12.2. Коливні параметри та пружна характеристика підвіски.

Пружна характеристика підвіски - це залежність вертикального навантаження на колесо від деформації підвіски, що виміряна над колесом. Для побудови пружної характеристики підвіски необхідно розрахувати її коливні параметри, окремі із яких є характерними точками характеристики, а саме:

• статичний прогин підвіски f_cт та статичне навантаження, що йому відповідає G_cm;

• динамічний прогин підвіски f_д та динамічне навантаження, що йому відповідає G_дmax.

Вид необхідної характеристики підвіски зображений на рис.12.1.

П ружна характеристика підвіски, повинна проходити через точку а, що відповідає повному статичному навантаженню і статичному прогину, що характеризує задану плавність ходу. З іншого боку, для усунення небезпеки зіткнення металевих деталей у разі максимальної деформації пружного елемента характеристика повинна пройти через точку b, що обумовлена коефіцієнтом динамічності, причому k_д = 1,75...3,5. Виконати ці умови можна тільки якщо характеристика нелінійна. У разі лінійної характеристики Оb коефіцієнт динамічності буде мати задане значення, але незадовільну плавність ходу (точка а_b). І навпаки, у разі характеристики Оb' статичний прогин дорівнює заданому, але можливі часті „пробої” підвіски, що викликані малою динамічною ємністю.

Рис. 12.1. Пружна характеристика підвіски.

Статичний прогин підвіски визначається із умови забезпечення необхідної плавності ходу, яка оцінюється частотою власних коливань _n:

(12.1)

Оптимальні значення частоти власних коливань, які організм людини сприймає добре або задовільно, приймаються рівними: для легкових автомобілів - 0,8...1,2 Гц; для автобусів - 1,0...1,3 Гц; для вантажних автомобілів - 1,2...1,9 Гц.

Статичне навантаження визначається як:

,

тут - осьове навантаження, - вага непідресорених частин.

Динамічне навантаження, яке сприймається підвіскою у разі її максимального динамічного прогину не повинно викликати взаємного дотику металічних поверхонь підресорених і непідресорених частин, тобто викликати "пробої" підвіски.

Величина максимального динамічного навантаження, яка сприймається підвіскою характеризується коефіцієнтом динамічності

k_д = G_дmax /G_cт. (12.2)

Значення коефіцієнта динамічності: для легкових автомобілів k_д = 1,75...2,2; для автобусів k_д = 2,0...2,5; для вантажних автомобілів загально транспортного призначення k_д = 2,5...3,0; для автомобілів підвищеної прохідності k_д = 3,0...3,5. Динамічний прогин по відношенню до статичного в більшості конструкцій підвісок складає: в легкових автомобілях , в автобусах , у вантажних автомобілях .

У пружну характеристику підвіски А-а-b включений буфер відбою, що знижує хід підвіски на величину ОА.

Обмеження динамічного прогину проводиться з метою зменшення максимального переміщення кузова відносно коліс, що знижує вимоги до напрямного пристрою підвіски, полегшує умови роботи кермового приводу, збільшує стійкість автомобіля. З цією ж метою обмежується також прогин підвіски на ході стиску.

Кількісною характеристикою здатності підвіски сприймати динамічні навантаження без "пробоїв" є її динамічна ємність (місткість), під якою розуміють роботу, яку необхідно витратити, щоб деформувати підвіску на повну величину, яку допускають обмежувачі ходу. В загальному випадку динамічна ємність розраховується за формулою:

де - функція, що описує характеристику підвіски.

Якщо характеристика підвіски лінійна, тобто Ф(f)=cf, то місткість підвіски

де с - жорсткість підвіски.

Вже згадані обмеження на характеристику підвіски обумовлюють необхідность її нелінійності. Крім того, це обумовлюється також зміною корисного навантаження від нуля до максимуму, яке викликає значну зміну навантаження на підвіску, що становить: 10...30% на передній і 45...60% на задній підвісках легкового автомобіля, 200...250% в автобусах, 250...400% у вантажних автомобілях.

Значна зміна маси дуже впливає на пружну характеристику підвіски. На рис.12.1 приведені бажані форми кривих характеристик для спорядженого (Аа' d) і напівнавантаженого (Аа"с) автомобіля. Тобто, необхідно здійснювати зміну жорсткості із зміною навантаження.

У загальному випадку для збереження сталості власної частоти у разі зміни навантаження на підвіску необхідно мати нелінійну характеристику, що задовольняла би умові

де с_і = dR_z/df - жорсткість підвіски в довільній точці характеристики при і-тому навантаженні.

Таким чином, для того щоб кузов автомобіля мав незалежно від навантаження постійну частоту власних коливань характеристика підвіски повинна змінюватися згідно із законом показової функції.

Жорсткість підвіски, яка є першою похідною від функції , що описує характеристику підвіски є величиною непостійною. В розрахунках найчастіше використовується статична жорсткість підвіски

(12.3)

Нелінійність характеристики підвіски досягають різними способами. Нелінійну характеристику мають пневматичні та гідропневматичні пружні елементи. В більшості випадків нелінійність досягається шляхом використання в підвісці крім основного інших пружних елементів, навіть тоді, коли основний елемент має нелінійну характеристику. Нелінійності одного пружного елементу недостатньо для одержання достатньої нелінійної характеристики всієї підвіски. Для отримання нелінійності характеристики підвіски на ходах близьких до максимальних використовуються буфера: стиску майже в усіх автомобілях і відбою в автомобілях з підвіскою малої жорсткості. Навантаження, яке припадає на буфер стиску від підресорених мас у разі максимального ходу підвіски, дорівнює

(12.4)

де - максимальне зусилля, яке сприймається пружними елементами підвіски.

Для підвіски з нелінійною характеристикою в усьому діапазоні зміни деформацій характерні деякі особливості у визначенні її жорсткості і у побудові характеристики. Такою підвіскою є підвіска з коректуючими пружинами, схема якої зображена на рис. 12.2.

а б

Рис. 12.2. Схема підвіски з коректуючими пружинами (а) та її нелінійна характеристика (б): 1 - основний пружний елемент підвіски; 2 - коректуючі пружини; - зусилля основної пружини; - зусилля коректуючої пружини; - кут нахилу коректуючої пружини у разі динамічного переміщення підвіски відносно її статичного положення.

Результуюча жорсткість підвіски з коректуючими пружинами визначається за формулою:

(12.5)

де - жорсткість основного пружного елементу; - жорсткість підвіски, що визначається однією коректуючою пружиною.

Жорсткість зв’язана з осьовою жорсткістю коректуючої пружини залежністю:

(12.6)

де а - віддаль між точками закріплення вушок коректуючої пружини розтягу; - попередній (установчий) розтяг коректуючої пружини, = 2...4 мм.

Як видно із формули (12.6) жорсткість нелінійно залежить від ходу підвіски f і тому її, а також необхідно визначати в 4...5 точках в інтервалі (0...+ f_д) на ході стиску і в 4...5 точках в інтервалі (0 ...- f_д) на ході відбою, рівномірно розміщених у вказаних інтервалах (рис. 12.2, б).

При заданих конструктивних розмірах коректуючої пружини і необхідному значенні її деформації, яка визначається максимальним динамічним ходом підвіски , гранична осьова жорсткість цієї пружини визначається, виходячи із умови забезпечення достатньої міцності ( ):

, (12.7)

де - діаметр дроту пружини;

- середній діаметр навивки пружини;

- коефіцієнт, який враховує вплив на міцність кривизни витків пружини;

- максимальна деформація коректуючої пружини.

Коефіцієнт залежить від індексу пружини і розраховується за формулою

(12.8)

Для пружин автомобільних підвісок

Максимальна деформація коректуючої пружини

(12.9)

Для побудови характеристики підвіски в намічених точках розраховуються значення сил, що створюються основним пружним елементом підвіски та коректуючими пружинами у напрямі ходів підвіски:

(12.10)

де - навантаження відповідно на основний пружний елемент і коректуючі пружини.

За розрахованими значеннями будуються графіки функцій , а також результуюча характеристика підвіски

Знак "+" відповідає стиску підвіски, а знак "-" - відбою підвіски.

Характер протікання вищеназваних характеристик відтворений на рис. 12.2, б.

Для зміни жорсткості задньої підвіски вантажного автомобіля часто використовується підвіска, яка складається з двох пружних елементів - основної ресори та додаткової (підресорника) з опорами, що мають криволінійну поверхню (рис. 12.3, а). Робоча довжина підресорника із збільшенням навантаження зменшується, оскільки виключаються із роботи кінці підресорника, а жорсткість збільшується. Характеристика такої підвіски є кусочно-лінійною. Точка А перегину характеристики на графіку (рис. 12.3, б) відповідає моменту включення у роботу підресорника, який можна зробити любим, оскільки особливих конструктивних обмежень в цьому відношенні немає, але рекомендується вибирати на ході f_в.п. = (0,4...0,6)f_д.

На деяких автомобілях такі опори застосовуються і для основної ресори. Також застосовується конструкція ресори, у якій передбачені додаткові нижні листи з радіусами кривизни, значно більшими, ніж у верхніх листів. Нижні листи виконують функції підресорника, забезпечуючи більш плавне збільшення жорсткості у разі повного статичного навантаження.

а б

Рис. 12.3. Ресорна підвіска з додатковим пружним елементом (а) та її характеристика (б): 1 і 2 - ресори відповідно додаткова й основна; 4 - криволінійна опора

Регулювання жорсткості підвіски залежно від маси підресореної частини найбільш просто може бути здійснене у разі застосування пневматичного пружного елемента.

Зі збільшенням деформації балона його внутрішній об’єм зменшується, а тиск повітря і жорсткість підвіски збільшуються. Наявність додаткового резервуара компенсує збільшення тиску повітря в балоні у разі його деформації і зменшує жорсткість підвіски. При відповідному підборі об’єму додаткового резервуара для заданого балона і зміні внутрішнього тиску можна забезпечити незмінність статичного прогину і висоти кузова автомобіля у разі зміни статичного навантаження на підвіску.

На рис. 12.4 і 12.5 приведені характеристики балонного і діафрагмового пружних елементів з різними об’ємами і тиском, що дає можливість підібрати за заданою характеристикою підвіски необхідний пружний елемент. Балонні пружні елементи не допускають зниження власної частоти підвіски нижче 1...1,3 с^-1 і викликають необхідність застосування додаткових резервуарів з об’ємом V_к.

а б

Рис. 12.4. Балонний пружний елемент із додатковими об’ємами і тиском (а) та його х арактеристики (б): ------- - при V_к = 0 л, - - - - - при V_к = 7 л

Діафрагмові пружні елементи забезпечують більш низьку частоту. Такі пружні елементи як правило застосовуються на легкових автомобілях і автобусах. На рис. 12.5 приведена конструкція і характеристики пружного елемента (різниця об’ємів V_к і V_к" складає 3 л). До недоліків діафрагмового пружного елемента порівняно з балонним варто віднести меншу вантажопідйомність при тиску повітря і габаритних розмірів, однакових з балонним; значне збільшення жорсткості при динамічному навантаженні.

П еревагами пневматичних підвісок є відсутність тертя в пружному елементі і незначна маса, а також менший рівень шуму. До недоліків таких підвісок варто віднести необхідність автономного розташування направляючого і демпфуючого пристроїв підвіски, високу вартість і складність конструкції, а також обмежену довговічність компресора, регулятора, клапанів і інших елементів підвіски.

а б

Р ис. 12.5. Діафрагмовий пружний елемент (а) і його характеристика (б): 1 і 2 – відповідно при V_к і V_к"; - при р = 0,5 МПа, - - - - - при р = 0,2 МПа