Пружина в качестве упругого элемента подвески автомобиля играет чуть ли не решающую роль в его поведении на дороге и обеспечении комфорта водителю и пассажирам. Она призвана оградить кузов машины и находящихся в нем людей и грузов от воздействия дорожных неровностей, предоставив подвеске и колесам следовать профилю дороги. Если этого не произойдет, то тряска с ударными «действиями» очень быстро нанесет ущерб как здоровью людей, так и техническому состоянию автомобиля или экипажа. Это слово приведено не случайно. Проблема комфорта и сохранности грузов возникла, вероятно, с момента изобретения колеса еще у первых строителей повозок на конной или иной тяге. Состояние дорог в те времена оставляли желать лучшего, и изобретатели принялись за работу, результатом которой к концу девятнадцатого века, времени, когда появились первые автомобили, стала листовая рессора из пружинной стали.
Такой упругий элемент отлично подошел автомобилю, поскольку наряду с подрессориванием выполнял функции направляющего аппарата подвески, воспринимая продольные силы, моменты при разгоне и торможении и боковую нагрузку при движении в поворотах. Тогда же и был выработан основной принцип расчета жесткости рессоры – зависимости усилия деформации от ее величины для обеспечения комфортной езды. Он очень прост: необходимо, чтобы частота собственных колебаний подвески совпадала с главной частотой собственных «колебаний» организма человека. Последняя, как известно, задается сердечной мышцей. Так пульс стал главным критерием настройки подвески, задав ей частоту собственных колебаний 60 «ударов» в минуту как у сердца здорового человека. Это что касается комфорта, а если нужно ехать быстрее? Частоту собственных колебаний подвески надо увеличить, что можно сделать за счет увеличения жесткости упругого элемена, от которого напрямую с учетом неподрессоренных масс и передаточного отношения направляющего аппарата подвески она зависит. На сегодняшний день частоты распределились следующим образом. Диапазон от 60 до 80 колебаний в минуту отдан в распоряжение обычных легковых автомобилей, свыше 80 и до 100 колебаний имеет подвеска спортивных дорожных автомобилей, куда можно отнести машины, прошедшие тюнинг. От 100 до 130 движений «совершает» в минуту подвеска легковых и спортивных автомобилей, подготовленных для участия в некоторых видах автоспорта, например, ралли или кольцевых гонках «облегченного» формата. Частота выше 150 колебаний и до 180 присуща уже серьезной кольцевой гоночной технике таких классов как Супертуризм, а эта же характеристика подвески автомобилей гоночных формул «стартует» со значений 250 в минуту, доходя до 500. Поэтому становится понятно, как трудно приходится гонщикам на современных кольцевых трассах, несмотря на их близкое к идеально ровному покрытие. Можно сделать и еще один вывод – жесткость, доведенная до «абсолюта», имеет право на существование, что убедительно доказывает «обыкновенный» гоночный и не только карт, у которого вообще нет подвески.
Становится понятно, почему рессоры первых гоночных автомобилей были очень жесткими. Добавим к этому недостаточный уровень демфирования амортизаторов тех лет, и можно понять причину, по которой автомобильные инженеры начали искать выход из сложившейся ситуации. К тому же рессора, как элемент направляющего аппарата перестала удовлетворять требованиям к кинематике подвески. Появились конструкции независимых подвесок, в которых рессоре уделялась роль только упругого элемента и иногда направляющего устройства. Революционным прорывом стало использование торсиона в качестве упругого элемента. Он отличался компактностью и работал только на кручение, облегчая расчетную работу конструкторов по определению его жесткости. К тому же торсион легко подвергался регулировкам непосредственно на автомобиле, что позволяло настраивать машину под конкретного водителя и гоночную трассу. Обычно торсион представляет собой цилиндрический пруток, зажатый с одной стороны на кузове или раме автомобиля, а с другой соединенный с подвижными частями подвески. Он довольно прост в изготовлении, что сказалось на широком распространении торсионных подвесок серийных легковых автомобилей в годы после Второй Мировой войны. Не забыт он и сейчас. Можно сказать, что торсион переживает вторую молодость, вернувшись на гоночные трассы, место, где он впервые появился почти 70 лет назад. Дело в том, что торсионы применяются в качестве упругого элемента подвески современных автомобилей Формулы 1.
Однако вернемся к теме нашего разговора - пружинам. Упоминание торсионов было не случайным. Пружина по сути является их дальнейшим развитием и представляет собой длинный цилиндрический торсион, закрученный по спирали. Следовательно, весь расчетный «аппарат» торсиона применим к пружине с внесением необходимых корректив, поскольку ее витки работают на кручение. Появление пружин было обусловлено их компактностью, простотой монтажа и возможностью «вмещать» в себя телескопические амортизаторы, а также то, что у пружины легче получить прогрессивную характеристику.
Обычно как торсион, так и пружина имеют линейную зависимость усилия деформации от ее величины. Это обусловлено формой упругого элемента, и материалом, из которого он изготовлен. Сегодня большинство упругих элементов делаются из специальной стали. Для чего же нужна прогрессивная характеристика? Чтобы повысить энергоемкости подвески, достаточно просто увеличить жесткость упругого элемента, к тому же повысятся ее скоростные качества, как говорилось ранее. Однако при этом может пострадать комфорт и сохранность грузов. В случае с грузовыми автомобилями поступили довольно просто, снабдив основные рессоры дополнительными, так называемыми подрессорниками. Когда грузовик порожний, то работает основная рессора, а с ростом нагрузки ей «помогает» дополнительная. Перед легковыми машинами не стоит задачи перевезти как можно больше груза, от них требуется комфорт для пассажиров и хорошее поведение на дороге, что особенно актуально для скоростных автомобилей. Для последних также важно свести к минимуму изменение высоты центра тяжести машины при ходах подвески при прямолинейном движении, при торможении и разгоне и особенно при прохождении поворотов. Вывод напрашивается сам собой – когда автомобиль движется относительно спокойно по ровной дороге, жесткость подвески должна быть одна, а в случае, когда колеса совершают относительно большие вертикальные перемещения - увеличенная. По этой причине многие гоночные автомобили, в том числе машины Формулы 1, оснащены подвеской, которая может менять жесткость за счет специальных устройств и механизмов, изменяющих передаточное отношение при ходе колеса. У обычных легковых машин это сделать практически невозможно, и поэтому приходится прибегать к другим методам.
Самым логичным с точки зрения геометрии стало изготовление пружины из прутка с переменным сечением, что в теории соответствует коническому торсиону. Однако сегодня это довольно редко встречается. Гораздо чаще навивают пружину с переменным шагом по всей длине, однако наибольшее распространение получили пружины с группами витков двух разных шагов. Работает такая пружина следующим образом. В так называемой «статике» подвески усилие воспринимают все витки, обеспечивая заданную геометрией жесткость. С ростом нагрузки происходит замыкание витков с меньшим шагом, тем самым уменьшается число оставшихся рабочих витков, и жесткость пружины увеличивается. Примерно по такому же принципу работает коническая пружина, у которой сначала «ложатся» витки большего диаметра как самые мягкие, тем самым выключаясь из работы и предоставляя возможность оставшимся виткам увеличить жесткость пружины. «Апофеозом» пружин с переменным шагом можно назвать составные пружины подвесок спортивных и гоночных автомобилей, которые могут комплектоваться из пружин разных групп жесткости, тем самым обеспечивая большой диапазон регулировок для настройки шасси. Как правило, такая подвеска имеет возможность менять и преднатяг пружины за счет регулировочных опорных чашек, выполненных в виде гайки, «болтом» для которой служит резьбовой корпус амортизаторной стойки. Регулируя преднатяг, можно изменить усилие сжатия подвески, и соответственно ее жесткость, что может привести к «подъему» или «опусканию» автомобиля. Такие конструкции встречаются не только на гоночных машинах, но и на прошедших тюнинг. При этом пружины не должны препятствовать вращению регулировочных опор. Это достигается сошлифовыванием опорных витков пружины в плоскость, перпендикулярную ее продольной оси. Возможно применение для этой цели специальных переходников, позволяющих пружине традиционного исполнения делать тоже самое, то есть не мешать регулировать подвеску.
Как правило, пружина имеет по опорному витку на концах, хотя его размер обычно составляет ѕ рабочего витка. Опорный виток, судя по названию, служит для фиксации пружины, а также он препятствует теоретически возможному провороту прутка, из которого навита пружина. Обычно эти «три четверти» подгибают с двух сторон и делают опорные чашки соответствующей формы, которые и не дают пружине вращаться. Так происходит у «нормального» легкового автомобиля, для которого различные производители изготавливают пружины увеличенной жесткости и прогрессивной характеристики, способные встать на свои «места» штатных стоек подвески. При этом высота пружины может быть меньшей, обеспечивая снижение центра тяжести автомобиля. Однако не стоит забывать, что установка такой «пониженной» пружины приведет к смещению соотношения ходов подвески в сторону уменьшения сжатия и росту отбоя, что не совсем правильно. Поэтому лучше приобретать новые пружины вместе с амортизаторными стойками, у которых с ходами все в порядке, и характеристика демфирования также соответствующая. При этом хочется предостеречь самодеятельных «тюнингеров» от простого укорачивания штатных пружин. Жесткость в таком случае действительно станет больше, но по крайней мере одним опорным витком придется пожертвовать, что может привести к неправильной работе пружины вплоть до ее «самороспуска». Не стоит забывать, что при укорачивании пружины с ростом ее жесткости увеличиваются максимальные касательные напряжения в витках, что может вызвать поломку упругого элемента.
