Макарферсон аспасы: тарихы мен қағидалары

Кіріспе

Автокөлік аспасы конструкциясының түрі

Макферсон тірегі – телескопиялық амортизаторының жоғарғы бөлігін рульдік тіреу нүктесі ретінде пайдаланатын автокөлік аспасының бір түрі. Ол заманауи көліктердің алдыңғы аспасында кеңінен қолданылады. Бұл атау американдық автоинженер Эрл С. Макферсонның құрамы мен дамытуының нәтижесінде пайда болған.

Тарих

1945 жылы Эрл С. Макферсон Chevrolet компаниясының жеңіл автомобиль жобасының бас инженері болып тағайындалды. Оған соғыстан кейінгі нарыққа арналған жаңа, кішкентай машинаны әзірлеу міндеті жүктелді, бұл жұмыс Chevrolet Cadet-тің пайда болуына әкелді. Cadet революциялық көлік болуға тиіс еді, ал 1946 жылы салынған үш прототипте көптеген инновациялар көрінді. Олардың бірі – жаңа тәуелсіз аспа жүйесі, қазір Макферсон тірегі деп аталады. Cadet MacPherson тіректері бар алғашқы өндіріс көлігі болуға тиіс еді, бірақ жоба 1947 жылы тоқтатылды және коммерциялық өндіріске ешқашан енбеді. Бұл GM компаниясының Cadet-тің күтілетін пайда маржасына қатысты алаңдаушылығына байланысты болды. Cadet жобасы тоқтатылғаннан кейін, көңілі толмаған Макферсон GM компаниясын тастап Ford-қа өтті. Патенттер 1947 жылы (GM үшін) және 1949 жылы (Ford үшін) тіркелді, соңғы патент 1920 жылдардың ортасында FIAT компаниясының Гвидо Форнака жасаған дизайнына сілтеме жасайды. Макферсонның жаңа тірегінің дизайны басқа ертерек дизайндардан шабыттанған болуы мүмкін. Соғысқа дейінгі Stout Scarab машинасының тіректі аспасы әсер еткен болуы мүмкін, сондай-ақ сол кезде ұшақтардың қону шассилеріндегі ұзақ қозғалысты тіректер жақсы белгілі болды. Француздық Cottin Desgouttes ұқсас дизайнды қолданды, бірақ жапырақты серіппелері аз болды, бірақ Cottin Desgouttes алдыңғы аспасы американдық инженер J. Walter Christie-дің 1904 жылғы дизайнынан шабыт алды. Макферсон төрт доңғалақтың да тірегін жасады, бірақ ол әдетте тек алдыңғы аспа үшін қолданылады, онда ол рульдік басқару және доңғалақтың аспасын орнатуды қамтамасыз етеді. MacPherson тіректерін пайдаланған алғашқы өндіріс машинасы жиі дұрыс емес француздық 1949 Ford Vedette деп аталады, бірақ ол Макферсонға дейін әзірленген, тәуелсіз алдыңғы аспасы бар, тілек сүйектері мен жоғарғы спиральді серіппесі бар. Тек 1954 жылы, Simca компаниясы Vedette зауытын сатып алғаннан кейін, жаңартылған Simca Vedette алдыңғы тіректерді пайдалануға көшті. Тіректе спиральді серіппе де, дене салмағын көтеретін демпфер де орналасуы мүмкін, демпфер көбінесе тіректің ішінде орнатылған картридж түрінде болады (coilover қараңыз). Тіректің төменгі сыртқы бөлігіне рульдік қолдар да орнатылуы мүмкін. Бұл жиынтық өте қарапайым және бірге жиналып, бір бөлік ретінде жеткізілуі мүмкін. Сонымен қатар, жоғарғы басқару қолдарын жою қозғалтқыш бөлімінде кеңірек орынға мүмкіндік береді, бұл кішкентай машиналар үшін пайдалы, әсіресе алдыңғы доңғалақтармен қозғалатын көліктерде көлденең орнатылған қозғалтқыштармен. Қажет болған жағдайда, құрастыруды радиус қолдарын айналып өтуге қарсы (торсиялық) таяқшамен ауыстыру арқылы одан әрі жеңілдетуге болады. Көптеген қазіргі нұсқалар төменгі басқару қолдарын тілек сүйектерімен алмастырады. Айналып өтуге қарсы таяқша қосымша және, егер болса, шарлы буынмен серіппе демпферіне немесе шарлы немесе эластомерлі буынмен тірек сүйегіне бекітіледі.

Earle S. MacPherson was appointed the chief engineer of Chevrolet's Light Car project in 1945. He was tasked with developing a new, smaller car for the immediate post war market, an effort that led to the Chevrolet Cadet. The Cadet was poised to be a groundbreaking vehicle, and the three prototypes that had been built by 1946 displayed a wide range of innovations. One of these was a revolutionary new independent suspension system that featured what is now known as a MacPherson strut. The Cadet was slated to be the first production vehicle with MacPherson struts, but the project was cancelled in 1947 and never saw commercial production. This was in large part due to GM's concerns about the Cadet's forecasted profit margins. After the Cadet project was shelved, a disgruntled MacPherson left GM to join Ford. Patents were filed in 1947 ( for GM) and in 1949 ( for Ford), with the latter patent citing designs by Guido Fornaca of FIAT in the mid 1920s. MacPherson's new strut design may have taken inspirations from other earlier designs as well. The strut suspension of the pre war Stout Scarab could have been an influence, and long travel struts in aircraft landing gear were well known by that time. The French Cottin Desgouttes utilized a similar design, albeit with less sophisticated leaf springs, but the Cottin Desgouttes front suspension was in turn inspired by a 1904 design by American engineer J. Walter Christie. MacPherson designed the strut for all four wheels, but it is normally used for the front suspension only, where it provides a steering pivot as well as a suspension mounting for the wheel. The first production car to use MacPherson struts is often cited incorrectly as the French 1949 Ford Vedette, but it was developed before MacPherson, with an independent front suspension based on wishbones and an upper coil spring. Only in 1954, after the Vedette factory had been purchased by Simca, did the revised Simca Vedette switch to using front struts. The strut will usually carry both the coil spring, on which the body is suspended, and the shock absorber, which is usually in the form of a cartridge mounted within the strut (see coilover). The strut can also have the steering arm built into the lower outer portion. The whole assembly is very simple and can be pre assembled into a unit. As well, the elimination of the upper control arm allows for more width in the engine compartment, which is useful for smaller cars, particularly with transverse mounted engines, such as most front wheel drive vehicles have. The assembly can be further simplified, if needed, by substituting an anti roll bar (torsion bar) for the radius arm. Many modern versions replace the lower control arm with a wishbone. An anti roll bar is optional and, if present, is attached by a ball jointed rod to the spring damper, or by a ball or elastomerically jointed rod to the wishbone.

Артықшылықтары мен кемшіліктері

MacPherson тіректері машинаның алдыңғы құрылымында маңызды бөліктермен жинақталғандықтан, екі тіректік аспаға қарағанда, кішігірім жабысу сынақтарынан өтуге арналған машиналарды жасау оңайырақ. Honda Accord және Civic, сондай-ақ Mercedes E Class сияқты назар аударуға лайық мысалдар бар, олардың барлығы соққыны жақсарту үшін тіректі қабылдады. Дизайнның жалпы қарапайымдылығы сонымен қатар аспаның тозуы үшін азырақ буындар бар екенін білдіреді, сондықтан уақыт өте келе басқару мен руль сезімі нашарлауы азырақ болады. Porsche 911 GT3 және Cayman GT4, сондай-ақ Subaru Impreza WRX STI сияқты алдыңғы аспаның қосымша беріктігін қамтамасыз ететін инверттік монотүтік тіректер де бар. Соңында, тіректер басқа алдыңғы аспа түрлеріне қарағанда тиімдірек жинақталады, бұл Porsche 911 және Boxster сияқты артқы/орталық моторлы машиналарда алдыңғы жүк кеңістігін едәуір арттырады. Геометриялық талдау көрсеткендей, жиналым дөңгелектің тік қозғалысына кемпер бұрышының өзгеруіне, бүйірлік қозғалысына немесе екеуіне де жол бермейді. Ол әдетте екі тіректік немесе көп буынды аспа сияқты жақсы басқаруды қамтамасыз етпейді, өйткені инженерлерге кемперді өзгерту және айналу центрін таңдау үшін азырақ еркіндік береді. Кокпит биіктігін реттейтін машиналарда, әдетте, MacPherson тіректері болмайды, өйткені кемпердің өзгеруі дизайнның қажетті бөлігі болып табылады. Стандартты MacPherson тірегінде де оң скраб болады, онда руль осінің ортасы алдыңғы дөңгелектердің ортасынан смещенген, бұл рульге әсер етеді. Кемшіліктеріне қарамастан, MacPherson тіректік орнату әлі де кейбір жоғары өнімділіктегі машиналарда қолданылады, өйткені олар салыстырмалы түрде кішкентай аспалы қозғалысқа ие және сонымен қатар кинематикалық проблемалар болмайды. 1989 жылғы модельге дейін (964) Porsche 911 серіппелердің орнына бұралу жолақты аспа қолданған ұқсас тіректік дизайнды қолданды. Содан бері барлық Porsche 911 алдыңғы MacPherson тіректеріне ие, 992 негізіндегі 911 GT3 екі тіректік аспа қолданады. Соңғы жылдары General Motors және Ford "Hi Per Strut" және "Revoknuckle" деп аталатын модификацияланған тіректік орнатуды енгізді, ол тіректі жоғары-төмен икемділікті және рульдік динамиканы бөлек басқаратын екі компонентке бөледі. Бұл дизайнның артықшылығы - дөңгелектің жолмен жақсы байланысы және рульге әсер етудің азаюы. Кемшіліктері - қосымша салмақ және құн, бірақ екі тіректік немесе көп буынды орнатудан арзан. Honda Civic Type R аспа дизайнында қолданылатын "қос ось" деп аталатын тағы бір нұсқа бар. MacPherson аспасының тағы бір нұсқасы - екі тіректік алдыңғы аспа, ол төменгі тіректі екіге бөліп, MacPherson тірегінің стандартты тік дизайнын сақтайды. Бұл руль геометриясын және радиусын жақсырақ басқаруға мүмкіндік береді, сонымен қатар үлкен тежегіш құрамын орнатуға мүмкіндік береді.

Because MacPherson struts are packaged with a significant structure in the front crash structure of the car, it is easier to engineer cars that pass more stringent small overlap crashes with struts, as opposed to those with a double wishbone suspension. Notable examples include the Honda Accord and Civic, as well as the Mercedes E Class, all of which adopted struts to improve crash performance. The overall simplicity of the design also means there are fewer joints in the suspension to wear, so there is less decline in handling and steering feel over time. Inverted monotube struts can also provide extra rigidity in the front suspension, as seen in the Porsche 911 GT3 and Cayman GT4, as well as the Subaru Impreza WRX STI. Finally, struts can package more efficiently than other types of front suspension, which allows for significant front cargo space in rear/mid engined cars, such as the Porsche 911 and Boxster. Geometric analysis shows the assembly cannot allow vertical movement of the wheel without some degree of either camber angle change, sideways movement, or both. It is not generally considered to give as good handling as a double wishbone or multi link suspension, because it allows the engineers less freedom to choose camber change and roll center. Cars that have cockpit adjustable ride height generally cannot have MacPherson struts because of the camber changes that are an unavoidable part of the design. Ride suffers because the shock absorber has almost the same vertical motion as the wheel, so there is relatively little leverage to break the stiction in the seals. A standard single pivot MacPherson strut also tends to have positive scrub where the center of the steering axis is offset from the center of the front tires, which results in torque steer. Despite the drawbacks, the MacPherson strut set up is still used on some high performance cars, because they tend to have relatively small suspension travel, and so do not have the same kinematic problems. Up until the 1989 model year (964), Porsche 911 used a similar strut design that did not have coil springs, using torsion bar suspension instead. Since then, all Porsche 911s have had front MacPherson struts, except the 992 based 911 GT3, which uses a double wishbone. In recent years, General Motors and Ford have introduced a modified strut set up, "Hi Per Strut" and "Revoknuckle" respectively, that split the strut into two components that handle the up and down flexibility and steering dynamics separately. The benefits of this design are greater surface contact and reduction in torque steer. The drawbacks are the additional weight and cost, but it is less expensive than either a double wishbone or multi link setup. Honda introduced another variation strut set up, called "dual axis", which is used in the suspension design of the Civic Type R. Another variant of the MacPherson strut is the double pivot front suspension, which splits the lower wishbone into two while retaining the standard upright design of the MacPherson strut. That allows for better control of steering geometry and scrub radius, while allowing for a larger brake assembly.