Fot. Archiwum, Emmetec

W poprzednich odcinkach tego cyklu omówiona została budowa i działanie amortyzatorów, lecz nie można zapominać, iż faktyczna charakterystyka zawieszeń zależy także od właściwego doboru elementów sprężystych.

Elementami sprężystymi nazywamy te części zawieszeń, które pod działaniem rozmaitych obciążeń ulegają odkształceniom, a powracają do swych pierwotnych kształtów i wymiarów po ustaniu odkształcających je sił. W typowym zawieszeniu (rys. 1) znajdują się różne elementy sprężyste: sprężyna śrubowa (lub zamiast niej drążek skrętny, resor piórowy bądź pneumatyczny), stabilizator, elastyczne zamocowania amortyzatora, odbój, a także opona wraz z wypełniającym ją powietrzem.

Charakterystyka elementu sprężystego

Jest to po prostu charakterystyka sztywności (rys. 2) stosunkiem między siłą F równoważącą (przy współczynniku sprężystości K) obciążenie elementu sprężystego do wartości jego liniowego odkształcenia X:

F = K . X,

gdzie:

F – mierzona jest w kg,

X – mierzone jest w cm,

K – mierzony jest w kg/cm.

Na przykład: sprężyna o współczynniku sprężystości K = 100 kg/cm będzie się uginać o 1 cm przy każdych 100 kg zastosowanego obciążenia (rys. 3); natomiast przy współczynniku K = 200 kg/cm, będzie się uginać o 1 cm przy każdych 200 kg zastosowanego obciążenia. Im większa jest wartość charakterystyki sztywności, tym sprężyna jest twardsza.

Jeżeli charakterystyka ta jest stała, czyli daje się przedstawić na wykresie za pomocą prostej, wówczas można ją określić jako liniową. W niektórych przypadkach charakterystyka sztywności może wyrażać się linią paraboliczną i wówczas nazywamy ją progresywną (rys. 4).

W większości przypadków sprężyny śrubowe w pojazdach mają charakterystykę liniową, podczas gdy drążki skrętne, np. w tylnych zawieszeniach modeli Renault Clio I, Peugeot 106 i 205, są zawsze progresywne.

Równoległy układ sprężyn

Jeżeli obciążenie koła pojazdu przenoszone przez jedną sprężynę powoduje jej ugięcie o 10 cm, to przy jego równoległym rozłożeniu na dwie identyczne sprężyny uzyska się ugięcie o 5 cm. Oznacza to, że w takim układzie sumuje się ich sztywność. Przy równoległym połączeniu dwu sprężyn o współczynnikach sprężystości K₁ i K₂ stają się one równoważne jednej sprężynie o współczynniku K_p, większym od K₁ i K₂ (rys. 5), zgodnie z wzorem:

Na przykład, jeżeli K₁ = 100 kg/cm i K₂ = 50 kg/cm, to:

Gdy w zawieszeniu pojazdu sprężyna śrubowa i odbój będą pracowały równolegle, ich wytrzymałość zsumuje się z korzyścią dla stabilności.

Szeregowy układ sprężyn

Kiedy dwie sprężyny z poprzedniego przykładu ustawi się jedną na drugiej w pionowym szeregu, to przy charakterystycznym dla każdej z nich ugięciu o 10 cm ugną się łącznie pod takim samym obciążeniem o 20 cm. Tworzą więc wspólnie element sprężysty o dwukrotnie większej miękkości (czyli dwukrotnie mniejszej sztywności). Dwie sprężyny o współczynnikach sprężystości K₁ i K₂ są w układzie szeregowym równoważne jednej sprężynie o współczynniku K_s (mniejszym od K₁ i K₂ – rys. 6) zgodnie z wzorem:

Na przykład, jeżeli K₁ = 100 kg/cm i K₂ = 50 kg/cm, to:

W zawieszeniu pojazdu opona, sprężyna śrubowa i elastyczne mocowania amortyzatora pracują szeregowo, więc ich ugięcie sumuje się, zwiększając komfort jazdy.

Rys. 7. Sztywność sprężystych odbojników zmniejsza się, stosując na nich pierścieniowe wgłębienia

Czynniki zwiększające sztywność sprężyn

Sprężyna śrubowa jest sztywniejsza, jeśli:

• wykonana jest ze stali o wysokiej jakości,

• posiada większą średnicę pręta,

• posiada mniejszą średnicę zwoju,

• ma mniej zwojów.

Odboje wykonane z gumy lub z poliuretanu są twardsze, jeżeli:

• wykonano je z twardszej mieszanki,

• posiadają większą powierzchnię czołową,

• nie posiadają zagłębień wewnętrznych lub zewnętrznych.

Twardy element sprężysty ugina się mniej niż miękki i szybciej prostuje, generując wibracje z mniejszą amplitudą. W praktyce, jeżeli pojazd ma zawieszenie miękkie, to po obciążeniu znacząco się obniża i kiedy wjeżdża na nierówność jezdni, odbija się, wykonując długie i powolne oscylacje. Z kolei przy zawieszeniu sztywnym, po obciążeniu ugięcie jest mniejsze, a po wjechaniu na nierówność generowane są krótkie, lecz szybkie oscylacje.

W przypadku samochodów seryjnych konstruktorzy zawieszeń starają się odnaleźć właściwy kompromis między komfortem a bezpieczeństwem. W pojazdach wyścigowych liczy się przede wszystkim stabilność jazdy, więc preferowane są bardzo twarde elementy sprężyste.

Elementy sprężyste kolumn McPhersona

Analizując działanie i budowę tego rodzaju zawieszeń (rys. 8 i 9), można zauważyć, że:

• sprężyna śrubowa jest stosunkowo miękka i na pewnym odcinku pracuje sama (bez pomocy odboju), dla zagwarantowania komfortu pasażerów;

• następnie pracuje równolegle z odbojem, a sztywność całości znacząco się zwiększa, dla zagwarantowania stabilności obciążonego pojazdu, a więc dla bezpieczeństwa;

• sprężyna nie ma swobody ruchu w swoim gnieździe, nawet wówczas, gdy amortyzator jest całkowicie rozciągnięty, ponieważ przed zamontowaniem została wstępnie ugięta (naprężona).

Wstępne naprężenie sprężyny w kolumnie zapobiega niekontrolowanemu przemieszczaniu się elementów, a także dokuczliwym hałasom podczas pracy zawieszeń, wpływa też korzystnie na działanie stabilizatora

Element sprężysty samochodu wyczynowego może znacząco różnić się od swego odpowiednika w pojeździe seryjnym, o czym napiszemy w następnym odcinku. Cdn.

Tweet

Carlos Panzieri
Konsultant techniczny EMMETEC