Известна практически общепринятая система независимой подвески колес, состоящая из качающихся рычагов, шарнирно сочлененных с корпусом и узлом вращения колеса.
Признанные на основе практики преимущества такой схемы перед другими, известными из опыта автомобилестроения, помимо высокой копирующей способности при обкатывании продольного и поперечного дорожного профиля, состоят в сравнительно низкой неподрессоренной массе (суммарная масса колеса со всеми присоединенными к нему механизмами и деталями подвески, а также приведенная масса всех качающихся частей подвески). В условиях движения с высокими скоростями (нередко превосходящими 300 км/час) соотношение подрессоренной и неподрессоренной масс становится одним из решающих критериев качества всего автомобиля (понятие подрессоренной массы подразумевает суммарную массу всех частей полностью снаряженного автомобиля, поддерживаемых рессорами и номинальной полезной нагрузки, включая экипаж). Неподрессоренная масса является величиной, определяющей быстродействие подвески и вытекающую из него способность обеспечивать безотрывное качение колеса. Прерывистое качение колеса на высокой скорости создает угрозу для управляемости и устойчивости движения, в особенности на виражах или при порывистом боковом ветре или на мокрой дороге.
Один из распространенных вариантов рычажной подвески схематически изображен на фиг. 1. Конструктивно подвеска выполнена в виде шарнирного параллелограмма, составленного из двух рычагов (1) различной длины, предназначенных для связи колесного узла вращения (2) (включающего для направляющих колес и узел поворота) с корпусом (3). Оптимальное расположение колеса относительно дороги обеспечено различной длиной рычагов и углом их наклона. Шарниры (4) рычагов (1) на каждом из концов дублированы и разнесены вдоль автомобиля для возможности восприятия продольных нагрузок. Тягой (5) колесный узел (2) шарнирно связан с рессорным узлом, снабженным амортизатором (не показаны).
Действие всей системы основано на передаче сил реакции дороги от колеса рессоре посредством тяги (5) без потери колесом оптимального расположения относительно дороги. Функция рессоры заключена в поглощении вертикальной проекции вектора количества движения неподрессоренной массы путем замедления вертикального движения колесного узла противодействующей силой упругости на пути сжатия рессоры при непрерывном увеличении противодействующей силы и в последующем возврате колеса в контакт с дорогой по окончании поглощения. Функция амортизатора в обеспечении затухания колебаний системы. Нормальное действие подвески основано на режиме свободных колебаний с оптимальным затуханием.
Обобщенным показателем качества подвески является собственная частота колебаний, равная корню квадратному из отношения жесткости рессоры к неподрессоренной массе (см. Приложение 1). Жесткость рессоры определена как отношение приложенной силы к величине вызванной ею деформации. Значение жесткости не может выбираться произвольно и связано с подрессоренной массой автомобиля, скоростью движения, дорожными условиями и целым рядом требований виброустойчивости и прочности автомобиля в целом. Неподрессоренная масса в современных подвесках доведена до столь малых величин, что возникает проблема обеспечения достаточного запаса прочности. Поэтому практически повышение собственной частоты подвески неосуществимо в той мере, которая необходима по условиям скоростного движения. В этой связи ожидать улучшения важнейшего показателя совершенства традиционной подвески нет оснований по чисто физическим причинам.
Действие подвески нельзя рассматривать вне связи с остальными частями автомобиля, т.к. ее свойства находятся в зависимости от сил, действующих на автомобиль в целом. При высоких скоростях движения весьма существенную роль начинают играть аэродинамические силы. Для гоночного автомобиля имеет большое значение подъемная сила, возникающая на корпусе, как на наиболее протяженной части конструкции. Это явление в аэродинамике называется экранным эффектом и наблюдается в случае движения вблизи поверхности раздела сред. Он успешно используется в авиации, но для гоночного автомобиля является очень вредным благодаря ухудшению контакта колес с дорогой. Ухудшение контакта происходит от разгрузки рессор, которые рассчитаны так, чтобы поддерживать автомобиль на заданном расстоянии от дороги. При ударном характере сил реакции дороги большую роль играет начальная сила, сжимающая рессору. Этой начальной силой является реакция дороги, вызванная действием сцепного веса (доля веса подрессоренных масс, приходящаяся на колесо). Удары, воспринимаемые колесом, вызывают подскоки, высота которых будет зависеть от жесткости рессоры. При неизменной жесткости подскок будет ликвидирован рессорой тем быстрее, чем больше величина начального сжатия. Аэродинамическая подъемная сила на корпусе противодействует весу и снижает эффективное сжатие рессор в сравнении с состоянием покоя, облегчая тем самым наступление подскоков колеса, но еще до подскоков происходит снижение сцепного веса (силы воздействия на дорогу) и соответствующей реакции дороги. В результате ухудшается управляемость, устойчивость движения и эффективность торможения. С целью нейтрализации экранного эффекта применяются антикрылья, развивающие при движении отрицательную подъемную силу, называемую прижимной силой. На основе изложенного может возникнуть идея повышения прижимной силы антикрыла с целью улучшения условий противодействия подскоку. К сожалению, этот путь неприемлем. Такое повышение равнозначно увеличению весовой нагрузки, что неминуемо вызывает соответствующее сжатие рессоры. Вместе с тем, рабочий ход сжатия у рессоры ограничен и определен исходя из необходимости поглощения отдельных, особенно сильных толчков. Используя рабочий ход действием антикрыла, мы неизбежно сократим диапазон деформаций рессоры и, следовательно, приблизим момент наступления предельной деформации, что означает прекращение действия всей подвески. Помимо этого существует и чисто геометрическая причина недопустимости деформации: гоночный автомобиль имеет небольшой дорожный просвет, уменьшать который просто опасно из-за возможности задевания за дорогу. Вследствие этих причин увеличение прижимной силы требует повышения жесткости рессор, а поскольку прижимная сила растет пропорционально квадрату скорости, выполнение такого требования приводит к абсурдному результату. В этой связи прижимная сила оказывается строго ограниченной только задачей компенсации экранного эффекта.
Проблема недостаточного противодействия подскоку колеса проявляется в особенностях качения колеса с высокой скоростью, для которого роль инерционных сил тем значимее, чем выше скорость. Эти инерционные силы и вызывают ударные реакции дороги при наезде на неровности. Результат удара может проявляться двояко: колесо поднимается выше верхней точки неровности и перелетает через нее или при пологом фронте неровности не поднимается выше вершины и тогда неизбежно повторное соударение уже поднятого колеса. Таким образом может произойти несколько ударов о фронт неровности, каждый из которых сообщает колесу такое же приращение количества движения, как и однократный удар. В этой ситуации увеличение жесткости рессор вопреки ожиданиям приводит к противоположному результату - вероятность отрыва колеса от дороги повышается вследствие уменьшения высоты подскока. Данное явление дополнительно подтверждает недопустимость произвольного изменения жесткости рессор, о чем шла речь выше. Известные конструкции подвесок представляют собой разновидности механических колебательных систем, вследствие чего они обладают неустранимым свойством обеспечивать, начиная с некоторого значения скорости, свойственного конкретной конструкции, качение колеса не иначе, как в прерывистом режиме, который есть ни что иное, как начало механического резонанса. Серийные подскоки на протяженной неровности являются возмущениями, частота следования которых более близка к собственной частоте подвески, почему и происходит возрастание суммарной высоты подъема колеса. Для подвесок гоночных автомобилей, работающих в условиях специально выбранной гоночной трассы, где заведомо отсутствуют неровности с крутыми фронтами и большой высоты, наиболее вероятна именно описанная ситуация. В то же время, никакой физической возможности воспрепятствовать риску резонанса без изменения принципа действия подвески не существует. Единственная гарантия безаварийного движения это искусство гонщика, все технические средства здесь пока бессильны.
Из сказанного следует, что физические возможности повышения устойчивости контакта колеса с дорогой для подвески традиционной конструкции практически исчерпаны, т. к. ни собственная частота подвески, ни прижимная сила антикрыла не имеют реальной возможности повышения. Невозможность дальнейшего совершенствования рассмотренной системы подвески делает ее неперспективной при непрерывном повышении скоростных результатов гонок и может стать основным ограничителем их роста, что в корне противоречит самой идее автоспорта, являющегося стимулом технического прогресса.
