Подвеска МакФерсона: история и конструкция.

Введение

Тип конструкции автомобильной подвески

Подвеска Макферсона – это тип автомобильной системы подвески, в которой верхняя часть телескопического амортизатора используется в качестве верхней точки опоры поворотного кулака. Она широко применяется в передней подвеске современных автомобилей. Название происходит от имени американского автомобильного инженера Эрла С. Макферсона, который изобрел и разработал эту конструкцию.

История

Эрл С. Макферсон был назначен главным инженером проекта Chevrolet Light Car в 1945 году. Ему было поручено разработать новый, более компактный автомобиль для послевоенного рынка, что привело к созданию Chevrolet Cadet. Cadet должен был стать революционным автомобилем, и три прототипа, построенные к 1946 году, демонстрировали широкий спектр инноваций. Одной из них была революционная новая независимая система подвески, включающая то, что теперь известно как стойка Макферсона. Cadet должен был стать первым серийным автомобилем со стойками Макферсона, но проект был отменен в 1947 году и так и не был запущен в коммерческое производство. Это было во многом связано с опасениями GM относительно прогнозируемой прибыльности Cadet. После закрытия проекта "Кадет" разочарованный Макферсон покинул GM и перешел в Ford. Патенты были поданы в 1947 году (для GM) и в 1949 году (для Ford), причем последний патент ссылался на разработки Гидо Форнаки из FIAT середины 1920-х годов. Возможно, новый дизайн стойки Макферсона был вдохновлен и другими более ранними конструкциями. Подвеска довоенного Stout Scarab могла оказать влияние, а длинноходовые стойки в шасси самолетов были хорошо известны к тому времени. Французские Cottin Desgouttes использовали аналогичную конструкцию, хотя и с менее сложными листовыми рессорами, но передняя подвеска Cottin Desgouttes, в свою очередь, была вдохновлена разработкой 1904 года американского инженера Дж. Уолтера Кристи. Макферсон спроектировал стойку для всех четырех колес, но обычно она используется только для передней подвески, где она обеспечивает поворотный кулак и крепление колеса. Первым серийным автомобилем со стойками Макферсона часто ошибочно называют французский Ford Vedette 1949 года, но он был разработан до Макферсона, с независимой передней подвеской на основе поперечных рычагов и верхней пружиной. Только в 1954 году, после того как завод Vedette был приобретен Simca, модернизированная Simca Vedette перешла на использование передних стоек. Стойка обычно несет на себе как пружину, на которой подвешен кузов, так и амортизатор, который обычно выполнен в виде картриджа, установленного внутри стойки (см. coilover). В стойку также может быть встроен рычаг рулевого управления во внешней нижней части. Вся конструкция очень проста и может быть предварительно собрана в единый узел. Кроме того, устранение верхнего рычага управления позволяет увеличить ширину в моторном отсеке, что полезно для небольших автомобилей, особенно с поперечно расположенными двигателями, как у большинства переднеприводных автомобилей. Конструкция может быть дополнительно упрощена, при необходимости, заменой поперечного рычага стабилизатором поперечной устойчивости (торсионным бруском). Многие современные версии заменяют нижний рычаг управления на поперечный рычаг. Стабилизатор поперечной устойчивости является опциональным и, при наличии, крепится шаровым шарниром к амортизатору пружины или шаровым или эластомерным шарниром к поперечному рычагу.

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.

Преимущества и недостатки

Поскольку стойки Макферсона интегрированы в значительную часть передней силовой структуры автомобиля, проще разрабатывать автомобили, успешно проходящие более строгие краш-тесты при небольшом перекрытии с использованием стоек, чем с двойным поперечным рычагом. Яркими примерами служат Honda Accord и Civic, а также Mercedes E-Class, все из которых перешли на стойки для повышения безопасности при столкновениях. Общая простота конструкции также означает меньшее количество шарниров в подвеске, подверженных износу, что снижает ухудшение управляемости и ощущения от рулевого управления с течением времени. Обратные монотрубные стойки также могут обеспечить дополнительную жесткость передней подвески, как это реализовано в Porsche 911 GT3 и Cayman GT4, а также в Subaru Impreza WRX STI. Кроме того, стойки обеспечивают более компактное размещение, чем другие типы передней подвески, что позволяет увеличить пространство для багажа в автомобилях с задним или среднемоторной компоновкой, таких как Porsche 911 и Boxster. Геометрический анализ показывает, что конструкция не позволяет колесу перемещаться вертикально без изменения угла развала, бокового смещения или их комбинации. Обычно считается, что она обеспечивает управляемость не на таком высоком уровне, как подвеска с двойным поперечным рычагом или многорычажная подвеска, поскольку она ограничивает свободу инженеров в выборе изменения развала и положения центра крена. Автомобили с регулируемой высотой дорожного просвета, как правило, не могут использовать стойки Макферсона из-за неизбежных изменений развала, связанных с конструкцией. Комфорт снижается, поскольку амортизатор имеет почти такое же вертикальное перемещение, как и колесо, что уменьшает рычаг для преодоления статического трения в уплотнениях. Стандартная стойка Макферсона с одним поворотным узлом также склонна к положительному выносу, когда ось поворота смещена от центра передних шин, что приводит к эффекту подруливания. Несмотря на эти недостатки, стойки Макферсона по-прежнему используются в некоторых высокопроизводительных автомобилях, поскольку они обычно имеют небольшой ход подвески и, следовательно, не испытывают тех же кинематических проблем. До 1989 года (964) Porsche 911 использовала аналогичную конструкцию без пружин, вместо этого применялась торсионная подвеска. С тех пор все Porsche 911 оснащаются передними стойками Макферсона, за исключением 911 GT3 на платформе 992, которая использует двойной поперечный рычаг. В последние годы General Motors и Ford представили модифицированные стойки "Hi Per Strut" и "Revoknuckle" соответственно, которые разделяют стойку на два компонента, отвечающих за вертикальную гибкость и динамику рулевого управления. Преимущества этой конструкции – увеличение площади контакта с дорогой и снижение эффекта подруливания. Недостатки – увеличение веса и стоимости, но она дешевле, чем подвеска с двойным поперечным рычагом или многорычажная подвеска. Honda представила еще одну модификацию стойки, называемую "двойная ось", которая используется в конструкции подвески Civic Type R. Другой вариант стойки Макферсона – передняя подвеска с двойным поворотным узлом, которая разделяет нижний рычаг на две части, сохраняя при этом стандартную конструкцию поворотного кулака стойки Макферсона. Это обеспечивает лучший контроль над геометрией рулевого управления и выносом, а также позволяет установить более крупный тормозной механизм.

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.