Упругие элементы подвески машины
Упругие элементы подвесок смягчают толчки, снижают вертикальные ускорения и динамические нагрузки, передаваемые на несущую конструкцию при движении автомобиля. В результате работы упругого элемента исключается «копирование» кузовом профиля дорожных неровностей и улучшается плавность хода автомобиля. Хорошей плавностью хода считается такая, при которой кузов совершает колебания частотой 1 — 1,3 Гц.
Упругие элементы подвески автомобиля предназначены для смягчения толчков и ударов, а также снижения вертикальных ускорений и динамической нагрузки, которая передается на конструкцию при движении автомобиля. Упругие элементы подвески позволяют избежать прямого воздействия дорожных неровностей на профиль кузова и обеспечивают необходимую плавность хода. Пределы оптимальной плавности хода колеблются от 1-1,3 Гц.
Основные типы упругих элементов подвески:
• металические: листовые рессоры, спиральные пружины, торсионы (стержни, работающие на скручивание);
• неметаллические: пневматические, гидропневматические и резиновые (обеспечивают упругость подвески за счет упругих свойств резины, воздуха и жидкости).
1. Листовые рессоры — основной элемент рессорной подвески для грузовых автомобилей. Рессорная подвеска включает в себя саму рессору с узлами крепления, и иногда амортизатор.
Устройство рессоры. Рессора состоит из стальных листов одинаковой ширины и различной длины, собранных вместе. Кривизна листов тоже не одинакова и зависит от их длины. Кривизна листов обеспечивает плотное прилегание их друг к другу.
В собранном состояние рессора стянута стяжным центральным болтом, а листы рессоры скреплены хомутами, которые исключает возможность бокового перемещения листов рессоры относительно друг друга. Хомуты обеспечивают передачу нагрузки от коренного листа к другим листам рессоры во время обратного ее прогиба. Коренной лист самый длинный, поэтому к кузову (раме) автомобиля рессора крепится за их концы.
2. Пружины — спиральные (витые) пружины изготовляются из прутка круглого сечения и могут быть цилиндрическими, коническими или бочкообразными. Для изготовления пружин используются рессорно-пружинные стали (что и для листов рессор). Для легковых автомобилй пружины выступают основным упругим элементом. Пружины подвергаются термической обработке, которая осуществляется в современных конвейерных печах, благодаря чему и отвечают современным требованиям автомобилестроения.
3. Торсионы применяются на независимых подвесках колес в основном на многоосных автомобилях, прицепах. Бывают исключения когда торсионы применяются на некоторых легковых автомобилях. Торсион это упругий стальной стержень, что работает на скручивание. Как правило, торсион представляет собой металлический стержень круглого сечения со шлицевым соединением на концах. Торсион состоит из набора пластин, стержней, балки определенного сечения.
Крепится торсион к кузову (раме) автомобиля одним концом , к рычагу другим. При перемещении колес торсион закручивается, чем достигается упругая связь между колесом и кузовом.
Торсионы применяются в различных независимых подвесок: на двойных поперечных рычагах, на продольных рычагах, со связанными продольными рычагами (торсионной балке).
Назначение, основные устройства и типы
Подвеской называется совокупность устройств, осуществляющих упругую связь колес с несущей системой автомобиля (рамой или кузовом).
Подвеска служит для обеспечения плавности хода автомобиля и повышения безопасности его движения.
Плавность хода — свойство автомобиля защищать перевозимых людей и грузы от воздействия неровностей дороги. Смягчая толчки и удары от дорожных неровностей, подвеска обеспечивает возможность движения автомобиля без дискомфорта и быстрой утомляемости людей и повреждения грузов.
Подвеска повышает безопасность движения автомобиля, обеспечивая постоянный контакт колес с дорогой и исключая их отрыв от нее.
Подвеска разделяет все массы автомобиля на две части: подрессоренные и неподрессоренные. Подрессоренные — части, опирающиеся на подвеску: кузов, рама и закрепленные на них механизмы. Неподрессоренные — части, опирающиеся на дорогу: мосты, колеса, тормозные механизмы.
При движении по неровной дороге подрессоренные части автомобиля колеблются с низкой частотой (60. 150 мин" 1), а не-подрессоренные — с высокой частотой (350. 650 мин" ‘).
Подвеска автомобиля (рис.1) состоит из четырех основных устройств: направляющего 1, упругого 2, гасящего 3 и стабилизирующего 4.
Направляющее устройство подвески направляет движение колеса и определяет характер его перемещения относительно кузова и дороги. Направляющее устройство передает продольные и поперечные силы и их моменты между колесом и кузовом автомобиля.
Упругое устройство подвески смягчает толчки и удары, передаваемые от колеса на кузов автомобиля при наезде на дорожные неровности. Упругое устройство исключает копирование кузовом неровностей дороги и улучшает плавность хода автомобиля.
Гасящее устройство подвески уменьшает колебания кузова и колес автомобиля, возникающие при движении по неровностям дороги, и приводит к их затуханию. Гасящее устройство превращает механическую энергию колебаний в тепловую энергию с последующим ее рассеиванием в окружающую среду.
Стабилизирующее устройство подвески уменьшает боковой крен и поперечные угловые колебания кузова автомобиля.
Работа подвески осуществляется следующим образом. Крутящий момент Мк, передаваемый от двигателя на ведущие колеса, создает между колесом и дорогой силу тяги Рт, которая приводит к возникновению на ведущем мосту толкающей силы Рх. Толкающая сила через направляющее устройство 1 подвески передается на кузов автомобиля и приводит его в движение. При движении по неровностям дороги колесо перемещается в вертикальной плоскости вокруг точек О1 и О2. Упругое устройство 2 подвески деформируется, а кузов и колеса совершают колебания, которые гасит амортизатор. Корпус амортизатора 3, заполненный амортизаторной жидкостью, прикреплен к балке моста. В корпусе находится поршень с отверстиями и клапанами, шток которого связан с кузовом автомобиля. В процессе колебаний кузова и колес поршень совершает возвратно-поступательное движение. При ходе сжатия (колесо и кузов сближаются) амортизаторная жидкость из полости под поршнем вытесняется в полость над поршнем, а при ходе отдачи (колесо и кузов расходятся) перетекает в обратном направлении. При этом жидкость проходит через отверстия в поршне, прикрываемые клапанами, испытывает сопротивление, и в результате жидкостного трения обеспечивается гашение колебаний кузова и колес автомобиля.
Боковой крен и поперечные угловые колебания кузова автомобиля уменьшает стабилизатор 4 поперечной устойчивости, который представляет собой специальное упругое устройство, устанавливаемое поперек автомобиля. Средней частью стабилизатор связан с кузовом, а концами — с рычагами подвески. При боковых кренах и поперечных угловых колебаниях кузова концы стабилизатора перемещаются в разные стороны: один опускается, а другой поднимается. Вследствие этого средняя часть стабилизатора закручивается, препятствуя тем самым крену и поперечным угловым колебаниям кузова автомобиля. В то же время стабилизатор не препятствует вертикальным и продольным угловым колебаниям кузова, при которых он свободно поворачивается в своих опорах.
На автомобилях в зависимости от их класса и назначения применяются различные типы подвесок (рис. 2).
По направляющему устройству все подвески автомобилей разделяются на два основных типа: зависимые и независимые.
Зависимой называется подвеска (рис. 3, а), при которой колеса одного моста связаны между собой жесткой балкой, вследствие чего перемещение одного из колес вызывает перемещение другого колеса. На легковых автомобилях зависимые подвески применяются обычно для задних колес. Они просты по конструкции и в обслуживании, имеют малую стоимость.
Независимой называется подвеска (рис.3, б), при которой колеса одного моста не имеют между собой непосредственной связи, подвешены независимо друг от друга и перемещение одного колеса не вызывает перемещения другого.
По направлению движения колес относительно дороги и кузова автомобиля независимые подвески могут быть с перемещением колес в поперечной, продольной и одновременно в продольной и поперечной плоскостях.
Независимые подвески в легковых автомобилях применяются для передних и задних колес. Эти подвески обеспечивают более высокую плавность хода, чем зависимые подвески, но сложнее по конструкции, при обслуживании и более дорогостоящие. Тип подвески автомобиля также определяет и упругое ее устройство, которое может быть выполнено в виде листовой рессоры, спиральной пружины, торсиона и др. При этом упругость подвески обеспечивается за счет упругих свойств металла, из которого изготовлены рессоры, пружины и торсионы.
В соответствии с упругим устройством подвески называются рессорными, пружинными, торсионными и пневматическими.
Рессорные подвески в качестве упругого устройства имеют листовые рессоры (рис. 4, а).
Рессора состоит из собранных вместе отдельных листов выгнутой формы. Стальные листы имеют обычно прямоугольное сечение, одинаковую ширину и различную длину. Кривизна листов неодинакова и зависит от их длины. Она увеличивается с уменьшением длины листов, что необходимо для плотного прилегания их друг к другу в собранной рессоре. Вследствие различной кривизны листов также обеспечивается разгрузка листа 1 рессоры.
Взаимное положение листов в собранной рессоре обычно обеспечивается стяжным центровым болтом 2. Кроме того, листы скреплены хомутами 3, которые исключают боковой сдвиг одного листа относительно другого и передают нагрузку от листа 1 (разгружают его) на другие листы при обратном прогибе рессоры. Лист 1, имеющий наибольшую длину, называется коренным. Часто он имеет и наибольшую толщину. С помощью коренного листа концы рессоры крепят к раме или кузову автомобиля. От способа крепления рессоры зависит форма концов коренного листа, которые в легковых автомобилях делаются загнутыми в виде ушков.
При сборке рессоры ее листы смазывают графитовой смазкой, которая предохраняет их от коррозии и уменьшает трение между ними. В рессорах легковых автомобилей для уменьшения трения между листами по всей длине или на концах листов часто устанавливают специальные прокладки 4 из неметаллических антифрикционных материалов (пластмассы, фанеры, фибры и т.п.).
Основным преимуществом листовых рессор является их способность выполнять одновременно функции упругого, направляющего и гасящего устройств подвески.
Листовые рессоры способствуют также гашению колебаний кузова и колес автомобиля. Кроме того, листовые рессоры просты в изготовлении и легко доступны для ремонта. По сравнению с упругими устройствами других типов листовые рессоры имеют повышенную массу (наиболее тяжелые), менее долговечны, обладают сухим (межлистовым) трением, ухудшают плавность хода автомобиля и требуют ухода (смазывания) в процессе эксплуатации.
Листовые рессоры получили наибольшее применение в зависимых подвесках. Обычно их располагают вдоль автомобиля. Концы рессоры шарнирно соединяют с рамой или кузовом автомобиля. Передний конец закрепляют с помощью пальца, а задний, чаще всего, — подвижной серьгой. При таком соединении концов рессоры се длина может изменяться во время движения автомобиля. Для крепления концов рессоры применяют резинометаллические шарниры.
Пружинные подвески в качестве упругого устройства имеют спиральные (витые) цилиндрические пружины (рис.4, б).
Пружины подвески изготовляют из стального прутка круглого сечения.
В подвеске витые пружины воспринимают только вертикальные нагрузки и не могут передавать продольные и поперечные усилия и их моменты от колес на раму и кузов автомобиля. Поэтому при их установке требуется применять направляющие устройства. При использовании витых пружин также необходимы гасящие устройства, так как в пружинах отсутствует трение. По сравнению с листовыми рессорами спиральные пружины имеют меньшую массу, более долговечны, просты в изготовлении и не требуют технического обслуживания.
Спиральные пружины в качестве основного упругого элемента применяются главным образом в независимых подвесках и значительно реже в зависимых. Их обычно устанавливают вертикально на нижние рычаги подвески.
Торсионные подвески в качестве упругого устройства имеют торсионы (рис.4, в).
Торсион представляет собой стальной упругий стержень, работающий на скручивание. Он может быть сплошным круглого сечения, а также составным — из круглых стержней или прямоугольных пластин. На концах торсиона имеются головки (утолщения) с нарезанными шлицами или выполненные в форме многогранника (шестигранные и т.д.). С помощью головок торсион одним концом крепится к раме или кузову автомобиля, а другим — к рычагам подвески. Упругость связи колеса с рамой обеспечивается вследствие скручивания торсиона.
Торсионы, как и пружины, требуют применения направляющих и гасящих устройств. По сравнению с листовыми рессорами торсионы обладают теми же преимуществами, что и спиральные пружины. Однако по сравнению со спиральными пружинами торсионы менее долговечны. Торсионы наиболее распространены в независимых подвесках. На автомобиле торсионы могут быть расположены как продольно, так и поперечно.
Пневматические подвески в качестве упругого устройства имеют пневматические баллоны различной формы. Упругие свойства в таких подвесках обеспечиваются за счет сжатия воздуха. Наибольшее применение в пневматических подвесках получили двойные (двухсекционные) круглые баллоны.
Двойной круглый баллон (рис. 6.4, г) состоит из эластичной оболочки 8, опоясывающего или разделительного кольца 7и прижимных колец 6 с болтами 5. Оболочка баллона резинокордовая, обычно двухслойная. Корд оболочки капроновый или нейлоновый. Внутренняя поверхность оболочки покрыта воздухонепроницаемым слоем резины, а наружная — маслобензостойкой резиной. Для упрочнения бортов оболочки внутри них заделана металлическая проволока, как у покрышки пневматической шины. Опоясывающее кольцо 7 служит для разделения секций баллона и позволяет уменьшить его диаметр. Прижимные кольца 6 с болтами 5 предназначены для крепления баллона. Грузоподъемность двойных круглых баллонов обычно составляет 2. 3 т при внутреннем давлении воздуха 0, 3. 0, 5 МПа. Двойные круглые баллоны распространены в подвесках автобусов, грузовых автомобилей, прицепов и полуприцепов. Обычно баллоны располагают вертикально в количестве от двух (передние подвески) до четырех (задние подвески).
Резиновые упругие элементы широко применяются в подвесках современных автомобилей в виде дополнительных упругих устройств, которые называются ограничителями или буферами. Часто внутрь буферов вулканизируют металлическую арматуру, которая повышает их долговечность и служит для крепления буферов. Различают буфера сжатия и отдачи. Первые ограничивают ход колес вверх, а вторые — вниз. При этом буфера сжатия ограничивают деформацию упругого устройства подвески и увеличивают его жесткость. Буфера сжатия и отдачи совместно применяют обычно в независимых подвесках. В зависимых подвесках используют главным образом буфера сжатия.
Элементы автомобильных подвесок, упругие элементы и амортизаторы. Часть 4
Продолжим разбираться с составляющими автомобильных подвесок. До этого мы изучали неподрессоренные элементы, то есть те железяки, которые жестко прикручены к колесам, и чей вес не лежит на упругих деталях. Вес этих всех железяк называется неподрессоренной массой. А вот на упругих элементах лежит масса подрессоренная, к ней относится все то, на что воздействие от колес передается через упругий элемент. К таким элементам относятся рессоры, витые пружины, торсионы, пневмобаллоны, гидропневматические стойки и некоторые экзотические приблуды)
Так, про рессоры мы уже говорили, перейдем сразу к самому популярному упругому элементу — к пружине. Состоят они из стального прута, скрученного в спираль, то есть это компактный торсион, ибо прут в пружине точно так-же работает на скручивание, однако сама пружина работает на сжатие!
Пружинки бывают разные, основная характеристика автомобильной пружины пружины — жесткость сжатия и характеристика этой жесткости, так, обычная цилиндрическая автомобильная пружина обладает линейной характеристикой на сжатие, это означает, что усилие при сжатии растет прямо-пропорционально уменьшению высоты пружины, вот цилиндрическая пружина и ее типичная характеристика
Эта характеристика зависит от таких параметров, как диаметр пружины, шаг и толщина прутка, проще понять из картинки)
Из вышеприведенной картинки, напрашивается вывод, что комбинируя эти параметры можно делать пружины с нелинейными характеристиками, ибо мы можем сделать переменным как шаг, так и диаметр с толщиной прутка, а можем и все вместе) Как например в пружинах мини-блок, или в народе бочкообразных.
Такие пружины имеют прогрессивную характеристику и при этом, компактный размер, в ней сочетаются сразу три переменных параметра.
Также часто используются пружины с переменным шагом, с плавным или резким изменением.
Используются они в основном в автоспорте. Переход шага пружины задает кривую прогрессивной характеристики. Делается это для того, чтобы сохранить мягкость пружины на малых ходах и увеличить жесткость на больших ходах подвески и увеличенной нагрузке на колесо, например в повороте для уменьшения крена. При увеличении нагрузки участок пружины с малым шагом смыкается и в работе остается участок с бОльшим шагом и бОльшей жесткостью.
В спортивных подвесках, особенно в койловерах, можно наблюдать дополнительную пружину, но в работе подвески она не участвует, ее предназначение — не дать покинуть посадочное место основной пружине на полном вылете штока амортизатора, при нагрузке малая пружина смыкается и ведет себя как проставка, для этого ее витки имеют прямоугольное сечение. Делается это в тех случаях, когда длина подобранной при настройке подвески пружины в свободном состоянии не совпадает с длиной амортизатора.
Кроме того, пружины могут иметь и изогнутую форму, если того требуют геометрические параметры подвески
Пружины являются самым популярным и самым универсальным упругим элементом, применяемым в автомобильных подвесках, все благодаря надежности, простоте, а главное — возможности задания необходимых характеристик, в том числе и прогрессивных, при низкой стоимости.
Далее упомянем торсионы, которые являются теми-же пружинами, но не свернутыми в спираль, и работает торсион на скручивание, и только в одном направлении — в направлении закручивания. Воспринимает торсион моментную нагрузку и имеет линейную характеристику. Максимальный воспринимаемый торсионом момент определяется диаметром прута, а максимальный угол закручивания — длиной торсиона.
Торсионы получили широкое распространение в технике с повышенной проходимостью и грузоподъемностью, обусловлено это тем, что с таким типом упругого элемента возможно создать подвеску с очень большим ходом, и при этом с линейной характеристикой, также торсион не занимает места в вертикальной плоскости и его возможно полностью поместить в корпус транспортного средства, защитив от неблагоприятного воздействия, как это делают в гусеничной технике
Также торсионы любят прикручивать французы в задней подвеске маленьких грузовичков
Кроме того, нельзя не упомянуть наш любимый запорожец 968 и его модификации, с передней торсионной подвеской на балансирах, пошти как у танка!
Ну и самая распространенная схема — схема с продольным расположением торсиона, связанного с нижним горизонтальным рычагом, такую схему часто можно встретить в передней подвеске внедорожников.
Далее продолжим с пневматическими упругими элементами.
Пневморессора, это упругий элемент подвески, представляющий из себя резиновый рукав, заполненный воздухом под давлением, его еще именуют пневмоподушкой, сильфоном и тп, конструкции бывают разными.
Например, самые примитивные пневмоподушки, которые устанавливаются вместо пружин, бывают одно и многосекционными
Также му можем встретить пневмобаллоны рукавного типа, они уже в основном используются в заводских решениях и в том числе на тяжелой технике, такой, как магистральные тягачи и прицепы
Также рукавный тип может быть объединен с амортизатором в единую стойку, что часто встречается в легковых автомобилях
Пневматические упругие элементы имеют много положительных сторон, и самая главная — возможность менять жесткость упругого элемента. Как известно, главная задача упругого элемента — обеспечить достаточную плавность хода, то есть не допускать больших ускорений подрессоренной массы. Для этого, на определенную массу подходит строго определенная жесткость упругого элемента, особенно в свете необходимости сохранения дорожного просвета. Но у упругих элементов с фиксированной жесткостью приходится идти на компромисс, дабы автомобиль с полной загрузкой сохранял дорожный просвет, поэтому на автомобиле с небольшой загрузкой жесткость упругих элементов сильно выше, чем должна быть, и подвеска ощущается как жесткая, однако если автомобиль хорошо нагрузить, то многие замечали, что машина начинает буквально плыть над дорогой, если не лежит на отбойниках, разумеется, едет «будто на пневме», часто можно услышать, а в этом-то и главный плюс пневматики. Пневмоэлементы имеют прогрессивную характеристику, и кривая характеристики зависит от объема пневмоэлемента и от его диаметра, чем больше объем и диаметр, тем более плавной становится характеристика, и наоборот, чем компактнее элемент, тем ее характер прогрессивнее. Так как при одном и том-же рабочем ходе в узком элементе сильнее изменяется давление воздуха.
Все это позволяет «на лету» подгонять жесткость упругих элементов под требуемую, и автомобиль всегда сохраняет максимальную плавность хода, хоть пустой, хоть полностью загруженный, кроме того это свойство оказывается сильно востребовано на автомобилях, чья масса постоянно изменяется, это автобусы и тяжелые грузовые автомобили. Как бонус, вместе с жесткостью, возможно изменять и величину дорожного просвета.
В минусы можно записать только наличие обслуживающей работу подвески пневмосистемы, в которой присутствуют компрессор, пневмомагистрали, ресиверы, блоки клапанов, датчики положения подвески, контроллеры. Отсюда вытекает высокая стоимость таких систем, и в бюджетных автомобилях она не встречается.
Зато встречается другая интересная система, а именно — гидропневматические упругие элементы, коими промышляет контора Ситроен всю историю своего существования. Зовут ее Гидрактив, и у него есть несколько модификаций и поколений, но принцип действия самих упругих элементов у них схож.
Они пошли интересным путем, и вынесли пневматический упругий элемент за пределы подвески и сделали его в виде герметичной стальной сферы с мембраной. Многим знакомы бытовые мембранные баки, используемые в системах отопления и водоснабжения, так вот — это по сути то-же самое. Роль упругого элемента непосредственно воспринимающего нагрузку играет гидроцилиндр, отвод гидравлического масла из которого организуется в сферу, а в сфере масло подпирается воздухом, чем и осуществляется поглощение энергии.
Думаю многие уже догадались о том, какая это крутая штука) А крутость ее заключается в том, что мы можем в неограниченных пределах изменять такой важный параметр, как характеристика упругости, делая кривую какой угодно формы, изменяя сечение канала, соединяющего гидроцилиндр со сферой, также мы можем вообще отключить демпфирующий элемент, превратив его в лом, и это помимо всех остальных достоинств, присущих пневмоподвеске, то есть изменение жесткости и дорожного просвета. И это еще не все, как многие уже заметили, в данных подвесках отсутствуем амортизатор, просто за его ненадобностью, с его обязанностями прекрасно справляется дросселирование рабочей жидкости управляемым клапаном, благодаря чему мы контролируем и характеристики гасящей системы.
Конструкцию и внутренний мир комбинированного элемента подвески ситроен С5 видно на картинке
И на данный момент этот тип подвески лучший, из тех, что можно найти в автомобиле. Об этом в том числе говорит и тот факт, что рекордсменом скорости в «Лосином тесте» до сих пор является ситроен Ксантия с интеллектуальным гидрактивом, который поставил рекорд в 85кмч еще в 1999 году, и который до сих пор не превзошли ни порше, ни феррари, ни теслы, ни кто-либо еще. Предыдущий рекорд держался из 80-х и был поставлен феррари тестаросса, и это было 80кмч, а ксантия является очень комфортным автомобилем, не высыпающим позвоночник в трусы.
Ну и напоследок, последний тип демпфирующего элемента, не использующийся в автомобилях — электромагнитный.
Единственный действующий прототип таких упругих элементов сделала в 90-х компания Bose. Чисто теоретически данная подвеска дает нам вообще полный контроль над всеми параметрами упругого элемента, так как представляет из себя линейный электромотор. Автомобиль с такими упругими элементами может полностью нивелировать крены в поворотах, изменять дорожный просвет, поднять одно колесо и даже перепрыгнуть препятствие, однако дальше прототипа дело не пошло, лично я думаю, что дело оказалось в очень толстых пожеланиях компании на патент своего изобретения. Так как заявленные параметры по надежности и электропотреблению делают такую подвеску не дороже гидрактива, ну или кто-то а ТТХ написал неправду. Видео с тойотой краун, оснащенной электромагнитными стойками Bose широко распространено в интернете, здесь-же лимит на картинки исчерпан. Могу только поделиться ссылкой
В следующей части перейдем к гасящим элементам, и наконец начнем рассматривать различные типы подвесок.
Пишу медленно, но этот цикл допишу до конца. Он наверно будет последним) Пикабу перестал быть познавательным и перешел в категорию ЯПа. Но раз люди подписались, и кому-то нравится, обязан дописать! Спасибо за внимание!
какие усилия воспринимают и передают цилиндрические пружины подвески
Целью настоящих тестов является закрепление студентами знаний, полученных при изучении теоретического материала по теме «Ходовая часть автомобиля», входящей в состав МДК 01.02 «Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» профессии 23.01.03 «Автомеханик».
Тесты составлены в соответствии с требованиями программы профессионального модуля ПМ.01 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта», по профессии 23.01.03 «Автомеханик», 1 курс.
Тест №11 « Ходовая часть автомобиля »
1. Какие упругие элементы применяются в независимой подвеске?
а) листовые полуэллиптические рессоры
б ) спиральные цилиндрические пружины
в) упругие элементы обоих указанных типов
а ) индекс максимальной допустимой скорости
б) индекс максимально грузоподъемности
в) товарный знак завода-изготовителя
3. Какие силы воздействуют на несущий кузов или раму автомобиля при движении?
а) сила тяжести
б) продольные силы
в) вертикальные силы
г) боковые силы
д) все перечисленные силы
4. Каким должно быть усилие хода отдачи, создаваемое телескопическим амортизатором?
а ) равно усилию хода сжатия
б) больше усилия хода сжатия в 2-3 раза
в) меньше усилия хода сжатия в 2-3 раза
г) в зависимости от конструктивных особенностей амортизатора
5. Какие функции выполняют амортизаторы?
а) увеличивают жёсткость упругих элементов подвески
б ) гасят колебания автомобиля, возникающие после наезда на препятствие
в) уменьшают жесткость упругих элементов подвески
г) ограничивают вертикальные перемещения колёс и мостов относительно кузова или рамы
6. Каким образом осуществляется соединение колес с балкой моста на автомобилях с зависимой передней подвеской?
а) цапфа колеса крепится к деталям, имеющим возможность перемещаться относительно балки
б ) цапфа шарнирно крепится к концевой части балки
в) цапфа может крепиться любым из названных способов в зависимости от марки автомобиля
7. Какие усилия воспринимают и передают цилиндрические пружины подвески?
а) усилия, направленные горизонтально перпендикулярно к оси движения автомобиля
б) усилия, направленные горизонтально вдоль оси движения автомобиля
в ) усилия, направленные вертикально
г) усилия, направленные во всех перечисленных направлениях
8. Что такое сайлентблок?
а) устройство, блокирующее вертикальные перемещения кузова
б ) элемент, состоящий из резиновой втулки с железным сердечником
в) подушка под амортизатор
9. Какую функцию выполняют рычаги подвески?
а ) удерживают колесо от продольных и поперечных перемещений
б) сглаживают вибрации во время движения
в) придают дополнительную жёсткость кузову
10. Благодаря каким конструктивным особенностям нашли широкое применение шаровые опоры?
а) возможность вращения в любых плоскостях
б) высокая нагрузочная способность
в) не требовательны к обслуживанию
г ) всё вышеперечисленное
11. Что такое клиренс?
а) величина хода штока амортизаторов
б) максимальная возможная деформация пружин
в ) расстояние от дороги до нижней точки днища автомобиля
Физика подвески и рулевого управления. Часть 1. Пружины
Начинаю новую рубрику записей, посвященную немаловажным узлам автомобиля — подвеска и рулевое управление. Если в Ваших планах нет изменения конструкции авто, то расчеты, которые мы будем здесь проводить, наврядли будут Вам полезны. Но вот если в планах доработка авто, то они придутся в самый раз.
Почему я решил начать данную рубрику? Потому что тюнинг авто необходимо начинать с подвески и тормозов. В большинстве случаев модернизация подвески производится методом перебора запчастей, что неслабо бьет по карману. Здесь я постараюсь рассмотреть задачи, которые помогут сэкономить время и деньги, тем самым получить желаемый результат.
Сегодня я напишу про такую простую деталь автомобиля как пружина подвески. Зачастую модернизация подвески начинается именно с этого узла. Почему? Ну, если спросить профессионального тюнера или гонщика, то он ответит, что это необходимо для настройки баланса автомобиля при торможении и в поворотах. Ну, а сели спросить владельца какой-нибудь заниженной Приоры, то, скорее всего, ответ будет: потому что круто смотрится=)
Итак, пружина подвески — это деталь, которая обеспечивает реакцию изменения клиренса на силовое воздействие дорожного покрытия или в результате маневров автомобиля. Кроме того, пружина с аммортизатором обеспечивают и стационарный клиренс.
Работает пружина просто: при воздействии некоторой силы происходит её сжатие на конкретную величину. Эта величина находится из закона Гука:
где х — это изменение длины,
F — действующая на пружину сила,
k — коэффициент жесткости.
В стационарном состоянии (т.е. когда авто не подвижен) силой является вес автомобиля. При развесовке автомобиля по осям 50/50 и наклоне оси пружины 0 градусов на каждую пружину действует сила, равная:
F = mg / 4,
где
m — масса автомобиля,
g — ускорение свободного падения.
Тут нужно отметить следующие моменты:
1. Развесовка 50/50 — это редкость
2. Нулевой наклон оси пружины — тоже редкость.
Тогда перепишем силу, действующую на реальную пружину подвески:
где
m — масса автомобиля,
g — ускорение свободного падения,
Y — коэффициент развесовки на данную ось (при развесовке 60 перед, 40 зад он будет равен 0,6 для передней пружины, 0,4 для задней),
а — угол наклона пружины.
Если же пружина работает в паре в газовым аммортизатором, то в стационарном состоянии на пружину действует меньшая сила:
F = mg * Y* cos(a) /2 — N,
где:
m — масса автомобиля,
g — ускорение свободного падения,
Y — коэффициент развесовки на данную ось (при развесовке 60 перед, 40 зад он будет равен 0,6 для передней пружины, 0,4 для задней),
а — угол наклона пружины,
N — сила реакции штока.
Теперь об изменении длины под действием силы. Как мы разобрались ранее данная величина находится из закона Гука:
Если с силами мы разобрались, то теперь поговорим о коэффициенте жесткости пружины. Для идеально цилиндрической пружины он равен:
k = G * d^4 / ( 8 * n * (D-d)^3 ),
где:
G — модуль сдвига (зависит от материала пружины),
d — диаметр прутка,
n — количество витков,
D — наружний диаметр пружины.
Какие выводы можно сделать?
1. Коэффициент жесткости не зависит от длины пружины, но зависит от количества витков, поэтому когда мы срезаем один или два витка, происходит увеличение коэффициента жесткости.
2. Увеличение толщины прутка на 10 процентов при тех же остальных параметрах дает увеличение коэффициента жесткости почти на 50 процентов. Это связано с тем, что коэффициент жесткости прямопропорционален диаметру прутка в четвертой степени.
3. Коэффициент жесткости зависит от материала, из которого сделана пружина.
Теперь поговорим о клиренсе в стационарном режиме. Клиренс определяется как раз изменением длины пружины под действием силы тяжести.
Если мы хотим сохранить клиренс, но ужесточить подвеску, нам необходимо изменить параметр х в сторону уменьшения за счет увеличения коэфициента жесткости, при этом на столько же, насколько изменили значение х, необходимо выбрать пружину короче. Если мы увеличим только жесткость, но при этом длина пружина останется прежней, авто станет жестче, но при этом приподнимется.
Если мы хотим приподнять машину, но сохранить жесткость, то необходимо использовать более длинные пружины, но с тем же коэффициентом жесткости. На чем хотелось бы сакцентировать внимание: если происходит изменение клиренса одной из осей, а клиренс второй оси остается прежний, то автоматически происходит изменение распределения веса по осям. Если мы приподняли заднюю часть, то баланс веса смещается вперед, соответственно, сила, действующая на задние пружины становится меньше, а значит и параметр х тоже уменьшается. Этот прием часто применяется для снижения вероятности пробуксовки передней оси на переднеприводных автомобилях. Наиболее популярный метод сохранения жесткости с увеличением клиренса — это установка проставок под те же пружины или на опорную чашку. При таком подходе сама пружина сжимается под весом авто почти так же, как и до доработки, с небольшой поправкой на перераспределение веса по осям, но за счет проставок дорожный просвет увеличивается на толщину проставки.
Параметр х очень важен для стойки, так как у штока аммортизатора имеется некоторый участок примерно в треть длины, который в стационарном состоянии должен находиться внутри аммортизатора. Это необходимо для того, чтобы аммортизатор работал не только на отбой, но и на разгрузку. Если Вы поставите пружины настолько жесткие, что после опускания автомобиля с домкрата пружина не сожмется на необходимый ход штока, то в процессе эксплуатации аммортизаторы очень быстро выйдут из строя. Кроме того, неправильно подобранное значение х повлияет и на управляемость автомобиля — неправильно настроенная ось будет подпрыгивать на каждой кочке и в поворотах.
Ну, и в заключение поговорим о понятии «преднатяг». Если пружина ставится соосно с аммортизатором, то преднатяг определяется разницей между длиной пружины и длиной вытянутого штока. Т.е. это та часть значения х, которая сохраняется даже при подъеме авто на подъемнике. На само значение х преднатяг не влияет. Если говорят, что преднатяг нулевой, то это значит, что при разборе и сборе стойки Вам не понадобятся стяжки пружин.
На сим все!
Аккуратнее экспериментируйте с ходовой частью;)
Подвеска. Ликбез. Часть I I/2.
Продолжу свои мысли по поводу подбора упругих элементов подвески.
В предыдущем посте, рассуждения, в основном, касались подбора вертикальной жесткости (а, следовательно, и упругих элементов) исходя из вертикальных колебаний. Это основа.
Теперь про некоторые аспекты, влияние которых, в той или иной степени, придется учитывать, а, следовательно, возможно, корректировать подобранные характеристики.
Итак. Начну.
Продольно-угловые колебания. Принципиально, для минимизации достаточны те же условия, что и при подборе вертикальной жесткости – собственная частота вертикальных колебаний задней подвески должна быть, как минимум на 20% больше, чем передней (корректно для классической переднемоторной компоновки). Ситуацию может ухудшить уменьшенная колесная база — как правило, менее 2,4 … 2,5 м.
А теперь, некоторые рассуждения о наиболее значимом параметре, который, в наибольшей мере, может повлиять на коррекцию – это угловая жесткость подвесок.
Угловая жесткость передней и задней подвесок автомобиля определяется, в основном, жесткостью основного упругого элемента (пружины — далее по тексту, для простоты). Как и в случае с вертикальной жесткостью, для анализа используется удельная (отнесенная к единице веса подрессоренной массы соответствующей подвески) угловая жесткость.
Вообще, для системного анализа редко используют абсолютные величины. Обычно – приведённые, удельные, или типа этого. Пример, мощность (двигателя). Абсолютная величина – показатель конкретного двигателя. Для сравнительного анализа (корректного) автомобилей – удельная мощность. Ладно – это я так, отвлекся.
В качестве оценочного критерия используется отношение удельных угловых жесткостей передней и задней подвесок. Раз есть оценочный критерий, значит, для него должны быть и границы варьирования, так сказать, числовой интервал. Очень ориентировочно – 1,4 … 2,6. Хочу подчеркнуть, что, именно в этом случае, «фирменный» подход к выбору значений является, как никогда, важнейшим и, в значительной степени, определяющим фактором. И вот почему.
Изменение угловой жесткости передней или задней подвески сопровождается соответствующим изменением динамического перераспределения весовой нагрузки между наружным и внутренним (по отношению к повороту) колесами, соответственно, передней или задней подвески. Следствием такого изменения (перераспределения) является изменение среднего угла увода колес соответствующей подвески.
Из условия сохранения недостаточной поворачиваемости (средний угол увода передних колес больше среднего угла увода задних), удельная угловая жесткость передней подвески должна быть больше угловой жесткости задней.
Относительно недостаточной поворачиваемости. Автомобиль серийного производства должен обладать НЕДОСТАТОЧНОЙ поворачиваемостью – это аксиома, негласно соблюдаемая, практически, всеми производителями. Степень и характер изменения при различном динамическом нагружении – в этом и состоит «фирменный» подход. Замечу, что влияние угловой жесткости (как параметра) на степень недостаточной поворачиваемости значительно, но не однозначно (в том смысле, что есть и другие параметры влияния).
И так. Что имеем. Расчетные жесткости пружин, полученные по подобранным вертикальным жесткостям подвесок, дают, как правило, неоптимальное соотношение удельных угловых жесткостей. Может быть два решения. Первое – корректировка жесткости пружин, что, как бы, нежелательно. Другим решением может быть применение дополнительного упругого элемента, но со специфическими свойствами – увеличение угловой жесткости с минимальной коррекцией вертикальной жесткости. Как, наверное, догадываетесь – это стабилизатор поперечной устойчивости. Рассчитать стабилизатор для обеспечения недостающей угловой жесткости не сложно, следует только корректно учесть снижение жесткости из-за использования для установки резиновых подушек (потери могут быть значительные, до 30%) и передаточное отношение для приведения усилий к колесу.
Как правило, стабилизатор поперечной устойчивости устанавливается в передней подвеске, т. е. увеличение угловой жесткости передней подвески и смещение поворачиваемости в сторону недостаточной. Может возникнуть вопрос по поводу автомобилей, на которых установлены стабилизаторы в обеих подвесках – какой смысл, не проще пропорционально уменьшить жесткость переднего стабилизатора?
Дело в том, что установка стабилизатора, с одной стороны изменяет поворачиваемость, а с другой, увеличение суммарной угловой жесткости приводит к уменьшению угла крена (в повороте).
Для наглядности приведу диаграмму «угол крена – относительное боковое ускорение» (представлена ф. Porsche в рамках работ по контракту, проект ВАЗ 2108).
На диаграмме представлены два графика: ВАЗ 2108 со стабилизатором передней подвески Ø16 мм (в конечном счете, серийная комплектация) и Ø20 мм. Разница по углу крена 1 ̊, но по степени недостаточной поварачиваемости был выбран вариант Ø16 мм. Вот, в принципе, наглядный пример компромиссного решения (а сколько их было, в общем, по проекту!).
Извинюсь за некоторый отход от основного смысла (ликбез), тут уже пошли прикладные моменты, в которых бывает сложно разобраться. Но для повышения, хотя бы, эрудиции будет, думаю, полезно.
И так. Вот такие мысли по подбору упругих элементов.
Еще немного вашего внимания.
В комментариях встречаются иногда просьбы, иногда рекомендации, по поводу информации более узкого, спортивного, направления. Хочу сказать, что мои посты – это попытка донести понимание общих принципов построения одной из сложных систем автомобиля – системы подрессоривания (подвески, ходовой части, шасси – название «на любителя»). Что же касается автоспорта, то даже при многообразии дисциплин, подход более узкий, часто — «чисто индивидуальный» (меняются приоритеты, многообразие компромиссов по одному аспекту и т. п.). И, я считаю, что знание общих принципов может помочь при решении частных (по крайней мере, логически обосновать). Надеюсь, донёс свою мысль.
Все еще надеюсь, что был, хоть чем-то, полезен.
Тестовые задания по теме «Ходовая часть автомобиля»
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
к теоретическим занятиям по
МДК 01.01 «Устройство автомобилей»
Специальность: 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт
автомобильного транспорта»
Тема: Ходовая часть автомобиля
Тесты составлены в соответствии с требованиями программы профессионального модуля ПМ.01 « Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта » специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» дневной формы обучения.
Организация-разработчик: Морской колледж ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет».
Разработчик: Минаев Николай Александрович, преподаватель.
1. Какие упругие элементы применяются в независимой подвеске?
а) листовые полуэллиптические рессоры
б) спиральные цилиндрические пружины
в) упругие элементы обоих указанных типов
2. Что означают в маркировке шин легковых автомобилей буквенные индексы L , P , Q , S ?
а) индекс максимальной допустимой скорости
б) индекс максимально грузоподъемности
в) товарный знак завода-изготовителя
3. Какие силы воздействуют на несущий кузов или раму автомобиля при движении?
в) вертикальные силы
д) все перечисленные силы
4. Каким должно быть усилие хода отдачи, создаваемое телескопическим амортизатором?
а) равно усилию хода сжатия
б) больше усилия хода сжатия в 2-3 раза
в) меньше усилия хода сжатия в 2-3 раза
г) в зависимости от конструктивных особенностей амортизатора
5. Какие функции выполняют амортизаторы?
а) увеличивают жёсткость упругих элементов подвески
б) гасят колебания автомобиля, возникающие после наезда на препятствие
в) уменьшают жесткость упругих элементов подвески
г) ограничивают вертикальные перемещения колёс и мостов относительно кузова или рамы
6. Каким образом осуществляется соединение колес с балкой моста на автомобилях с зависимой передней подвеской?
а) цапфа колеса крепится к деталям, имеющим возможность перемещаться относительно балки
б) цапфа шарнирно крепится к концевой части балки
в) цапфа может крепиться любым из названных способов в зависимости от марки автомобиля
7. Какие усилия воспринимают и передают цилиндрические пружины подвески?
а) усилия, направленные горизонтально перпендикулярно к оси движения автомобиля
б) усилия, направленные горизонтально вдоль оси движения автомобиля
в) усилия, направленные вертикально
г) усилия, направленные во всех перечисленных направлениях
а) устройство, блокирующее вертикальные перемещения кузова
б) элемент, состоящий из резиновой втулки с железным сердечником
в) подушка под амортизатор
9. Какая подвеска наиболее широко применяется на передней оси автомобиля?
б) на двойных поперечных рычагах
10. Какую функцию выполняют рычаги подвески?
а) удерживают колесо от продольных и поперечных перемещений
б) сглаживают вибрации во время движения
в) придают дополнительную жёсткость кузову
11. Благодаря каким конструктивным особенностям нашли широкое применение шаровые опоры?
а) возможность вращения в любых плоскостях
б) высокая нагрузочная способность
в) не требовательны к обслуживанию
г) всё вышеперечисленное
12. Какими преимуществами обладает пневмоподвеска?
а) возможность изменения клиренса
б) простота конструкции
в) большая нагрузочная способность
а) величина хода штока амортизаторов
б) максимальная возможная деформация пружин
в) расстояние от дороги до нижней точки днища автомобиля
Элементы подвески глазами механика
Честно признаться, написать этот текст я собирался достаточно долго.
Просто есть и остаются «за» и «против». С одной стороны, абсолютное большинство автолюбителей — пользователей драйва, имеют очень примитивное представление о работе подвески автомобиля (без обид). С другой стороны, любая инициатива наказуема, и попытка объяснить что-то с позиции здравого смысла обязательного вызовет бурление со стороны диванных экспертов и капитанов «плавали — знаем».
Поэтому давайте договоримся на берегу: каждый при своем мнении, хорошо? Я совершенно не считаю себя гуру автомобильных подвесок, у меня есть только довольно скромный опыт моих собственных автомобилей, и свою позицию я не навязываю никому. Но у меня есть определенное образование, позволяющее иметь обоснованное мнение по данному вопросу.
По научной специальности я механик, не «механик-автослесарь», а исследователь в области данного раздела физики. Для меня понятия «жесткость», «прочность», «упругость» — это очень конкретные, четко определенные вещи. В пользовательской среде на этот счет масса милых заблуждений, как сутевых, так и терминологических. Есть специальная литература, в которой все это, я уверен, можно прочитать. Сам я не читал, хотя конкретные книги в свободном доступе есть — но я и не собираюсь подвеску проектировать с нуля. Уверен, что занимаюсь изобретением велосипеда, но иногда такой путь нагляднее и понятнее.
Я только хочу внести смысловую ясность в вопрос, занимающий многих автовладельцев: пружины и амортизаторы. Но сначала договоримся о терминах:
Геометрический ход подвески — кинематически возможное перемещение колеса от крайней нижней до крайней верхней точки. Определяется конструкцией рычагов, наличием отбойников и ограничителей. Чем ровнее предполагаемое покрытие дороги — тем меньше ход подвески нужен.
Энергоемкость подвески — способность подвески поглощать и рассеивать энергию удара (быстрого сжатия).
«Жесткая подвеска» — подвеска, которая не поглощает удары полностью, а передает их на кузов.
«Мягкая подвеска» — подвеска, которая практически полностью поглощает удары.
Пробой подвески — следствие недостаточной энергоемкости, когда энергия удара не поглощается подвеской, а подвеска достигает геометрического предела хода.
На самом деле, закон Гука несколько сложнее, но представим, что мы живем в идеальном мире. В этом идеальном мире пружина сопротивляется сжатию и растяжению одинаково, жесткость ее постоянна (то есть зависимость линейна), а все деформации упругие (то есть после снятия нагрузки пружина возвращается к исходной длине, независимо от количества циклов нагрузки-разгрузки). На графике это можно представить так.
Еще одно важное обстоятельство: любое изменение длины происходит МГНОВЕННО при изменении усилия.
Именно так ведет себя идеально-упругий элемент механической модели — элемент Гука. Реальная автомобильная пружина имеет несколько важных отличий.
Во-первых, она является пружиной сжатия. В свободном состоянии имеет некоторую длину, при установке на автомобиль сжимается под его весом, далее при работе подвески постоянно сжата. Растягивающих усилий не воспринимает в силу конструкции узлов крепления: пружина и спереди (на стойке) и сзади (между лонжероном/стаканом и рычагом) установлена враспор. Соответственно, диапазон работы пружины ограничивается.
Во-вторых, линейных материалов не существует, а автомобильные пружины специально делаются нелинейными за счет переменного шага витков. Коэффициент жесткости k — назовем его так — при этом перестает быть постоянной величиной. Это означает, что график принимает изогнутый вид.
Теперь перейдем к другому графику: зависимости жесткости от изменения длины.
Этот сложнее, давайте рассмотрим его подробно. В свободном состоянии пружина имеет некоторую жесткость. Если начать пружину растягивать (нас это мало интересует, но тем не менее), то ее жесткость начнет возрастать, пока не произойдет разрыв. Жесткость упадет до нуля, а дальнейшее удлинение будет происходить без сопротивления. На графике этот кусок непропорционально короткий, на самом деле зона растяжения по длине равна зоне сжатия — спасибо за дополнение IRomanoff.
Если пружину установить на автомобиль, то она под его весом сожмется на некоторую величину, лежащую внутри зоны нормального рабочего хода. Продолжая сжимать пружину, мы постепенно заведем ее в зону возникновения пластических (неупругих) деформаций. Если в этот момент пружину разгрузить, то ее исходная длина восстановится не полностью, а только частично. Длительная работа в таком режиме (на перегруженных машинах, например) приводит к накоплению остаточных деформаций и известному явлению просадки пружин.
Возможный рабочий ход заканчивается в точке геометрического предела сжатия, когда подвеска упирается в отбойник и не дает больше сжимать пружину. Если продолжать сжимать пружину (уже вне подвески либо без отбойников), то мы достигнем механического предела сжатия. При этом либо витки упрутся друг в друга, либо витки лопнут.
Таким образом, любая пружина характеризуется двумя параметрами: величиной нормального рабочего хода и средней жесткостью в течение рабочего хода.
Аналогичную диаграмму удобно было бы использовать для графического представления характеристик пружин. Ограничимся только зоной нормального рабочего хода. Например:
По-моему, вполне наглядно.
Теперь представим себе, что никакого амортизатора у нас нет, а в подвеске только пружина. Как скажется на работе подвески изменение ее параметров?
Если рабочий ход пружины будет больше геометрического хода подвески — ничего страшного не произойдет. Фактически, это и есть условие длительной надежной эксплуатации пружины. Другой вопрос, что большой рабочий ход подразумевает большое количество витков, а их не всегда есть возможность разместить при максимальном сжатии. Именно поэтому для особо тесных случаев пружины делают с переменным диаметром навивки.
Если рабочий ход пружины будет меньше геометрического хода подвески — пружина быстро продавится, так как часто будет выходить в неупругую зону. Именно поэтому НЕЛЬЗЯ пилить витки пружин! Каждый виток дает свой вклад в общий ход, пропорционально их числу. Скажем, если Вы уберете один виток из пяти, то ход пружины снизится на 20%, а общая жесткость на 20% вырастет. Но на те же 20% приблизится предел упругой работы, и при нагрузках она будет чаще уходить в зону неупругих дефораций.
Если жесткость пружины будет ниже, чем требует вес автомобиля или скорость прохождения неровностей, то она быстро просядет.
Если жесткость пружины будет выше, чем требует вес автомобиля, то подвеска будет ощущаться как жесткая, так как изменения усилия в пружине не будут вызывать существенных изменений длины. Такая пружина работает практически как жесткий стержень.
Еще пара слов об автобафферах. Они частично выключают из работы один из витков пружины. При этом рабочий ход пружины пропорционально сокращается, а жесткость сохраняется почти без изменений. Со стороны пользователя это воспринимается как более собранное поведение подвески, хотя достигнуто оно только путем снижения энергоемкости.
Если бы в подвеске стояли только упругие элементы, то при прохождении неровностей машина совершала бы больше одного качания, что в свою очередь чревато потерей контакта колеса с дорогой. Поэтому в подвеске обязательно присутствует вязкий элемент — амортизатор. Его задача — поглощать энергию колебаний, как вследствие работы подвески, так и инерционных сил, действующих на кузов.
Вязкостью в механике называется параметр, связывающий скорость сжатия с усилием:
Проще говоря, идеально вязкий элемент (элемент Ньютона) не оказывает никакого сопротивления сжатию, если скорость сжатия бесконечно мала, и наоборот, при бесконечно быстром сжатии оказывает бесконечно большое сопротивление.
Как это работает в реальном амортизаторе, знают, наверное, все: внутри цилиндра ходит поршень с отверстием. Цилиндр с обеих сторон поршня заполнен маслом. При движении поршня масло должно перетекать с одной стороны на другую. Если масло густое, а отверстие маленькое — этот процесс требует времени, общая вязкость амортизатора будет большой. И наоборот, соответственно. Картинок в википедии полно.
Здесь и далее я буду пользоваться термином «вязкость амортизатора», хотя всем привычнее «жесткость». Жесткость легко спутать с пружиной, кроме того, в случае амортизатора, это не совсем корректно.
Что все это значит для конечного пользователя? Вязкий амортизатор при быстром сжатии-растяжении превращается в жесткую палку, невязкий амортизатор практически не оказывает сопротивления сжатию-растяжению.
Помимо вязкости, у амортизаторов есть еще один параметр — ход, максимально возможное перемещение поршня. В отличие от пружин, жесткость и рабочий ход которых являются независимыми параметрами, у амортизаторов они связаны. То есть, чем больше ход при сжатии, тем больше сопротивление.
Поясню на примере. У вас установлен невязкий амортизатор с большим ходом. Вы проезжаете неровность на асфальте, высотой в 1 сантиметр, с постоянной скоростью 60 км/ч. Для амортизатора это ерундовое сжатие, он будет сжиматься практически без сопротивления — то есть для данного препятствия его вязкость близка к нулю.
А теперь вы проезжаете бугор в 10 сантиметров с той же скоростью. Получается, что колесо и подвеска должны получить за то же самое время в 10 раз большее перемещение, соответственно и скорость сжатия возрастает в 10 раз, и сопротивление амортизатора становится в 10 раз больше.
Рабочий ход НИКОГДА не должен быть меньше геометрического хода подвески. Представим себе, что мы сняли пружину и оставили только амортизатор. В этом случае шток амортизатора через поршень упрется в его дно, и весь вес автомобиля будет приложен к штоку. В общем-то, это не так страшно, однако во избежание повреждения клапанов на рычагах ставят ограничители хода сжатия.
А теперь поднимем машину. Подвеска идет вниз, преодолевая сопротивление сайлентблоков. Через некоторое время колесо и рычаги повиснут на амортизаторе. Вот это уже куда опаснее, так как сейчас на разрыв работает крепление штока к поршню. Если оно не выдержит — амортизатор порвется и просто перестанет работать. Веса колеса для этого недостаточно, но если добавить еще усилие от пружины, то проблем не избежать.
Попробуем представить графически параметры амортизаторов.
Самый вязкий амортизатор нужен автомобилю, который в принципе с неровностями не сталкивается, для которого принципиальна стабильность кузова — для гоночного автомобиля. На мельчайших неровностях такой амортизатор создаст ощущение стиральной доски. При прохождении даже мелких неровностей на скорости — колесо будет отрываться от земли. Зато никакого раскачивания и кренов в поворотах.
Самый мягкий амортизатор нужен самому легкому автомобилю с максимальным ходом подвески — ему нужно, что подвеска успевала отрабатывать неровности рельефа, при этом даже небольшое сопротивление для его веса будет заметно.
Чем тяжелее автомобиль — тем более вязкий амортизатор ему нужен.
Я намеренно не хочу лезть в достижения прогресса в этой области. Одно- и двухкамерные, масляные и газомасляные, с переменной вязкостью и все прочее оставим производителям. Основной принцип работы у них один.
Два вышеупомянутых элемента в подвеске соединены параллельно — то есть к ним прикладывается равное усилие от веса автомобиля и реакции покрытия, а уже они делят его между собой. Задача пружины — воспринимать усилие. Задача амортизатора — регулировать скорость деформирования. В механике такое соединение известно под названием вязко-упругой модели Кельвина-Фойгта.
Данная модель описывается дифференциальным уравнением, которое в обозначениях школьной физики выглядит так:
Данная модель имеет зависимость от скорости нагружения, поэтому рассмотрим два крайних случая. При бесконечно медленном нагружении, вязкий элемент не оказывает никакого сопротивления, вся нагрузка воспринимается упругим элементом. При бесконечно быстром нагружении вязкий элемент становится бесконечно жестким, упругий элемент в работу не включается вовсе. Однако через некоторое время нагрузка постепенно перераспределяется на упругий элемент, а вязкий из работы выключается. Вот и все.
Из этого уравнения следует еще одна важная диаграмма.
Из-за наличия вязкости деформирование становится нелинейным — при приложении усилия сжатие начинается не сразу, а при снятии усилия — не сразу начинается обратный ход. Петля, которая получается, называется петлей гистерезиса. Чем больше ее площадь, тем больше энергии поглотит подвеска, тем меньше перейдет на кузов вследствие удара.
Анализ этой диаграммы показывает, что в целях повышения энергоемкости нужно увеличивать площадь гистерезиса. Очевидно, что для этого либо следует увеличить кривизну (увеличив вязкость), либо увеличить ход. Проблема в том, что увеличивая вязкость вы, наоборот, уменьшаете ход при прочих равных (той же скорости прохождения препятствия). Поэтому для повышения энергоемкости нужно выбирать амортизатор с умеренной вязкостью, но большим ходом.
Как эта связка работает в машине? Вы поставили новую подвеску, опустили машину на колеса. Через несколько мгновений пружина приняла на себя полностью ее вес.
При проезде ям подвеска должна увеличить длину. Если вязкость амортизатора низкая, то пружина за счет упругости легко это сделает. Если вязкость большая, то он сработает как растянутый жесткий стержень и не даст колесу достичь покрытия. При этом машина движется вперед, колесо летит над дорогой.
Еще один важный момент: комфортность передвижения. Комфортной будет подвеска, которая проглатывает все неровности и не передает их на кузов, однако такая подвеска плохо сопротивляется раскачиванию и наклону кузова при прохождении поворотов. Особенно это заметно в случае высоких и тяжелых автомобилей.
Частично эту проблему решает использование амортизаторов с переменной жесткостью в различных направлениях, это позволяет и сохранить мягкость при первом цикле, и быстро погасить колебания при последующих.
У подвески две задачи: проглатывать неровности и сохранять управляемость. К сожалению, как это часто бывает, способы их решения противоположны. Энергоемкая, комфортная подвеска, будет валкой на дороге. Жесткая подвеска с хорошей управляемостью будет долбить в позвоночник. Попробую коротко резюмировать весь текст.
Для плохих дорог необходима энергоемкая подвеска. Энергоемкость повышается в первую очередь за счет величины рабочего хода пружины, чем больше ход, тем комфортнее подвеска.
Чем меньше вязкость амортизатора, тем проще подвеске постоянно сохранять контакт колеса с дорогой. При этом увеличивается склонность машины к раскачиванию вследствие инерционных сил.
Вязкие амортизаторы предотвращают раскачивание вследствие инерционных сил, однако ухудшают условия контакта колеса с НЕРОВНОЙ дорогой, так как не дают подвеске отрабатывать неровности.
На идеально ровных покрытиях вязкие амортизаторы, наоборот, обеспечивают плотный контакт колеса с дорогой за счет большей жесткости подвески в целом.
Один и тот же амортизатор для тяжелого автомобиля будет менее жестким, а для легкого более жестким.
Рекомендации по подбору элементов
Рабочий ход пружины не должен быть меньше геометрического хода подвески.
Рабочий ход амортизатора ни в коем случае не должен быть меньше рабочего хода пружины.
Жесткость пружины должна быть подобрана исходя из веса автомобиля и нагрузок на подвеску от дорожного покрытия так, чтобы максимально полно использовался ее рабочий ход.
Вязкость амортизатора должна быть подобрана исходя из веса автомобиля и рабочего хода пружины так, чтобы во всем диапазоне ускорений подвески пружина успевала сжиматься.
А самый главный вывод такой:
Пружина и амортизатор — это подобранная ПАРА элементов, изменение параметров одного из них приведет к дестабилизации работы подвески, и от балды этого делать нельзя.
Очень жаль, что производители автозапчастей, в особенности тюнинга, не снабжают свою продукцию конкретными графиками и числовыми показателями, а ограничиваются только маркетинговыми фразами и описанием инновационных технологий.
Надеюсь, что данный материал кому-нибудь пригодится и поможет на базовом уровне понять закономерности работы автомобильной подвески.
При копировании прошу ссылаться на меня — все написанное это хоть и примитивное, но самостоятельное исследование.
UPDATE: как я и предполагал, не прошло нескольких часов, как набежала толпа специалистов, которые принялись кричать, что, мол, примитив, школьная истина, пацаны на районе давно ушли вперед. На здоровье.
Я закрываю комментарии, потому что выслушивать колкости за собственный добровольный труд мне не интересно.