Фізика підвіски і рульового управління

Починаю нову рубрику записів, присвячену важливим вузлам автомобіля - підвіска і рульове управління. Якщо в Ваших планах немає зміни конструкції авто, то розрахунки, які ми будемо тут проводити, наврядчи будуть Вам корисні. Але от якщо в планах доопрацювання авто, то вони припадуть в самий раз.

Чому я вирішив почати цю рубрику? Тому що тюнінг авто необхідно починати з підвіски і гальм. У більшості випадків модернізація підвіски виробляється методом перебору запчастин, що неслабо б'є по кишені. Тут я постараюся розглянути завдання, які допоможуть заощадити час і гроші, тим самим отримати бажаний результат.

Сьогодні я напишу про таку просту деталь автомобіля як пружина підвіски. Найчастіше модернізація підвіски починається саме з цього вузла. Чому? Ну, якщо запитати професійного тюнера або гонщика, то він відповість, що це необхідно для настройки балансу автомобіля при гальмуванні і в поворотах. Ну, а сіли запитати власника який-небудь заниженою Пріори, то, швидше за все, відповідь буде: бо круто виглядає =)

Отже, пружина підвіски - це деталь, яка забезпечує реакцію зміни кліренсу на силовий вплив дорожнього покриття або в результаті маневрів автомобіля. Крім того, пружина з амортизатори забезпечують і стаціонарний кліренс.
Працює пружина просто: при впливі деякої сили відбувається її стиск на конкретну величину. Ця величина знаходиться із закону Гука:

де х - це зміна довжини,
F - діюча на пружину сила,
k - коефіцієнт жорсткості.

У стаціонарному стані (тобто коли авто не рухливий) силою є вага автомобіля. При развесовке автомобіля по осях 50/50 і нахилі осі пружини 0 градусів на кожну пружину діє сила, рівна:

F = mg / 4,
де
m - маса автомобіля,
g - прискорення вільного падіння.

Тут потрібно відзначити наступні моменти:
1. Развесовка 50/50 - це рідкість
2. Нульовий нахил осі пружини - теж рідкість.

Тоді перепишемо силу, діючу на реальну пружину підвіски:

F = mg * Y * cos (a) / 2,

де
m - маса автомобіля,
g - прискорення вільного падіння,
Y - коефіцієнт розваговки на дану вісь (при развесовке 60 перед, 40 зад він буде дорівнює 0,6 для передньої пружини, 0,4 для задньої),
а - кут нахилу пружини.

Якщо ж пружина працює в парі в газовим амортизатори, то в стаціонарному стані на пружину діє менша сила:

F = mg * Y * cos (a) / 2 - N,

де:
m - маса автомобіля,
g - прискорення вільного падіння,
Y - коефіцієнт розваговки на дану вісь (при развесовке 60 перед, 40 зад він буде дорівнює 0,6 для передньої пружини, 0,4 для задньої),
а - кут нахилу пружини,
N - сила реакції штока.

Тепер про зміну довжини під дією сили. Як ми розібралися раніше дана величина знаходиться із закону Гука:

Якщо з силами ми розібралися, то тепер поговоримо про коефіцієнт жорсткості пружини. Для ідеально циліндричної пружини він дорівнює:

k = G * d ^ 4 / (8 * n * (D-d) ^ 3),

де:
G - модуль зсуву (залежить від матеріалу пружини),
d - діаметр прутка,
n - кількість витків,
D - зовнішній діаметр пружини.

Які висновки можна зробити?
1. Коефіцієнт жорсткості не залежить від довжини пружини, але залежить від кількості витків, тому коли ми зрізаємо один або два витка, відбувається збільшення коефіцієнта жорсткості.
2. Збільшення товщини прутка на 10 відсотків при тих же інших параметрах дає збільшення коефіцієнта жорсткості майже на 50 відсотків. Це пов'язано з тим, що коефіцієнт жорсткості прямопропорционален діаметру прутка в четвертого ступеня.
3. Коефіцієнт жорсткості залежить від матеріалу, з якого зроблена пружина.

Тепер поговоримо про кліренс в стаціонарному режимі. Кліренс визначається якраз зміною довжини пружини під дією сили тяжіння.

Якщо ми хочемо зберегти кліренс, але посилити підвіску, нам необхідно змінити параметр х в сторону зменшення за рахунок збільшення коефіцієнта жорсткості, при цьому на стільки ж, наскільки змінили значення х, необхідно вибрати пружину коротше. Якщо ми збільшимо тільки жорсткість, але при цьому довжина пружина залишиться колишньою, авто стане жорсткішою, але при цьому підніметься.

Якщо ми хочемо підняти машину, але зберегти жорсткість, то необхідно використовувати більш довгі пружини, але з тим же коефіцієнтом жорсткості. На чому хотілося б закцентувати увагу: якщо відбувається зміна кліренсу однієї з осей, а кліренс другий осі залишається колишній, то автоматично відбувається зміна розподілу ваги по осях. Якщо ми підняли задню частину, то баланс ваги зміщується вперед, відповідно, сила, що діє на задні пружини стає менше, а значить і параметр х теж зменшується. Цей прийом часто застосовується для зниження ймовірності пробуксовки передньої осі на передньопривідних автомобілях. Найбільш популярний метод збереження жорсткості зі збільшенням кліренсу - це установка проставок під ті ж пружини або на опорну чашку. При такому підході сама пружина стискається під вагою авто майже так само, як і до доопрацювання, з невеликою поправкою на перерозподіл ваги по осях, але за рахунок проставок дорожній просвіт збільшується на товщину проставки.

Параметр х дуже важливий для стійки, так як у штока аммортизатора є деякий ділянку приблизно в третину довжини, який в стаціонарному стані повинен перебувати всередині аммортизатора. Це необхідно для того, щоб аммортизатор працював не тільки на відбій, а й на розвантаження. Якщо Ви поставите пружини настільки жорсткі, що після опускання автомобіля з домкрата пружина стиснеться на необхідний хід штока, то в процесі експлуатації амортизатори дуже швидко вийдуть з ладу. Крім того, неправильно підібране значення х вплине і на керованість автомобіля - неправильно налаштована вісь буде підстрибувати на кожній купині і в поворотах.

Ну, і на закінчення поговоримо про поняття "преднатяг". Якщо пружина ставиться співвісно з амортизаторів, то преднатяг визначається різницею між довжиною пружини і довжиною витягнутого штока. Тобто це та частина значення х, яка зберігається навіть при підйомі авто на підйомнику. На саме значення х преднатяг не впливає. Якщо говорять, що преднатяг нульовий, то це означає, що при розборі і зборі стійки Вам не знадобляться стяжки пружин.

На сім все!
Акуратніше експериментуйте з ходовою частиною;)