Пружні елементи підвіски
Для початку загальні поняття.
Вертикальна жорсткість Жорсткість пружного елемента (пружини або ресори) означає яке потрібно докласти зусилля до пружині/ресорі для того, щоб продавити її на одиницю довжини (м, см, мм). Наприклад жорсткість 4кг/мм означає що на пружину/ресору потрібно натиснути із зусиллям 4кг щоб її висота зменшилася на 1мм. Жорсткість так само часто вимірюють в кг/см і в Н/м.
Для того щоб приблизно виміряти жорсткість пружини або ресори в гаражних умовах, можна наприклад на неї встати і розділити свою вагу на величину, на яку пружина/ресора продавилась під вагою. Ресору зручніше класти вушками на підлогу і вставати на середину. Важливо щоб хоча б одне вушко могло вільно ковзати по підлозі. На ресорі краще трохи пострибати перш ніж знімати висоту прогину щоб мінімізувати вплив тертя між листами.
Плавність ходу Плавність ходу це те наскільки автомобіль тряский. Головним чинником, що впливає на «тряскость» автомобіля є частота власних коливань підресорених мас автомобіля на підвісці. Частота ця залежить від співвідношення цих самих мас і вертикальної жорсткості підвіски. Тобто Якщо маса більше то і жорсткість може бути більше. Якщо менше маса, вертикальна жорсткість повинна бути менше. Проблема для автомобілів меншої маси в тому, що при сприятливій для них жорсткості висота посадки автомобіля на підвісці сильно залежить від кількості вантажу. А вантаж — це у нас змінна складова подрессоренной маси. До речі чим більше вантажу в автомобілі, тим він комфортніше (міні тряский) до тих пір поки підвіска не спрацювала повністю на стиск. Для людського тіла найбільш сприятлива частота власних коливань — це така, яку ми відчуваємо при натуральній для нас ходьбі тобто 0.8-1.2 Гц або (грубо) 50-70 коливань в хвилину. Реально в автомобілебудуванні в гонитві за грузонезависимостью вважається допустимим до 2 Гц (120 коливань в хвилину). Умовно автомобілі у яких баланс маса-жорсткість зрушено в бік більшої жорсткості і більш високих частот коливань, називають жорсткими а автомобілі з оптимальною характеристикою жорсткості для їх маси — м'якими.
Кількість коливань в хвилину для вашої підвіски можна порахувати за формулою:
Де:
n – кількість коливань в хвилину (бажано домогтися щоб було 50-70)
С — жорсткість пружного елемента підвіски в кг/см (Увага! У цій формулі кг/см а не кг/мм)
F – маса підресорених частин, діючих на даний пружний елемент, у кг.
Характеристика вертикальної жорсткості підвіски Характеристика жорсткості підвіски це залежність прогину пружного елемента (зміни його висоти щодо вільної) f від власне навантаження на нього F. Приклад характеристики:
Прямий ділянку діапазон коли працює тільки основний пружний елемент (пружина або ресора) Характеристика звичайної ресори або пружини лінійна. Точка fст (що відповідає Fст) — це положення підвіски коли автомобіль стоїть на рівній майданчику у спорядженому стані з водієм, пасажиром і запасом палива. Відповідно до цієї точки — хід відбою. Все що після — хід стиснення. Звернемо увагу на те, що пряма характеристики пружини йде далеко за межі характеристики підвіски в мінус. Так, Пружині не дають повністю розтиснутися обмежувач ходу відбою і амортизатор. До речі про обмежувач ходу відбою. Саме він і забезпечує нелінійне зниження жорсткості на початковому ділянці працюючи враспор пружині. У свою чергу обмежувач ходу стиснення вступає в роботу в кінці ходу стиснення і, працюючи паралельно пружині, забезпечує збільшення жорсткості і кращу енергоємність підвіски (зусилля, яке здатна поглинути підвіска своїми пружними елементами)
Циліндричні (спіральні) пружини
Перевага пружини проти ресор в тому що по-перше, в ній повністю відсутня тертя, а по-друге вона несе тільки чисто функцію пружного елемента в той час як ресора так само виконує функцію направляючого пристрою (важелів) підвіски. У зв'язку з цим пружина навантажується тільки одним способом і служить довго. Єдині недоліки пружинної підвіски в порівнянні з ресорною — складність і висока ціна.
Цилліндрічеській пружина фактично являє з себе скручений в спіраль торсіон. Чим довше пруток (а його довжина збільшується із збільшенням діаметра пружини і кількості витків), тим м'якше пружина при незмінній товщині витка. Видаляючи витки з пружини, ми робимо пружину жорсткіше. Встановивши 2 пружини послідовно, ми отримуємо більш м'яку пружину. Сумарна жорсткість послідовно з'єднаних пружин: С=(1/З1+1/С2). Сумарна жорсткість працюють паралельно пружин С=С1+С2.
Звичайна пружина, як правило, має діаметр, набагато більший ніж ширина ресори і це обмежує можливість використання замість пружини ресори на початку рессорном автомобілі т. к. не поміщається між колесом і рамою. Встановити пружину під раму теж не просто тому що У неї є мінімальна висота, що дорівнює її висоті з усіма зімкнутими витками плюс при установці пружиины під рамою ми втрачаємо можливість виставити підвіску по висоті т. к. Не можемо рухати вгору/вниз верхню чашку пружини. Встановивши пружини всередині рами ми втрачаємо кутову жорсткість підвіски (відповідає за крен кузова на підвісці). На Паджеро так і зробили але доповнили підвіску стабілізатором поперечної стійкості для збільшення кутової жорсткості. Стабілізатор — це шкідлива вимушена міра, грамотно не мати його взагалі на задній осі, а на передній або намагатися його теж не мати, або мати але щоб він був якомога м'якше.
Можна виготовити пружину маленького діаметру для того щоб вона помістилася між колесом і рамою, але при цьому для того, щоб вона не викручувалася, необхідно укласти її в амортизаторную стійку, яка забезпечить (на відміну від вільного положення пружини) строго паралельне відносне положення верхньої та нижньої чашок пружини. Однак при такому рішенні пружина сама стає набагато довше плюс додаткова габаритна довжина необхідна для верхнього і нижнього шарніра амортизаторной стійки. В результаті рама автомобіля навантажується не найсприятливішим чином у зв'язку з тим, що верхня точка опори виявляється набагато вище лонжерона рами.
Амортизаторные стійки з пружинами бувають так само 2-ступінчастими з двома послідовно встановленими пружинами різної жорсткості. Між ними повзун, який є нижній чашкою верхньої пружини і верхній чашкою нижньої пружини. Він вільно переміщається (наноситься) по корпусу амортизатора. При звичайній їзді працюють обидві пружини і забезпечують низьку жорсткість. При сильному пробої ходу стискання підвіски одна з пружин змикається і далі працює лише друга пружина. Жорсткість в однієї пружини більше ніж у двох працюють послідовно.
Існують так само бочкоподібні пружини. Їх витки мають різний діаметр і це дозволяє збільшити хід стиску пружини. Змикання витків відбувається при набагато меншій висоті пружини. Цього може виявитися достатньо для установки пружини під рамою.
Циліндричні спіральні пружини бувають із змінним кроком витка. У міру стиснення, більш короткі витки змикаються раніше і перестають працювати, а чим менше витків працює тим більше жорсткість. Таким чином досягається збільшення жорсткості при ходах стискання підвіски, близьких до максимальних, при чому збільшення жорсткості виходить плавним т. к. виток змикається поступово.
Однак спеціальні види пружин малодоступні а пружина — це по суті справи расходник. Мати нестандартний, сложнодоступный і дорогий расходник не зовсім зручно.
n – кількість витків
С — жорсткість пружини
H0 – висота у вільному стані
Hст — висота при статичному навантаженні
Hсж — висота при повному стисканні
fст – статичний прогин
fсж — хід стиснення
Листові ресори Основна перевага ресор в тому що вони одночасно виконують і функцію пружного елемента і функцію направляючого пристрою а звідси випливає низька ціна конструкції. У цьому правда є і недолік - кілька видів навантаження відразу: штовхає зусилля, вертикальна реакція і реактивний момент мосту. Ресори менш надійні і менш довговічні ніж пружинна підвіска. Тема про ресорах як про спрямовуючий пристрої буде розглядатися окремо разделеле напрямні пристрої підвіски».
Основна проблема ресор в тому, що їх дуже складно зробити досить м'якими. Чим вони м'якше, тим довше їх потрібно робити а при цьому вони починають вилазити за свеси і стають схильними до S-образного вигину. S-подібний вигин це коли під дією реактивного моменту моста (зворотного обертовому моменту на мосту) ресори намотуються власне навколо моста.
Так само ресори мають тертя між листами, при чому не передбачуване. Його величина залежить від стану поверхні листів. При чому всі нерівності мікропрофілю дороги, за величиною обурення не перевищують величину тертя між листами, передаються тілу людини як ніби підвіски немає взагалі.
Ресори бувають багатолистий і малолистовые. Малолистовые краще тим що раз у них менше листів, то і тертя між ними менше. Недолік — складність виготовлення і відповідно ціна. Лист малолистовой ресори має змінну товщину і з цим пов'язані додаткові технологічні складності виробництва.
Так само ресора може бути 1-листова. В ній тертя відсутнє в принципі. Однак ці ресори більш схильні до S-образного вигину і, як правило, застосовуються в підвісках, в яких реактивний момент на них не діє. Наприклад в підвісках не ведучих осей або там де редуктор ведучого моста з'єднаний з шасі а не з балкою моста, як приклад — задня підвіска «Де діон» на задньопривідних автомобілях Вольво 300-ої серії.
З утомним зносом листів боряться виготовленням листів трапецієподібного перерізу. Нижня поверхня вже верхній. Таким чином велика частина товщини листа працює на стиск а не на розтяг, лист служить довше.
З тертям боряться установкою пластикових вставок між листами на кінцях листів. При цьому по-перше листи не стосуються один одного по всій довжині, а по-друге ковзають тільки в парі метал-пластик, де менше коефіцієнт тертя.
Іншим способом боротьби з тертям є густа змазка ресор з укладанням їх у захисні рукави. Такий метод застосовувався на ГАЗ-21 2-ої серії.
З S-подібним вигином боряться роблячи ресору не симетричною. Передній кінець ресори коротше заднього і більш стійкий проти вигину. Між тим сумарна жорсткість ресори не змінюється. Так само для виключення можливості S-образного вигину встановлюють спеціальні реактивні тяги.
На відміну від пружини, ресора не має мінімального розміру по висоті, що істотно спрощує завдання для самодіяльного будівельника підвіски. Однак, зловживати цим потрібно вкрай обережно оскільки Якщо пружина розраховується по максимальній напрузі на повне стискання до змикання її ж витків, то ресора на повне стискання, можливе в підвісці автомобіля для якого конструювалася.
Так само не можна маніпулювати кількістю аркушів. Справа в тому, що ресора конструюється як єдине ціле виходячи з умови рівного опору вигину. Будь-яке порушення веде до виникнення нерівномірності напружень по довжині аркуша (навіть якщо листи додавати а не видаляти) що неминуче призводить до передчасного зносу і виходу з ладу ресори.
Все найкраще, що придумало людство по темі багатолистових ресор є в ресорах від Волги: вони мають трапецієподібний переріз, вони довгі і широкі, несиметричні і з пластиковими вставками. Так само вони м'якше УАЗовских (в середньому) в 2 рази. 5-листові ресори від седана мають жорсткість 2.5 кг/мм а 6-листові ресори від універсалу 2.9 кг/мм. Самі м'які УАЗовские ресори (задні Хантер-Патріот) мають жорсткість 4кг/мм. Для забезпечення сприятливого характеристики УАЗу потрібно 2-3 кг/мм.
Характеристику ресори можна зробити ступінчастою за рахунок застосування подрессорника або надрессорника. Велику частину часу додатковий елемент не діє і не впливає на характеристику підвіски. Він включається в роботу при великому ході стиснення або при наїзді на перешкоду, або при завантаженні машини. Тоді сумарна жорсткість складається з жорсткостей обох пружних елементів. Як правило якщо це надрессорник, то він закріплений серединою на основний ресорі і при ході стиснення кінцями впирається в спеціальні упори, розташовані на рамі автомобіля. Якщо це подрессорник, то при ході стиснення його кінці впираються в кінці основної ресори. Неприпустимо щоб подрессорник упирався в робочу частину основної ресори. У цьому випадку порушується умова рівного опору вигину основної ресори і виникає нерівномірність розподілу навантаження по довжині аркуша. Однак, існують конструкції (як правило на легкових позашляховиках) коли нижній лист ресори зігнутий у зворотний бік і по ходу стиснення (коли основна ресора приймає форму близьку до його формі) прилягає до неї і таким чином плавно включається в роботу забезпечуючи плавно прогресивну характеристику. Як правило такі подрессорники розраховані саме на максимальні пробої підвіски а не для коригування жорсткості від ступеня завантаження машини.
Гумові пружні елементи Як правило гумові пружні елементи, що використовуються в якості додаткових. Однак, є конструкції, в яких гума служить основним пружним елементом, наприклад Ровер Міні старого зразка.
Нам однак вони цікаві тільки в якості додаткових, в народі відомі як «відбійники». Часто на форумах автомобілістів зустрічаються слова «підвіску пробиває до відбійників» з подальшим розвитком теми про необхідність збільшення жорсткості підвіски. Насправді ж для того там ці гумки і встановлюються щоб до них пробивало, і при їх стисненні жорсткість збільшувалася таким чином забезпечуючи необхідну енергоємність підвіски без збільшення жорсткості основного пружного елемента, який підбирається з умови забезпечення необхідної плавності ходу.
На більш старих моделях відбійники були суцільні і, як правило, мали форму конуса. Форма конуса дозволяє забезпечити плавну прогресивну характеристику. Тонкі частини стискуються швидше і чим товще частина, що залишилася, тим жорсткіше гумка
В даний час найбільше поширення одержали ступінчасті відбійники, мають чередующися тонкі і товсті частини. Відповідно на початку ходу стискаються всі частини одночасно, далі тонкі частини змикаються і продовжують стискатися вже тільки товсті частини жорсткість яких більше.Як правило ці відбійники пусті всередині (з вигляду ширше звичайних) і дозволяють отримати більший ніж звичайні відбійники хід. Подібні елементи встановлюються наприклад на автомобілях УАЗ нових моделей (Хантер, Патріот) і Газель.
Відбійники або обмежувачі ходу або додаткові пружні елементи встановлюються як на стиск, так і на відбій. Працюють на відбій часто встановлюються всередині амортизаторів.
Тепер про найбільш часто зустрічаються помилки
1) «Пружина просіла і стала м'якше»: Ні, жорсткість пружини не змінюється. Змінюється тільки її висота. Витки стають ближчими один до одного і машина опускається нижче.
2) «Ресори випростались, значить просіли»: Ні, якщо ресори прямі, це не означає що вони просіли. Наприклад на заводському складальному кресленні шасі УАЗ 3160, ресори абсолютно прямі. У Хантера вони мають ледь помітний для неозброєного ока вигин 8мм, що теж звичайно ж сприймається як «прямі ресори». Для того щоб визначити просіли ресори або немає, можна заміряти який-небудь характерний розмір. Наприклад, між нижньою поверхнею рами над мостом і поверхнею панчохи мосту під рамою. Повинно бути близько 140мм. І ще. Прямими ці ресори задумані не випадково. При розташуванні мосту під ресорою, тільки таким чином вони можуть забезпечити сприятливу характеристику уплавляемости: при крені не підрулювати міст у бік надмірної обертальності. Про обертальність можна почитати в розділі «Керованість автомобіля». Якщо ж якимось чином (додавши листи, проковав ресори, додавши пружини ітд) добитися того, щоб вони стали вигнутими, то автомобіль буде схильний до рисканню на великій швидкості та іншим неприємним властивостями.
3) «Я отпилю від пружини пару витків, вона просяде і стане м'якше»: Так, пружина дійсно стане коротшим і можливо при установці на машину, машина просяде нижче ніж з повною пружиною. Однак, при цьому пружина не стане м'якше а навпаки жесче пропорційно довжині отпиленного прутка.
4) «Я поставлю додатково до ресорам пружини (комбіновану підвіску), ресори розслабляться і підвіска стане м'якше. При звичайній їзді ресори працювати не будуть, будуть працювати тільки пружини, а ресори тільки при максимальних пробоях»: Ні, жорсткість у цьому випадку зросте і буде дорівнювати сумі жорсткості ресори і пружини, що негативно скжется не тільки на рівні комфорту, але і на прохідності (про вплив жорсткості підвіски на комфорт пізніше). Для того щоб таким методом домогтися змінної характеристики підвіски, необхідно зігнути пружиною ресору до вільного стану ресори і через це стан перегнути (тоді ресора змінить напрямок зусилля і пружина і ресора почнуть працювати враспор). А наприклад для малолистовой ресори УАЗа з жорсткістю 4кг/мм і подрессоренной масі 400кг на колесо, це означає ліфт підвіски більш ніж на 10см!!! Навіть якщо здійснити цей жахливий ліфт пружиною, то крім втрати стійкості автомобіля, кінематика зігнутої ресори зробить автомобіль абсолютно некерованим (см п. 2)
5) «А я (наприклад додатково до п. 4) зменшу кількість аркушів в ресорі»: Зменшення кількості аркушів в ресорі дійсно однозначно означає зниження жорсткості ресори. Однак, по-перше це не обов'язково означає зміну її вигину у вільному стані, по-друге вона стає більш схильна до S-образного вигину (намотування навколо моста вод дією реактивного моменту на мосту) і в-третіх ресора конструюється як «балка рівного опору вигину» (хто вивчав «СопроМат», той знає що це таке). Наприклад у 5-листових ресор від Волги-седана і більш жорстких 6-листових ресор від Волги-універсала однаковий тільки корінний лист. Здавалося б у виробництві дешевше всі частини уніфікувати і зробити тільки один додатковий аркуш. Але так не можна т. к. при порушенні умови рівного опору вигину навантаження на листи ресори стає нерівномірною по довжині і лист швидко виходить з ладу на більш навантаженому ділянці. (Скорочується термін служби). Змінювати кількість аркушів у пакеті дуже не рекомендую і тим більше збирати ресори з листів від різних марок автомбилей.
6) «Мені потрібно збільшити жорсткість щоб не пробивало підвіску до відбійників» або «у позашляховика повинна бути жорстка підвіска»: Ну по-перше «відбійниками» вони називаються тільки в народі. Насправді це додаткові пружні елементи, тобто вони там спеціально стоять для того щоб до них пробивало і щоб в кінці ходу стиснення збільшувалася жорсткість підвіски і забезпечувалася необхідна енергоємність при меншої твердості основного пружного елемента (пружини/ресори). При збільшенні жорсткості основних пружних елементів так само погіршується прохідність. Здавалося б, який зв'язок? Межа тяги по зчепленню, який можна розвинути на колесі, (крім коефіцієнта тертя) залежить від того, з якою силою це колесо притиснута до поверхні, по якій їде. Якщо автомобіль їде по рівній поверхні, то ця сила притиснення залежить тільки від маси автомобіля. Однак якщо поверхня не рівна, ця сила починає залежати від характеристики жорсткості підвіски. Наприклад уявімо 2 автомобіля дорівнює подрессоренной маси за 400кг на колесо, але з різною жорсткістю пружин підвіски 4 і 2 кг/мм відповідно, що пересуваються по одній і тій же нерівній поверхні. Відповідно при проїзді нерівності висотою 20см одне колесо спрацювало на стиск на 10см, інше на відбій на ті ж 10см. При разжимании пружини жорсткістю 4кг/мм на 100мм, зусилля пружини зменшилася на 4*100=400кг. А у нас всього 400кг. Значить тяги на цьому колесі вже немає, а якщо у нас на осі відкритий диференціал або диференціал обмеженого тертя (ДОТ) (наприклад гвинтовий «Квайф»). У разі ж якщо жорсткість 2 кг/мм, то зусилля пружини зменшилася лише на 2*100=200кг, а значить 400-200-200 кг все ще тисне і ми можемо забезпечити принаймні половинну тягу на осі. При чому у разі якщо стоїть ДОТ, а у більшості їх коефіцієнт блокування 3, при наявності якийсь тяги на одному колесі з найгіршою тягою, на друге колесо передається в 3 рази більший момент. І приклад: Сама м'яка підвіска УАЗа на малолистових ресорах (Хантер, Патріот) має жорсткість 4кг/мм (і пружина і ресора), в той час як у старого Рэнджровера приблизно такої ж маси як Патріот, на передній осі 2.3 кг/мм, а на задній 2.7 кг/мм.
7) «У легкових автомобілів з м'якою незалежною підвіскою пружини повинні бути м'якше»: Зовсім не обов'язково. Наприклад в підвісці типу «МакФерсон», пружини дійсно працюють безпосередньо, але в підвісках на подвійних поперечних важелях (передня ВАЗ-класика, Нива, Волга) через передаточне число дорівнює співвідношенню відстані від осі важеля до пружини і від осі важеля до кульової опори. При такій схемі жорсткість підвіски не дорівнює жорсткості пружини. Жорсткість пружини значно більше.
8) «Краще ставити жорсткі пружини щоб автомобіль був мені хиткою і отже більш стійким»: Не зовсім так. Так, дійсно чим більше вертикальна жорсткість, тим більше кутова жорсткість (відповідає за крен кузова при дії відцентрових сил в поворотах). Але перенесення мас внаслідок крену кузова значно меншим чином впливає на стійкість автомобіля ніж скажімо висота центру ваги, яким джипери часто дуже марнотратно кидаються лифтуя кузов тільки заради того, щоб не пиляти арки. Автомобіль повинен кренитися, крен це не зачит погано. Це важливо для інформативності при водінні. При конструюванні в більшість автомобілів закладається стандартна величина крену 5 градусів при окружному прискоренні 0.4 g (залежить від співвідношення радіусу повороту і швидкості руху). Окремі автовиробники закладають крен на менший кут для створення ілюзії стійкості для водія.
Вертикальна жорсткість Жорсткість пружного елемента (пружини або ресори) означає яке потрібно докласти зусилля до пружині/ресорі для того, щоб продавити її на одиницю довжини (м, см, мм). Наприклад жорсткість 4кг/мм означає що на пружину/ресору потрібно натиснути із зусиллям 4кг щоб її висота зменшилася на 1мм. Жорсткість так само часто вимірюють в кг/см і в Н/м.
Для того щоб приблизно виміряти жорсткість пружини або ресори в гаражних умовах, можна наприклад на неї встати і розділити свою вагу на величину, на яку пружина/ресора продавилась під вагою. Ресору зручніше класти вушками на підлогу і вставати на середину. Важливо щоб хоча б одне вушко могло вільно ковзати по підлозі. На ресорі краще трохи пострибати перш ніж знімати висоту прогину щоб мінімізувати вплив тертя між листами.
Плавність ходу Плавність ходу це те наскільки автомобіль тряский. Головним чинником, що впливає на «тряскость» автомобіля є частота власних коливань підресорених мас автомобіля на підвісці. Частота ця залежить від співвідношення цих самих мас і вертикальної жорсткості підвіски. Тобто Якщо маса більше то і жорсткість може бути більше. Якщо менше маса, вертикальна жорсткість повинна бути менше. Проблема для автомобілів меншої маси в тому, що при сприятливій для них жорсткості висота посадки автомобіля на підвісці сильно залежить від кількості вантажу. А вантаж — це у нас змінна складова подрессоренной маси. До речі чим більше вантажу в автомобілі, тим він комфортніше (міні тряский) до тих пір поки підвіска не спрацювала повністю на стиск. Для людського тіла найбільш сприятлива частота власних коливань — це така, яку ми відчуваємо при натуральній для нас ходьбі тобто 0.8-1.2 Гц або (грубо) 50-70 коливань в хвилину. Реально в автомобілебудуванні в гонитві за грузонезависимостью вважається допустимим до 2 Гц (120 коливань в хвилину). Умовно автомобілі у яких баланс маса-жорсткість зрушено в бік більшої жорсткості і більш високих частот коливань, називають жорсткими а автомобілі з оптимальною характеристикою жорсткості для їх маси — м'якими.
Кількість коливань в хвилину для вашої підвіски можна порахувати за формулою:
Де:
n – кількість коливань в хвилину (бажано домогтися щоб було 50-70)
С — жорсткість пружного елемента підвіски в кг/см (Увага! У цій формулі кг/см а не кг/мм)
F – маса підресорених частин, діючих на даний пружний елемент, у кг.
Характеристика вертикальної жорсткості підвіски Характеристика жорсткості підвіски це залежність прогину пружного елемента (зміни його висоти щодо вільної) f від власне навантаження на нього F. Приклад характеристики:
Прямий ділянку діапазон коли працює тільки основний пружний елемент (пружина або ресора) Характеристика звичайної ресори або пружини лінійна. Точка fст (що відповідає Fст) — це положення підвіски коли автомобіль стоїть на рівній майданчику у спорядженому стані з водієм, пасажиром і запасом палива. Відповідно до цієї точки — хід відбою. Все що після — хід стиснення. Звернемо увагу на те, що пряма характеристики пружини йде далеко за межі характеристики підвіски в мінус. Так, Пружині не дають повністю розтиснутися обмежувач ходу відбою і амортизатор. До речі про обмежувач ходу відбою. Саме він і забезпечує нелінійне зниження жорсткості на початковому ділянці працюючи враспор пружині. У свою чергу обмежувач ходу стиснення вступає в роботу в кінці ходу стиснення і, працюючи паралельно пружині, забезпечує збільшення жорсткості і кращу енергоємність підвіски (зусилля, яке здатна поглинути підвіска своїми пружними елементами)
Циліндричні (спіральні) пружини
Перевага пружини проти ресор в тому що по-перше, в ній повністю відсутня тертя, а по-друге вона несе тільки чисто функцію пружного елемента в той час як ресора так само виконує функцію направляючого пристрою (важелів) підвіски. У зв'язку з цим пружина навантажується тільки одним способом і служить довго. Єдині недоліки пружинної підвіски в порівнянні з ресорною — складність і висока ціна.
Цилліндрічеській пружина фактично являє з себе скручений в спіраль торсіон. Чим довше пруток (а його довжина збільшується із збільшенням діаметра пружини і кількості витків), тим м'якше пружина при незмінній товщині витка. Видаляючи витки з пружини, ми робимо пружину жорсткіше. Встановивши 2 пружини послідовно, ми отримуємо більш м'яку пружину. Сумарна жорсткість послідовно з'єднаних пружин: С=(1/З1+1/С2). Сумарна жорсткість працюють паралельно пружин С=С1+С2.
Звичайна пружина, як правило, має діаметр, набагато більший ніж ширина ресори і це обмежує можливість використання замість пружини ресори на початку рессорном автомобілі т. к. не поміщається між колесом і рамою. Встановити пружину під раму теж не просто тому що У неї є мінімальна висота, що дорівнює її висоті з усіма зімкнутими витками плюс при установці пружиины під рамою ми втрачаємо можливість виставити підвіску по висоті т. к. Не можемо рухати вгору/вниз верхню чашку пружини. Встановивши пружини всередині рами ми втрачаємо кутову жорсткість підвіски (відповідає за крен кузова на підвісці). На Паджеро так і зробили але доповнили підвіску стабілізатором поперечної стійкості для збільшення кутової жорсткості. Стабілізатор — це шкідлива вимушена міра, грамотно не мати його взагалі на задній осі, а на передній або намагатися його теж не мати, або мати але щоб він був якомога м'якше.
Можна виготовити пружину маленького діаметру для того щоб вона помістилася між колесом і рамою, але при цьому для того, щоб вона не викручувалася, необхідно укласти її в амортизаторную стійку, яка забезпечить (на відміну від вільного положення пружини) строго паралельне відносне положення верхньої та нижньої чашок пружини. Однак при такому рішенні пружина сама стає набагато довше плюс додаткова габаритна довжина необхідна для верхнього і нижнього шарніра амортизаторной стійки. В результаті рама автомобіля навантажується не найсприятливішим чином у зв'язку з тим, що верхня точка опори виявляється набагато вище лонжерона рами.
Амортизаторные стійки з пружинами бувають так само 2-ступінчастими з двома послідовно встановленими пружинами різної жорсткості. Між ними повзун, який є нижній чашкою верхньої пружини і верхній чашкою нижньої пружини. Він вільно переміщається (наноситься) по корпусу амортизатора. При звичайній їзді працюють обидві пружини і забезпечують низьку жорсткість. При сильному пробої ходу стискання підвіски одна з пружин змикається і далі працює лише друга пружина. Жорсткість в однієї пружини більше ніж у двох працюють послідовно.
Існують так само бочкоподібні пружини. Їх витки мають різний діаметр і це дозволяє збільшити хід стиску пружини. Змикання витків відбувається при набагато меншій висоті пружини. Цього може виявитися достатньо для установки пружини під рамою.
Циліндричні спіральні пружини бувають із змінним кроком витка. У міру стиснення, більш короткі витки змикаються раніше і перестають працювати, а чим менше витків працює тим більше жорсткість. Таким чином досягається збільшення жорсткості при ходах стискання підвіски, близьких до максимальних, при чому збільшення жорсткості виходить плавним т. к. виток змикається поступово.
Однак спеціальні види пружин малодоступні а пружина — це по суті справи расходник. Мати нестандартний, сложнодоступный і дорогий расходник не зовсім зручно.
n – кількість витків
С — жорсткість пружини
H0 – висота у вільному стані
Hст — висота при статичному навантаженні
Hсж — висота при повному стисканні
fст – статичний прогин
fсж — хід стиснення
Листові ресори Основна перевага ресор в тому що вони одночасно виконують і функцію пружного елемента і функцію направляючого пристрою а звідси випливає низька ціна конструкції. У цьому правда є і недолік - кілька видів навантаження відразу: штовхає зусилля, вертикальна реакція і реактивний момент мосту. Ресори менш надійні і менш довговічні ніж пружинна підвіска. Тема про ресорах як про спрямовуючий пристрої буде розглядатися окремо разделеле напрямні пристрої підвіски».
Основна проблема ресор в тому, що їх дуже складно зробити досить м'якими. Чим вони м'якше, тим довше їх потрібно робити а при цьому вони починають вилазити за свеси і стають схильними до S-образного вигину. S-подібний вигин це коли під дією реактивного моменту моста (зворотного обертовому моменту на мосту) ресори намотуються власне навколо моста.
Так само ресори мають тертя між листами, при чому не передбачуване. Його величина залежить від стану поверхні листів. При чому всі нерівності мікропрофілю дороги, за величиною обурення не перевищують величину тертя між листами, передаються тілу людини як ніби підвіски немає взагалі.
Ресори бувають багатолистий і малолистовые. Малолистовые краще тим що раз у них менше листів, то і тертя між ними менше. Недолік — складність виготовлення і відповідно ціна. Лист малолистовой ресори має змінну товщину і з цим пов'язані додаткові технологічні складності виробництва.
Так само ресора може бути 1-листова. В ній тертя відсутнє в принципі. Однак ці ресори більш схильні до S-образного вигину і, як правило, застосовуються в підвісках, в яких реактивний момент на них не діє. Наприклад в підвісках не ведучих осей або там де редуктор ведучого моста з'єднаний з шасі а не з балкою моста, як приклад — задня підвіска «Де діон» на задньопривідних автомобілях Вольво 300-ої серії.
З утомним зносом листів боряться виготовленням листів трапецієподібного перерізу. Нижня поверхня вже верхній. Таким чином велика частина товщини листа працює на стиск а не на розтяг, лист служить довше.
З тертям боряться установкою пластикових вставок між листами на кінцях листів. При цьому по-перше листи не стосуються один одного по всій довжині, а по-друге ковзають тільки в парі метал-пластик, де менше коефіцієнт тертя.
Іншим способом боротьби з тертям є густа змазка ресор з укладанням їх у захисні рукави. Такий метод застосовувався на ГАЗ-21 2-ої серії.
З S-подібним вигином боряться роблячи ресору не симетричною. Передній кінець ресори коротше заднього і більш стійкий проти вигину. Між тим сумарна жорсткість ресори не змінюється. Так само для виключення можливості S-образного вигину встановлюють спеціальні реактивні тяги.
На відміну від пружини, ресора не має мінімального розміру по висоті, що істотно спрощує завдання для самодіяльного будівельника підвіски. Однак, зловживати цим потрібно вкрай обережно оскільки Якщо пружина розраховується по максимальній напрузі на повне стискання до змикання її ж витків, то ресора на повне стискання, можливе в підвісці автомобіля для якого конструювалася.
Так само не можна маніпулювати кількістю аркушів. Справа в тому, що ресора конструюється як єдине ціле виходячи з умови рівного опору вигину. Будь-яке порушення веде до виникнення нерівномірності напружень по довжині аркуша (навіть якщо листи додавати а не видаляти) що неминуче призводить до передчасного зносу і виходу з ладу ресори.
Все найкраще, що придумало людство по темі багатолистових ресор є в ресорах від Волги: вони мають трапецієподібний переріз, вони довгі і широкі, несиметричні і з пластиковими вставками. Так само вони м'якше УАЗовских (в середньому) в 2 рази. 5-листові ресори від седана мають жорсткість 2.5 кг/мм а 6-листові ресори від універсалу 2.9 кг/мм. Самі м'які УАЗовские ресори (задні Хантер-Патріот) мають жорсткість 4кг/мм. Для забезпечення сприятливого характеристики УАЗу потрібно 2-3 кг/мм.
Характеристику ресори можна зробити ступінчастою за рахунок застосування подрессорника або надрессорника. Велику частину часу додатковий елемент не діє і не впливає на характеристику підвіски. Він включається в роботу при великому ході стиснення або при наїзді на перешкоду, або при завантаженні машини. Тоді сумарна жорсткість складається з жорсткостей обох пружних елементів. Як правило якщо це надрессорник, то він закріплений серединою на основний ресорі і при ході стиснення кінцями впирається в спеціальні упори, розташовані на рамі автомобіля. Якщо це подрессорник, то при ході стиснення його кінці впираються в кінці основної ресори. Неприпустимо щоб подрессорник упирався в робочу частину основної ресори. У цьому випадку порушується умова рівного опору вигину основної ресори і виникає нерівномірність розподілу навантаження по довжині аркуша. Однак, існують конструкції (як правило на легкових позашляховиках) коли нижній лист ресори зігнутий у зворотний бік і по ходу стиснення (коли основна ресора приймає форму близьку до його формі) прилягає до неї і таким чином плавно включається в роботу забезпечуючи плавно прогресивну характеристику. Як правило такі подрессорники розраховані саме на максимальні пробої підвіски а не для коригування жорсткості від ступеня завантаження машини.
Гумові пружні елементи Як правило гумові пружні елементи, що використовуються в якості додаткових. Однак, є конструкції, в яких гума служить основним пружним елементом, наприклад Ровер Міні старого зразка.
Нам однак вони цікаві тільки в якості додаткових, в народі відомі як «відбійники». Часто на форумах автомобілістів зустрічаються слова «підвіску пробиває до відбійників» з подальшим розвитком теми про необхідність збільшення жорсткості підвіски. Насправді ж для того там ці гумки і встановлюються щоб до них пробивало, і при їх стисненні жорсткість збільшувалася таким чином забезпечуючи необхідну енергоємність підвіски без збільшення жорсткості основного пружного елемента, який підбирається з умови забезпечення необхідної плавності ходу.
На більш старих моделях відбійники були суцільні і, як правило, мали форму конуса. Форма конуса дозволяє забезпечити плавну прогресивну характеристику. Тонкі частини стискуються швидше і чим товще частина, що залишилася, тим жорсткіше гумка
В даний час найбільше поширення одержали ступінчасті відбійники, мають чередующися тонкі і товсті частини. Відповідно на початку ходу стискаються всі частини одночасно, далі тонкі частини змикаються і продовжують стискатися вже тільки товсті частини жорсткість яких більше.Як правило ці відбійники пусті всередині (з вигляду ширше звичайних) і дозволяють отримати більший ніж звичайні відбійники хід. Подібні елементи встановлюються наприклад на автомобілях УАЗ нових моделей (Хантер, Патріот) і Газель.
Відбійники або обмежувачі ходу або додаткові пружні елементи встановлюються як на стиск, так і на відбій. Працюють на відбій часто встановлюються всередині амортизаторів.
Тепер про найбільш часто зустрічаються помилки
1) «Пружина просіла і стала м'якше»: Ні, жорсткість пружини не змінюється. Змінюється тільки її висота. Витки стають ближчими один до одного і машина опускається нижче.
2) «Ресори випростались, значить просіли»: Ні, якщо ресори прямі, це не означає що вони просіли. Наприклад на заводському складальному кресленні шасі УАЗ 3160, ресори абсолютно прямі. У Хантера вони мають ледь помітний для неозброєного ока вигин 8мм, що теж звичайно ж сприймається як «прямі ресори». Для того щоб визначити просіли ресори або немає, можна заміряти який-небудь характерний розмір. Наприклад, між нижньою поверхнею рами над мостом і поверхнею панчохи мосту під рамою. Повинно бути близько 140мм. І ще. Прямими ці ресори задумані не випадково. При розташуванні мосту під ресорою, тільки таким чином вони можуть забезпечити сприятливу характеристику уплавляемости: при крені не підрулювати міст у бік надмірної обертальності. Про обертальність можна почитати в розділі «Керованість автомобіля». Якщо ж якимось чином (додавши листи, проковав ресори, додавши пружини ітд) добитися того, щоб вони стали вигнутими, то автомобіль буде схильний до рисканню на великій швидкості та іншим неприємним властивостями.
3) «Я отпилю від пружини пару витків, вона просяде і стане м'якше»: Так, пружина дійсно стане коротшим і можливо при установці на машину, машина просяде нижче ніж з повною пружиною. Однак, при цьому пружина не стане м'якше а навпаки жесче пропорційно довжині отпиленного прутка.
4) «Я поставлю додатково до ресорам пружини (комбіновану підвіску), ресори розслабляться і підвіска стане м'якше. При звичайній їзді ресори працювати не будуть, будуть працювати тільки пружини, а ресори тільки при максимальних пробоях»: Ні, жорсткість у цьому випадку зросте і буде дорівнювати сумі жорсткості ресори і пружини, що негативно скжется не тільки на рівні комфорту, але і на прохідності (про вплив жорсткості підвіски на комфорт пізніше). Для того щоб таким методом домогтися змінної характеристики підвіски, необхідно зігнути пружиною ресору до вільного стану ресори і через це стан перегнути (тоді ресора змінить напрямок зусилля і пружина і ресора почнуть працювати враспор). А наприклад для малолистовой ресори УАЗа з жорсткістю 4кг/мм і подрессоренной масі 400кг на колесо, це означає ліфт підвіски більш ніж на 10см!!! Навіть якщо здійснити цей жахливий ліфт пружиною, то крім втрати стійкості автомобіля, кінематика зігнутої ресори зробить автомобіль абсолютно некерованим (см п. 2)
5) «А я (наприклад додатково до п. 4) зменшу кількість аркушів в ресорі»: Зменшення кількості аркушів в ресорі дійсно однозначно означає зниження жорсткості ресори. Однак, по-перше це не обов'язково означає зміну її вигину у вільному стані, по-друге вона стає більш схильна до S-образного вигину (намотування навколо моста вод дією реактивного моменту на мосту) і в-третіх ресора конструюється як «балка рівного опору вигину» (хто вивчав «СопроМат», той знає що це таке). Наприклад у 5-листових ресор від Волги-седана і більш жорстких 6-листових ресор від Волги-універсала однаковий тільки корінний лист. Здавалося б у виробництві дешевше всі частини уніфікувати і зробити тільки один додатковий аркуш. Але так не можна т. к. при порушенні умови рівного опору вигину навантаження на листи ресори стає нерівномірною по довжині і лист швидко виходить з ладу на більш навантаженому ділянці. (Скорочується термін служби). Змінювати кількість аркушів у пакеті дуже не рекомендую і тим більше збирати ресори з листів від різних марок автомбилей.
6) «Мені потрібно збільшити жорсткість щоб не пробивало підвіску до відбійників» або «у позашляховика повинна бути жорстка підвіска»: Ну по-перше «відбійниками» вони називаються тільки в народі. Насправді це додаткові пружні елементи, тобто вони там спеціально стоять для того щоб до них пробивало і щоб в кінці ходу стиснення збільшувалася жорсткість підвіски і забезпечувалася необхідна енергоємність при меншої твердості основного пружного елемента (пружини/ресори). При збільшенні жорсткості основних пружних елементів так само погіршується прохідність. Здавалося б, який зв'язок? Межа тяги по зчепленню, який можна розвинути на колесі, (крім коефіцієнта тертя) залежить від того, з якою силою це колесо притиснута до поверхні, по якій їде. Якщо автомобіль їде по рівній поверхні, то ця сила притиснення залежить тільки від маси автомобіля. Однак якщо поверхня не рівна, ця сила починає залежати від характеристики жорсткості підвіски. Наприклад уявімо 2 автомобіля дорівнює подрессоренной маси за 400кг на колесо, але з різною жорсткістю пружин підвіски 4 і 2 кг/мм відповідно, що пересуваються по одній і тій же нерівній поверхні. Відповідно при проїзді нерівності висотою 20см одне колесо спрацювало на стиск на 10см, інше на відбій на ті ж 10см. При разжимании пружини жорсткістю 4кг/мм на 100мм, зусилля пружини зменшилася на 4*100=400кг. А у нас всього 400кг. Значить тяги на цьому колесі вже немає, а якщо у нас на осі відкритий диференціал або диференціал обмеженого тертя (ДОТ) (наприклад гвинтовий «Квайф»). У разі ж якщо жорсткість 2 кг/мм, то зусилля пружини зменшилася лише на 2*100=200кг, а значить 400-200-200 кг все ще тисне і ми можемо забезпечити принаймні половинну тягу на осі. При чому у разі якщо стоїть ДОТ, а у більшості їх коефіцієнт блокування 3, при наявності якийсь тяги на одному колесі з найгіршою тягою, на друге колесо передається в 3 рази більший момент. І приклад: Сама м'яка підвіска УАЗа на малолистових ресорах (Хантер, Патріот) має жорсткість 4кг/мм (і пружина і ресора), в той час як у старого Рэнджровера приблизно такої ж маси як Патріот, на передній осі 2.3 кг/мм, а на задній 2.7 кг/мм.
7) «У легкових автомобілів з м'якою незалежною підвіскою пружини повинні бути м'якше»: Зовсім не обов'язково. Наприклад в підвісці типу «МакФерсон», пружини дійсно працюють безпосередньо, але в підвісках на подвійних поперечних важелях (передня ВАЗ-класика, Нива, Волга) через передаточне число дорівнює співвідношенню відстані від осі важеля до пружини і від осі важеля до кульової опори. При такій схемі жорсткість підвіски не дорівнює жорсткості пружини. Жорсткість пружини значно більше.
8) «Краще ставити жорсткі пружини щоб автомобіль був мені хиткою і отже більш стійким»: Не зовсім так. Так, дійсно чим більше вертикальна жорсткість, тим більше кутова жорсткість (відповідає за крен кузова при дії відцентрових сил в поворотах). Але перенесення мас внаслідок крену кузова значно меншим чином впливає на стійкість автомобіля ніж скажімо висота центру ваги, яким джипери часто дуже марнотратно кидаються лифтуя кузов тільки заради того, щоб не пиляти арки. Автомобіль повинен кренитися, крен це не зачит погано. Це важливо для інформативності при водінні. При конструюванні в більшість автомобілів закладається стандартна величина крену 5 градусів при окружному прискоренні 0.4 g (залежить від співвідношення радіусу повороту і швидкості руху). Окремі автовиробники закладають крен на менший кут для створення ілюзії стійкості для водія.
Інші статті
