Пружины подвески

 

Пружины подвески

Пружины подвески любого автомобиля выполняют немало важных функций. Правильно подобранные пружины подвески, оказывают качественное влияние на весь процесс управления автомобилем и его грузоподъемность, делают неровности дорожного покрытия менее заметными, повышают комфорт для водителя.

Функции пружин

Все упругие компоненты, к которым приклады­вается нагрузка, являются пружинными элементами. Однако, пружины, в более узком смысле, означают только те упругие элементы, которые могут поглощать, сохранять и выпускать работу на относительно большое расстояние. Сохраненная энергия может также использоваться, для того чтобы поддерживать силу. Самые важные области применения промышленных пружин:

  • поглощение и демпфирование амортиза­торов;
  • хранение потенциальной энергии (пру­жинные двигатели);
  • применение силы (пружины сцепления);
  • вибрирующие системы (вибрационный стел);
  • измерение силы (пружинные весы).

Условные обозначения пружин

Характеристики пружин

 

Характеристики пружинХарактеристики пружин описывают поведение пружины или системы пружин. Это означает определение зависимости нагрузки на пружину или изгибающего момента от деформации. Металлические пружины имеют линейную характеристику (закон Гука), эластомерные пружины — прогрессивную характеристику, тарельчатые пружины — дегрессивную характеристику. Градиент харак­теристики называют жесткостью пружины.

Для поступательного движения: R = dF/ds

Для вращательного движения: Rt = dMt/da

Работа пружины

 

Для пружин, находящихся под напряжением, при отсутствии трения, область действия пру­жины представляет поглощенную или выпу­щенную работу (рис. 1 «Характеристики и работа пружин»):

W=ʃFds.

Демпфирование пружины

Если присутствует трение, преобладающая нагрузка на пружину больше, чем в случае, когда нагрузка снята. Область действия пружины, описываемая этими двумя характеристиками, пред­ставляет работу силы трения WR и является, таким образом, мерой уровня демпфирования (рис. 1):

Ψ = W/WR

Демпфирование из-за внутреннего трения может быть очень высоким с эластомерными пружинами (0,5 <Ψ < 3). С металлическими пружинами, однако, этот показатель невелик (0 < Ψ < 0,4). Это означает, что у металлических пружин есть известный уровень демпфирова­ния, который достижим только посредством внешнего трения, например, как это происходит в слоях тарельчатых и листовых пружин.



Комбинации пружин

 

Очень большое разнообразие характеристик пружин может быть достигнуто комбинированием нескольких пружин (рис. 2 «Комбинация пружин»). В принципе, пружины могут быть объединены параллельно или последовательно. Комбинация параллельных и последовательных пружин также возможна.

Комбинации пружин

Комбинация параллельных пружин

Если пружины действуют параллельно, внешняя нагрузка распределена пропорционально между отдельными пружинами. Однако, прогиб каждой пружины (s) равен прогибу всех пружин. Жесткость системы пружин определяется суммой отдельных показателей жесткости каждой пружины:

Rtotal = R1 + R2 + R3 + … + Rn

Соответственно, система пружин, включаю­щая параллельные пружины, обладает боль­шей жесткостью, чем отдельные пружины.

Комбинация последовательных пружин

С последовательно расположенными пружинами полная внешняя нагрузка действует на каждую отдельную пружину. Однако, перемещение каждой пружины отличается, в зависимости от отдельных показателей пружин, и суммируется. Система последовательных пружин описывается уравнением:

1/Rtotal = 1/R1 +1/ R2 + 1/R3 + … + 1/Rn

Система последовательных пружин является более мягкой, чем самые мягкие отдельные пружины.

Металлические пружины

 

Нагрузка на пружинуОбычно металлические пружины классифи­цируются, согласно их усилиям (табл.2 «Нагрузка на пружину»). Надо отметить, что тенденция пружин к релаксации увеличивается с повышением рабочей температуры. Релаксация начинается со 120°С. Однако, у пружин из нелегированной стали релаксация может наступить при 40°С. При более высоких рабочих температурах оценить должным образом действие пружин можно только, используя диаграммы зависимости релаксации от напряжения.

Пружины, подвергаемые напряжению сжатия и растяжения

Из-за высокой жесткости, металлические бурсы, предназначенные для испытаний на растяжение и сжатие, подходят только для очень немногих специальных областей применения.

Пластинчатые листовые пружины

Простая пластинчатая листовая пружина ис­пользуется в качестве пружины сжатия или направляющей пружины. Многолистовые пружины используются для подвески колес в автомобилях. Они обычно изготавливаются из пружинной стали в соответствии со стандартом DIN EN 10089 (горячекатаная полоса) и DIN EN 10132 (холоднокатаная полоса). В эскизном проекте могут быть приняты допустимые уси­лия изгиба, приведенные в табл. 3 «Пружины, подвергаемые напряжению изгиба»и на рис.3 «Допустимые напряжения изгиба».

Пружины подвергаемые напряжению изгиба Допустимые напряжения изгиба

Торсионные и спиральные пружины

В случае прогиба торсионных и спиральных пружин, на ось вращения воздействует крутящий момент отдачи. Из-за условий зажима, сгибающие усилия при закручивании на определенный угол почти однородны. Для вычисления торсионных и спиральных пружин используются одни и те же уравнения.

Торсионные и спиральные пружины

Тарельчатые пружины

Тарельчатые пружиныТарельчатые пружины в форме конусоо­бразного кольца (рис.4 «Пластинчатые листовые, торсионные и спиральные пружины»), прежде всего, подвергнуты напряжению изгиба. Большое разнообразие применений следует из большого количества параллельных и последова­тельных комбинаций. Тарельчатые пружины, главным образом, используются там, где нагрузка на пружину и перемещение должны быть поглощены в пределах ограниченного пространства. Они используются, например, в предохранительных муфтах. Поскольку трение в многодисковых пружинах происходит между отдельными дисками в одном и том же направлении, они также подходят и для демпфирования колебаний и толчков.

При h0/t > 0,4, нелинейность пружин становится значительна. Нагрузка на пружину, перемещение и жесткость пружины могут быть вычислены с достаточной точностью согласно DIIM 2092 или могут быть взяты по данным изготовителя.

Для тарельчатых пружин, подвергнутых статическому напряжению (<104 изменений направления действия напряжения), вычисление усталостной прочности не требуется, если максимальная нагрузка на пружину при s = 0,75 h0 не превышена.

Пружины, подвергаемые напряжению кручения

 

Торсионные стержни

Для торсионов обычно отбираются стержни круглого поперечного сечения. Они обладают фактором использования очень большого объема, что означает, что они могут поглотить много энергии, но при этом занимать мало места.

Торцевой стержень и винтовая пружина

Винтовые пружины

Винтовые пружиныЦилиндрические винтовые пружины произво­дятся как пружины сжатия и растяжения. Уравнения вычисления характеристик идентичны для обоих типов пружин. Пружины сжатия конической формы позволяют оптимизировать использование пространства, если отдельные пружины могут быть вставлены друг в друга.

Эксцентриситет силы может быть миними­зирован на пружинах сжатия, если пружину наматывать так, чтобы концы проводов на каждом конце пружины коснулись смежного витка. Каждый конец пружины в виде плоской поверхности основания перпендику­лярен оси пружины. Чтобы избежать перегрузки пружины, должно поддерживаться минимальное расстояние между активными витками. Для статических напряжений применяются данные, приведенные в табл.6 «Винтовые пружины».

к-факторДля расчета динамического напряжения расстояние Sa должно быть удвоено. Дополни­тельно концы пружин должны располагаться на 180° друг к другу. Общее количество витков всегда должно быть кратно половине витка (например, nt = 7,5). Эффект искривления провода учитывается коэффициентом напряжения к (табл.7 «к-фактор»).

В случае статического напряжения этот эффект может быть проигнорирован, тогда, например, принимается к=1. Следующее соотношение относится к диапазону напряжений, преобла­дающему в случае динамического напряжения:

τkh = k • 8D/πd3 • (F2 — F1) ≤ τkH



Пружины растяжения

 

Допустимые пределы крученияПружины растяжения выпускаются с петлями либо с закатанными, либо поджатыми концами. Так как срок службы определен прежде всего петлями, невозможно дать общие предельные значения усталости. Пружины растяжения, получаемые холодной штамповкой, после упрочнения и отпуска производятся с внутренней предварительной нагрузкой. Это позволяет выдерживать значительно более высокие нагрузки на пружину.

Список литературы:

[1] DIN-Taschenbuch 29: Federn (Springs). Beuth-Verlag 2003.

[2] Haberhauer/Bodenstein: Maschinenelemente. 15th Edition, Springer- Verlag 2008.

[3] Fischer/Vondracek: Warm geformte Federn. Hoesch Hohenlimburg AG, 1987.

[4] Meissner/Schorcht: Metallfedern. Springer- Verlag 1997.

В следующей статье я расскажу о разъемных соединениях.

 

Графики пределов усталости для винтовых пружин сжатия

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *