Когда речь заходит о продукции концерна ZF Friedrichshafen AG, в первую очередь обсуждаются системы трансмиссии или амортизаторы, что закономерно. Однако на фоне достигнутых сияющих высот в этих областях, в определенном смысле остаются в тени не менее важные компоненты – детали подвески и рулевого управления.

В этом свете есть смысл пристальнее взглянуть на эту сторону «планеты ZF». Чтобы выяснить, почему и в этой области продукция концерна в течение десятилетий остается признанным эталоном конвейерного качества. Тема эта актуальна и потому, что позиции подразделения ZF Aftermarket в этой нише усилились с включением Aftermarket-подразделения TRW.

Ключевым и наиболее сложным элементом любых систем подвески является шаровый шарнир. В процессе повседневной эксплуатации шаровые шарниры испытывают значительные нагрузки. В зависимости от места их установки и самой конструкции подвески они могут нести на себе весьма значительную долю массы автомобиля, а также подвергаются систематическим ударам при езде по неровностям, ямам и т.п.

На первый взгляд конструкция шарового шарнира проста. В корпусе с шарообразной же полостью размещается цапфа — шарообразная головка с «пальцем». Однако, чтобы такая конструкция работала в условиях постоянного движения, необходим ряд дополнительных элементов: стопорных и опорных колец, пружинных элементов, донных заглушек или крышек. И конечно — вкладышей с низкими фрикционными свойствами. Если в прежние времена в шарнирах использовались пары трения «металл–металл», то сегодня применяются так называемые низкофрикционные шарниры.

 

Шаровая головка в современной шаровой опоре, рулевом наконечнике или другом шаровом шарнире подвески Lemförder окружена вкладышем, изготовленным из специальных материалов. Обычно это высокопрочный полимер с низким коэффициентом трения, устойчивый к термическим нагрузкам. Конструкция и материал вкладыша зачастую определяется местом шарнира в подвеске и типом (классом) транспортного средства. В ряде шарниров, в частности шаровых опор, в зависимости от способа их установки (верхняя или нижняя), в одних случаях усилие прилагается на вдавливание, в других — на вырывание цапфы из корпуса.

Если нагрузка такова, что ее может выдержать только цельная конструкция, то в случае нагрузки на выдавливание цапфы корпус шарнира обычно цельный с противоположной пальцу стороны и завальцован со стороны пальца. В таких шарнирах вкладыш может охватывать всю поверхность шаровой головки, кроме отверстия для перемещения пальца. В тех же случаях, когда нагрузка идет на вырывание, обычно корпус шарнира состоит из двух частей — корпус закрывается донной гайкой или впрессованной крышкой. В таких шарнирах может использоваться кольцевой вкладыш, а иногда два вкладыша: верхний кольцевой — жестко закрепленный, и нижний — чашеобразный, иногда подпружиненный упругим элементом.

Отличительная особенность шарниров Lemförder, которая делает их узнаваемыми даже без взгляда на клеймо, состоит в том, что значительная доля шаровых опор и большая часть всех других шарниров имеют самую сложную конструкцию. В ней и снизу есть впрессованная крышка или донная гайка, и со стороны пальца шарнир имеет стопорный элемент. Естественно, это не касается случаев, когда автопроизводителем был продиктован иной вариант. Однако в тех случаях, когда такая конструкция в принципе применима, в Lemförder отдают предпочтение именно ей. Указанная схема дает наибольшую свободу в конструировании внутренних элементов и поэтому позволяет достичь наилучших функциональных характеристик в сочетании с максимальной ходимостью.

Вообще, при конструировании шарового шарнира инженерам Lemförder, как это часто бывает в технике, приходится решать ряд взаимно противоречивых задач. А также применять технологии, благодаря которым шарнир может иметь большой эксплуатационный ресурс при условии необслуживаемости — без дополнительной смазки, подтягивания для устранения люфтов и т.п.

Увеличение зазоров вследствие износа поверхностей трения является одним из основных процессов естественного износа шарниров. В результате происходит так называемое разбалтывание, когда палец, кроме вращательного движения, начинает перемещаться поступательно. При сильном износе шаровой опоры возникают люфты, и тогда чрезмерные ударные нагрузки могут привести к вырыванию пальца из корпуса. Поэтому необходимо рассчитать оптимальную плотность посадки шаровой головки.

При сильном износе шаровой опоры возникают люфты, и тогда чрезмерные ударные нагрузки могут привести к вырыванию пальца из корпуса

С одной стороны, сопряженность шаровой головки и вкладыша должна быть наиболее плотной. Качественный шарнир не должен прослабляться после определенного количества циклических нагрузок или километража пробега. Момент вращения шарнира должен оставаться в заданных пределах максимально долгое время, равное сроку службы шарнира. С другой стороны — надо избежать избыточного давления, которое увеличит и без того большую силу трения и нагрузку на масляную пленку между шаром и вкладышем. И при этом необходимо еще обеспечить высокую подвижность шарнира, чтобы не увеличивать чрезмерно нагрузку на исполнительные механизмы рулевого управления.

Подобные взаимоисключающие требования достигаются в деталях Lemförder применением особых материалов для подшипников скольжения (вкладышей), в которые запрессовывается цапфа. А также фирменной технологией сборки шарнира, в процессе которой деталь неоднократно нагревается для обеспечения постоянного срывного момента шарнира. Качественные полимерные материалы достаточно дороги, поскольку по устойчивости к деформации превосходят даже металлы. Вкладыши из сверхпрочного пластика изготавливаются таким образом, что их поверхность настолько гладкая, что на ощупь кажется «мыльной», то есть скользкой, даже без всякой смазки. А поверхность шаровой головки полируется до очень высокой степени чистоты, то есть до зеркального состояния.

Очень большое значение также придается используемой в шарнирах Lemförder смазке. Она должна обладать очень высокой прочностью пленки при больших нагрузках, быть температурно устойчива и не терять своих свойств в течение всего срока службы. Обычно такие смазки для автомобильной, а также аэрокосмической промышленности производят специализированные компании, которых в мире всего несколько.

Не менее важна защита этой смазки от загрязнения — такую функцию выполняет манжет, он же «пыльник». В деталях Lemförder используется резина, которая не растрескается даже при постоянном отклонении пальца в крайнее положение, устойчива к воздействию агрессивных жидкостей и не теряет эластичности даже при воздействии экстремально низких температур. Особая форма пыльника шаровых опор Lemförder способствует тому, что он не сминается, а только изменяет форму, не образуя складок. Пыльник закрепляется с помощью специальных колец из упругой стали, не подверженной коррозии — это важно, поскольку ослабление кольца однозначно приводит к выходу шарнира из строя. Так, по стандарту шаровая опора Lemförder должна сохранять герметичность под напором воды давлением в 80 бар.

Окно для вращения пальца должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить максимальный угол отклонения пальца — чтобы даже при попадании колеса в яму он не бил по корпусу. Для этого применяются утолщения корпуса шарнира вокруг отверстия, специальные кольца, принимающие на себя и распределяющие давление вкладыша на корпус. Также края отверстия могут защищаться специальным стопорным кольцом. Сам же шаровой палец должен быть настолько прочным, чтобы не ломаться при экстремальных нагрузках, а лишь деформироваться.

Одним из опаснейших врагов шарниров подвески, учитывая их месторасположение, является коррозия. Для защиты пальцев и корпусов шарниров используются разные технологии: порошковая покраска, электрокафорезное напыление, иногда – оксидирование (так называемое «ружейное воронение»). Сегодня в серийном производстве шарниров на заводах ZF Lemforder применяется самая передовая технология так называемой холодной экструзии, при которой уже не требуется трудоемких, энергоемких и дорогостоящих операций термообработки и нанесения антикоррозийного покрытия. Применение новой технологии стало возможным только благодаря переходу на новое сырье – современную специальную машиностроительную сталь, препятствующую коррозии.

Сегодня в серийном производстве шарниров на заводах ZF Lemforder применяется самая передовая технология так называемой холодной экструзии

Несмотря на достигнутое совершенство существующих конструкций, покой инженерам Lemförder только снится. С каждым годом автопроизводители повышают требования к монтажному пространству и весу систем подвески. Сегодня на легковом автомобиле со сложной многорычажной подвеской может насчитываться до 20 шаровых шарниров. Поэтому вопрос их суммарной массы становится достаточно острым, если учесть, что он включается в неподрессоренную массу ходовой части. Современные и надежные шарниры Lemforder весят, в зависимости от их назначения, в среднем до 200 граммов, при этом оставаясь достаточно прочными.

Именно использование облегченных конструкций Lemförder позволяет добиться снижения расхода топлива и, следовательно, выбросов CO2. С целью дальнейшего облегчения без потери прочности Lemförder изготавливает современные шарниры, комбинируя материалы и технологии. Так, «Гибридный стабилизатор», используемый в сегодняшних моделях BMW, состоит из стальной стойки, жестко закрепленной с шарнирами, корпуса которых изготовлены из полиамида, скрепленного карбоновыми волокнами. Разумное сочетание материалов делает деталь легче, без потери прочностных характеристик, и что не менее важно — позволяет сохранить привлекательный ценовой уровень. Широкое использование таких комбинированных деталей актуально, прежде всего, в электромобилях, где каждый лишний грамм снижает КПД недешевой батареи, приводящей ТС в движение.

Заводы ZF уже на протяжении длительного времени используют и другой ресурсосберегающий процесс, призванный повысить как экологичность, так и экономическую эффективность производства. Точная прессовка заготовок цапф, максимально повторяющая формы контура готовой детали, позволяет при обточке снимать всего лишь несколько граммов стальных отходов на каждой заготовке. При массовом производстве эти «граммы» превращаются в сэкономленные тонны стали и мегаватты электроенергии, а в итоге — и сбереженные средства покупателей продукции Lemförder.

Развитие производства шарниров сегодня не ограничивается сугубо «технологиями металло­обработки»: в современный шарнир можно вставить датчик или другие элементы электроники, которые также находят свое применение на современном этапе эволюции шарового шарнира. Сейчас в ZF рассматриваются возможности создания «Шарнира с интеллектом», который сможет давать информацию о состоянии автомобиля при движении, что, в свою очередь, может стать ценным дополнительным источником данных для различных систем помощи водителю.

Стоит понимать, что суды и судебные эксперты в Европе работают хорошо, особенно когда дело касается защиты прав потребителей с шансом оштрафовать большую и богатую корпорацию. В случае ДТП, среди причин которого экспертиза назовет несовершенство конструкции или заводской брак, компенсации пострадавшим в развитых странах исчисляются шестизначными суммами. Именно поэтому автопроизводители проводят масштабные отзывные кампании. И в отношении критичных для безопасности узлов перестраховываются, заказывая компоненты подвески только производителям с безупречной репутацией, такой как у концерна ZF.

В свете того, что мы знаем о кажущейся простоте конструкции шаровых шарниров и подходах к их проектированию, стоит также рассмотреть ряд бытующих на рынке заблуждений. Самое явное – то, что деталь, изготовленная по оригинальным чертежам, аналогична компоненту оригинального качества. Может показаться, что изготовить по заданным размерам такие детали, как рычаги, втулки или шарниры, удастся на любом современном участке литья и мех­обработки. Естественно, при использовании тех же материалов. Однако оказывается, что даже соответствие чертежу и составу материалов еще не гарантирует оригинального качества.

Свойства детали, не в меньшей мере, чем от конструкции и материалов, зависят от технологий производства. Только они обеспечивают функциональное соответствие детали, причем во всем спектре режимов эксплуатации. Причем, технологические процесс, в триаде размеры-материалы-процессы, пожалуй — самая сложная, наукоемкая и требующая наибольших инвестиций составляющая. А прочность деталей, изготовленных из одних и тех же материалов, но с нарушением технологии, может быть ниже в разы.

Например, при изготовлении рычагов имеет значение как состав сплава или структура материала заготовки, так и процесс отливки, штамповки или ковки. Важен также этап охлаждения — от того, как остывает металл, зависит качество его кристаллической решетки. Например, при изготовлении шарниров Lemforder применяется такая технология, как «отпуск» – деталь определенное время выдерживается при заданной температуре. Этим снимается напряжение в решетке, и уменьшается хрупкость металла. При изготовлении шарниров применяются также специальные технологии расточки или отжига, формовки вкладышей и т.п., при изготовлении сайтентблоков – калибровка втулок и так далее.

при изготовлении шарниров Lemforder применяется такая технология, как «отпуск» – деталь определенное время выдерживается при заданной температуре

Еще один из мифов рынка в том, что можно провести некие «независимые испытания», которые могут показать полное соответствие некой детали ЕО-качеству. Или даже более того – показывают превосходящие характеристики в сравнении с оригинальными. В этой связи необходимо принять во внимание два момента. Во-первых, детали обычно испытываются по каким-то прочностным и ресурсным параметрам в довольно узком режиме. Во-вторых, сами выбранные для испытаний параметры могут иметь разное отношение к реальному ресурсу деталей при эксплуатации в составе подвески автомобиля, а также обеспечению безопасности в различных ситуациях.

Например, испытания так называемых усиленных деталей могут показывать большее усилие, необходимое для вырывания цапфы из шарового шарнира — иногда заявляется двукратное превышение. Но вопрос в том, что это дает на практике — что шаровая опора уцелеет даже в том случае, если автомобиль налетит на бровку на скорости в 200 км/ч? Существенно ли, что будет с опорой на фоне того, что станет после этого со всем автомобилем? 

Важно понимать, что какой-то элемент в системе всегда будет самым слабым. И это должен быть совершенно определенный элемент — такой, разрушение которого при превышении допустимой нагрузки на всю конструкцию приведет к наименее опасным последствиям. Как для самой конструкции в целом, так и для безопасности движения. Например, часто можно услышать жалобы на то, что в определенных автомобилях чаще всего ломается тяга стабилизатора. Резонный вопрос — а будет лучше, если сломается что-то другое?

Если мы усиливаем что-то одно — значит, сломается сопряженный узел, и последствия этого могут быть катастрофическими. Теоретически, если сделать все узлы подвески «космической прочности», тогда при чрезмерной нагрузке эту подвеску оторвет от кузова. Конечно, если и кузов сделать из титана… очевидно, что такой путь «улучшения» не имеет практической перспективы. Простой пример можно привести по аналогии с обувью. Если в туфлях за несколько сезонов сносился каблук — это хорошая обувь. Хуже, если она развалится, когда подошва еще цела. А каблук нарастить — самый простой вид ремонта.

Если мы усиливаем что-то одно — значит, сломается сопряженный узел, и последствия этого могут быть катастрофическими

То же относится и к независимым ресурсным испытаниям. Например, они покажут, что шарнир совершил больше движений до разрушения, чем оригинальный. Возможно, но в каких условиях? Идентичны ли они тем нагрузкам, с их векторами и значениями усилий, которые возникают при эксплуатации данной детали на тех конкретных автомобилях, для которых они предназначены? Ведь не зря автопроизводители и разработчики компонентов гоняют тестовые образцы автомобилей по специальным тестовым полигонам.

Иногда с целью продления ходимости определенных деталей предпринимается увеличение геометрических размеров их компонентов. Простая логика говорит, что увеличение площади шара в шарнире снизит удельную нагрузку на его поверхность. Но если продумывать ситуацию дальше, то возникает проблема увеличения девиации (дельты) зазоров при температурном расширении в системе больших размеров. Поэтому с точки зрения научного скепсиса результаты любых конструктивных изменений, вносимых для улучшения оригинальной детали, могут порождать больше вопросов, чем ответов.


Что значит «ресурс» в применении к деталям подвески

Ресурсом детали называется количество полезной работы, которую она способна выполнить, пока ее износ не станет препятствием к правильной и безопасной работе системы. Это называется функциональным ресурсом. И только такая трактовка ресурса применима в отношении деталей подвески. Вообще есть два вида ресурса.

первый — ресурс «до отказа», при котором деталь работает, пока не выйдет из строя. Этот подход применим лишь к тем компонентам, от которых не зависит безопасность движения, а также к дублируемым деталям, к которым детали подвески не относятся.

второй — ресурс до износа. Это назначенный производителем ресурс пробега при нормальных условиях эксплуатации. По его исчерпании деталь все еще должна сохранять функциональность и должна иметь некий запас до наступления неприемлемой степени износа.

Все аспекты ресурса подтверждаются функциональными испытаниями деталей Lemförder, которые проводит концерн ZF: зеленый свет поставке на конвейер дается после успешного прохождения около миллиона нагрузочных циклов. Кратковременное воздействие экстремальных температур от -40 до +140ºC также не должно нарушать работоспособность узла.


В любом случае, ОЕ-качество может быть подтверждено только специализированными программами испытаний, разработанными в сотрудничестве с разработчиками подвески и всего автомобиля. А это прерогатива конвейерных поставщиков. Справедливости ради стоит отметить, что есть случаи, когда ZF вносит изменения в конструкцию оригинальных компонентов, когда выпускает их на вторичный рынок. Если точнее — те компоненты, которые ZF не делает в ОЕМ, будучи разрабатываемы для вторичного рынка, делаются по собственным стандартам, а не копируются. И поскольку при разработке учитываются более реалистичные условия эксплуатации автомобилей по всему миру, результатом становится соответствующая ходимость.

Например, в случае с нижними рычагами на Mercedes-Benz (С, Е и S классов), которые на наших дорогах начинают стучать. В них палец шарнира нижнего рычага имеет большой угол отклонения во всех направлениях. Это не плохо сточки зрения конструкции, однако при езде по плохим дорогам это происходит постоянно, пыльник не выдерживает и рвется, шарнир засоряется. На конвейер ZF для этих рычагов поставляет только сайлент-блок. Если же сравнивать рычаги от ZF с оригинальными (нижние рычаги для этих авто собственных разработки и производства), то можно увидеть отличия. Часть рычага ближе к ступице разработана по программе реверс-инжиниринга. Заготовка для рычагов используется от того же производителя, что и для оригинальных МВ. Но шарнир делается по традиционной для Lemförder схеме — с двух сторон. И пыльник надевается поверх корпуса и фиксируется кольцом, поэтому он отлично ведет себя на любых дорогах при постоянных отклонениях пальца во все стороны на большие углы.

В целом вывод прост — что бы ни говорили производители автокомпонентов, не допущенные в первичную комплектацию подвески премиальных автомобилей, только конвейерный поставщик может предъявить действительно неопровержимые гарантии качества своей продукции. Lemförder —это синоним слова «оригинал». Впрочем, все сказанное выше справедливо и по отношению к продукции TRW — другого, сравнимого по масштабам и компетенциям производителя систем подвески и рулевого управления. За статусом OEM-поставщика стоят самые современные технологии производства, дорогостоящие материалы и патенты. Потому что безопасность авто­владельцев и пассажиров, как и репутация марки, того стоят.