Упругая характеристика подвески автомобиля
Подвеска — это волшебство
Господа ДжимоВодочники! Из песни славов не выкинишь.=)
взято из талмуда викиПедии…
Плечо обката определяется не только конструкцией подвески, но и параметрами колёс. Поэтому при подборе незаводских «дисков» (по принятой в технической литературе терминологии эта часть именуется «колесо» и состоит из центральной части — диска и внешней, на которую сажается шина — обода) для автомобиля следует соблюдать указанные заводом-изготовителем допустимые параметры, особенно — вылет, так как при установке колёс с неправильно подобранным вылетом плечо обката может сильно измениться, что весьма существенно сказывается на управляемости и безопасности автомобиля, а также на долговечности его деталей.
Например, при установке колёс с нулевым или отрицательным вылетом при предусмотренном с завода положительном (к примеру, слишком широких) плоскость вращения колеса сдвигается наружу от не меняющейся при этом оси поворота колеса, и плечо обката может приобрести излишне большое положительное значение — руль при этом начинает «рваться из рук» на каждой неровности дороги, усилие на нём при парковке превышает все допустимые величины (из-за увеличения плеча рычага по сравнению со штатным вылетом), а износ ступичных подшипников и других компонентов подвески существенно увеличивается.
Развал — угол наклона плоскости вращения колеса, взятый между ней и вертикалью. Считается положительным, если верхняя часть колеса наклонена наружу, и отрицательным — если внутрь.
В большинстве случаев под «развалом» понимают статический развал управляемых колёс, задаваемый при техническом обслуживании автомобиля.
Основное назначение статического развала управляемых колёс — уменьшать передачу на руль их движения, возникающего вследствие наезда на мелкие неровности покрытия. Вместо того, чтобы передаваться через рулевую трапецию на руль, благодаря развалу они гасятся за счёт упругости покрышек, что снижает количество корректирующих движений руля и, соответственно, утомляемость водителя. Кроме того, развал обеспечивает максимальный контакт протектора шины с поверхностью дороги при движении автомобиля и устойчивость на поворотах, влияя, следовательно, на устойчивость и управляемость, а также влияет на интенсивность и характер износа протектора шин. С точки зрения кинематики подвески развал, наряду с углом поперечного наклона оси поворота управляемого колеса, оказывает влияние на величину радиуса обката, но влияние его ощутимо меньше, чем второго упомянутого параметра.
Также развал позволяет компенсировать наличие определённого конструктивно необходимого зазора в конических роликовых подшипниках ступиц колёс (в настоящее время применяется только на устаревших моделях) — благодаря наклону оси колеса зазор выбирается весом автомобиля.
В случае подвески большинства типов, за исключением «макферсона», статический развал передних управляемых колёс имеет небольшое положительное значение (колёса наклонены наружу) — обычно в пределах от 0’ до 45’, редко до 2°. Большой же отрицательный развал («колёса домиком») является признаком износа подвески либо её неправильной регулировки. Такое его значение позволяет снизить усилия на управляемых колёсах и уменьшить передачу на рулевое управление рывков, возникающих при проезде неровностей дороги. Однако в автомобилях с подвеской «макферсон» (о ней см. ниже) используется нулевой или небольшой отрицательный развал, что связано с отличием иных установочных параметров данной подвески, вызванным её конструктивными особенностями.
Стоит отметить, что на практике угол развала задаётся весьма грубо (допуск при его установке обычно сравним с его величиной) и, к тому же, довольно сильно меняется при работе подвески (даже у имеющей весьма совершенную кинематику подвески на двух поперечных рычагах как правило при максимальном ходе сжатия изначально заданный положительный развал сменяется отрицательным). Так что на практике его установка преимущественно влияет на равномерность износа протектора передних шин — неправильно выставленный развал приводит к повышенному износу внутренней или наружной стороны протектора шины. Кроме того, развал должен быть одинаковым с обеих сторон, так как при одностороннем наклоне колес автомобиль начинает «вести» в сторону при движении по прямой.
При движении автомобиля работа его подвески может вызывать существенное изменение изначальной установки развала колёс, появляющийся вследствие этого развал называется динамическим. Он оказывает существенное влияние на поведение автомобиля на дороге, его устойчивость и управляемость (см. ниже).
Схождение — угол между направлением движения и плоскостью вращения колеса; считается положительным, если передний край колес направлен внутрь и отрицательным, если наружу относительно продольной оси автомобиля («расхождение»). Может измеряться и в миллиметрах — как расстояние между кромками колёс (что на практике более удобно при регулировке подвески).
На управляемых колёсах схождение в основном необходимо для того, чтобы скомпенсировать возникающий в результате наличия у них положительного развала увод (динамическую дестабилизацию), что существенно снижает износ шин. Оба угла взаимосвязаны и регулируются исключительно в связке. Если нарушен развал — тогда нельзя выставить схождение, то есть, первым регулируется всегда развал. Динамическое изменение схождения на передних управляемых колёсах, возникающее при работе подвески, на практике не играет большой роли, поскольку легко компенсируется управляющим воздействием со стороны водителя.
На неуправляемых колёсах задней оси значение схождения может меняться при работе подвески, причём характер этого изменения оказывает существенное влияние на устойчивость и управляемость автомобиля. В независимой задней подвеске (а также и в зависимой, допускающей регулировку схождения) всегда выставляют небольшое положительное схождение, что улучшает устойчивость автомобиля к заносу, в то время, как даже небольшое «расхождение» колёс задней оси (выставленное ли при регулировке, или возникшее при работе подвески) может привести к повышенной склонности к заносу (избыточная поворачивоемость) и, соответственно, ухудшению устойчивости и управляемости. Излишне большое положительное значение схождения, напротив, приводит к сильной недостаточной поворачивоемости (склонность к сносу передней оси), что также может негативно сказаться на управляемости, особенно на неровном покрытии.
Кастор (угол)
Положительный кастер (автомобиль движется справа налево).
Кастер, или кастор — это продольный угол оси поворота колеса, взятый между ней и вертикалью.
При наклонённой назад (положительный кастер) оси поворота колесо во время движения само стремится занять положение позади этой оси, что создаёт эффект динамической стабилизации, который можно уподобить поведению колёсика рояля или офисного стула — при качении оно всегда само занимает положение позади своей оси (во многих европейских языках такое колёсико как раз и называется «кастером» или «кастором»). При движении в повороте боковые силы реакции дороги также стараются вернуть колесо в исходное положение, так как прикладываются позади оси его поворота, что обеспечивает «самовозврат» рулевого колеса в нейтральное положение, так называемую «обратную связь» в рулевом управлении. Благодаря наличию положительного кастера заднеприводный автомобиль продолжает ехать прямо при отпущенном руле, даже несмотря на воздействие возмущающих сил — неровностей дороги, бокового ветра и так далее. Колесо, имеющее положительный кастер, старается занять положение, соответствующее прямолинейному движению, даже если лопнула одна из рулевых тяг.
Поэтому на заднеприводных автомобилях оси поворота передних колёс всегда наклоняют назад. Точнее говоря, на автомобилях общего назначения (не спортивных) в течение десятилетий, примерно до 60-х годов в Европе и середины 70-х в Северной Америке, значение кастора в передней подвеске было близким к нулю (инструкцией по обслуживанию рекомендовалось обычно устанавливать его в пределах 0…+1°), что соответствовало наименьшему усилию на руле (при большом положительном кастере водителю приходится бороться с возникающими при повороте управляемых колёс дополнительными силами, стремящимися вернуть их в нейтральное положение, что существенно увеличивает усилие на руле); и лишь после существенного ужесточения требований к управляемости автомобилей производители перешли на большие значения положительного кастера (2…3°, а на современных моделях и до 6…8°), что со временем, в сочетании с другими мерами, направленными на улучшение управляемости массовых автомобилей (увеличение ширины шин, переход к отрицательному плечу обката, и так далее), сделало применение усилителя рулевого управление необходимым на автомобилях большинства классов.
По той же причине вилку переднего колеса на мотоциклах и велосипедах тоже всегда наклоняют назад.
Отсюда вытекает и совершенная недопустимость при тюнинге заднеприводных автомобилей чрезмерно лифтовать заднюю подвеску — при этом кузов вместе с осью поворота передних колёс наклоняется вперёд, и кастер становится нулевым или даже отрицательным, при этом эффект динамической стабилизации передних колёс сменяется их динамической дестабилизацией, что значительно затрудняет управление автомобилем и делает его опасным. Большинство передних подвесок автомобилей имеют возможность регулировки кастера в небольших пределах для компенсации нормального износа в процессе эксплуатации. В особенности это касается сравнительно старых моделей, имеющих обычно весьма небольшое положительное значение кастера.
Для переднеприводного автомобиля положительный кастер намного менее актуален, так как передние колёса уже не свободно катятся, а тянут машину за собой, и небольшое его положительное значение сохраняют лишь для большей устойчивости при торможении.
Упругая характеристика
График упругой характеристики подвески.
Качество подвески определяется её упругой характеристикой, представляющей собой зависимость вертикальной нагрузки на колесо G (Н) от прогиба подвески f (мм), измеряемого непосредственно над осью колеса. Так как из-за влияния трения и других факторов эта зависимость носит различный хараткер при ходах сжатии (кривая нагрузки) и отбоя (кривая разгрузки), за упругую характеристику подвески условно принимают среднюю линию между этими кривыми.
Также упругие свойства подвески характеризуют статический прогиб, динамический ход, жёсткость подвески, энергоёмкость и ряд других параметров.
Статический прогиб подвески, или её статический ход — прогиб подвески под воздействием статической нагрузки (веса автомобиля), определяется как взятое по вертикали расстояние между положениями оси колеса, соответствующими отсутствию нагрузки (вывешенные колёса) и полной статической нагрузке (обычно за неё принимается вес автомобиля с наиболее типичной эксплуатационной загрузкой, также см. ниже). Как правило, по величине статический прогиб примерно равен динамическому ходу.
Динамический ход подвески — прогиб подвески под воздействием сил реакции дороги, возникающих при движении по ней, вплоть до полного сжатия ограничителя хода подвески; взятое по вертикали расстояние между положениями оси колёса, соответствующими полной статической нагрузке и полному прогибу ограничителя хода сжатия подвески (резинового буфера). Для хороших дорог динамический ход подвески может составлять и 30…40 мм, для дорог среднего качества же считается необходимым иметь как минимум 70-80 мм. Максимум хода подвески ограничен величиной, при которой изменение её установочных параметров (развала и схождения колёс) становится неприемлемо большим. При полном ходе сжатия витки пружины не должны входить в контакт друг с другом, а шток амортизатора — сохранять некоторый остаточный ход.
Вместе статический и динамический ходы подвески составляют полный ход подвески. Например, у «Волги» ГАЗ-21 статический прогиб передней подвески составлял 87 мм, динамический ход — 101 мм, полный — 188 мм; такая подвеска была весьма комфортабельна на дорогах любого качества.
Ходы подвески напрямую связаны с величиной статической нагрузки автомобиля, при этом конструкторам приходится учитывать условия его эксплуатации. Так, в Европе обычно за статическую берут величину прогиба подвески при посадке в салон водителя и двух пассажиров, при такой нагрузке спроектированный таким образом автомобиль имеет наилучшую плавность хода. Советские автомобили («Москвич», «Волга») проектировались обычно в расчёте на нагрузку, близкую к полной — например, для автомобиля «Москвич-2140» за статическую нагрузку принимались по 150 кг, или по два человека, на переднем и заднем сиденьях и 40 кг в багажнике. В результате ходы задней подвески получались больше, грузоподъёмность — выше (автомобиль меньше «проседал» при загрузке), а плавность хода при небольшой загрузке — при прочих равных несколько ниже (например, разница в плавности хода между «Москвичом» и «Жигулями» в пользу последнего автомобиля имеет свою причину именно в такой настройке подвески, а не в использовании листовых рессор на «Москвиче» — в общем случае любому типу упругого элемента подвески может быть придана требуемая жёсткость; при полной же нагрузке у «Москвича» повышается комфортабельность, а у «Жигулей» — задняя подвеска практически «ложится на ограничители»).
Жёсткость подвески (жёсткость хода подвески) — берётся как тангенс угла α наклона касательной к средней линии упругой характеристики подвески, или, в упрощённом виде, тангенс угла наклона упругой характеристики относительно оси абсцисс, единица измерения — Н/мм.
Стоит отметить, что жёсткость (хода) подвески не следует путать с жёсткостью использованного в ней упругого элемента (в данном разделе теории автомобиля упругий элемент принято называть «рессорой», вне зависимости от конкретного типа). Для использования в расчётах жёсткость рессоры приводится к жёсткости на колесе при помощи специального расчёта, методика которого зависит от типа направляющего аппарата подвески. Так, в пружинной подвеске с поперечными рычагами жёсткость на колесе определяется через соотношение между полной длиной рычага и расстоянием между осью качания рычага и точкой, в которой к нему приложено усилие со стороны пружины, а также наклон пружины (в подвеске «макферсон» — только наклон пружины).
Энергоёмкость (динамическая ёмкость) подвески характеризуется её коэффициентом динамичности, равном отношению вертикальной нагрузки на колесо при полном динамическом прогибе подвески Gmax к нагрузке на колесо при её статическом прогибе Gст. У автомобилей общего назначения он обычно равен 2,5…3, у внедорожников — 3…4 и выше. Численно энергоёмкость определяется графическим способом, как площадь фигуры под графиком упругой характеристики подвески на участке между отложенными на оси ординат нагрузкой на колесо при полном динамическом прогибе подвески и нагрузкой на колесо при её статическом прогибе (на графике выделена серым).
Энергоёмкость характеризует способность подвески накапливать потенциальную энергию во время хода сжатия, что позволяет исключить разрушающую автомобиль работу подвески «на пробой» при езде по неровной дороге. Увеличена эта способность может быть либо увеличением ходов подвески (возможность чего ограничена компоновкой автомобиля), либо повышением её жёсткости (что ограничено требованиями обеспечения комфортабельности и плавности хода). На практике наилучшим компромиссом является использование в подвеске упругих элементов прогрессивной жёсткости, придающих ей нелинейную упругую характеристику — например, многолистовых рессор, специальных пружин с переменным шагом навивки, переменным диаметром навивки (конических, бочкообразных) или переменным диаметром прутка, а также использованных наряду с основными дополнительных пружин либо резиновых упругих элементов, играющих также роль буферов сжатия.
Плавность хода
Плавность хода характеризует способность подвески изолировать пассажирский салон автомобиля от возникающих при его движении усилий и толчков, обеспечивать уровень вертикального перемещения и вибрации в салоне, соответствующий наибольшей комфортабельности езды и наименьшей утомляемости водителя.
Проезжающий неровности дорожного покрытия автомобиль с точки зрения механики представляет собой колебательную систему, составные части которой — колёса, элементы подвески и кузов — совершают колебания с определённой частотой, поэтому в практике автомобилестроения для характеристики плавности хода обычно используется частота собственных колебаний кузова. Также удобно оценивать её по величине статического прогиба упругого элемента подвески под действием нагрузки, непосредственно определяющей характеристику подвески с точки зрения комфортабельности: чем больше статический прогиб упругого элемента — тем меньше частота собственных колебаний. Величина статистического прогиба, в свою очередь, определяется жёсткостью хода подвески и величиной её рабочего хода (см. выше).
Частоту собственных колебаний разделяют на высокую и низкую. Низкочастотные собственные колебания — колебания кузова на упругих элементах подвески, они должны находиться в пределах ориентировочно 60…120 кол/мин, что примерно соответствует частоте колебаний при ходьбе человека (обычно около 80 кол/мин); более низкая частота приводит к «морской болезни», более высокая — к дискомфорту. Высокочастотные собственные колебания — колебания осей между упругими элементами и шинами, обычно находящиеся в пределах 500…700 кол/мин. Задача подвески — «фильтровать» высокочастотные колебания неподрессоренных масс, не допуская превышения вышеуказанных значений низкочастотных колебаний кузова.
Крайне важно соотношение между жёсткостью хода передней и задней подвесок: чем более жёстким будет ход задней подвески относительно передней, тем дальше вперёд сдвигается точка минимальной амплитуды колебаний кузова, соответствующая зоне наибольшей комфортабельности. Данная величина непосредственно связана с таким параметром автомобиля, как распределение массы по осям. Если масса автомобиля распределена по осям приблизительно равномерно, как, например, у большинства автомобилей «классической» компоновки — то и жёсткость хода передней и задней подвесок должна быть примерно равной. Если на заднюю ось приходится большая нагрузка, чем на переднюю, как у многих заднемоторных автомобилей — задняя подвеска для сохранения приемлемого комфорта должна быть мягче передней примерно во столько же раз, во сколько нагрузка на заднюю ось превышает нагрузку на переднюю; при большей нагрузке на переднюю ось, как у многих переднеприводных автомобилей — напротив, передняя подвеска должна иметь меньшую жёсткость хода, чем задняя. То же касается и статического прогиба подвески — для обеспечения плавности хода желательно, чтобы соотношение статических прогибов задней и передней подвесок примерно соответствовало распределению веса автомобиля по осям при наиболее типичной эксплуатационной загрузке.
Наиболее простыми способами обеспечения высокой плавности хода являются применение мягкой, длинноходной подвески и всемерное уменьшение неподрессоренных масс (см. ниже). Мнение, гласящее, что более мягкая подвеска приводит к ухудшению управляемости, в целом не соответствует действительности — при правильном подборе кинематики и установочных параметров подвески, а также хорошей амортизации, автомобиль вполне может сочетать хорошую управляемость и мягкую, комфортную подвеску — хотя это зачастую и требует применения дорогостоящих технических решений и хорошей проработки конструкции шасси (использование подвесок, обеспечивающих минимальные изменения установочных параметров даже при больших ходах, компенсация продольного и поперечного крена за счёт особенностей конструкции подвески).
Более того — мягкие упругие элементы и большие ходы подвески способствуют лучшему сцеплению шин с дорогой, а также значительно уменьшают силы, передаваемые на кузов в виде удара, что повышает долговечность последнего. Жесткость подвески должна соответствовать массе и другим параметрам автомобиля, и слишком большое её значение лишь ухудшает его устойчивость и управляемость, так как снижается сцепление колёс с дорогой, являющееся главной предпосылкой и устойчивости, и управляемости.
Так, по данным Й. Раймпеля, мягкая подвеска с жёсткостью упругого элемента порядка 10 Н/мм по сравнению с жёсткой «спортивной» подвеской с жёсткостью упругого элемента порядка 20 Н/мм обеспечивает существенно лучшее сцепление шин с дорогой при проезде неровностей покрытия. Судить об этом позволяет величина остаточной силы, воздействующей на колесо в момент касания им дна выбоины и в этот момент обеспечивающей его сцепление с дорогой — а она в приведённом Раймпелем примере для мягкой подвески оказывается при прочих равных более, чем в 1,5 раза выше, чем для жёсткой. Более высокое значение остаточной силы означает лучшее сцепление с дорогой.
Иными словами, колесо с мягкой подвеской лучше следует профилю дорожного покрытия, больше времени находится в контакте с ним, а следовательно — и обладает лучшим сцеплением, в то время, как колесо с жёсткой подвеской имеет нестабильный и в целом существенно худший контакт с дорогой, теряя сцепление на малейшей неровности. Учитывая, что покрытие даже на хорошей асфальтированной дороге никогда не бывает идеально ровным, это значительно сказывается на устойчивости и управляемости дорожного автомобиля: при проезде неровностей водитель теряет чувство контроля над автомобилем, возникает угроза потери сцепления и управляемости (в автоспорте это называется «подбросом»). Кроме того, сила, передаваемая на кузов в виде удара при проезде выступа дорожного покрытия (например, «дорожного полицейского»), у мягкой подвески в приведенном там же примере оказывается при прочих равных вдвое меньше, чем у жёсткой (без учёта влияния демпфирования).
Жёсткая подвеска, таким образом, пригодна главным образом для чисто-спортивных автомобилей, используемых для заездов по специально оборудованным участкам трассы. Обусловленное же мягкостью подвески большое значение крена в повороте не является, как это показано ниже по тексту, непосредственной причиной ухудшения устойчивости или управляемости (это происходит лишь при определённой конструкции независимой подвески), и при необходимости сравнительно легко компенсируется за счёт кинематики подвески либо введения стабилизаторов поперечной устойчивости.
В наибольшей степени и на управляемость, и на комфортабельность автомобиля оказывает влияние жёсткость его подвески при небольших ходах, характерных для движения по ровному или имеющему лишь незначительные неровности покрытию, так как крупные неровности обычно проезжаются на невысокой скорости. Поэтому в большинстве случаев конструктор современного дорожного автомобиля старается за счёт использования упругих элементов с переменной жёсткостью или нескольких упругих элементов подобрать такую характеристику подвески, которая обеспечивает плавное нарастание жёсткости при сравнительно небольших усилиях и резкий нелинейный её рост ближе к концу рабочего хода. При этом подвеска будет в обычных условиях, когда её рабочие ходы невелики, восприниматься как мягкая и комфортабельная и обеспечивать хорошее «держание дороги» шинами за счёт обеспечения их стабильного контакта с покрытием, но при этом — обладать достаточной энергоёмкостью, что выражается в способности проезжать через крупные неровности без «пробоя». В сочетании с хорошим демпфированием такая настройка соответствует лучшему поведению автомобиля на сравнительно ровном покрытии и сводит к минимуму такие нежелательные явления, как «галопирование» (продольная раскачка автомобиля при проезде неровностей).
Кинематика
Кинематическая характеристика подвески описывает характер изменения положения колеса при её рабочих ходах, включая как вертикальное перемещение, так и изменение установочных параметров — развала и схождения.
Эластокинематика
Эластокинематика подвески — характер изменения положения колес автомобиля относительно его кузова, происходящего под действием продольных и боковых сил и моментов и обусловленного применением в подвеске эластичных элементов (сайлент-блоки, рессоры и так далее).
Демпфирующая характеристика
Демпфирующая характеристика описывает демпфирующие свойства подвески — характер гашения возникающих в ней колебаний, отдельно при ходе сжатия и отбоя, обусловленный её конструкцией и применёнными амортизаторами. Как правило, описывается графиком зависимости скорости прогиба подвески в м/с от приложенной силы. Может быть линейной или носить более сложный характер (многоуровневое демпфирование, прогрессивная кривая амортизации и демпфирования), достигаемый как правило за счёт использования амортизаторов с прогрессивной характеристикой.
Подрессоренные и неподрессоренные массы
Неподрессоренная масса включает в себя массу деталей, вес которых при неподвижном нагруженном автомобиле непосредственно передаётся на дорогу (опорную поверхность)…
Подвеска. Ликбез. Часть I I.
Некоторые мысли по поводу подбора упругих элементов подвески (тезис по поводу «собственных мыслей» — см. Часть I – в силе).
Уточнение: есть основные упругие элементы (пружины, рессоры, торсионы, пневмоэлементы), есть дополнительные (буфера сжатия и отбоя, стабилизаторы).
Начну с основных. Основной параметр УЭ (упругого элемента, сокращение далее по тексту) – жесткость – посчитать, в принципе, просто, если известно распределение подрессоренной массы, а так же, частота собственных колебаний (одномассовая модель из школьного курса физики).
Масса, обычно – «де факто» (если только речь не идет о разработке нового автомобиля, тогда – расчетным путем).
Частота собственных колебаний подрессоренной массы (исходя из мирового опыта) для передней подвески лежит в интервале 1 … 1,5 Гц, для задней подвески – 1,2 … 1,8 Гц. На выбор частоты собственных колебаний задней подвески накладываются определенные условия.
Первое, и я считаю главное — это условие резонанса. Из-за связанности колебаний, для исключения резонансного эффекта, частота колебаний задней подвески должна быть, как минимум, на 20% больше, чем частота передней (корректно для классической переднемоторной компоновки). Кстати, в этом вопросе имеет место (по крайней мере, имел до конца 90-х) «фирменный» подход к выбору значений, как частоты, так и соотношения частот передней и задней подвесок («фирменный» — имеется в виду информация для служебного пользования у автопроизводителей).
Второе, связано с величиной подрессоренной массы – большая весовая разница для двух состояний («водитель» и «полностью груженный») усложняет расчеты.
Есть еще нюансы, которые желательно учитывать, но я считаю, что они менее значимы, поэтому опускаю (чтоб «голову не забивать …»).
Полученные таким образом расчетные значения жесткости передней и задней подвесок представляют собой, так называемые, приведенные вертикальные жесткости. Не путать с жесткостью УЭ. Часто (а, практически всегда) их значения отличаются (иногда, в разы). В основном, это связано с передаточным отношением (передаточное отношение по ходу – это отношение перемещения центра колеса к соответствующей деформации УЭ). Установка УЭ с передаточным отношением может быть обусловлена разными причинами: экономия пространства в рабочей зоне колеса, снижение металлоемкости, «агрегатированность» и др. И еще, нужно иметь в виду, что, за редким исключением, передаточное отношение изменяется по ходу колеса. Обычно берут мгновенное значение в положении «статика» (тоже интересный вопрос – «статика» для какого весового состояния? ну ладно – это я так, отвлекся).
Еще нюанс, который можно учитывать, а можно опустить.
Значение приведенной вертикальной жесткости увеличивается из-за динамического нагружения шарниров (особенно, с сильным заневоливанием резины – т.н. сайлент-блоки) в направляющем аппарате подвески (доп. усилия при ходах отбоя/сжатия). Увеличение – это порядка 5 … 12%. На эту величину нужно уменьшить (или не уменьшать – решает каждый, индивидуально, исходя из условий задачи) значение жесткости УЭ.
И так, будем считать, что жесткость УЭ рассчитана (далее по тексту, для удобства, УЭ – пружина).
Определиться с ходами передней и задней подвесок, в первом приближении, не сложно, если известны СКЗ высоты неровностей дорожного покрытия и динамический коэффициент.
Динамический коэффициент, обычно, выбирается равным 2. Что это значит. Например, в «статике», вес, приходящийся на одно колесо, равен М. При динамическом коэффициенте 2 – максимальная расчетная нагрузка при полном ходе сжатия будет равна 2М. Это, так сказать, силовая составляющая расчета, как она учитывается – чуть позже.
СКЗ (среднеквадратическое значение) высоты неровностей дорожного покрытия тоже, в принципе, определить не сложно – оно приводится в паспорте или сертификате на участок дороги (если только дороги строят в соответствии со стандартами – к нашим дорогам это отношения не имеет). Далее. В ТЗ (тех. задании) на проект оговаривается перечень дорожных покрытий (асфальт, грунт), а также процентное распределение пробега по ним. Из всего спектра выбирается максимальное значение, умножается на 3 – вот, в принципе, ход сжатия, но это теоретически. Обычно же, используют «фирменные», годами наработанные и проверенные цифры (или ориентируются по аналогам). С ходом отбоя дело обстоит проще. Ход отбоя обычно выбирают не менее 65 … 70 мм. Основные ограничения – рабочие диапазоны углов шарниров приводов, карданов, шаровых опор и т. д.
Небольшое отступление. Приведенная вертикальная жесткость, графически, изображается, линией в координатах Х (ход подвески, мм) / Y (весовая нагрузка, кГ или Н). Если бы вертикальная жесткость определялась только жесткость пружины, то, упрощенно, её можно представить, как прямую линию, тангенс угла наклона которой и равен жесткости пружины (с учетом передаточного отношения). Рис. 1.
Теперь, на примере этого графика, попробуем довести рассуждения до какого-то логического завершения.
Для простоты – по передней подвеске. Итак, на графике нужно отметить две точки на оси Y – вес, приходящийся на одно колесо, для двух весовых состояний («водитель» и «полностью груженный», разница меньше, чем на задней подвеске, но она есть). Проводим из этих точек горизонтальные линии, до пересечения с графиком вертикальной жесткости, из точек пересечения – вертикальные, до оси Х. От первой точки на оси Х («водитель») до начала координат – ход отбоя (наверняка, получится большим – ограничиваемся 65 … 70 мм, см. выше). Переходим к ходу сжатия. От второй точки на оси Х («полностью груженный») откладываем расчетный ход сжатия (3*СКЗ или «фирменный», а для примера – те же 65 … 70 мм) – это максимальное сжатие подвески.
Пришло время учесть силовую составляющую – максимальную расчетную нагрузку при полном сжатии. Откладываем на оси Y значение 2М, проводим вертикальную линию. Из точки на оси Х для максимального сжатия проводим вертикальную линию. Как видно из графика, при выбранном динамическом коэффициенте, величины хода сжатия явно не достаточно (очень велика вероятность, так называемого «пробоя»).
Выход? Компенсировать недостаточную энергоемкость подвески дополнительным упругим элементом (буфером сжатия, например). Подобрать (или рассчитать) буфер сжатия с требуемыми (для данной подвески) параметрами, в принципе, так же не сложно. При расчете (или подборе) желательно иметь в виду условие, что рабочей, обычно, считается максимальная деформация до 1/3 от свободной высоты буфера (справедливо для буферов из пенополиуретана, широко применяемых в подвесках автомобилей в качестве дополнительного упругого элемента). А так же то, что буфер сжатия может быть установлен с передаточным отношением. Если необходимости в дополнительном упругом элементе нет, то обычно устанавливают резиновый буфер («отбойник») для исключения жесткого «замыкания» подвески.
Ну вот, где-то так выглядит процесс. На рис. 2 представлена характеристика приведенной вертикальной жесткости подвески в окончательном виде (ну, может быть только без учета гистерезиса – сухое трение). По этой характеристике уже можно считать пружину, буфер, а дальше – чертежи, и в производство.
Еще несколько слов по поводу характеристики для задней подвески. В принципе, подход такой же. Но, только в принципе … Две точки для весовой нагрузки – «водитель» и «полностью груженный» — разница, практически всегда, значительная (до 100%). Вследствие этого, приходится значительно увеличивать общий ход. Кроме того, заметно изменяется соотношение собственных частот. Ну, еще имеют место, разные негативные моменты, связанные с заметным изменением статики (пока опущу).
Так вот решением, в какой-то мере, этих проблем может быть применение пружины с прогрессивной характеристикой жесткости. Желательное прогрессивное изменение жесткости после точки «водитель» можно рассчитать из условия постоянства выбранной частоты собственных колебаний для задней подвески, при изменении весовой нагрузки (до «полностью груженный»).
Ну, и еще, так, для примера. Точно уже не помню, но, по-моему, на Гольф II (начало 80-х) в задней подвеске, в дополнение к пружине с линейной характеристикой, на шток амортизатора, устанавливался буфер сжатия (пенополиуретановый), высотой 180 мм (прогрессивная характеристика приведенной вертикальной жесткости).
Прервусь на этом (утомил, наверное). Продолжу позже, про другие аспекты при подборе упругих элементов (Может быть. При условии, что интерес к теме еще останется).
Все еще надеюсь, что был, хоть чем-то, полезен.