Sprężyny śrubowe w samochodowych układach zawieszenia
Głównymi elementami sprężystymi w większości samochodowych układów zawieszenia są oczywiście sprężyny. Wyglądają jak zwinięte kawałki drutów i mogłoby się wydawać, że oprócz rozmiarów niczym się nie różnią od tych, które są w długopisach czy zapalniczkach. Nic bardziej mylnego.
31.01.2011 | aktual.: 30.03.2023 12:29
Głównymi elementami sprężystymi w większości samochodowych układów zawieszenia są oczywiście sprężyny. Wyglądają jak zwinięte kawałki drutów i mogłoby się wydawać, że oprócz rozmiarów niczym się nie różnią od tych, które są w długopisach czy zapalniczkach. Nic bardziej mylnego.
Resorowanie kół jednej osi i zmniejszanie przechyłów bocznych nadwozia odbywa się zazwyczaj za pomocą właśnie sprężyn, ograniczników skoku, amortyzatorów oraz różnego rodzaju drążków pełniących także rolę stabilizatorów. Elementy sprężyste można podzielić ze względu na czynnik wykorzystywany do magazynowania energii oraz materiał użyty do ich wykonania:
- sprężyny stalowe
- elementy sprężyste pneumatyczne (powietrzne) i gazowe
- resory piórowe
- elementy gumowe
- elementy sprężyste z komórkowego elastomeru poliuretanowego
W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych sprężyny zostały zastąpione przez elementy sprężyste pneumatyczne (lub gazowe) bądź resory piórowe. Każde z nich ma swoje wady oraz zalety, jednak nie ulega wątpliwości, że zaglądając pod podwozie samochodu, najczęściej znajdziemy tam komplet sprężyn przypadających przynajmniej po jednej na koło.
Odpowiednia sprężyna musi być dobrana pod kątem pracy, jaką będzie wykonywać. Mają na to wpływ działające na nią siły. Ogólny podział sprężyn został przedstawiony poniżej:
W samochodowych układach zawieszenia, zarówno w konstrukcjach z podwójnymi wahaczami poprzecznymi jak i kolumnami McPhersona, stosuje się sprężyny śrubowe, naciskowe. Te również mają swoje oddzielne podziały, a zastosowanie poszczególnego rodzaju sprężyny jest podyktowane wieloma czynnikami, z których najważniejszymi są:
- rodzaj materiału
- przekrój pręta
- sztywność
- możliwość tłumienia drgań
- wytrzymałość
Do najczęściej stosowanych sprężyn śrubowych, naciskowych w konstrukcjach samochodowych należą sprężyny:
Innymi stosowanymi typami sprężyn są sprężyny typu mini-blok. Charakteryzują się one zmienną średnicą pręta oraz zmienną średnicą poszczególnych zwojów. Dzięki temu, podczas obciążenia zwoje układają się kolejno na płaszczyźnie podporowej. Takie rozwiązanie zapewnia małą wysokość obciążonej sprężyny, a to przekłada się na zaoszczędzenie miejsca w komorze silnikowej, bądź przestrzeni bagażowej.
Omawiając ten typ sprężyny, należy również wspomnieć, że mają one charakterystykę progresywną – wraz ze wzrostem obciążenia wzrasta sztywność takiej sprężyny. Wpływa to korzystnie na częstotliwość drgań pojazdu, rozpatrywanych pod kątem fizjologii człowieka. Drugą stroną medalu jest natomiast ich produkcja. Technologia wytwarzania jest bardziej zaawansowana zarówno w przypadku przygotowania materiału pręta, jak i w zwijaniu oraz w procesie obróbki cieplnej.
Poniżej przedstawiłem prosty schemat sprężyny typu mini-blok, z zaznaczonymi przykładowymi średnicami.
Zgodnie z założeniami budowy takiej sprężyny średnice D1 na końcach są najmniejsze i rosną ku środkowi. Przekrój druta również jest najmniejszy na końcach (Dd1), a jego grubość wzrasta ku środkowi.
Kolejnym nietypowym rodzajem sprężyny śrubowej naciskowej jest sprężyna typu pigtail. Podobnie jak w przypadku mini-blok ma ona mniejsze średnice zwojów na obu końcach sprężyny (Dz). I tu podobieństwa się kończą, bo zarówno grubość druta (d), jak i średnica pozostałych zwojów (D) pozostają niezmienne. Mniejsze średnice na brzegach sprężyny służą lepszemu zamocowaniu w elementach podporowych.
Tego rodzaju zakończenia sprężyny nie powodują szczególnych trudności w procesie produkcyjnym. W porównaniu do tradycyjnych sprężyn, w przypadku wytwarzania typu pigtail potrzebne są dodatkowe, specjalne uchwyty oraz odpowiednie oprzyrządowanie.
Ostatnim, a zarazem najczęściej spotykanym typem sprężyny jest sprężyna cylindryczna. Zapewnia ona stałą sztywność na całej długości dzięki jednakowemu kątowi wznoszenia pręta. Dzięki prostej budowie, gdzie zarówno średnica zwojów (D) jak i przekrój pręta (d) pozostaje taki sam, produkcja nie przysparza większych problemów.
Omawiając budowę sprężyn, opieraliśmy się głównie na opisie średnicy poszczególnych zwojów oraz przekroju pręta. Te wartości pośrednio wpływają na charakterystykę sprężyny i to jest właśnie parametr, który nas interesuje podczas wyboru.
Charakterystyka sprężyny jest określana zależnością pomiędzy obciążeniem (siłą P lub momentem M) a odkształceniem (ugięciem f lub kątem α). Zależność P(f) lub M(α) nazywamy charakterystyką sprężyny. Jeśli obciążenie jest proporcjonalne do odkształcenia, to mamy do czynienia z charakterystyką liniową (proporcjonalną). Jeśli natomiast obciążenie wzrasta szybciej od odkształcenia, to jest to charakterystyka progresywna. W odwrotnej sytuacji, kiedy siła rośnie wolniej od odkształcenia, sprężyna ma charakterystykę degresywną.
Możliwe jest także otrzymanie charakterystyki nieliniowej (progresywnej lub degresywnej) za pomocą zespołu sprężyn o charakterystyce liniowej. Taka charakterystyka będzie łamana odcinkami liniowymi.
Przy charakterystyce liniowej własności sprężyny można ująć w jednym współczynniku zwanym sztywnością sprężyny – p (również wskaźnik sztywności lub stała sprężyny). Na wykresie charakterystyki jego miarę obrazuje stały co do wartości tangens kąta nachylenia tej charakterystyki względem osi odkształceń. Sprężyny o małym współczynniku sztywności nazywamy podatnymi (miękkimi), natomiast o dużym współczynniku p – sztywnymi (twardymi). Podatność jest funkcją odwrotną sztywności.
Pojęcie sztywności jako stosunku przyrostu obciążenia do przyrostu odkształcenia można rozpatrywać w kontekście sprężyn o charakterystyce nieliniowej. Wówczas miarą sztywności jest tangens kąta nachylenia stycznej do krzywej w określonym punkcie charakterystyki. Charakterystyki nieliniowe można linearyzować w zakresie ustalonych punktów pracy, wprowadzając zastępczą charakterystykę liniową oraz zastępczy wskaźnik sztywności.
W obliczeniach dynamicznych można założyć jednakową pracę odkształcenia nieliniowej i linearyzowanej sprężyny, dzięki czemu mamy możliwość ustalenia zastępczego współczynnika sztywności. Pracę odkształcenia W sprężyny stanowi pole pod charakterystyką poszczególnej sprężyny.
