Metalowe elementy sprężyste
Do metalowych elementów sprężystych zaliczamy resory piórowe, sprężyny śrubowe i drążki skrętne.
Resor piórowy ma postać sprężyny wielopłytkowej utworzonej z płaskowników stalowych, zwanych piórami. Najczęściej są stosowane resory półeliptyczne (rys. 16.6), umieszczone równolegle do podłużnej osi samochodu, zamocowane przegubowo obydwoma końcami do ramy lub nadwozia oraz podparte w środku osią nośną lub pochwą mostu napędowego. Taki sposób resorowania jest stosowany powszechnie w zawieszeniach sztywnych. W zawieszeniach niezależnych także spotyka się czasem resory piórowe, ale są to wówczas najczęściej resory umieszczone poprzecznie
do kierunku jazdy, mocowane w środku do nadwozia lub ramy, a końcami do związanych z kołami elementów niezależnego zawieszenia (rys. 16.27 b).
Pióra resoru wykonuje się ze stali sprężynowej, węglowej lub niskostopowej oraz poddaje się obróbce cieplnej i niekiedy kulowaniu (w celu zwiększenia wytrzymałości). W Polsce najczęściej stosowanymi materiałami są stale 50 HSA oraz 70S3 przeznaczone do hartowania. Poszczególne pióra resoru są wygięte, przy czym promień ich krzywizny jest tym mniejszy, im krótsze jest pióro. Dzięki temu po złożeniu uzyskuje się napięcie wstępne piór, zabezpieczające przed odstawaniem ich końców przy uginaniu resoru. Pióra ściąga się centralną śrubą, przechodzącą przez ich środki, i zabezpiecza przed przesuwaniem się w bok specjalnymi opaskami stalowymi. Do belki osi lub mostu resory mocuje się za pomocą strzemion. Najdłuższe pióro — tzw. pióro główne *) — ma zakończenia ukształtowane w sposób umożliwiający umocowanie go do ramy (lub nadwozia). Stosuje się rozmaite zamocowania resorów. Jeżeli pióro główne ma z obydwu stron zagięte ucha (jak na rys. 16.6), wówczas z jednej strony jest ono osadzone na sworzniu przenoszącym siły wzdłużne, natomiast z drugiej strony musi być zawieszone na krótkim wahaczu (tzw. wieszaku), umożliwiającym poziome przemieszczenia końca resoru, spowodowane jego pionowymi ugięciami (rys. 16.7 a). Dość często zamiast wieszaka stosuje się ślizgacz, z którym współpracuje płasko zakończony koniec resoru (rys. 16.7 b). Zastosowanie ślizgacza wprowadza pewną progresję charakterystyki sztywności resoru wynikającą stąd, że w miarę uginania się skraca się jego czynna długość i staje się on sztywniejszy. Na rys. 16.7 c przedstawiono sposób osadzenia resorów w poduszkach gumowych wciśniętych w specjalne gniazda. Niekiedy stosuje się także ńlentblotki, tzn. elementy metalowo-gumowe w kształcie tulei, nasadzane na sworznie mocujące resor. Zawieszenie resoru za pomocą gumowych elementów sprężystych, mimo wielu zalet, stosowane jest rzadko, ze względu na wyraźnie ujemny wpływ takiego rozwiązania na stateczność ruchu pojazdu.
W tylnych zawieszeniach samochodów ciężarowych, ze względu na znaczne różnice przenoszonych obciążeń, zależne od stopnia naładowania
samochodu, stosuje się często resory podwójne (rys. 16.8a). Resor taki składa się z dwóch resorów — głównego i pomocniczego. Odległość między nimi jest taka, że przy małych obciążeniach statycznych pracuje tylko resor główny. Resor dodatkowy włącza się do współpracy dopiero przy obciążeniu większym od pewnej założonej wartości. Na rys. 16.8 b przedstawiono charakterystykę takiego resoru. Punkt A odpowiada włączeniu do pracy resoru dodatkowego. Przez cg oznaczono sztywność resoru głównego, a cd — sztywność resoru dodatkowego.
W obliczeniach resor piórowy traktuje się jako belkę o kształcie trapezowym, obciążoną w środku siłą G (rys. 16.9).
Ponieważ maksymalne naprężenia zginające występują pod działaniem siły dynamicznej Fd = fd' c, gdzie fd oznacza dynamiczną strzałkę ugięcia, więc
tfb-hr
W przypadku granicznym, gdy ogmax = og dop> otrzymujemy
n-h2 = 3f*'c'1
Dzieląc stronami wzory 16.7 i 16.9 otrzymuje się wzór na grubość jednego pióra resoru h
h =2Lk-P-agdop (161Q)
3 E'fd
Obliczając resor zakłada się z góry wartość statycznej strzałki ugięcia /„, długość resoru /, jego szerokość b oraz przyjmuje się wstępnie współczynnik kształtu k w granicach 1,25^-1,4, przy czym większe wartości przyjmuje się dla samochodów osobowych. Za naprężenia dopuszczalne dla dobranego materiału przyjmuje się iloraz granicy plastyczności i współczynnika bezpieczeństwa, który wynosi 1,4 — dla resorów tylnych
i 1,6 — dla resorów przednich (ze względu na dociążenia przy hamowaniu). Wartość dynamicznej strzałki ugięcia fd przyjmuje się w granicach (1,75 - 2,0) fsr
Na podstawie tych danych określa się sztywność resoru c (jako stosunek obciążenia statycznego G do statycznej strzałki ugięcia /„), a następnie grubość pióra h (wzór 16.10), której wartość zaokrągla się tak, żeby odpowiadała znormalizowanym wymiarom przekrojów prętów ze stali resorowych. Wstawiając zaokrągloną wartość h do wzoru 16.7 oblicza się liczbę piór n, którą również zaokrągla się do wartości całkowitej. Zaokrąglone — rzeczywiste — wartości h i n podstawia się do wzoru 16.8 i sprawdza się, czy obliczone maksymalne naprężenia zginające ag ^ są mniejsze od wartości dopuszczalnych ogdop. Jeżeli nierówność agmax < ogdop jest spełniona, przyjmuje się odległość 2 s między strzemionami mocującymi resor do osi
oblicza się długość poszczególnych piór. Różnica długości piór wynosi
A/, przy czym
Omówiony uproszczony tok obliczeń umożliwia wstępne określenie wymiarów resoru. Dalsze obliczenia wytrzymałościowe obejmują sprawdzenie naprężeń w przypadkach: gdy działa maksymalna siła napędowa, gdy działa maksymalna siła hamująca oraz gdy działa maksymalna siła boczna.
Sprężyny śrubowe są stosowane w niezależnych zawieszeniach kół samochodu (rys. 16.10 i 16.11). Lżejsze i łatwiejsze do zastosowania niż resory piórowe mają jednak tę wadę, że nie przenoszą sił bocznych, w związku z czym wymagają stosowania elementów reakcyjnych, np. wahaczy. Ich małe wymiary oraz fakt, że nie wymagają (jak resory piórowe) smarowania zadecydowały o tym, że są powszechnie stosowane w nowoczesnych samochodach osobowych.
Stosowane w zawieszeniach sprężyny śrubowe są zwijane na gorąco z drutu o grubości kilkunastu milimetrów, a następnie obrabiane cieplnie.
Końce sprężyn powinny być zeszlifowane lub przynajmniej odkute tak, żeby można je było w sposób pewny osadzić w gniazdach.
Sprężyny śrubowe mają znacznie mniejsze tłumienie niż resory piórowe, dlatego wymagają stosowania skuteczniejszych, pewnie działających amortyzatorów.
Drążki skrętne są to elementy sprężyste w postaci pręta, rury lub wiązki płaskowników, których jeden koniec jest unieruchomiony w ramie lub w elementach nośnych nadwozia, a drugi — stanowiący oś obrotu wahacza — wykonuje ruchy skrętne. Ruchy pionowe koła powodują przemieszczenia kątowe wahacza i skręcenia drążka.
Drążki skrętne mogą przenosić tylko moment skręcający, a ich sztywność * określa się jako stosunek przyłożonego momentu skręcającego M do wywołanego nim kąta skręcenia drążka