Содержание
Доброго времени суток всем соклубникам, Основательный подход это скажем так уделенное мною время изучения отдельных узлов Автомобиля со ссылками и очень (как я считаю) полезной для нас информацией! Понимаю что все можно найти в интернете и самому, не судите строго, и если есть время оцените и подскажите ) Всем ровных дорог!
Пружины подвески Теория
Пружины (Пружины в целом), как элемент подвески (Подвеска Авто) не просто упругий компонент. Ограждая машину от дорожных неровностей, автомобильные пружины обеспечивают необходимый клиренс (высоту кузова над дорогой), и влияют на такие качества авто, как комфорт, управляемость, грузоподъемность. Выбирая и устанавливая необходимые для таких условий применения пружины, целенаправленно можно изменить вышеуказанные параметры и достичь желаемую динамику или комфорт.
С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала.
Любая пружина в принципе, имеет свой коэффициент жесткости который заложен при изготовлении каждой из них, Расчет данного коэффициента (Как рассчитать коэффициент жесткости пружины) рассматривать не будем так как он нас не интересует и было бы слишком сложно определить модуль сдвига (Что такое модуль сдвига?) нашей пружины.
Все эти сложные выражения я писал к тому что изменяя пружину мы меняем её характеристики, и многие в нашей любимой стране занимаются колхозингом ( Что такое колхозинг?), срезают витки пружины думая что после этого авто становиться более стабильной, но в связи с тем что было изложено выше можно догадаться что после этого пружины больше не пригодны для использования именно с тем видом транспорта к которым она была разработана, так как меняется жесткость ответа ( меньше витков, состав пружины не изменится, но пружина состоит из многих витков. Жесткость пружины определяется как сила требуемая для сжатия (или удлинения пружины) на единицу длины. Если витков скажем 10, то для сжатия пружины на 1см каждый виток должен сжаться на 1 мм (допустим пружина не прогрессивная), а если их уже 9, то сжаться придется на 1 1/9 мм. При сжатии витка фактически происходит закрутка проволоки из которой пружина сделана на определенный угол (возникает кручение, деформация сдвига), понятно, что чем больше деформация витка, тем на больший угол должна закрутиться проволока. Отсюда и большие усилия на сжатие укороченой пружины. Ну и кроме того — на высоту срезанного витка машина станет ниже ) подвески, и преждевременная поломка некоторых узлов подвески автомобиля.
Пружины подвески Практика
На практике пружины для авто бывают довольно разные, делятся на несколько групп, в зависимости от функциональных параметров: усиленные, повышающие, стандартные, специальные, понижающие.
Стандартные пружины ставят на машину, прямо на заводе, и они рассчитаны на стандартные условия использования. При разных поломках их заменяют идентичными пружинами.
Усиленные пружины обладают большим усилием сжатия, нежели обычные пружины. Усовершенствованная жесткость пружин достигается при помощи прута большого диаметра, чем для обычных пружин. Потенциал усиленных пружин раскрывается при использовании машины на проселочных дорогах или при езде с прицепом.
Для увеличения клиренса, грузоподъемности и проходимости применяются повышающие пружины. Большая жесткость таких пружин добивается за счет использования при их изготовлении прута с большим диаметром, чем для стандартных пружин. Если клиренс наоборот необходимо снизить, к примеру, для лучшей управляемости, ставятся понижающие пружины, которые дадут возможность снизить центр тяжести. Такой вариант подойдет тем, кто любит динамичную езду. Кроме вышеперечисленных видов есть также специальные пружины, которые изготавливают под заказ.
Кроме функциональных фишек пружины отличаются и своей конструкцией. Главными характеристиками, от которых зависят свойства пружины :
Диаметр прута – чем больше его размеры, тем выше жесткость пружины. Можно выделить пружины с изменяемой толщиной прута. Эта пружина при изменении диаметра способна менять свою жесткость и увеличивать усилие сжатия. Такая конструкция дает возможность при разных допустимых диапазонах нагрузок обеспечивать необходимый комфорт
Число витков пружины – от этого зависит ее жесткость. Пружины с большим количеством витков будет не такой жесткой, чем пружины из аналогичного прута, но с немного меньшим количеством витков. Меняется жесткость, зависящая от наружного диаметра пружины. Пружины с небольшим наружным диаметром будут чуть жестче, чем с большим диаметром, при остальных одинаковых параметрах
Изменить параметры автомобильной пружины способна форма спирали а не срезание витков. Она бывает в виде цилиндра, конуса, бочки. Такие пружины будут с меняющимся шагом витка, в зависимости от формы. Такие способы завивки пружин используют для придания им лучших свойств, то есть способности менять их характеристики в зависимости от условий. Порой для получения нужных характеристик используют комбинацию из нескольких устройств, к примеру, применяют бочкообразную форму и переменное сечение прута одновременно. Пружины отличаются также по форме опорных витков, но это не особо влияет на характеристики пружины.
Серьезные производители всегда тщательно следят за качеством и характеристиками своего товара. При покупке в магазине стоит обратить внимание на упаковку и внешний вид самих пружин. Качественные пружины зачастую продаются в коробках, либо в жесткой полиэтиленовой упаковке с нанесением на неё всех характеристик, а также с перечнем моделей, для которых подходят данные пружины. Сами пружины имеют одинаковую длину и равномерно покрашены.
Сам оригинал размещен вот тут: http://www.pirate4x4.com/tech/billavista/coilovers/Part_1/#DualRateSprings
Не уверен, что там будет что новое со времен известной книги Рампеля. Но всетаки. по мимо этого буду что то от себя писать , где то что то добавлять..
Начну не с начала, там рассказывается об устройстве амортизатора, двух трубные, однотрубные и т.д. То, что идет дальше – поинтереснее.
В койловерах применяются пружины сжатия. Для дальнейших рассуждений определимся с обозначениями пружин и основными их характеристиками:
- Внутренний диаметр (Di)
- Диаметр витка (Dw)
- Средний диаметр пружины (Dm)
- Количество активных витков пружины (Na)
- Коэффициент жесткости пружины (k)
- Высота в свободном состоянии (Lo)
- Высота в сжатом состоянии(Lc)
- Ход пружины (Sc)
- Предельная нагрузка (Fc)
Рассмотрим каждый из параметров:
Внутренний диаметр (Di)
Тут все элементарно: пружина должна одеваться на амортизатор, т.е. в случае койловеров 3" пружина идет на 2,5" амортизатор, а 2,5" пружина на 2" амортизатор. Это основное, почему нас будет интересовать внутренний диаметр.
Диаметр витка (Dw)
Диаметр "проволоки" из которой сделана пружина.
Средний диаметр пружины (Dm)
Диаметр пружины измеренный по оси "проволоки
", из которой изготовлена пружина. Видно, что справедливо равенство: Dm = Di + Dw
Количество активных витков пружины (Na)
Количество активных витков пружины показывает какой количество витков воспринимает нагрузку. Обычно это число равно полному количеству витков пружины за минусом двух. Эти два витка, не дают вклада в общую жесткость пружины.
Жесткость пружины (k)
Самая важная характеристика пружины – это ее жесткость. Она показывает: какую силу необходимо приложить к пружине вдоль ее оси, чтобы ее линейные размеры изменились на 1мм. (Буду сразу все переводить в систему СИ)
На жесткость пружины влияют следующие параметры:
1. Материал, из которого изготовлена пружина.(параметр отражающий это называется модуль кручения. Модуль кручения показывает какую силу необходимо приложить к образцу, чтобы закрутить его на угол в 1 рад. )
2. Диаметр витка "проволоки" из которой изготовлена пружина (Dw).
3. Средний диаметр пружины (Dm)
4. Количество активных витков пружины (Na)
Формула расчета коэффициента жесткости пружины:
k = G * (Dw)^4 / 8 * Na * (Dm)^3
,где G – модуль сдвига (для обычной стали G ≈ 80 ГПа, для пружинной стали G ≈ 78500 МПа, как пример для меди
45 ГПа)
(небольшое отступление. в оригинале статьи использовали термин "torsional modulus"(модуль кручения), вместо термина модуль сдвига, это разные вещи). Модуль сдвига это отношение касательного напряжения к сдвиговой деформации, т.е. G = (действующая сила/площадь, на которую сила действует) / (смещение / начальная длинна). Формула немного сложная для понимания, но, если учесть, что модуль сдвига есть в таблицах и нет необходимости его высчитывать, то все встает на свои места. В исходном тексте статьи приведен пример, где G = 11250000psi, если перевести в Па, то получим 77,57ГПа (практически наша пружинная сталь, но в оригинале статьи упоминается какая то сталь без указания марки с повышенным содержанием хрома и углерода)
При внимательном рассмотрении формулы расчета коэффициента жесткости пружины мы увидим, что на жесткость влияет прежде всего (при одном и том же модуле сдвига) средний диаметр пружины, количество витков и диаметр витка "проволоки" из которой изготовлена пружина. Эти параметры можно изменять, если необходимо получить пружину различной степени жесткости. Причем следует заметить, что диаметр витка идет в четвертой степени, а количество витков – в первой. Т.е. различные параметры дают разные вклады в результат.
Дальше в оригинале статьи приводится табличка, в которой наглядно показано что как изменяется, при изменении членов этого уравнения. Мы тут все русские люди, изучавшие математику в школе и прекрасно понимающие как работают дроби, позвольте мне тут эту таблицу не приводить и так все понятно.
Идем дальше. Если мы рассматриваем пружину, которая уже установлена в койловер, то совершенно понятно, что при выбранной марке стали диаметр тоже будет постоянным, т.е. у нас остается только два параметра для изменения жесткости пружины – диаметр "проволоки" из которой изготовлена пружина и количество витков. Причем обратите внимание, что диаметр "проволоки" из которой изготовлена пружина влияет сильнее, чем количество витков. И напоследок еще одна мысль: получается, что при заданном диаметре пружины, если нам необходимо сделать пружину жестче, то нам надо или уменьшить количество витков, или использовать более толстую "проволоку" для изготовления пружины. И наоборот, для того, чтобы пружина получилась менее жесткая, необходимо или увеличивать количество витков, или изготавливать пружину из более тонкой "проволоки".
Точно так же, глядя на формулу мы видим, что увеличение диаметра при прочих одинаковых параметрах ведет к увеличению жесткости пружины и наоборот.
Таким образом можно для себя отметить важные моменты:
1. При заданных длине и диаметре пружины менее жесткая пружина будет иметь большее количество витков, и как следствие меньший ход. Т.е. для сохранения величины хода менее жесткую пружину необходимо делать выше.
2. При заданной жесткости пружины и ее высоте больший диаметр пружины (которая требуется для большего в диаметре амортизатора) будет иметь меньшее количество витков и как следствие больший ход.
Представленные на рынке пружины имеют разную высоту, диаметр и жесткость. Но при этом надо принять во внимание, что разница между 2,5" и 3" пружинами при одинаковой жесткости и высоте по остальным параметрам столь не значительна, что в этом случае диаметр не может являться основным фактором, на основе которого принимают решение о покупке того или иного варианта.
Практически жесткость пружины можно узнать непосредственно измерив соответствующие значения: (кг/мм) = Сила(кг)/Деформация(мм)
Жесткость пружины может быть постоянной величиной или переменной (имеется в виду зависимость от деформации). Пружины, которые не меняют свою жесткость от деформации получили название линейные ( * ) Также существуют пружины, которые изменяют свою жесткость в зависимости от деформации, это так называемые прогрессивные пружины. Как правило прогрессивные пружины имеют разный диаметр витков по высоте. Здесь мы не будем рассматривать такие пружины, т.к. в койловерах они не применяются.
( * )В действительности же, если мы начнем измерять жесткость линейной пружины, то в первые и последние 10% ее хода жесткость будет отливаться от остальных 80%. Этот момент так же приходится учитывать.
Высота в свободном состоянии (Lo)
Высота в свободном состоянии это измеренная высота пружины, на которую не действует нагрузка. Теоретически задается производителем при изготовлении пружины.
Существует зависимость количества витков пружины, которые можно изготовить от диаметра пружины. Например, слишком длинная пружина при небольшом диаметре не будет деформироваться под нагрузкой как задумано, что приведет к невозможности выполнять свои функции в полной мере. Именно по этой причине 18" пружины диаметром 3" существуют, а диаметром 2" их нет.
Для создания пружины с различной высотой в свободном состоянии, но с одинаковой жесткостью производитель просто увеличивает расстояние между витками. Т.е. параметры: диаметр проволоки, из которой изготовлена пружина, диаметр витка и количество витков остаются без изменений, изменяется только высота в свободном состоянии.
При нормальной эксплуатации (т.е. при использовании пружины в условиях, которые предусматривал разработчик) высота пружины в свободном состоянии меняться не должна.
Высота в сжатом состоянии(Lc)
Высота в сжатом состоянии это высота,меньше которой пружина сжаться не в состоянии без ее разрушения. В этом состоянии витки пружины прижаты друг к другу.
Ход пружины (Sc)
Ход пружины это разница между высотой пружины в свободном состоянии и высотой пружины в сжатом состоянии.
Предельная нагрузка (Fc)
Предельная нагрузка это нагрузка, при превышении которой не происходит деформации пружины без ее разрушения. При приложенной предельной нагрузки к пружине измеряют высоту в сжатом состоянии. Именно предельная нагрузка вызывает смыкание витков пружины. Это очень важный параметр. Он говорит нам о том, какую максимальную нагрузку способна выдержать пружина вовремя своей работы. Без этой информации не обойтись при проектировании длинно ходовых подвесок, в которых необходимо сделать ход колеса максимальным.
Двойные пружины
Можно с уверенность сказать, что проектирование подвески это прежде всего поиск нужного баланса. С одной стороны пружина должна быть достаточно мягкая для перемещения по дорогам с большими ямами, выступами, хода подвески должно быть достаточно для компенсации перепадов рельефа. Пружина должна обеспечивать достаточный комфорт для перемещения по рельефу подобного типа. С другой стороны жесткость пружины должна быть достаточной для того, чтобы сохранить контроль при быстром движении по неровной дороге, прохождении поворотов, торможении и т.д. В общем жесткая пружина требуется именно тогда, когда мы говорим о скоростном перемещении.
Преимущество койловеров как раз и состоит в том, что в этой конструкции состоящей из двух пружин можно ближе всего приблизиться к этому балансу. Для того, чтобы продолжить описание дальше вспомним конструкцию стойки койловера:
Необходимо отметить, что положение ограничительного кольца(stop-ring) ограничивает ход dual rate slider (DRS), проставки, скользящей по корпусу, в которую с одной стороны упирается мягкая пружина, а с другой – жесткая. Т.е. положение ограничительного кольца ограничивает ход мягкой пружины и позволяет настраивать подвеску в зависимости от дорожных условий. Ограничительное кольцо располагают таким образом, чтобы максимальная жесткость достигалась от 60 до 80% хода амортизатора. При таком раскладе остается еще запас хода подвески, прежде чем в работу вступят отбойники.
Суммарную начальную жесткость составной пружины можно рассчитать как:
Ki = (Km * Kt) / (Km + Kt)
Ki = суммарная начальная жесткость составной пружины
Km = жесткость мягкой пружины
Kt = жесткость жесткой пружины
Жесткость составной пружины, в случае, когда DRS уперлась в ограничительной кольцо, просто равняется жесткости жесткой пружины.
Примечание: в оригинале статьи введены понятие tender spring и main spring. Судя по фото main spring это мягкая пружина, tender spring это жесткая пружина. Но дальше в статье эти понятия были перепутаны, в частности в вышеприведенной формуле.
На этом про пружины хватить, определимся с некоторыми терминами и двинемся дальше:
Полная нагрузка колеса на поверхность (CW)
Усилие, с которым автомобиль давит на грунт одним из колес. Надо учесть, что это не просто общая масса автомобиля, поделенная на четыре. Данный параметр показывает распределение нагрузки автомобиля на поверхность.
Нагрузка от подрессоренной массы на одно колесо (CSW)
Нагрузка, которая приходится на каждую пружину. Так же как и предыдущий, указанный параметр показывает распределение нагрузки на подвеску.
Нагрузка от не подрессоренной массы на поверхность (CUW)
Нагрузка от не подрессоренной части автомобиля, приходящаяся на одно колесо. Можно сказать, что численно равно сумме масс: колеса в сборе, тормозному суппорту, половине массы моста, половине массы рычага, массе амортизатора и пружины.
Исходя из вышесказанного можно записать:
Нагрузка от подрессоренной массы на одно колесо (CSW) = Полная нагрузка колеса на поверхность (CW) – Нагрузка от не подрессоренной массы по поверхность(CUW)
Точка перехода(SUR)
Значение в процентах. Показывает в какой момент в составной пружине начинает работать жесткая часть.
SUR = Жесткость жесткой пружины / Жесткость составной пружины* 100% = (Kf / Ki) *100%
Ход амортизатора (ST)
Максимальный ход амортизатора определяется разностью размеров полностью сжатого и максимально открытого амортизатора. Койловеры диаметром 2" имеют ход 14", 16" и 18".
При выполнении измерений на предмет того – какие амортизаторы необходимо приобрести, важно понимать, что ход колеса и ход амортизатора это разные вещи. Они могут отличаться, и очень сильно.
Для ограничения хода подвески не рекомендуется использовать физический возможности амортизатора. Для ограничения хода подвески лучше всего использовать специальные ремни и демпферы.
Максимальное раскрытие амортизатора (ход отбоя вверх)
Максимальное раскрытие амортизатора , как следует из названия наступает при его полном ходе. Если никаких мер не предпринято и амортизатор ограничивает ход подвески вниз, то ежу понятно, что он скоро сломается. Не делайте так, если любите свою машину.
Максимальное сжатие амортизатора (ход отбоя вниз)
Как говорится и ежу понятно, что данное состояние наступает, когда у нас амортизатор полностью сжат. И Здесь так же по аналогии, если Вы любите и заботитесь о своем автомобиле – не делайте так, чтобы амортизатор ограничивал ход подвески "вверх" – ни к чему хорошему это не приведет. Кстати, на некоторый койловерах на шток одет маленький резиновый демпфер. Запомните – он не для того, чтобы гасить удары подвески "до отбойника" – не надейтесь на него.
Возрастающая жесткость
Термин имеет отношение к элементам подвески, которые дают свой положительный вклад в жесткость, это могут быть, к примеру демпферы, пружины, подрессорные листы и т.д. Термин известен, как прогрессирующая жесткость.
Уменьшающаяся жесткость
Как не трудно догадаться это полная противоположность возрастающей жесткости. Т.е. есть элементы, жесткость которых падает по мере хода подвески. Термин известен как регрессирующая жесткость.
Выше мы уже упоминали о том, что ход пружины, амортизатора и колеса это три разных вещи (если мы рассматриваем койловеры, то ход пружины и амортизатора равны, в остальных случаях это не так). Связаны эти вещи между собой кинематическими соотношениями, в которых важно все – и угол между пружиной и рычагом и место расположения амортизатора. Все это влияет на эффективность работы амортизатора и пружины. А в конечном счете это приводит массе других следствий: от взаимного положения элементов подвески зависит курсовая устойчивость, управляемость и комфорт пассажиров.
Дальше мы будем говорить как раз об углах, размерностях и взаимном положении отдельных элементов подвески.
Определение и формула жесткости пружины
Силу, которая возникает в результате деформации тела и пытающаяся вернуть его в исходное состояние, называют силой упругости.
Чаще всего ее обозначают $<overline
Современник И. Ньютона Р. Гук установил зависимость силы упругости от величины деформации. Гук долго сомневался в справедливости своих выводов. В одной из своих книг он привел зашифрованную формулировку своего закона. Которая означала: «Ut tensio, sic vis» в переводе с латыни: каково растяжение, такова сила.
Рассмотрим пружину, на которую действует растягивающая сила ($overline
Силу $overline$ назовем деформирующей силой. От воздействия деформирующей силы длина пружины увеличивается. В результате в пружине появляется сила упругости ($<overline
где в коэффициент пропорциональности называется жесткостью пружины (коэффициентом упругости) $k$.
Жесткость (как свойство) – это характеристика упругих свойств тела, которое деформируют. Жесткость считают возможностью тела оказать противодействие внешней силе, способность сохранять свои геометрические параметры. Чем больше жесткость пружины, тем меньше она изменяет свою длину под воздействием заданной силы. Коэффициент жесткости – это основная характеристика жесткости (как свойства тела).
Коэффициент жесткости пружины зависит от материала, из которого сделана пружина и ее геометрических характеристик. Например, коэффициент жесткости витой цилиндрической пружины, которая намотана из проволоки круглого сечения, подвергаемая упругой деформации вдоль своей оси может быть вычислена как:
где $G$ – модуль сдвига (величина, зависящая от материала); $d$ – диаметр проволоки; $d_p$ – диаметр витка пружины; $n$ – количество витков пружины.
Единицей измерения коэффициента жесткости в Международной системе единиц (Си) является ньютон, деленный на метр:
Коэффициент жесткости равен величине силы, которую следует приложить к пружине для изменения ее длины на единицу расстояния.
Формула жесткости соединений пружин
Пусть $N$ пружин соединены последовательно. Тогда жесткость всего соединения равна:
где $k_i$ – жесткость $i-ой$ пружины.
При последовательном соединении пружин жесткость системы определяют как:
Примеры задач с решением
Задание. Пружина в отсутствии нагрузки имеет длину $l=0,01$ м и жесткость равную 10 $frac<Н><м>. $Чему будет равна жесткость пружины и ее длина, если на пружину действовать силой $F$= 2 Н? Считайте деформацию пружины малой и упругой.
Решение. Жесткость пружины при упругих деформациях является постоянной величиной, значит, в нашей задаче:
При упругих деформациях выполняется закон Гука:
[F=kDelta l left(1.2
ight).]
Из (1.2) найдем удлинение пружины:
Длина растянутой пружины равна:
Вычислим новую длину пружины:
Ответ. 1) $k’=10 frac<Н><м>$; 2) $l’=0,21$ м
Задание. Две пружины, имеющие жесткости $k_1$ и $k_2$ соединили последовательно. Какой будет удлинение первой пружины (рис.3), если длина второй пружины увеличилась на величину $Delta l_2$?
Решение. Если пружины соединены последовательно, то деформирующая сила ($overline
Для второй пружины запишем:
Если равны левые части выражений (2.1) и (2.2), то можно приравнять и правые части:
[k_1Delta l_1=k_2Delta l_2left(2.3
ight).]
Из равенства (2.3) получим удлинение первой пружины:
Ответ. $Delta l_1=frac
