Применение листовых рессор на автомобилях

Применение малолистовых параболических рессор на грузовых автомобилях, автобусах и прицепах имеет преимущества, так как в связи с высокими нагрузками многолистовые рессоры имели бы в этом случае очень большое число листов. Рессоры задней подвески легковых автомобилей, напротив, несут относительно небольшую нагрузку, и поэтому листовая рессора в этом случае благодаря большой длине состоит всего из двух или трех листов (рисунок 1 и рисунок 2). Может применяться также и однолистовая параболическая рессора, недостатком которой является невозможность гарантировать прочность связи ушка.

Возможные поломки рессор

При поломке коренного листа продольно расположенной листовой рессоры второй конец с ушком этой рессоры обеспечивает неразрезной балке заданное направление. Хотя возможность прямолинейного движения при этом и ухудшается, однако аварийная обстановка практически не создается.

При поломке рессоры управляемой передней оси картина иная. Если речь идет о неразрезной оси, то она в месте поломки может переместиться вперед или назад. А поскольку рулевая сошка соединена с рулевым механизмом, то оба передних колеса поворачиваются в одну сторону. Автомобиль резко меняет направление движения, что может привести к наезду или опрокидыванию. Поэтому почти во всех случаях, когда в передней подвеске применяются многолистовые рессоры, принимают какие-то меры на случай их поломки, например, делают дополнительное ушко на переднем конце подкоренного листа, которое охватывает ушко коренного листа (см. рисунок 3).

Еще опасней поломка поперечно расположенной рессоры передней подвески, которая при независимой подвеске служит одновременно и направляющим элементом колес и верхним или нижним рычагом. Автомобиль при этом теряет управляемость и аварии трудно избежать. Поперечные рессоры можно встретить на автомобилях особо малого класса с задним расположением двигателя, отчасти при центральном закреплении. Однако чаще всего это закрепление в двух точках. Применение такой листовой рессоры позволяет избежать применения двух винтовых пружин и стабилизатора, включая детали, необходимые для закрепления последнего. Недостатком использования такого упругого элемента является смещение рессоры в местах закрепления под действием боковых сил.

Действующие силы и моменты

Возникающее при работе подвески изменение длины деталей упругих элементов требует эластичного присоединения мест D крепления (рисунок 4). Под действием боковых сил последние также деформируются, увеличивая положительный угол развала наружного (по отношению к центру поворота) колеса.

На рисунке приведены силы и характер изменения изгибающего момента при статической исходной нагрузке F_w. В центральной части рессоры между точками D действует постоянный по величине момент М_w = F_wl, поэтому листы рессоры должны иметь на этом участке постоянное сечение. Допускается только изменение ширины листов (как показано).

При нагружении рессоры силами, действующими в одну сторону (рисунок 5), концевые и центральный участки принимают форму дуги. В результате рессора по всей длине работает с заданной жесткостью. Однако при движении на повороте (рисунок 6) на наружной (по отношению к центру поворота) стороне на рессору действует дополнительная сила +ΔF_a при соответствующем уменьшении нагрузки на внутренней стороне. Один конец рессоры будет в результате приподнят вверх, в то время как другой ее конец отжимается вниз.

В центральной части действуют противоположно направленные изгибающие моменты, которые стремятся изогнуть этот участок в форме буквы S. В связи с тем, что листы рессоры имеют постоянную толщину, их прогиб в центральной части будет незначительным. Это означает, что при поперечно-угловом подрессоривании на поворотах эта подвеска имеет большую жесткость, чем при одинаково направленном перемещении колес при преодолении препятствия. Взаимосвязь между этими двумя величинами определяется расстоянием e между опорами D. Чем больше величина e, тем больше разнятся эти величины. Однако возможности увеличения e ограниченны, так как длина рессоры в распрямленном состоянии L = e + 2l (см. рисунок 4) должна быть меньше, чем колея t_v передних колес. Чем больше величина e, тем короче концевые участки l рессоры и тем выше возникающие в них напряжения. Рессора в этом случае должна состоять из большего числа более тонких листов.

В передней подвеске модели «Opel Kadett» рессоры, закрепленные в двух точках, нагружены только вертикальными силами. Боковые и продольные силы воспринимают нижние рычаги, на которые опираются концы рессор. При этом концы рессор могут поворачиваться относительно рычага в боковом направлении. Обеспечения безопасности на случай поломки не требуется, и конструктивное решение с малолистовой параболической рессорой с двумя опорами оказалось экономически самым выгодным (рисунок 7).

Определение траектории перемещения ушков листовой рессоры

Если поперечно расположенная листовая рессора, закрепленная в двух точках, одновременно заменяет верхний или нижний рычаги, то в этом случае конструктор должен знать траектории центров ушков рессоры при работе подвески на поворотах. Это необходимо для определения мгновенного центра поворота, а также для того, чтобы рассчитать изменение развала и схождения колес.

Точки замеров, образующие траекторию перемещения, получают с помощью пружинных весов. В качестве исходного положения принята выпрямленная рессора (рисунок 8). Величина нагрузки при этом не играет роли.

В качестве исходных параметров используются величины ходов сжатия f₁ и отбоя f₂ подвески в направлении оси Y, а измеряемой величиной является боковое смещение Δl обоих салазок, что дает соответствующее значение X. В процессе изучения оба места закрепления D₁ (слева) и D₂ (справа, на рисунке не изображено) должны параллельно нагружаться или разгружаться. Затем рессору вычерчивают в выпрямленном состоянии в масштабе 1:1, чтобы, исходя из этого положения, иметь возможность нанести полученные значения X в соответствии со значениями Y. Начало координат располагается в центре ушка рессоры. Соединив отдельные точки, получим с обоих концов рессоры дугообразную кривую. Центр кривизны служит кинематическим центром вращения.

Аналогичный процесс может быть применен также при центральном закреплении рессоры, независимо от того, является это закрепление жестким или упругим (рисунок 9).

При поперечно расположенных листовых рессорах таким же путем осуществляется определение центра поворота. При продольных листовых рессорах определяют траекторию, которая потребуется для уточнения перемещения неразрезной балки, закрепленной на рессорах. В последнем случае рессора должна быть изображена на чертеже в соответствии с ее положением в автомобиле.

Листовые рессоры с прогрессивной характеристикой упругости

Листовые рессоры могут иметь прогрессивную характеристику упругости. Чтобы добиться увеличения жесткости при увеличении нагрузки, рессоры задней подвески легковых автомобилей выполняют двухступенчатыми. В этом случае однолистовая параболическая рессора или двух- либо трехлистовая трапецеидальная при прогибе опираются на лист второй ступени (рисунок 10, варианты а и б). Кроме того, существует возможность установки упора, смещенного по длине рессоры. Этот упор приводит к уменьшению рабочей длины рессоры при ходе сжатия и соответственно к увеличению жесткости (вариант в).

Конструктивные решения а и б позволяют так подобрать длину и толщину листов обеих ступеней, что при ходе сжатия подвески до крайнего верхнего положения (т.е. при максимальной нагрузке) напряжения распределяются равномерно. Установка дополнительного ограничителя, напротив, может привести к концентрации напряжений в месте опоры рессоры.

Для грузовых автомобилей изменение нагрузки значительно больше. Чтобы жесткость подвески у незагруженного автомобиля не была чрезмерно высокой, требуется более прогрессивная характеристика, которую можно получить только с помощью дополнительных рессор. Эти дополнительные рессоры с собственной характеристикой упругости крепят на основных рессорах. После определенной величины хода f_E подвески (рисунок 11) достигают специальных упоров.

В большинстве случаев дополнительные рессоры имеют более высокую жесткость, чем основные, что позволяет избежать слишком низкой частоты колебаний груженого автомобиля и удержать в определенных пределах крен кузова на поворотах. Повышения жесткости достигают путем уменьшения длины листов (l_Z вместо l_H основной рессоры) и увеличения толщины. Поскольку дополнительная рессора включается в работу только в конце хода подвески, возникающие в ней напряжения изгиба меньше, чем в листах основной рессоры.

Расположенные один над другим пакеты рессор могут быть как трапецеидальными (рисунок 12), так и параболическими (рисунок 13), имеющими следующие характеристики:

Таблица 1 - Характеристики наборов листовых рессор

	Основная рессора	Дополнительная рессора
Расстояние между ушками L, мм	1800	-
Длина рессоры, мм	-	1120
Ширина листа B, мм	100	100
Наибольшая толщина h1, мм	22	29
Жесткость рессоры c2h, Н/мм	245	730
Наибольшая нагрузка Fmax, кН	33,2	9,8
Наибольшая нагрузка Fmax, МПа	680	222

В обоих случаях в качестве аварийной меры на случай поломки коренного листа сделано так, что конец второго листа охватывает левое ушко. Правый конец рессоры, изображенной на рисунке 12, скользит по опоре. Этот вариант исполнения конца рессоры часто встречается в подвеске грузовых автомобилей (рисунок 14). В легковых автомобилях применение подобного конструктивного решения создавало бы неприятный шум.

Есть вопросы? ЗАДАВАЙ!