СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОГРЕССИВНОЙ ЖЕСТКОСТИ РЕССОРЫ, УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ ПОДВЕСКИ И ПОДВЕСКА (ВАРИАНТЫ) ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
FORMATION METHOD OF PROGRESSIVE SPRING STIFFNESS, ELASTIC SUSPENSION MEMBER, AND SUSPENSION (VERSIONS) OF TRANSPORT VEHICLE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройству упругих элементов подвесок транспортных средств.
При разработке конструкции листовой рессоры подвески транспортного средства (ТС) обычно преследуют три цели: обеспечение надежности функционирования рессоры посредством оптимизации прочностных характеристик, минимизации металлоемкости и обеспечение плавности хода ТС посредством нелинейности (прогрессивности) упругой характеристики. Первое и второе решается путем реализации принципа равнопрочности, что представляет собой приближение к равномерному распределению упругой энергии деформации. Третье - путем создания условий прогрессивного изменения жесткости в процессе нагружения рессоры. Обозначим такие рессоры как рессоры переменной жесткости (РПЖ). Согласно работе [1] основным техническим решением для РПЖ является переход от одноступенчатой ординарной конструкции к многоступенчатой (обычно двухступенчатой) конструкции. При этом рессора состоит из основной и одной или нескольких дополнительных рессор, расположенных относительно основной рессоры в верхнем или в нижнем положении. Каноничность такого технического решения доказывает тот факт, что, в частности, немецкий стандарт [2] из восьми рассмотренных им конструкций рессор содержит четыре одноступенчатые и четыре двухступенчатые конструкции, из которых три с нижним расположением дополнительной рессоры. Учитывая актуальность именно двухступенчатой рессоры с дополнительной рессорой в нижнем положении, далее, под определением двухступенчатой рессоры будет пониматься исключительно этот тип рессоры.
В качестве первого прототипа изобретения взята двухступенчатая рессора (фиг.1), включающая согласно источнику[3] основную рессору и расположенную в нижнем положении дополнительную рессору, имеющую рабочую длину короче рабочей длины основной рессоры. При этом основная рессора состоит из листов комбинированного профиля по типу 2 источника [3] (толщина рабочих участков постоянного сечения равна толщине центрального участка) с расстоянием между поперечными сечениями, разделяющими рабочие участки постоянного и переменного профиля на обоих плечах листа, равным рабочей длине дополнительной рессоры.
Недостатком конструкции первого прототипа является известный ([1] стр.214) общий недостаток двухступенчатых рессор, а именно потенциально узкий диапазон изменения жесткости рессоры, что в случае широкого изменения нагрузки от порожнего и до полностью груженого состояния транспортного средства оказывается недостаточным для обеспечения его плавности хода. На первый взгляд это не очевидно, и достаточно повысить жесткость дополнительной рессоры для повышения жесткости двухступенчатой рессоры в целом. Однако произвольное повышение жесткости дополнительной рессоры сопровождается нарушением принципа равнопрочности и повышением металлоемкости двухступенчатой рессоры, что резко снижает коэффициент использования ее материала.
Предложим иную интерпретацию конструкции первого прототипа: ни как двухступенчатую, а как рессору с центральной опорой, роль которой выполняет дополнительная рессора. В этой интерпретации дополнительная рессора представляется как частный случай центральной опоры, а при необходимости значительного повышения ее жесткости возникает возможность отказа от дополнительной рессоры и перехода на такой вид жесткой опоры, который исключает ее идентификацию как рессоры.
В работе [4] для прогрессивного изменения жесткости наряду с использованием дополнительных рессор и изготовлением рессор, состоящих из нескольких последовательно включающихся частей, приводятся способы выключения средней части рессоры, который сопровождается по мере нагружения постепенным увеличением поверхности прилегания рессоры к опоре. В источнике [4] этот эффект назван как «накладывание». Учитывая, что указанный эффект является ключевым для данного изобретения, авторы сочли более корректным явление по мере нагружения постепенного увеличения площади поверхности прилегания рессоры к опоре идентифицировать как «распластывание». Участок рессоры, который распластывается по опоре, назван участком распластывания, а поверхность опоры, по которой распластывается рессора, - поверхность распластывания.
В качестве второго прототипа изобретения взята подвеска с нелинейной характеристикой, получаемой выключением центрального участка рессоры (источник [4], рисунок 12). Учитывая, что работу полуэллиптической рессоры можно представить, как работу двух консольных балок, расчетная схема такой подвески в виде консоли ([4], рисунок 13) приведена на фиг.2. Согласно источнику [4] особенностью такой повестки является профилированная (имеющая кривую поверхность распластывания) центральная опора, к которой рессора в центральной части притянута стремянками. Опора жесткая, что не позволяет ей быть упругим элементом типа рессоры. При этом у прототипа участок рессоры, предназначенный для распластывания, имеет постоянное сечение и до приложения нагрузки показан как плоский.
Недостатком прототипа является профилированная, т.е. имеющей кривизну поверхности распластывания, центральная опора, которая сложна в изготовлении и не эффективна при эксплуатации (для каждого типа рессоры необходимо изготавливать собственную опору уникальной конструкции).
Задачей создания изобретения является устранение недостатков прототипа, разработка конструкции упругого элемента подвески транспортного средства и оригинальных рессор с использованием эффекта распластывания.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ образования прогрессивной жесткости рессоры посредством эффекта постепенного по мере нагружения рессоры увеличения площади поверхности ее прилегания к опорной поверхности, именуемого распластыванием, характеризующийся тем, что распластываемый участок рессоры имеет постоянное сечение, в исходном состоянии выполнен с постоянным радиусом кривизны R, и в процессе распластывания исключают из работы, а опорную поверхность жесткой, исключающей идентификацию как упругого элемента, опоры выполняют плоской.
Согласно пункту 2 формулы изобретения в качестве опорной поверхности распластывания используют плоскую поверхность жесткой, исключающей идентификацию как упругого элемента, детали шасси: рамы или кузова транспортного средства. В качестве поверхности распластывания (по пункту 3 формулы) используют плоскую поверхность центральной опоры, имеющей профильное (см. фиг.4) поперечное сечение, жесткость которого исключает идентификацию опоры как упругого элемента.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 4-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как упругий элемент подвески транспортного средства, в виде пакета, скрепленного центральным болтом, состоящего из полуэллиптической рессоры, и отличительных, существенных признаков, таких как в состав конструкции пакета входит центральная опора, имеющая плоскую опорную поверхность и профильное поперечное сечение П-образной формы, жесткость которого достаточна для исключения идентификации опоры как упругого элемента, а для распластывания по поверхности центральной опоры участок распластывания рессоры имеет постоянное сечение и в исходном состояний постоянный радиус кривизны R
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в пунктах 5-7 формулы изобретения, где отражены варианты подвески транспортных средств.
По первому варианту (п.5) - подвеска транспортного средства, содержащая консольную рессору, отличается тем, что для создания эффекта распластывания в качестве опорной поверхности используют плоскую поверхность жесткой детали шасси: рамы или кузова транспортного средства.
По второму варианту (п.6) - подвеска транспортного средства отличается тем, что для распластывания по поверхности жесткой опоры полуэллиптическая рессора расположена над осью колесной пары, имеет профиль поперечного сечения центральной опоры П-образной формы, жесткость которого достаточна для исключения идентификации опоры как упругого элемента.
По третьему варианту (п.7) - подвеска транспортного средства отличается тем, что для распластывания по поверхности жесткой опоры полуэллиптическая рессора расположена под осью колесной пары, имеет профиль поперечного сечения центральной опоры Т-образной формы, жесткость которого достаточна для исключения идентификации опоры как упругого элемента.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение конструкции и повышение эффективности эксплуатации упругого элемента подвески транспортного средства и оригинальных рессор с использованием эффекта распластывания.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
На фиг.1 - чертеж прототипа для упругого элемента; на фиг.2 - чертеж прототипа для подвески транспортного средства для фиг.3; на фиг.3 - подвеска транспортного средства; на фиг.4 - виды центрального опорного элемента; на фиг.5-8 варианты упругих элементов; на фиг.9-10 - варианты подвески транспортного средства; на фиг.11 - сравнение графиков упругости и жесткости РПЖ, использующих двухступенчатость и эффект распластывания; на фиг.12 - эффект автооптимизации эпюры напряжений РПЖ при распластывании по поверхности жесткой опоры.
Сущность изобретения заключается в том, что для рессоры переменной жесткости, использующей для достижения нелинейности упругой характеристики способ выключения участка рессоры путем постепенного по мере нагружения увеличения поверхности прилегания рессоры к опоре с большой жесткостью, названным распластыванием:
n
- участок постоянного сечения рессоры 1 длиной l, который распластывается в процессе нагружения рессоры, который называется участком распластывания, имеет в исходном состоянии форму не плоскую, а характерную для участка реальной рессоры форму с постоянным радиусом кривизны R;
n
- поверхность опоры 2 длиной l, используемая для распластывания рессоры и называемая поверхностью распластывания, не профилированная, т.е. имеющая изогнутую форму, а плоская.
Технический результат изобретения заключается в том, что устранен главный недостаток его технической реализации - необходимость использования центральной опоры с профилированной (изогнутой по радиусу) поверхностью распластывания. Кроме того, минимизация требований к опоре (высокая жесткость, не позволяющая использовать опору в качестве упругого элемента типа рессоры, и плоскостность поверхности распластывания) дает возможность разработать ряд новых эффективных конструкций подвесок транспортных средств.
На фиг.3 приведена конструкция простейшей подвески транспортного средства, построенной на консольной рессоре с использованием распластывания по поверхности жесткой опоры. В качестве опорной поверхности использована поверхность рамы транспортного средства, т.е. исключена необходимость в специальной детали подвески. Более того, не требуется менять опору, если требования к упругой характеристике рессоры изменились, ибо достаточно при постоянной опоре сменить саму рессору.
Другой формой реализации изобретения является применение специальной центральной опоры (фиг.4) для полуэллиптических рессор (фиг.5…8). Кроме основного признака (плоская, предназначенная для распластывания рессоры, рабочая поверхность) имеется и дополнительный: сечение опоры профилированное (в данном случае П-образное), что позволяет иметь опоре высокую жесткость и исключить при минимальной металлоемкости ее использование в качестве упругого элемента. На фиг.5…8 показана универсальность использования данной центральной опоры (фиг.5 - многолистовая рессора; фиг.6 - малолистовая рессора; фиг.7 - малолистовая балансирная рессора; фиг.8 - двухступенчатая рессора). П-образная форма сечения опоры имеет ряд дополнительных достоинств: в конструкции рессоры с ее использованием наряду с нижними пластинами заделки можно исключить хомуты, обычно используемые для ограничения поворота листов внутри пакета рессоры в процессе ее работы. Кроме того, применение распластывания по поверхности жесткой опоры блокирует появление S-образной деформации рессоры под действием скручивающих сил вокруг оси колесной пары, чем исключает необходимость использования асимметрии в продольных размерах рессоры.
Профиль поперечного сечения центральной опоры может быть не ограничен П-образной формой. Так на фиг.9 приведен фрагмент подвески с использованием рессоры с центральной опорой в случае положения рессоры над осью колесной пары. В этом случае профиль поперечного сечения опоры действительно П-образной формы. В то же время на фиг.10 приведен фрагмент подвески с использованием рессоры с центральной опорой в случае положения рессоры под осью колесной пары с Т-образным профилем поперечного сечения центральной опоры.
1
мах
Закономерен вопрос: если распластывание имеет место и в работе двухступенчатой рессоры (фиг.1), и в работе аналогичной рессоры (фиг.6) с распластыванием по поверхности специальной жесткой центральной опорой, то в чем их принципиальное отличие? Для понимания этого различия на фиг.11 приведено сравнение их функций упругости (фиг.11а; пунктирная линия - функция упругости двухступенчатой рессоры) и функции жесткости (фиг.11б; пунктирная линия - функция жесткости двухступенчатой рессоры). Р и Р соответствуют нагрузкам начала и конца процесса распластывания по поверхности жесткой опоры.
мах
1
мах
Очевидно, что прогиб при распластывании по поверхности жесткой опоре короче, а функция упругости имеет не ступенчатый, а ярко выраженный прогрессивный характер. С другой стороны, из графика функций жесткости следует, что если распластывание для двухступенчатой рессоры промежуточный этап работы, позволяющий плавно подключить к работе вторую ступень, то для рессоры с распластыванием по поверхности жесткой опоры это заключительный этап (нагрузка Р является максимальной нагрузкой на рессору). Это означает, что для участка распластывания двухступенчатой рессоры его нагружение и изменение напряжений продолжается и после окончания процесса распластывания, в то время как для рессоры с распластыванием по поверхности жесткой опоры по мере нагружения участок распластывания постепенно выключается из работы. Это отражается на его напряженном состоянии (фиг.12). Если при достижении нагрузки P напряжения достигают максимума в сечении защемления рессоры, то при нагрузке Р напряжение по всей рабочей части рессоры выравнивается и коэффициент использования материала рессоры достигает максимума. Кроме того, такая автооптимизация напряженного состояния путем автоматического ограничения напряжений позволяет контролировать их величину и, соответственно, прочностные характеристики рессоры, что, в свою очередь позволяет без ущерба прочности диапазон изменения жесткости, соответствующий двукратной величине двухступенчатых рессор, увеличивать в 8 и более раз.
Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами (для каждого варианта).
Источники информации
1. Раймпель Й. Шасси автомобиля. Элементы подвески. М., Машиностроение, 1987.
2. DIN 2094: 2006-09. Рессоры листовые для транспортных средств. Технические требования, испытания.
3. Патент РФ №2414635, МПК F16F 1/18, бюл. №8, 2011 г., «Рессорный лист комбинированного профиля (варианты) и рессора (варианты) с его использованием».
4. Пархиловский И.Г. Автомобильные листовые рессоры. М., Машиностроение, 1978.