над колесами.

Какова бы ни была конструкция торсионной подвески, она успешно справляется с поставленными задачами:

1. Обеспечивает плавность хода.
2. При поворотах оптимизирует положение колес и посредством жесткого крепления к корпусу стабилизирует крен;
3. Эффективно гасит колебания кузова при движении по неровностям:
4. Устраняет вибрацию колес при быстром изменении их положения.

Современные марки автомобилей оснащены новым поколением торсионных подвесок, автоматическими устройствами, где электроника задает необходимую упругость балке изменением ее базового положения.

Независимая подвеска

Независимая подвеска отличается тем, что колеса одной оси между собой не связаны и движение одного из них не оказывает никакого влияния на другое. По сути, в этом типе для каждого колеса предусмотрен свой комплект составляющих частей – упругой, демпфирующей, направляющей. Между собой эти два комплекта практически не взаимодействуют.

Стойки Макферсона

Разработано было несколько типов независимой подвески. Одним из самых популярных видов является подвеска МакФерсона (она же – «качающаяся свеча»).

Особенность этого вида заключена в использовании так называемой амортизационной стойки, которая выполняет одновременно три функции. В состав стойки входит и амортизатор, и пружина. В нижней части этот составной элемент подвески крепиться к ступице колеса, а вверху посредством опор – к кузову, поэтому он помимо принятия и гашения колебаний еще и обеспечивает крепление колеса.

Устройство газомасляной стойки MacPherson

Также в конструкции имеется еще одни компоненты направляющей системы – поперечные рычаги, в задачу которых входит помимо обеспечения подвижного соединения колеса с кузовом еще и предотвращение его продольного перемещения.

Для борьбы с кренами кузова во время движения в конструкции подвески используется еще один элемент – стабилизатор поперечной устойчивости, который является единственным связующим звеном между подвесками двух колес одной оси. По сути, этот элемент является торсионом и принцип его работы основан на возникновении противодействующей силы при скручивании.

Подвеска со стойками МакФерсона является одной из самых распространенных и может использоваться как на передней, так и задней оси.

Она отличается сравнительно компактными размерами, простотой конструкции и надежностью, за что и получила популярность. Недостатком же ее является изменение угла развала при значительном ходе колеса относительно кузова.

Рычажный тип

Рычажные независимые подвески – тоже достаточно распространенный вариант, применяемые на автомобилях. Этот тип делится на два вида – двухрычажную и многорычажную подвески.

Конструкция двухрычажной подвески сделана так, что амортизационная стойка выполняет только свои прямые задачи – гасит колебания. Крепление же колеса полностью лежит на управляющей системе, состоящей из двух поперечных рычагов (верхнего и нижнего).

Двухрычажная подвеска

Используемые рычаги имеют А-образную форму, что обеспечивает надежное удержание колеса от продольного перемещения. К тому же они разной длины (верхний – короче), благодаря чему даже при значительных передвижениях колеса относительно кузова, угол развала не меняется.

В отличии от «МакФерсона» двухрычажная подвеска более габаритна и металлоемка, хотя чуть большее количество составных частей на надежности не сказывается, но она несколько сложнее в обслуживании.

Многорычажный тип, по сути, является доработанной двухрычажной подвеской. Вместо двух А-образных в ее конструкции используется до 10 поперечных и продольных рычагов.

Многорычажная подвеска

Такое конструктивное решение оказывает положительное влияние на плавность хода и управляемость авто, сохранности углов положения колеса во время работы подвески, но при этом она более дорогостоящая и сложная в обслуживании. Из-за этого по применяемости она уступает стойкам МакФерсона и двухрычажному типу. Ее можно встретить на более дорогостоящих авто.

История подвесок в бронетехнике

Благодаря своим особым свойствам, торсионы активно применялись ранее и используются до сих пор в бронетехнике.

Выполняются они в двух основных видах – полого или сплошного вала. Иная конструкция торсионных подвесок в производстве бронетехники не применяется.

Соединение торсионов с остальными узлами кузова осуществляется с помощью специальных головок, имеющих шлицы различного профиля – треугольника, прямоугольника или трапеции.

К примеру, в хорошо известном танке «Пантера» соединение производилось с помощью уникального клиновидного болта и головок с лысками.

Основное задачей разработчиков бронетехники было желание добиться максимальной прочности. И у них это получилось за счет увеличения диаметра головки торсиона. При этом необычная простота монтажа обусловлена наличием специальной резьбы на торце.

В большинстве случаев торсионы для бронетехники изготавливаются из надежных кремниевых или хромистых сталей.

Кроме этого, в состав сплава обязательно добавляется никель, ванадий, молибден и ряд других элементов.

Для достижения максимальной устойчивости хромистые стали проходят высокотемпературную обработку (предельный уровень температур закалки порой достигает 800-850 градусов Цельсия).

Еще один важный момент – повышение динамических свойств автомобиля. Этого удалось добиться за счет заневоливания – операции закрутки раскаленного торсиона выше предела его максимальной упругости и удержание в этом состоянии какой-то промежуток времени.

В итоге торсионы способны выдерживать огромные рабочие нагрузки. Такая методика активно применяется при производстве танков Т-72, где заневоливание производится дважды.

История торсионной подвески для бронетехники началась еще с 1940 года, когда была дана команда оптимизировать танк Т-34. Уже с 1941 года первые модели танка имели торсионную подвеску.

Благодаря такому нововведению, появилось возможность использовать больший объем топлива (до 750 литров) и увеличить объем боевого отделения. В дальнейшем из-за войны работы по оптимизации пришлось на время отложить.

В свое время отличились мастера Великобритании, которые одновременно с пружинами производили установку специальных гидравлических амортизаторов. Такое новшество позволило свести к минимуму продольные колебания кузова и улучшить плавность хода.

Плюсы и минусы

Как уже понятно, главное преимущество торсионной системы в современном ее облике — это дешевизна производства, но есть и другие:

• Небольшое количество деталей, соответственно, повышенная надежность;
• Отличная амортизация;
• Легкость в обслуживании из-за небольшого количества деталей;
• Снижение нагрузки на подшипники;
• Компактность;
• Можно самостоятельно регулировать клиренс автомобиля.

Но с недостатками автомобильная индустрия смирится не может.

1. Во-первых, само производство упругих элементов достаточно сложный и трудоемкий процесс.
2. Во-вторых, они начинают скрипеть.
3. В-третьих, торсионная система не дает той управляемости, которую могут предложить современные системы.

Что имеем в плюсе?

Самый главный выигрыш – в компактности такого типа сборки. За счет малой размерности появляется возможность соорудить довольно большой багажник и предоставить достаточно места для размещения задних пассажиров – то есть добавляется простор. Очень ценным качеством является также зависимость жесткости подвески от размеров торсиона: чем он длиннее, . К тому же регулировка по жесткости/мягкости очень проста и осуществима даже своими силами в домашних, так скажем, условиях.

Существует даже и возможность некоторой регулировки клиренса. Перераспределение динамической нагрузки от трассы по всей раме автомобиля повышает его устойчивость и делает машину более послушной в управлении и эксплуатации. В техобслуживании и ремонте торсионная подвеска (в большинстве случаев) проще и дешевле пружинной. Общий вес ее опять же значительно меньше, чем у традиционной, что хорошо сказывается на экономичности езды и сроке службы всего автомобиля (добавляется ресурс). На взгляд производителя, выигрышность торсионной подвески – в не слишком дорогом ее изготовлении и практической простоте установки.

Устройство и принцип работы торсионной подвески

Назначение подвески — во время чрезмерных нагрузок на колесах защитить кузов от резких перекосов, обеспечить плавный ход транспортного средства и комфорт водителя и пассажиров в салоне автомобиля. Хотя торсион работает как пружина, эффективность выше. Во время езды по некачественному покрытию несущий рычаг закручивает торсион. При его возвращении в первоначальное положение рычаг тоже выравнивается.

Видео принцип действия торсионной подвески

Один конец стержня закрепляются на рычаге, второй на раме или кузове. Стержни по отношению к кузову занимают продольное или поперечное положение. Продольное характерно для тяжелых грузовых авто, поперечное — для легковых, оснащенных задним приводом. Валы располагаются вдоль кузова.

Немного истории

Впервые торсионная подвеска появилась в конструкции автомобиля в  30-х годах ХХ века и была установлена на малолитражный автомобиль Фольксваген Битл. Необходимо отметить, что именно небольшая масса торсионного узла позволила установить его на этот маленький автомобиль.

В дальнейшем, чехословацкий инженер Ледвинка усовершенствовал конструкцию, которая в неизменном виде и применяется до сих пор.

В конце 30-х годов торсионная подвеска широко применяется при изготовлении автомобилей Порше, а также большинства спортивных автомобилей, где показатели габаритов и массы играют важную роль.

В 40-х годах, широкое распространение торсионная система подвески получает в производстве бронетанковой техники. Причем это принцип используют как немецкие инженеры (танки «Пантера» и «Тигр»), так и советские (танки «КВ» и «Т-44»).

В последствии, большинство наиболее крупных европейских автопроизводителей практически повсеместно использовали торсионный тип подвески в конструкции своих автомобилей, но принцип упрощения и удешевления конструкции привел к тому, что начиная с середины 60-х годов торсионная подвеска, как слишком требовательная к качеству и сложная в изготовлении, постепенно вытесняется пружинной.