Классификация упругих элементов

Существуют следующие типы упругих элементов подвески:

а) металлические: листовые рессоры, спиральные пружины, тор-

сионы;

б) пневматические: баллонные, диафрагменные;

в) гидропневматические;

г) резиновые.

Часто типы б)—г) объединяются в группу неметаллических уп­ругих элементов.

10.3.2. Рессоры

До недавнего времени подвеска на рессорах была наиболее рас­пространена на автомобиле, да и в настоящем, в силу имеющихся достоинств, это основная подвеска для грузовых автомобилей.

Рессорная подвеска содержит минимальное число структурных элементов: рессору с узлами крепления и (не всегда) амортизатор

и стабилизатор.

Рессора, как правило, устанавливается вдоль автомобиля и по способу заделки и форме может быть полуэллиптическая (рис. 10.6 а), кантилеверная (рис. 10.66) или четвертная (рис. 10.6в).

Рис. 10.6. Схемы подвесок на рессорах

а - полуэлиптической; б – кантилеверной; в-четвертной

Рис. 10.7. Подвеска на полуэлиптической рессоре

Показанная на рис. 10.7 полуэллиптическая рессора / опирается в середине на неподрессоренную часть автомобиля (балку моста 2), а концами шарнирно связана с его подрессоренной частью (рамой 4). Поскольку при прогибе рессора меняет свою длину, обычно один из ее концов закрепляется подвижно при помощи серьги 3 или другого соединения. Крепление рессоры к балке моста осуществляется при помощи стремянок 5. На легковых автомобилях и автобусах в целях снижения их высоты рессора закрепляется под балкой. Часть рессоры, прижатая стремянками к балке, практически не работает на изгиб. При развитом поперечном сечении балки моста и большой высоте рессоры, что имеет место на грузовых автомобилях, доля этой нерабочей части рессоры в общей ее длине может быть значительной. Поэтому для уменьшения длины защем­ленной части рессоры стремянки часто устанавливают наклонно друг к другу, как это показано на рисунке. Для исключения жесткого удара при пробое подвески устанавливается резиновый буфер сжатия 6. Ход отбоя ограничивается естественным образом под действием упругих сил и сил трения при прогибе рессоры вниз. В ряде кон­струкций, где применена длинная рессора или скользящая заделка обоих концов рессоры и возможно ее выпадание из опор вследствие чрезмерных прогибов, применяются ограничители хода отбоя обычно в виде петель из металлической ленты, троса или тканевого ремня, охватывающих балку моста.

Как видно из рис. 10.7, полуэллиптическая рессора способна воспринять и передать на несущую систему автомобиля не только нормальные, но и продольные и боковые реакции дороги, а также реактивные моменты тормоза или главной передачи (при ведущем мосте). Следовательно, в общем случае рессорная подвеска не требует специального направляющего устройства.

Четвертная и кантилеверная рессоры плохо приспособлены для передачи толкающих усилий и реактивного момента, то есть требуют направляющих устройств. Эти типы рессор не нашли широкого применения.

Рис. 10.8. Схема рессоры не стянутой центральным болтом

Обычно рессора составлена из нескольких стальных листов пря­моугольного или специального профиля, которые в сборе образуют двуплечую балку примерно равного сопротивления изгибу.

Листы рессоры изготавливают из полосовой горячекатаной рес-сорно-пружинной стали. Это высокоуглеродистые легированные кремнием, марганцем, хромом и иногда ванадием стали с хорошей прокаливаемостью.

Для того чтобы рессорные листы не сдвигались вбок один относительно другого и не рас­ходились веером под действием реактивных моментов, применя­ют стягивающие хомутики (7 на рис. 10.7). От продольного смеще­ния листы удерживаются цент­ральным болтом (рис. 10.8) или выдавками (рис. 10.10). Наибольшие нагрузки приходятся на самый длинный лист, ко­торый называется коренным. Этот лист, работающий вместе с ос­тальными на изгиб от вертикальной силы, воспринимает на себя подавляющую часть нагрузок, как основной элемент направляющего устройства подвески. При поломке какого-либо некоренного листа остается возможность непродолжительной эксплуатации автомоби­ля. Поломка же коренного листа, как и поломка направляющего устройства, относится к числу аварийных. Из этого вытекает не­обходимость уменьшения напряжений в материале коренного листа. Ввиду нерациональности введения в подвеску специального на­правляющего устройства, конструктивные мероприятия по разгрузке коренного листа сводятся к уменьшению напряжений, связанных с передачей им вертикальной силы. Наиболее употребимым является прием, заключающийся в уменьшении напряжений в длинных листах за счет увеличения в коротких. Для этого перед сборкой рессоры ее листам путем пластической деформации придается различная кривизна: чем короче лист, тем больше его кривизна (рис. 10.8). После сборки все листы, упруго деформируясь, приобретают прак­тически одинаковую кривизну, вследствие чего в листах возникают сборочные (монтажные) напряжения. Нетрудно видеть, что в длин­ных и коротких листах эти напряжения будут разных знаков. После приложения к рессоре рабочей нагрузки она изменит свою кривизну и в ее листах появятся рабочие напряжения. При этом в длинных листах монтажные напряжения вычтутся из рабочих, а в коротких они сложатся.

Рассмотренный прием прост, однако возможности его ограни­чены. Поэтому на тяжелых автомобилях прибегают к применению одного или двух подкоренных листов, имеющих такую же длину, как и коренной (рис. 10.11 б, в, г). Это существенно снижает нагрузку

Рис. 10.9. Профили поперечного сечения а — трапециевидный; б, в — Т-образный; г — с канавкой

на коренной лист, но приводит к повышению жесткости и массы рессоры либо, при сохранении прежней жесткости, к увеличению длины рессоры и опять же ее массы.

Основной вид поломки рессоры — усталостная поломка, свя­занная с циклическим характером нагружения. Такая поломка почти всегда начинается с усталостной трещины, растущей от какого-либо концентратора напряжений. Для листов рессоры такими концент­раторами являются поверхностные дефекты. Один из способов по­вышения усталостной прочности деталей - полировка - неприемлем для автомобильных рессор, выпускаемых в массовых количествах, из-за дороговизны и трудоемкости. Другой же известный способ достижения той же цели -- поверхностное упрочнение (наклеп) применяется повсеместно в виде дробеструйной обработки, причем не только для листов рессор, а вообще для всех металлических упругих элементов.

Напряжения растяжения раскрывают появившуюся усталостную трещину, и поэтому они с точки зрения усталостной прочности опаснее напряжений сжатия. В целях уменьшения напряжений рас­тяжения (при некотором увеличении напряжений сжатия) приме­няют показанные на рис. 10.9 профили листов специальной несим­метричной формы. Чаще всего это профили трапециевидного (рис. 10.9а) или Т-образного (рис. 10.96, в) сечения. Известны кон­струкции, использующие профиль с канавкой (рис. 10.9г). Рессорные профили со специальной формой сечения не только повышают долговечность листов, но и обеспечивают экономию металла.

В собранной рессоре листы плотно прижаты и при прогибах скользят относительно друг друга. Совершающаяся при этом работа межлистовых сил трения способствует гашению колебаний подвески. Поэтому в тех случаях, когда не предъявляются высокие требования к плавности хода (задние подвески большинства грузовых автомо-

Рис. 10.10. Крепление листов рессоры

билей), рессорная подвеска может не иметь амортизаторов. Однако сухое, без смазочного материала, трение в рессоре при колебаниях нагрузки на колесо, не превышающих приведенную к вертикали суммарную силу трения, блокирует подвеску. Из-за того же трения между листами увеличение их числа в рессоре при сохранении суммарной их толщины, вопреки ожидаемому, не дает желаемого снижения жесткости. Кроме того, межлистовое трение зависит от ряда эксплуатационных причин (например, загрязненности среды, количества влаги, периодичности обслуживания и т.п.) и может ко­лебаться в широких пределах, поэтому демпфирующие характерис­тики подвески оказываются нестабильными. Трение листов друг о друга приводит к появлению задиров, износу поверхностного уп­рочненного слоя, то есть является одной из причин их прежде­временной поломки. Поэтому межлистовое трение в целом считается вредным.

Для уменьшения трения поверхности листов смазывают и при­меняют неметаллические прокладки между листами или вставки по концам листов. Для прокладок применяют резину, пластмассы или специальные ткани, пропитанные связующим веществом, а для вставок — пластмассы или резину.

При сравнительно небольших нагрузках на рессору ее ушко образуется одним коренным листом (рис. 10.11 а), а следующий лист для уменьшения жесткости делают короче коренного. При больших нагрузках ушко усиливают вторым листом, который загибают почти до вертикальной оси ушка (рис. 10.116) или даже по всей его ок­ружности (рис. 10.11 в), оставляя зазор между листами, необходимый для деформации рессоры. На рессорах тяжелых автомобилей часто применяют накладные ушки (рис. 10.11 г), которые крепят к ко­ренному листу болтами, стремянками или заклепками. Такое ре­шение удешевляет конструкцию, так как гибка ушка из толстого листа пружинной стали связана с технологическими сложностями.

Если концы второго листа, как показано на рис. 10.11 б, огибают ушко коренного листа без зазора, то один из листов должен иметь возможность относительного перемещения в средней опоре рессоры. В таком случае, как показано на рис. 10.11 д второй лист / делают разрезным, а во избежание затяжки его центральным болтом 4 под него кладут обойму 3 с двумя прямоугольными вкладышами, более толстыми, чем сам лист.

У грузовых автомобилей большой грузоподъемности, предназ­наченных для эксплуатации на плохих дорогах, продольные ударные нагрузки могут достичь очень большой величины, опасной для прочности ушка. Поэтому на этих автомобилях рессоры иногда разгружают от передачи толкающих усилий специальными штангами

Рис. 10.11. Схемы рессорных ушек

Рис. 10.12. Схемы разгружения рессоры от толкающих усилий а — дополнительными листами; б — продольной штангой

(рис. 10.12), функции которых иногда выполняют дополнительные рессорные листы. В этом случае оба конца рессоры присоединяются к раме при помощи серег либо они опираются на скользящие опоры. В случае применения в задней подвеске легковых автомобилей очень мягких рессор, обычно жестко закрепленных на балке моста, возникает проблема S-образной их деформации под действием реактивного момента при разгоне и торможении автомобиля (рис. 10.13). При S-образном изгибе рессоры на одном из ее концов напряжения от вертикальных нагрузок складываются с напряже­ниями от реактивного момента моста, что может привести к не­допустимо большой их суммарной величине. При этом сопутст­вующий такой деформации рессоры поворот балки моста может привести к нежелательному увеличению угла в заднем карданном шарнире.

Для уменьшения величины S-образной деформации рессоры делают несимметричными, с различной длиной концов. В этом случае обычно линейные прогибы подвески сопровождаются угло­выми перемещениями балки ведущего моста. Обычно более ко­ротким является передний конец рессоры, так как это вызывает поворот ведущего вала главной передачи в направлении уменьшения угла в заднем карданном шарнире.

С этой же целью, наряду с обычными буферами сжатия, при­меняют дополнительные резиновые буферы, взаимодействующие

Рис. 10.13. Схема S-образной деформации рессоры.

либо с передней частью картера главной передачи, либо с коренным листом рессоры спереди и сзади от оси моста. Снижению S-образных деформаций рессоры способствует применение продольных реак­тивных штанг, располагаемых над или под рессорами (рис. 10.12). Такие технические решения позволяют не только улучшить кине­матику перемещения моста, но и существенно снизить напряжения изгиба в рессоре.

Как уже отмечалось, один из концов рессоры (либо даже оба) устанавливается подвижно относительно кузова. Одним из наи­более распространенных способов такого крепления является ус­тановка ушка в серьге (3 на рис. 10.7). При прогибах рессоры расстояние между центрами ушков рессоры меняется, от этого происходит угловое перемещение серьги. Следует отметить, что при покачиваниях серьги на рессору действует растягивающее или сжимающее усилие, которое несколько меняет жесткость рес­соры.

Чаще всего серьга устанавливается на заднем конце рессоры. В этом случае рессора смягчает продольные удары от наезда колесом на препятствие, так как упруго деформируется и, поворачиваясь относительно переднего ушка, позволяет колесу несколько при­подняться. В зависимых подвесках передних ведущих мостов серьга может устанавливаться на переднем конце рессоры. При продольных ударах она, как правило, работает более жестко, так как, повора­чиваясь относительно заднего ушка, стремится при этом опустить колесо, то есть приподнять массивный кузов. Однако установка серьги спереди может быть продиктована необходимостью согла­совать кинематику рулевого привода и подвески, а также условиями работы карданной передачи.

Рессора с ушками присоединяется к несущей системе автомобиля посредством цилиндрических шарниров. Довольно распространен­ными являются смазываемые металлические шарниры, состоящие из пальца, закрепленного в кронштейне на раме (кузове), и сменной втулки, запрессованной в ушко рессоры и заменяемой вместе с пальцем после износа (рис. 10.14а).

Чтобы изолировать кузов от высокочастотных вибраций, вызываемых неровностями дороги, в ушках рессоры часто при­меняют резинометаллические шарниры (рис. 10.14в, г), либо оба конца рессоры устанавливают в резиновых подушках непосред­ственно на раме (рис. 10.14 д, е). С этой же целью иногда крепление рессор к балке заднего моста осуществляют через резиновые про­кладки.

Достоинством резиновых и резинометаллических шарниров яв­ляется также то, что они не требуют смазки. Однако они вызывают повышенную поперечную и продольную податливость подвески, а несущая их способность невелика.

Рис. 10.14. Опоры рессор

а — металлический шарнир скольжения; б — качающаяся металлическая опора; в, г — резино-металлические шарниры; д, е — резиновые опоры

Как уже отмечалось, благоприятная жесткостная характерис­тика подвески нелинейна. На практике нелинейности характе­ристики рессоры достигают следующими конструктивными ме­роприятиями: выключением концов рессоры (рис. 10.15 а). В этом случае при деформации подвески изменяется рабочая длина рессоры, а сле­довательно, и ее жесткость. Этот способ находит наибольшее применение; выключением центрального участка рессоры (рис. 10.156). В этом варианте особенностью является профилированная опора, к которой рессора притянута стремянками в центральной части. Здесь при прогибах также меняется рабочая длина рессоры; близким по сути предыдущему, но более рациональным кон­структивно является решение, в котором под рессору подкла-дывается толстый и поэтому весьма жесткий лист, устанавли­ваемый с зазорами по концам (рис. 10.15 в); установкой дополнительных (корректирующих) пружин (рис. 10.15 г). При расчетной статической нагрузке пружины, ко­торые предварительно могут быть сжаты или растянуты, рас­положены горизонтально и поэтому практически не оказывают сопротивления вертикальным перемещениям. По мере увели­чения нагрузки пружины вступают в работу, корректируя жест-костную характеристику подвески; установкой дополнительной рессоры сверху основной (рис. 10.15д). Этот, часто называемый подрессорником, допол­нительный упругий элемент включается в работу при опреде­ленной нагрузке, увеличивая жесткость подвески. Примерный вид получаемых при этом жесткостных характе­ристик показан на рис. 10.16.

Последний прием, хотя и корректирует характеристику подвески не гладко, но позволяет изменять ее жесткость в широких пределах. Поэтому применение подрессорников в задних подвесках грузовых автомобилей носит массовый характер.

В последнее время в связи с достижениями в технологии про­изводства начали использовать однолистовые рессоры, являющиеся

(Рис. 10.15. Схемы способов получения нелинейной жесткостной характеристики рес­сорной подвески

Рис. 10.16. Примерный вид жесткостных характеристик подвесок, схемы которых показаны на рис. 10.15

балками равного сопротивления изгибу. Существует несколько раз­новидностей таких балок. Две наиболее простые показаны на рис. 10.17. Профиль поперечного сечения обеих балок прямоуголь­ный. В одном случае (рис. 10.17а) толщина балки постоянна, а ширина ее меняется по линейному закону. Такие балки называют треугольными. В другом случае (рис. 10.176 и рис. 10.18) ширина балки постоянна, а толщина меняется по параболическому закону. Они соответственно носят название параболических.

Однолистовые рессоры по сравнению с многолистовыми ока­зываются более легкими, имеют большую жесткость в поперечном направлении и практически лишены внутреннего трения. Однако

Рис. 10.17. Две основные разновидности балок равного сопротив­ления изгибу а — треугольная; б — параболическая

Рис. 10.18. Задняя подвеска на однолистовой параболической рессоре легкого гру­зового автомобиля

при прочих равных условиях однолистовые рессоры длиннее мно­голистовых и сложнее технологически. Поэтому пока чаще при­меняют малолистовые рессоры, состоящие из 2—3 листов перемен­ной толщины (рис. 10.19 и рис. 10.20).

Дата добавления: 2015-07-26