Рессорная подвеска: устройство, типы и особенности

Введение

Тип подвески транспортного средства

Листовая пружина – это простая форма пружины, широко используемая в подвеске колесных транспортных средств. Изначально называвшаяся ламинированной или тележечной пружиной, а иногда и полуэллиптической, эллиптической или пружиной для телег, она является одной из старейших форм автомобильной подвески. Листовая пружина состоит из одной или нескольких узких, изогнутых, тонких пластин, которые крепятся к оси и шасси таким образом, чтобы пружина могла изгибаться вертикально в ответ на неровности дорожного покрытия. Наиболее распространенной является схема с боковыми листовыми пружинами, проходящими вдоль длины транспортного средства и установленными перпендикулярно оси колеса, однако существуют и многочисленные примеры поперечных листовых пружин. Листовые пружины могут выполнять несколько функций подвески: позиционирование, упругость и, в некоторой степени, демпфирование за счет трения между листами. Однако это трение плохо контролируется, что приводит к заеданию и неравномерным движениям подвески. По этой причине некоторые производители используют монолистовые пружины.

Операция и основная конструкция

Листовая рессора представляет собой изогнутый элемент в форме дуги, изготовленный из пружинной стали прямоугольного сечения. В наиболее распространенной конструкции центр дуги служит местом установки оси, а петли на концах предназначены для крепления к раме транспортного средства. Для очень тяжелых транспортных средств рессора может состоять из нескольких листов, сложенных друг на друга в несколько слоев, часто с последовательным уменьшением длины листов. Самый длинный лист также известен как основной, главный или первый лист, а листы нумеруются в порядке убывания длины. Ушки на концах рессоры формируются на основном листе. Рессора выполняет функцию связующего звена для удержания оси в заданном положении, поэтому отдельные элементы крепления не требуются. В результате получается простая и прочная подвеска. Трение между листами демпфирует колебания рессоры и уменьшает отдачу, что до широкого распространения амортизаторов являлось значительным преимуществом перед винтовыми пружинами. Однако, поскольку листовая рессора также обеспечивает фиксацию оси, мягкие рессоры, то есть рессоры с низкой жесткостью, не подходят. Эта жесткость, в сочетании с трением между листами, делает этот тип подвески не самым комфортным для пассажиров.

Типы

Существует множество листовых рессор, обычно использующих термин "эллиптические". "Эллиптические" или "полностью эллиптические" листовые рессоры, запатентованные в 1804 году британским изобретателем Обадией Эллиоттом, представляли собой две круговые дуги, соединенные на концах. Верхняя часть верхней дуги крепилась к раме, а нижняя центральная точка – к "живым" элементам подвески, таким как цельная передняя ось. Для этой конструкции обычно требовались дополнительные элементы подвески, такие как продольные рычаги, но не для "полуэллиптических" листовых рессор, используемых в приводе Hotchkiss. В них использовалась нижняя дуга, отсюда и название. "Четвертьэллиптические" рессоры часто имели самую толстую часть пакета листов, закрепленную в задней части боковых элементов короткой лонжеронной рамы, а свободный конец крепился к дифференциалу, как, например, в Austin Seven 1920-х годов. В качестве примера неэллиптических листовых рессор можно привести Ford Model T, который имел несколько листовых рессор над дифференциалом, изогнутых в форме дуги. В качестве замены амортизаторам некоторые производители прокладывали между металлическими листами неметаллические пластины, например, деревянные. Изобретение Эллиотта произвело революцию в конструкции и строительстве экипажей, устранив необходимость в тяжелой цапфе и сделав передвижение по неровным дорогам более быстрым, легким и дешевым. Более современной реализацией является параболическая листовая рессора. Эта конструкция характеризуется меньшим количеством листов, толщина которых изменяется от центра к концам по параболической кривой. Цель этой конструкции – уменьшить трение между листами, поэтому контакт между ними происходит только на концах и в центре, где крепится ось. Прокладки предотвращают контакт в других точках. Помимо снижения веса, основным преимуществом параболических рессор является их большая гибкость, что приводит к улучшению комфорта, приближающемуся к комфорту от витых пружин; компромиссом является снижение грузоподъемности. Они широко используются в автобусах для повышения комфорта. Дальнейшим развитием, предложенным британской компанией GKN и Chevrolet (в частности, на Corvette), стал переход к композитным пластиковым листовым рессорам. Однако из-за отсутствия трения между листами и других эффектов внутреннего демпфирования этот тип рессор требует более мощных амортизаторов. Как правило, в автомобильной подвеске листовая рессора поддерживает ось и определяет/частично определяет ее положение. Это может привести к проблемам с управляемостью (например, "подпрыгиванию моста"), поскольку гибкость рессоры затрудняет точный контроль непружинящей массы оси. Некоторые конструкции подвески используют соединение Уатта (или тягу Панхарда) и радиусные рычаги для определения положения оси и не имеют этого недостатка. Такие конструкции могут использовать более мягкие рессоры, что обеспечивает более комфортную езду. Примерами являются различные задние подвески Austin Healey 3000 и Fiat 128.

There are a variety of leaf springs, usually employing the word "elliptical". "Elliptical" or "full elliptical" leaf springs, patented in 1804 by the British inventor Obadiah Elliott, referred to two circular arcs linked at their tips. This was joined to the frame at the top centre of the upper arc, the bottom centre was joined to the "live" suspension components, such as a solid front axle. Additional suspension components, such as trailing arms, would usually be needed for this design, but not for "semi elliptical" leaf springs as used in the Hotchkiss drive. That employed the lower arc, hence its name. "Quarter elliptic" springs often had the thickest part of the stack of leaves stuck into the rear end of the side pieces of a short ladder frame, with the free end attached to the differential, as in the Austin Seven of the 1920s. As an example of non elliptic leaf springs, the Ford Model T had multiple leaf springs over its differential that were curved in the shape of a yoke. As a substitute for dampers (shock absorbers), some manufacturers laid non metallic sheets in between the metal leaves, such as wood. Elliot's invention revolutionized carriage design and construction, removing the need for a heavy perch and making transportation over rough roadways faster, easier, and less expensive. A more modern implementation is the parabolic leaf spring. This design is characterized by fewer leaves whose thickness varies from centre to ends following a parabolic curve. The intention of this design is to reduce inter leaf friction, and therefore there is only contact between the leaves at the ends and at the centre, where the axle is connected. Spacers prevent contact at other points. Aside from weight saving, the main advantage of parabolic springs is their greater flexibility, which translates into improved ride quality, which approaches that of coil springs; the trade off is reduced load carrying capability. They are widely used on buses for improved comfort. A further development by the British GKN company and by Chevrolet, with the Corvette, among others, is the move to composite plastic leaf springs. Nevertheless, due to the lack of inter leaf friction and other internal dampening effects, this type of spring requires more powerful dampers/shock absorbers. Typically when used in automobile suspension the leaf both supports an axle and locates/partially locates the axle. This can lead to handling issues (such as "axle tramp"), as the flexible nature of the spring makes precise control of the unsprung mass of the axle difficult. Some suspension designs use a Watts link (or a Panhard rod) and radius arms to locate the axle and do not have this drawback. Such designs can use softer springs, resulting in a better ride. Examples include the various rear suspensions of Austin Healey 3000s and Fiat 128s.

История

Самые ранние известные листовые рессоры начали появляться на каретах во Франции в середине XVII века в виде двухсекционной локтевой рессоры (как показано на примере из Лиссабона), а затем распространились в Англию и Германию, где около 1750 года стали использоваться на каретах состоятельных людей в этих странах. Доктор Ричард Ловелл Эджворт был удостоен трех золотых медалей Обществом английских художников и производителей в 1768 году за демонстрацию преимуществ карет с рессорной подвеской. К 1796 году в трактате Уильяма Фелтона «Трактат о каретах и упряжи» было показано, что листовые рессоры регулярно предлагались к продаже каретной промышленностью в конце XVIII века, согласно Г. Р. Хендерсону (1894). Во второй половине XIX века были разработаны усовершенствованные процессы прокатки стали, контрольно-измерительные приборы и сплавы пружинной стали, что сделало производство листовых рессор более стабильным и экономичным. Они также широко используются кузнецами-любителями и энтузиастами.

На батутах

Листовые пружины также заменили традиционные пружины в некоторых батутах (известных как батуты с мягким краем), что повышает безопасность пользователей и снижает риск сотрясения мозга. Листовые пружины располагаются вокруг рамы как "ноги", отходящие от базовой рамы для подвешивания прыжкового полотна, обеспечивая гибкость и упругость.

Сцепления

"Диафрагма", широко используемая в автомобильных сцеплениях, является типом листовой пружины.