1 ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ
ΣΤΕΦ
Τμήμα Μηχανολογίας
Τομέας Ενέργειας και Περιβάλλοντος
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Θέμα: Ανάρτηση τροχών και ελατήρια σε βαρέα οχήματα
Σπουδαστής: Κιουρκτσόγλου Κωνσταντίνος (ΑΕΜ: 4678) Επιβλέπων Καθηγητής: Ιωάννης Αραμπατζής
Καβάλα Νοέμβριος 2012
2
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ
ΠΕΡΙΛΗΨΗ ... 5
ABSTRACT ... 6
ΠΡΟΛΟΓΟΣ (ΣΚΟΠΟΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΩΝ) ... 7
1 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ... 8
1.1 Κατακόρυφη ακαμψία (Vertical stiffness)... 8
1.2 Απόσβεση (Damping)... 9
1.3 Στατική ισοστάθμιση φορτίου σε επάλληλους άξονες (Static load equalization)……….………9
1.4 Δυναμική μεταφορά φορτίου σε επάλληλους άξονες (Dynamic inter-axle transfer)……….. ... 10
1.5 Ύψος κέντρου κλίσης οχήματος ( Roll center height) ... 11
1.6 Ακαμψία κλίσης (Roll stiffness) ... 13
1.7 Συντελεστής εκτροπής κατεύθυνσης σταθερών αξόνων (Roll steer coefficient)……….14
1.8 Συντελεστής συμμόρφωσης κατεύθυνσης σταθερών αξόνων (compliance steer coefficient) ... 15
1.9 Όριο ανατροπής (Rollover threshold) ... 15
2 ΗΜΙΕΛΛΕΙΠΤΙΚΑ ΕΛΑΤΗΡΙΑ ... 18
2.1 Αρχή λειτουργίας ημιελλειπτικών ελατηρίων... 18
2.2 Γενική περιγραφή ημιελλειπτικών ελατηρίων και εξαρτημάτων ... 20
2.3 Τρόπος λειτουργίας ημιελλειπτικών ελατηρίων ... 22
2.4 Απαιτούμενα χαρακτηριστικά ημιελλειπτικών ελατηρίων ... 22
2.5 Παραβολικά ελατήρια (αερόφυλλα) ... 23
2.5.1 Σύγκριση απλών και παραβολικών ελατηρίων ... 24
2.5.2 Αντοχή παραβολικών ελατηρίων ... 25
2.6 Στρέβλωση ελατηρίων ... 27
2.7 Παράγοντες που επηρεάζουν την διάρκεια ζωής των ημιελλειπτικών ελατηρίων………28
2.8 Συντήρηση και αντιμετώπιση προβλημάτων ημιελλειπτικών αναρτήσεων .. 31
2.8.1 Περιοδικός έλεγχος συντηρήσεως ... 31
2.8.2 Διάγνωση και αντιμετώπιση προβλημάτων σε συμβατικές αναρτήσεις . 34 2.9 Αντικατάσταση φύλλων σούστας ... 37
2.10 Τύποι ημιελλειπτικών ελατηρίων... 37
2.10.1 Ημιελλειπτικά ελατήρια σταθερού ρυθμού παραμόρφωσης (Constant- Rate)………..38
3 2.10.2 Ημιελλειπτικά ελατήρια μεταβαλλόμενου ρυθμού παραμόρφωσης
(Variable- Rate) ... 38
2.11 Κοινές Αναρτήσεις με ελατήρια ... 40
2.11.1 Συνδεσμολογία κοινής εμπρόσθιας ανάρτησης ... 40
2.11.2 Χαρακτηριστικός τύπος οπίσθιας ανάρτησης μονού άξονα με ελατήρια……….42
2.12 Οπίσθια ανάρτηση με ζυγούς ισοστάθμισης και κόντρα μπάρες ... 43
2.13 Οπίσθια ανάρτηση με δοκό ισοστάθμισης και ελατήρια ... 44
2.14 Πίσω ανάρτηση με ζυγό ισοστάθμισης και αντεστραμμένα ελατήρια ... 45
3 ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΜΕ ΣΥΜΠΑΓΕΣ ΕΛΑΣΤΙΚΟ ... 48
3.1 Οπίσθια ανάρτηση με δοκό ισοστάθμισης και συμπαγές ελαστικό ... 48
3.2 Ανάρτηση CHALMERS ... 49
4 ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΑΕΡΟΣ ... 52
4.1 Βασικοί τύποι αερόφουσκων ... 52
4.2 Υλικό κατασκευής ελαστικού μέρους αερόφουσκας ... 53
4.3 Εξαρτήματα ανάρτησης αέρος ... 55
4.3.1 Βαλβίδα ελέγχου ύψους (ζυγοσταθμικό) ... 55
4.3.2 Βαλβίδα ρύθμισης πίεσης ... 57
4.3.3 Αεροσυμπιεστής ... 58
4.3.4 Χειροκίνητος ρυθμιστής ύψους ... 58
4.4 Δείγματα συνδέσεων αερανάρτησης ... 60
4.5 Ανάρτηση αέρος με ηλεκτρονική ρύθμιση ύψους ... 62
4.5.1 Μονάδα ηλεκτρονικού ελέγχου ... 62
4.5.2 Ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες ... 63
4.5.3 Τηλεχειριστήριο ... 64
4.5.4 Αισθητήρας ύψους ... 65
4.5.5 Ηλεκτρονικός αισθητήρας πίεσης ... 67
4.5.6 Λειτουργία συστήματος ηλεκτρονικού ελέγχου ... 68
4.6 Εφαρμογές αναρτήσεων αέρος ... 69
4.6.1 Εμπρόσθιο σύστημα ανάρτησης αέρος ... 69
4.6.2 Οπίσθιο σύστημα ανάρτησης αέρος ... 70
4.7 Αστοχίες αερόφουσκων ... 71
4.8 Έλεγχοι στο σύστημα ανάρτησης αέρος ... 77
4.9 Αντικατάσταση αερόφουσκας ... 78
4.10 Σύγκριση αερανάρτησης έναντι συμβατικών αναρτήσεων ... 79
5 ΑΠΟΣΒΕΣΤΗΡΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΩΝ ... 81
5.1 Σκοπός αποσβεστήρων ταλαντώσεως ... 81
4
5.2 Γιατί χρειαζόμαστε αποσβεστήρες ταλαντώσεων; ... 81
5.3 Λειτουργία αμορτισέρ διπλής ενεργείας με δύο θαλάμους ... 82
5.3.1 Φάση συμπίεσης ... 83
5.3.2 Φάση εκτόνωσης ... 83
5.4 Αποσβεστήρας ταλαντώσεων μονού θαλάμου ... 85
5.5 Αναλογία-εκτόνωσης συμπίεσης στους αποσβεστήρες ταλαντώσεων ... 86
5.6 Σύγκριση αμορτισέρ διπλού και μονού θαλάμου ... 87
5.7 Αστοχίες αποσβεστήρων ... 88
5.7.1 Το τεστ της θερμότητας ... 89
5.8 Η σημασία των αμορτισέρ ... 90
6 ΑΝΕΣΗ ΟΔΗΓΗΣΗΣ ... 91
ΕΠΙΛΟΓΟΣ ... 93
ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ ... 94
ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ ... 98
ΠΗΓΕΣ ΕΙΚΟΝΩΝ………..99
ΠΗΓΕΣ ΠΙΝΑΚΩΝ………102
ΠΗΓΕΣ INTERNET………..………...103
ΞΕΟΓΛΩΣΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ………..104
5
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η παρούσα πτυχιακή εργασία έχει ως θέμα τις αναρτήσεις των βαρέων οχημάτων. Αν και πολλοί από αυτούς που εργάζονται στον κλάδο των μεταφορών θεωρούν τις αναρτήσεις ως δευτερεύουσας σημασίας σε σχέση με άλλα λειτουργικά κομμάτια του βαρέου οχήματος (π.χ κινητήρες) αυτό δεν είναι αληθές.
Στο κεφάλαιο 1 αναφέρουμε τις βασικές λειτουργίες της ανάρτησης που την καθιστούν απαραίτητο δομικό στοιχείο του οχήματος. Εκτός τούτου καταγράφουμε και επεξηγούμε τις μηχανικές ιδιότητες των αναρτήσεων οι οποίες καθορίζουν την οδική συμπεριφορά του οχήματος.
Απαραίτητο συστατικό στοιχείο των περισσότερων συστημάτων ανάρτησης εξακολουθούν να είναι τα ημιελλειπτικά ελατήρια η μορφή των οποίων καθορίζεται έπειτα από θεωρητική έρευνα. Τα ημιελλειπτικά ελατήρια χρησιμοποιούνται από τις αρχές της αυτοκίνησης μέχρι σήμερα. Ταυτόχρονα όμως η εξέλιξη αυτών οδήγησε στην εισαγωγή των παραβολικών ελατηρίων με βελτιωμένες ιδιότητες όσον αφορά στην απόσβεση όχι κατ’ανάγκην όμως στη θραύση. Για την αποφυγή του προαναφερόμενου φαινομένου, καταγράφουμε όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν την διάρκεια ζωής των ημιελλειπτικών ελατηρίων καθώς και όλες τις απαραίτητες διαδικασίες συντήρησης. Επίσης ταξινομούμε σε έναν πίνακα τις πιθανές αστοχίες των αναρτήσεων και τους τρόπους επισκευής τους. Στο τέλος του δεύτερου κεφαλαίου παρουσιάζουμε τους πιο κοινούς τύπους ημιελλειπτικών αναρτήσεων που χρησιμοποιούνται από την βιομηχανία τους οποίους και περιγράφουμε.
Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφουμε αναρτήσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται περισσότερο στο εξωτερικό παρά στην Ελλάδα. Πρόκειται για τις αναρτήσεις με συμπαγές ελαστικό οι οποίες έχουν και αυτές τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Στην προσπάθεια για συνεχή εξέλιξη των αναρτήσεων οι βιομηχανίες εισήγαγαν τις αναρτήσεις αέρος. Κυριότερο στοιχείο των συγκεκριμένων αναρτήσεων είναι ένα «μπαλόνι» το οποίο πληρώνεται με πεπιεσμένο αέρα έτσι ώστε να μπορέσει να σηκώσει το βάρος του οχήματος. Οι καινοτομίες όμως δεν σταματούν εδώ. Ο έλεγχος της ποσότητας αέρα μπορεί να γίνει είτε με ένα συμβατικό μηχανικό τρόπο είτε με έναν πιο ακριβείας ηλεκτρονικό. Όπως όλα όμως τα υλικά και οι αναρτήσεις αέρος παρουσιάζουν φθορές για την καλύτερη κατανόηση των οποίων παραθέτουμε εικόνες. Οι φθορές μπορούν να επιβραδυνθούν εφόσον πραγματοποιούμε τακτικούς ελέγχους. Σε σύγκριση με τις αναρτήσεις ημιελλειπτικών ελατηρίων οι αναρτήσεις αέρος παρουσιάζουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά για ένα βοηθητικό αλλά απαραίτητο στοιχείο των αναρτήσεων. Πρόκειται για τους αποσβεστήρες ταλαντώσεων ή αμορτισέρ όπως είναι περισσότερο γνωστά η εγκατάσταση των οποίων είναι απολύτως απαραίτητη στις αναρτήσεις αέρος. Περιγράφουμε την λειτουργία και συγκρίνουμε τους δύο πιο κοινούς τύπους αμορτισέρ όπως επίσης δεν παραλείπουμε να αναφερθούμε στις αστοχίες που μπορούν να παρουσιάσουν.
Η σχεδίαση των αναρτήσεων πρέπει απαραίτητα να περιλαμβάνει την ποιότητα ανέσεως που μπορεί να προσφέρει στον οδηγό. Η ποιότητα άνεσης κατά την οδήγηση εξαρτάται από της χαμηλής συχνότητας κινήσεις συμπίεσης και εκτόνωσης που εκτελεί το σύστημα ανάρτησης προκειμένου να ανταποκριθεί στις ανωμαλίες του οδοστρώματος. Ο κατασκευαστής οφείλει να «ρυθμίσει» την συχνότητα λειτουργίας της ανάρτησης έτσι ώστε να συμμορφώνεται με τις συχνότητες που μπορεί να ανεχτεί το ανθρώπινο σώμα.
6
ABSTRACT
Τhe thesis we are working on, deals with the suspension of heavy vehicles.
Although many of those working in the industry believe the suspensions as minor compared with other functional pieces of heavy vehicles (e.g. machines) this is not true.
In Chapter 1 we set out the basic functions of the suspension in order to understand its importance. Apart from that we analyze the mechanical properties of suspensions which determine the drivability of the vehicle
Essential component of most suspension systems are still the laminated leaf springs. Their form is determined from theory. The laminated leaf springs are used since the beginning of the automobile industry until nowadays. The development of leaf springs led to the introduction of parabolic leaf springs. These springs have improved properties in damping but not necessarily in breakage. To avoid the above phenomenon, we record all the factors that affect the life of leaf springs as well as all the necessary maintenance procedures. We also classify in a table the possible failures of a leaf spring suspension proposing at the same time the rehabilitation actions. At the end of the second chapter we present the most common types of laminated leaf springs suspensions used by industry and we describe their function.
The third chapter describes suspension systems that are used only abroad.
These are the suspensions with solid rubber which also have their own advantages and disadvantages.
In their effort for continuous suspension development, industries entered the air suspension. Principal component of this suspension is a "balloon" that is filled with compressed air so that it can bear the weight of the vehicle. The innovations do not stop here. The amount of pressurized air can be controlled either by a conventional mechanical system or by a more accurate electronic. Like all materials, air suspensions are also suffering from damages. With the use of images we point these damages and quote the probable causes. Compared to the leaf spring suspensions air suspensions have specific advantages and disadvantages.
The fifth chapter refers to an auxiliary but necessary component of the suspension system. This is the damper or shock absorber, the installation of which is indispensable to the air suspension. We describe the operation and compare the two most common types of dampers. We do not omit to mention the faults that dampers can be subjected to.
The design of the suspension must necessarily include the quality of ride comfort. While driving, the parameter of comfort depends on the low frequency motions of compression and expansion. These motions are produced by the suspension system as it responds to uneven road surfaces. The heavy vehicle manufacturer has to "adjust" the operating frequency of the suspension system in order to comply with the frequencies that the human body can tolerate.
7
ΠΡΟΛΟΓΟΣ (ΣΚΟΠΟΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΩΝ)
Το σύστημα ανάρτησης είναι αυτό που υποστηρίζει το πλαίσιο του οχήματος.
Μπορούμε να πούμε ότι λειτουργεί σαν ενδιάμεσος μεταξύ των τροχών και του πλαισίου. Όλη η ισχύς της μηχανής δια μέσου του συστήματος μετάδοσης μεταφέρεται στους τροχούς οι οποίοι με τη σειρά τους κινούν το όχημα. Κάθε ανωμαλία του δρόμου προκαλεί κραδασμούς στους τροχούς οι οποίοι μετριάζονται με την εγκατάσταση αναρτήσεων. Σε αντίθετη περίπτωση όλες οι δυνάμεις στις οποίες είναι υποκείμενοι οι τροχοί θα μεταφέρονταν ακέραιες στο σασί του οχήματος. Σασί, φορτίο και επιβάτες θα ερχόντουσαν αντιμέτωποι μ’ένα σφυροκόπημα το οποίο δεν θα μπορούσαν να αντέξουν. Κοντολογίς η βασική λειτουργία ενός συστήματος ανάρτησης είναι να απομονώνει τον σκελετό του οχήματος από τους κραδασμούς και τις δονήσεις που προκαλούνται λόγω αστοχιών του οδοστρώματος.
Το σύστημα ανάρτησης είναι πολύ σημαντικό στοιχείο στον σχεδιασμό φορτηγών αυτοκινήτων γιατί αφορά στην άνεση των επιβατών και στην σταθερότητα του οχήματος και του φορτίου. Ενόσω οι τροχοί περιστρέφονται η ανάρτηση βρίσκεται σε κατάσταση δυναμικής ισορροπίας προσπαθώντας να αντισταθμίσει τις δυνάμεις που ασκούνται και να προσαρμοστεί στις συνεχώς μεταβαλλόμενες συνθήκες οδήγησης. Ένα σύστημα ανάρτησης εκτελεί έξι βασικές λειτουργίες:
1. Υποστηρίζει το βάρος του οχήματος.
2. Μειώνει την επίδραση των δυνάμεων που προκαλούν ταλαντώσεις.
3. Διατηρεί το σωστό ύψος του αμαξώματος (ride height).
4. Διατηρεί τους τροχούς ευθυγραμμισμένους.
5. Κρατάει τα ελαστικά σε επαφή με τον δρόμο.
6. Ελέγχει το σύστημα διεύθυνσης του οχήματος.
Χωρίς να μειώνουμε τη σημασία των άλλων λειτουργιών τα νούμερα ένα και δύο στην παραπάνω λίστα αποτελούν τις βασικότερες λειτουργίες των αναρτήσεων.
Οι αναρτήσεις λοιπόν κατά κύριο λόγω υποστηρίζουν το βάρος του οχήματος και πιο συγκεκριμένα το αναρτώμενο βάρος. Στο αναρτώμενο βάρος συγκαταλέγεται το βάρος του πλαισίου και του φορτίου. Οι αναρτήσεις των βαρέων οχημάτων θα πρέπει να είναι αρκετά ανθεκτικές ώστε να μπορούν να υποστηρίζουν ιδιαίτερα βαριές αναρτώμενες μάζες. Οι ίδιες οι αναρτήσεις όπως και τα ελαστικά, οι άξονες και τα φρένα ανήκουν στο μη αναρτώμενο βάρος. Επειδή όμως και η μη αναρτώμενες μάζες έχουν ιδιαίτερα μεγάλο βάρος οι αναρτήσεις ως μέρος αυτών πρέπει να σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε από τη μία μεριά να είναι ελαφριές αλλά και από την άλλη να εκτελούν με αποτελεσματικότητα τις έξι λειτουργίες που περιγράψαμε παραπάνω.
8
1 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΩΝ
Η ουσιωδέστερη συνεισφορά των αναρτήσεων – όπως αναφέρθηκε στον πρόλογο- έγκειται στο γεγονός ότι υποστηρίζουν το όχημα και αποσβένουν τις δυνάμεις καταπόνησης. Όμως, εκτός των παραπάνω, η ανάρτηση σ’ένα όχημα βαρέου τύπου είναι σημαντική και για έναν ακόμη λόγο. Το σύστημα της ανάρτησης επηρεάζει την ανταπόκρισή του οχήματος σε δυναμικές καταστάσεις με τρεις βασικούς τρόπους:
Καθορίζοντας το δυναμικό φορτίο στα ελαστικά.
Κατευθύνοντας τα ελαστικά κάτω από το δυναμικό φορτίο.
Ελέγχοντας την κίνηση του οχήματος σε εναρμόνιση πάντα με τους άξονες.
Πριν προβούμε σε ανάλυση των συστημάτων ανάρτησης κρίνουμε σκόπιμο να αναφερθούμε στις εννιά βασικές μηχανικές ιδιότητες των αναρτήσεων που καθορίζουν την οδική του συμπεριφορά. Αυτές είναι:
1. Κατακόρυφη ακαμψία (vertical stiffness).
2. Απόσβεση (damping).
3. Στατική ισοστάθμιση φορτίου (static load equalization).
4. Δυναμική μεταφορά φορτίου (Dynamic inter-axle road transfer).
5. Ακαμψία κλίσης (roll stiffness).
6. Ύψος του κέντρου κλίσης του οχήματος (Roll center height).
7. Συντελεστής εκτροπής κατεύθυνσης σταθερών αξόνων (Roll steer coefficient).
8. Συντελεστής συμμόρφωσης κατεύθυνσης σταθερών αξόνων (Compliance steer coefficient)
9. Όριο ανατροπής οχήματος (Roll over threshold).
1.1 Κατακόρυφη ακαμψία (Vertical stiffness)
Χωρίς υπερβολές η πιο θεμελιώδης μαθηματική παράμετρος των αναρτήσεων είναι αυτή της κατακόρυφης ακαμψίας. Καθώς η ανάρτηση δέχεται την επίδραση των κάθετων δυνάμεων όλα τα επιμέρους στοιχεία της παραμορφώνονται ομοίως κάθετα.
Οι επιμέρους σκληρότητες των στοιχείων αυτών αθροίζονται για να οριστεί ο ενιαίος συντελεστής κατακόρυφης ακαμψίας. Η εξίσωση που ακολουθεί δείχνει ότι η κάθετη ακαμψία ορίζεται ως η κάθετη δύναμη ( ) που απαιτείται ανά μονάδα κάθετης εκτροπής (Z) της ανάρτησης. Αποτελεί δε το άθροισμα των επιμέρους ακαμψιών που παρουσιάζουν όλα τα εξαρτήματα της ανάρτησης .
Το μέγεθος της κατακόρυφης ακαμψίας που παρουσιάζει η ανάρτηση ενός φορτηγού οχήματος εξαρτάται κατά κύριο λόγο από το είδος της ανάρτησης (μηχανική ή αέρος). Γνωρίζουμε ότι οι κάθετες δυνάμεις που ασκούνται στον πίσω άξονα μιας φορτωμένης καρότσας μπορεί να είναι μέχρι και τέσσερις φόρες
9 μεγαλύτερες από αυτές που ασκούνται όταν δεν υπάρχουν φορτία.
Αντιλαμβανόμαστε έτσι ότι τα φορτία που καλείται να στηρίξει μια ανάρτηση έχουν ένα πολύ μεγάλο εύρος τιμών. Επομένως η ανάρτηση πρέπει να είναι πολύ σκληρή σ’ένα φορτωμένο όχημα και λιγότερο σκληρή σ’ένα άδειο. Οι αερόφουσκες έχουν πολύ καλή προσαρμογή σ’ένα τέτοιο εύρος φορτίων. Αντίθετα στις μηχανικές αναρτήσεις παρόλο που η δυσκαμψία τους αλλάζει υπό το βάρος των διαφόρων φορτίων οι προσαρμογές αυτές δεν πλησιάζουν σε πληρότητα εκείνες των αεραναρτήσεων. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι χωρίς φορτίο οι μηχανικές αναρτήσεις είναι σκληρές και άρα ενοχλητικές για τον οδηγό.
Στον Πίνακα 1 καταγράφουμε τις τιμές ακαμψίας για διάφορα είδη αναρτήσεων βαρέων οχημάτων. Η έρευνα έγινε σε όχημα με φορτίο 4500 kg στον εμπρόσθιο άξονα και 7.300 kg στον οπίσθιο. Μπορούμε να συγκρίνουμε τις αναρτήσεις αέρος με εκείνες των ημιελλειπτικών ελατηρίων. Οι πρώτες μπορούν να μετακινηθούν κατά 1 cm με δυνάμεις το εύρος των οποίων κυμαίνεται από 180 kg ως 1250 kg. Οι δεύτερες ως σκληρότερες χρειάζονται ακόμα μεγαλύτερη πίεση (1450 Kg έως 3750 Kg) για να μετακινηθούν κατά 1 cm.
Πίνακας 1
Κατακόρυφη ακαμψία αναρτήσεων βαρέων οχημάτων (τυπικό φάσμα τιμών)
Τύπος ανάρτησης Εύρος τιμών κατακόρυφης ακαμψίας
(Kg/cm)
Εμπρόσθια ανάρτηση 360-490
Ανάρτηση αέρος 180-1250
Ανάρτηση ημιελλειπτικών ελατηρίων 1450-3750
Ανάρτηση με δοκό ισοστάθμισης 1800-3750
Ανάρτηση μονού άξονα 1520-2450
Πηγή:1
1.2 Απόσβεση (Damping)
Οι αναρτήσεις που αποτελούνται από φύλλα σούστας προκαλούν απόσβεση κραδασμών εξαιτίας του φαινομένου της τριβής Coulomb. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από την τριβή μεταξύ των επιφανειών των επιμέρους φύλλων της σούστας. Η έλλειψη συστημάτων απόσβεσης μπορεί να προκαλέσει ελεύθερη ταλάντωση στο όχημα και ως εκ τούτου να επιβαρύνει τους άξονες με μεγάλα δυναμικά φορτία. Η απόσβεση έκτος των άλλων είναι αναγκαία για τη βελτιστοποίηση της ποιότητας ανάρτησης και την εξασφάλιση συνθηκών άνεσης για τον οδηγό και τους επιβάτες.
1.3 Στατική ισοστάθμιση φορτίου σε επάλληλους άξονες (Static load equalization)
Προκειμένου να ανταποκριθούν σε πολύ βαριά φορτία τα οχήματα εφοδιάζονται με μία σειρά αξόνων. Για να αποφευχθεί η υπερβολική καταπόνηση του πλαισίου και της ανάρτησης σε ανώμαλες επιφάνειες αυτοί οι άξονες διασυνδέονται μεταξύ τους με μηχανισμούς που αποσκοπούν στην ισοκατανομή φορτίου ανάμεσα
10 τους. Η τιμή της στατικής ισοστάθμισης φορτίου εξαρτάται από την τριβή Coulomb ανάμεσα στα ελατήρια και τους μηχανισμούς που αποσκοπούν στη ισοστάθμιση φορτίου σ’ένα σύστημα επάλληλων αξόνων (π.χ ζυγούς ισοστάθμισης).
Η ισοστάθμιση ενός στατικού φορτίου συμβαίνει από τη σχεδίαση ενός συστήματος επάλληλων αξόνων. Αυτή η διάταξη τείνει να διανέμει το φορτίο εξίσου στους άξονες. Το συγκεκριμένο σύστημα παρουσιάζει πολύ καλή διανομή φορτίου μεταξύ των αξόνων. Από μετρήσεις που έγιναν βρέθηκε ότι η μέγιστη επιβάρυνση με φορτίο του ενός άξονα έναντι του άλλου είναι μόνο 5%.
Στον αντίποδα όμως υπάρχουν και κάποια μειονεκτήματα. Έτσι σε κάποιες αναρτήσεις (ιδιαίτερα σ’αυτές με δύο άξονες και τέσσερα ελατήρια) η τριβή των ελατηρίων μπορεί να κρεμάσει τον μηχανισμό και να προκαλέσει αστάθεια στο σύστημα. Επίσης η απουσία σημαντικών τριβών στον μηχανισμό εξισορρόπησης (ζυγός ισοστάθμισης) συνεπάγεται ότι η ανάρτηση έχει πολύ μικρές δυνατότητες αποσβέσεων σε δυναμικές καταστάσεις όταν το όχημα κινείται με μεγάλες ταχύτητες.
Αυτή η κατάσταση μπορεί να προκαλέσει ταλαντώσεις και να επιβαρύνει τους άξονες με μεγάλο δυναμικό φορτίο. 1
1.4 Δυναμική μεταφορά φορτίου σε επάλληλους άξονες (Dynamic inter-axle transfer)
Το μέγεθος της δυναμικής μεταφοράς φορτίου εξαρτάται από την τριβή Coulomb και τους μηχανισμούς που αποσκοπούν στη ισοστάθμιση φορτίου σ’ένα σύστημα. επάλληλων αξόνων Η δυναμική μεταφορά φορτίου από τον ένα άξονα στον άλλο λαμβάνει χώρα σε δυναμικές καταστάσεις όπως αυτής της επιτάχυνσης ή της επιβράδυνσης. Δυστυχώς όμως οι μηχανισμοί που χρησιμοποιούνται για την ισοστάθμιση του στατικού φορτίου έχουν αντίθετα αποτελέσματα στην ισοστάθμιση του δυναμικού φορτίου.
Εάν ο οδηγός επιταχύνει ή επιβραδύνει επιπλέον δύναμη εφαρμόζεται στο σύστημα αξόνων του οχήματος. Πολύ συχνά αυτή η δύναμη διαμοιράζεται μεταξύ των επάλληλων αξόνων. Πολλές φορές όμως σε περιπτώσεις φρεναρίσματος μπορούν να ανακύψουν προβλήματα γιατί ο άξονας που έχει το μικρότερο φορτίο θα
«κλειδώσει» γρηγορότερα από τον άλλο. Εάν αυτό το «κλείδωμα» συμβεί στον εμπρόσθιο άξονα του συστήματος, το αποτέλεσμα θα είναι μερική απώλεια της σταθερότητας κατεύθυνσης. Εάν όμως κλειδώσει ο τελευταίος άξονας είναι δυνατόν να υπάρξει ολική απώλεια της σταθερότητα του οχήματος.
Ένα ακόμη ανεπιθύμητο αποτέλεσμα της κακής μεταφοράς φορτίου ανάμεσα στους άξονες είναι η δημιουργία υποκρίσιμης απόσβεσης. Περιστασιακά η υποκρίσιμη απόσβεση μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της απόδοσης του συστήματος πέδησης και κατεύθυνσης επειδή μπορεί να προκαλέσει αναπηδήσεις στο οπίσθιο μέρος του οχήματος.
Η δυναμική μεταφορά φορτίου ανάμεσα στους επάλληλους άξονες μετριέται σε pound μεταφοράς φορτίου ανά pound δύναμης πέδησης. Η μεταφορά είναι θετική εάν το φορτίο κατευθύνεται προς τον εμπρόσθιο άξονα. Η αντίθετη μεταφορά έχει αρνητικό πρόσημο. Στον Πίνακα 2 καταγράφονται τυπικά εύρη τιμών του εν λόγω μεγέθους. Από τα αρνητικά πρόσημα διαπιστώνουμε ότι η ανάρτηση ημιελλειπτικών ελατηρίων –και ειδικά αυτή των τεσσάρων ελατηρίων- είναι πιο ευαίσθητη στην
1 P.S Fancher, R.D. Ervin, C.B. Winkler, T.D. Gilespie «Factbook of the mechanical properties of the components for single-unit and articulated heavy trucks», σελ 56, The university of Michigan (TRI), 1986.
11 ανεπιθύμητη φόρτιση των οπίσθιων αξόνων κατά τη διάρκεια της πέδησης.
Αντιθέτως οι δοκοί ισοστάθμισης μεταφέρουν λιγότερο φορτίο και η μεταφορά αυτή γίνεται συνήθως προς τον εμπρόσθιο άξονα.
Πίνακας 2
Δυναμική μεταφορά φορτίου ανάμεσα σε επάλληλους άξονες βαρέου οχήματος (τυπικό φάσμα τιμών)
Τύπος ανάρτησης Εύρος τιμών δυναμικής μεταφοράς φορτίου (lb/lb)
Ανάρτηση αέρος 0,035 - (-0,018)
Ανάρτηση ημιελλειπτικών ελατηρίων (-0,10) - (-0.185) Ανάρτηση με δοκό ισοστάθμισης 0,010 - (-0.030)
Πηγή: 1
1.5 Ύψος κέντρου κλίσης οχήματος ( Roll center height)
Κατά την κίνηση του οχήματος το σασί του παίρνει πλάγιες κλίσεις γύρω από ένα θεωρητικό σημείο που ονομάζεται κέντρο κλίσης (roll center). Κάθε τύπος ανάρτησης έχει και ένα δικό του ύψος κλίσης το οποίο σε γενικές γραμμές δύσκολα μπορεί να αλλάξει.
Στα οχήματα με ανάρτηση αέρος το κέντρο κλίσης βρίσκεται στο σημείο τομής της νοητής γραμμής που διαπερνά το κάθετα το κέντρο του άξονα με το βραχίονα στήριξης της αερόφουσκας (εικόνα 1α). Στα οχήματα με μηχανική ανάρτησης το κέντρο κλίσης τοποθετείται στο σημείο τομής της ευθείας που διέρχεται κεντρικά από τον άξονα με την θεωρητική ευθεία που ενώνει τα άκρα της σούστας (εικόνα 1β).
Σε γενικές γραμμές το κέντρο εκτροπής του οχήματος τοποθετείται στην κεντρική αξονική γραμμή του οχήματος και σε εκείνο το ύψος όπου οι πλευρικές δυνάμεις μεταβιβάζονται από την ανάρτηση στο σασί. Η σημασία του έγκειται στο γεγονός ότι όλες οι πλευρικές δυνάμεις εφαρμόζονται σε αυτό το σημείο. Τα ημιελλειπτικά ελατήρια είναι αυτά που υποστηρίζουν το όχημα στις πλευρικές ταλαντώσεις ωστόσο στην περίπτωση των αναρτήσεων αέρος η στήριξη μπορεί να γίνει μόνο με την προσθήκη κατάλληλων συνδέσμων.
Η μέτρηση του κέντρου κλίσης γίνεται από το έδαφος. Αναρτήσεις προσαρμοσμένες κάτω από τον άξονα εμφανίζουν το κέντρο κλίσης σε χαμηλότερο σημείο από τις αντίστοιχες που τοποθετούνται επάνω στον άξονα οι οποίες είναι και προτιμότερες.
Το ύψος του κέντρου κλίσης παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη σταθερότητα του οχήματος (ή στην τάση του να παλαντζάρει). Καθώς το όχημα στρίβει αναπτύσσεται μια φυγόκεντρος δύναμη που το αναγκάζει να περιστραφεί ελαφρώς γύρω από το κέντρο κλίσης. Αυτή η κίνηση θα ανασηκώσει το κέντρο βάρους και θα το εξαναγκάσει να αναπτύξει μια ροπή γύρω από το κέντρο κλίσης. Όσο πιο ψηλά είναι το κέντρο κλίσης της ανάρτησης τόσο εγγύτερα είναι στο κέντρο βάρους του οχήματος και τόσο μικρότερη θα είναι η ροπή που θα δημιουργηθεί. Στον Πίνακα 3 καταγράφουμε τα κέντρα εκτροπής των διάφορων τύπων αναρτήσεων βαρέου τύπου.
12 Εικόνα 1
Κέντρο κλίσης για διάφορους τύπους στήριξης ελατηρίων
Πηγή: 1
Πίνακας 3
Ύψος κέντρου κλίσης αναρτήσεων βαρέων οχημάτων (τυπικό φάσμα τιμών) Τύπος ανάρτησης Εύρος τιμών κέντρου εκτροπής (cm)
Εμπρόσθια ανάρτηση 22 - 50
Ανάρτηση αέρος 60 - 75
Ανάρτηση ημιελλειπτικών ελατηρίων 60 - 80
Ανάρτηση με δοκό ισοστάθμισης 55 - 60
Ανάρτηση μονού άξονα 65 - 70
Πηγή: 1
13
1.6 Ακαμψία κλίσης (Roll stiffness)
Η ακαμψία κλίσης είναι το μέτρο αντίστασης της ανάρτησης στη ροπή.
Καθώς το σώμα του οχήματος δεν παραμένει σταθερό αλλά ταλαντώνεται οι αναρτήσεις παραμορφώνονται για να προβάλλουν μια δυναμική αντίσταση. Αυτή η ροπή αντίστασης στην πλάγια εκτροπή εξαρτάται από τις αποστάσεις μεταξύ των αναρτήσεων, από βοηθητικούς μηχανισμούς όπως οι ζυγαριές και από μεγέθη όπως η ακαμψία των αναρτήσεων, και το κέντρο κλίσης. Από την παρακάτω εξίσωση αντιλαμβανόμαστε ότι η ακαμψία κλίσης (εκτροπής) είναι η ροπής επαναφοράς του οχήματος στην αρχική του θέση ανά βαθμό γωνιακής εκτροπής.
=
η κατακόρυφη ακαμψία της ανάρτησης=
η πλευρική απόσταση των αναρτήσεων=
η ακαμψία κλίσης βοηθητικών στοιχείων όπως ζυγαριές, βραχίονες κλπ.Εικόνα 2
Παραμόρφωση ελατηρίων κατά την πλευρική εκτροπή του οχήματος
Πηγή:2
14
1.7 Συντελεστής εκτροπής κατεύθυνσης σταθερών αξόνων (Roll steer coefficient)
Οι σταθεροί άξονες υπόκεινται σε μια ελαφρά εκτροπή ως αντιστάθμισμα στην πλευρική κλίση του οχήματος. Για παράδειγμα στις περισσότερες των περιπτώσεων όταν η ανάρτηση μιας συρόμενης καρότσας την αναγκάζει να γύρει προς τα δεξιά σαν αντίδραση η δεξιά πλευρά του σταθερού άξονα θα μετατοπιστεί λίγο προς τα πίσω ενώ η αριστερή πλευρά προς τα εμπρός. Αυτή η ακούσια συμπεριφορά του σταθερού άξονα δημιουργείται από τις δυνάμεις που ασκούνται από την ανάρτηση και τα ελαστικά του οχήματος2.
Εικόνα 3
Σχηματική απεικόνιση συντελεστή εκτροπής
Πηγή: 3
Για να ποσοτικοποιήσουμε αυτό το φαινόμενο εισάγουμε την έννοια του συντελεστή εκτροπής κατεύθυνσης ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της οριζόντιας γωνιακής εκτροπής του άξονα προς την κάθετη γωνιακή εκτροπή του. Καθώς λοιπόν το όχημα παίρνει μία στροφή η μια άκρη του άξονα μετατοπίζεται προς τα εμπρός ενώ η άλλη προς τα πίσω. Η εκτροπή του σταθερού άξονα μπορεί να επηρεάσει σε σημαντικό βαθμό την συμπεριφορά του οχήματος ειδικά σε στροφές. Ένας θετικός συντελεστής κλίσης σημαίνει ότι ο άξονας θα κατευθυνθεί προς το έξω μέρος της στροφής. Ένας αρνητικός συντελεστής ο άξονας μετακινείται προς το μέσα τμήμα της στροφής.
2 http://www.transport.wa.gov.au/mediaFiles/LBU_R_AirSuspensionMCVehiclesSt1.pdf, (p12)
15 Στον Πίνακα 4 καταγράφονται οι τιμές των συντελεστών εκτροπής των διαφόρων τύπων αναρτήσεων.
Πίνακας 4
Συντελεστές εκτροπής κατεύθυνσης σταθερών αξόνων βαρέων οχημάτων (τυπικό φάσμα τιμών)
Τύπος ανάρτησης Εύρος τιμών συντελεστή εκτροπής (deg απόκλισης σταθερών αξόνων/deg πλευρικής εκτροπής)
Ανάρτηση αέρος 0,01-0,23
Ανάρτηση 4 ημιελλειπτικών ελατηρίων -0,04-0,23
Ανάρτηση με δοκό ισοστάθμισης 0,16-0,21
Ανάρτηση μονού άξονα 0-0,07
Πηγή: 1
1.8 Συντελεστής συμμόρφωσης κατεύθυνσης σταθερών αξόνων (compliance steer coefficient)
Οι σταθεροί άξονες μπορούν επίσης να εκτραπούν ελαφρώς εξαιτίας των παραμορφώσεων των αναρτήσεων. Οι δυνάμεις πέδησης, οι πλευρικές δυνάμεις και οι ροπές των ελαστικών που αναπτύσσονται στην επαφή τους με το οδόστρωμα παράγουν μεγάλες δυνάμεις οι οποίες πρέπει να αντιμετωπισθούν από τις αναρτήσεις.
Σαν αποτέλεσμα τα συνεμπλόκ, ακόμα και τα ατσάλινα μέρη (βραχίονες κλπ) των αναρτήσεων μπορούν να παραμορφωθούν σε μικρό βαθμό ο οποίος όμως είναι αρκετός να θέσουν τους άξονες υπό γωνία ακόμα και σε ευθύγραμμη πορεία.
1.9 Όριο ανατροπής (Rollover threshold)
Η μέγιστη πλευρική επιτάχυνση που μπορεί να αναπτυχθεί επάνω στο όχημα χωρίς αυτό να ντεραπάρει λέγεται όριο ανατροπής. Στην εικόνα 5 σημειώνουμε όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν αυτό το μέγεθος. Η πλευρική επιτάχυνση η οποία ασκείται στο κέντρο βάρους του οχήματος δημιουργεί μία ροπή ανατροπής γύρω από το κέντρο κλίσης της ανάρτησης αναγκάζοντας την να αλλάξει θέση και ενώ ήταν παράλληλη προς το έδαφος να τοποθετηθεί υπό γωνία ως προ αυτό. Φυσικά αυτή η κίνηση επηρεάζει το όχημα συνολικά αναγκάζοντας το να κλίνει προς τη μία ή προς την άλλη πλευρά. Αυτή η γωνία κλίσης που δημιουργείται και η οποία έχει άμεση σχέση με την ακαμψία της ανάρτησης αναγκάζει το κέντρο βάρους του οχήματος να ανασηκωθεί από τη θέση του. Η σταθερότητα του οχήματος εξαρτάται από δύο ροπές που προκαλούνται από:
1. Την πλευρική επιτάχυνση στο κέντρο βάρους. Η απόσταση που χρησιμοποιούμε για τον υπολογισμό της ροπής είναι αυτή του κέντρου βάρους του οχήματος από το έδαφος.
2. Την επιτάχυνση βαρύτητας στο κέντρο βάρους του οχήματος. Επειδή το κέντρο βάρους μετατοπίζεται από το σημείο ισορροπίας του αναπτύσσεται μια δύναμη για να το επαναφέρει στην αρχική του θέση. Η απόσταση που
16 χρησιμοποιούμε για τον υπολογισμό της ροπής σημειώνεται στην εικόνα ως απόσταση κέντρου βάρους από κέντρο πλάτους οχήματος.3
Για την εξισορρόπηση των άνωθεν ροπών αναπτύσσεται μια αντίθετη ροπή με μεταφορά κάθετων δυνάμεων από τα εσωτερικά ελαστικά προς στα εξωτερικά.
Βραχίονας της συγκεκριμένης ροπής θεωρείται το πλάτος του οχήματος. Ως πλάτος του οχήματος ορίζεται η απόσταση από τα κέντρα των ελαστικών εκατέρωθεν του άξονα. Το πλάτος παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην σταθερότητα του οχήματος επειδή επηρεάζει θετικά τη ροπή αντίδρασης. Μεγάλο πλάτος συνεπάγεται και καλύτερη σταθερότητα οχήματος. Μονάδες μέτρησης του ορίου ανατροπής είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας g. Στον Πίνακα 5 καταγράφουμε τα τυπικά ύψη του κέντρου βάρους για κάθε είδος οχήματος όπως και τη μέγιστες πλευρικές επιταχύνσεις που μπορούν να δεχτούν χωρίς να ανατραπούν.
Εικόνα 4
Σχηματική απεικόνιση παραμέτρων που προκαλούν αστάθεια σε όχημα βαρέου τύπου
Πηγή: 4
3 http://www.transport.wa.gov.au/mediaFiles/LBU_R_AirSuspensionMCVehiclesSt1.pdf, (σελ. 13).
17 Πίνακας 5
Όριο ανατροπής για διάφορους τύπους οχημάτων
Τύπος οχήματος Ύψος κέντρου βάρους (cm) Όριο ανατροπής (Πλευρικό φορτίο g)
Σπόρ αυτοκίνητο 45-50 1.2-1.7
Μέσο οικογενειακό αυτοκίνητο 50-58 1.1-1.5
Αυτοκίνητο μεγάλου κυβισμού 20-61 1.2-1.6
Επαγγελματικό αυτοκίνητο 76-89 0.9-1.1
Μικρό λεωφορείο 76-102 0.8-1.1
Φορτηγό μεσαίας κατηγορίας 114-140 0.6-0.8
Φορτηγό 152-216 0.4-0.6
Πηγή: 2
18
2 ΗΜΙΕΛΛΕΙΠΤΙΚΑ ΕΛΑΤΗΡΙΑ
2.1 Αρχή λειτουργίας ημιελλειπτικών ελατηρίων
Η ανάρτηση δεν είναι τίποτε άλλο από ένας μηχανισμός στήριξης του οχήματος επάνω στους άξονες που προσφέρει επιπλέον και τις απαιτούμενες αποσβέσεις κραδασμών. Το ερώτημα που ανακύπτει άμεσα όμως είναι: Ποιος όμως είναι ο αποδοτικότερος τρόπος στήριξης; Στην περίπτωση των ημιελλειπτικών ελατηρίων η απάντηση έχει βρεθεί ήδη από την εποχή των ιππήλατων οχημάτων. Πως όμως καταλήξαμε εκεί;
Ας πάμε στην εικόνα 5 όπου εμφανίζονται τρεις πρόβολοι διαφορετικών μορφών. Ο πρώτος πρόβολος έχει ορθογώνιο σχήμα, ο δεύτερος τριγωνικό και ο τρίτος τραπεζοειδές. Κάθε ένας από αυτούς έχει διαφορετική συμπεριφορά υπό φόρτιση εξαιτίας του σχήματός του όπως θα εξηγήσουμε και παρακάτω.
Ο ορθογώνιος δοκός (εικόνα 5α) έχει σταθερό πάχος σε όλο το μήκος L. Το πλάτος είναι επίσης σταθερό και ίσο με b. Υπό την επίδραση της δύναμης F η τάση είναι μεγαλύτερη στο σημείο της πάκτωσης και μειώνεται σταδιακά μέχρι να μηδενιστεί στο σημείο εφαρμογής. Παρόλο που αυτή η μορφή είναι η ευκολότερη και φθηνότερη στην κατασκευή χρησιμοποιεί το υλικό με μη αποδοτικό τρόπο και επομένως δεν χρησιμοποιείται τόσο συχνά.
Ο δοκός με σχήμα ισοσκελούς τριγώνου (εικόνα 5β) έχει επίσης σταθερό πάχος σε όλο το μήκος L. Το πλάτος μειώνεται από b στο σημείο πάκτωσης σε 0 στο σημείο εφαρμογής της δύναμης. Υπό την δύναμη F η τάση είναι όμοια σε όλο το μήκος της δοκού. Η συγκεκριμένη μορφή στήριξης είναι και η αποδοτικότερη σε υλικό όσο και σε ομοιόμορφη κατανομή των τάσεων.
Ωστόσο έχει θεωρητική μόνο αξία καθώς δεν μπορούμε να στηρίξουμε ένα βάρος κάθετα στην αιχμή της δοκού στο σημείο 0 που δεν έχει ούτε εύρος ούτε μήκος. Αν και το τριγωνικό σχήμα έχει τα μειονεκτήματα που περιγράψαμε παραπάνω έχει το μεγάλο πλεονέκτημα της ελαφρότερης κατασκευής. Γι αυτό κρίνεται αναγκαία η τροποποίηση του.
Ο δοκός τραπεζοειδούς σχήματος (εικόνα 5γ) έχει σταθερό πάχος σε όλο το μήκος L. Το πλάτος μειώνεται από το σημείο πάκτωσης ως το σημείο εφαρμογής δίνοντας σε αυτό το σημείο επαρκή χώρο για την άσκηση της δύναμης. Υπό τη δύναμη F η τάση είναι μεγαλύτερη στο σημείο πάκτωσης και μικρότερη αλλά υπαρκτή στο σημείο εφαρμογής.
Μέχρι τώρα η περιγραφή μας αφορά δοκούς με ένα σημείο στήριξης. Είναι όμως εφικτό να χρησιμοποιήσουμε δύο βάσεις στήριξης έτσι ώστε να διαμοιράζεται η εφαρμοζόμενη δύναμη. Έτσι λοιπόν για να έχουμε ακόμα πιο αποτελεσματική στήριξη μπορούμε να ενώσουμε στις βάσεις τους τις δοκούς οι οποίες θα πάρουν την μορφή της εικόνας 6.
Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών των στηρίξεων είναι όμοια με αυτά που περιγράψαμε και για τις μονές στηρίξεις. Εμείς προκειμένου να καταλήξουμε στην τελική μορφή του ελατηρίου που χρησιμοποιούν τα οχήματα θα επικεντρωθούμε στο σχήμα της εικόνας 6γ που αντιστοιχεί στο τραπεζοειδές ελατήριο.
19 Εικόνα 6
Αμφιέρειστη στήριξη
Πηγή: 5 Πηγή:6
Ο πιο πρακτικός δοκός στήριξης του οχήματος έχει όπως αποδείξαμε τραπεζοειδές σχήμα. Το συγκεκριμένο σχήμα όπως και το θεωρητικό τριγωνοειδές ενέχουν όμως ένα μεγάλο μειονέκτημα. Το πλάτος b μπορεί να είναι τόσο μεγάλο ώστε να κάνει δύσκολη την εγκατάστασή του δοκού-ελατηρίου κάτω από τα περιορισμένα όρια του οχήματος. Προβαίνουμε λοιπόν στο παρακάτω μετασχηματισμό που όπως αποδείχθηκε πειραματικά εμπεριέχει όλες τις ιδιότητες του τραπεζοειδούς ελατηρίου με το επιπλέον πλεονέκτημα της μικρής επιφάνειας.
1. Διαχωρίζουμε το ελατήριο σε δύο ίσα μέρη με μία κεντρική ευθεία (CC΄) όπως φαίνεται και από την εικόνα 7α.
2. Διαιρούμε καθ’ ένα από τα ημίσεια μέρη σε κατάλληλο αριθμό λωρίδων ίσου πλάτους. Κάθε λωρίδα θα έχει το μισό πλάτος από αυτό που ορίζει ο περιορισμός του κατασκευαστή για την χωροταξία του ελατηρίου. Αριθμούμε τις λωρίδες όπως δείχνει η εικόνα7α και 7β αρχίζοντας από τις δύο εξωτερικές πλευρές κινούμενοι προς το εσωτερικό 1,1 και 2,2 …..6,6.
3. Ενώνουμε όλα τα όμοια ζεύγη λωρίδων. Έτσι πρώτα ξεχωρίζουμε το ενιαίο πλέον φύλλο 1,1 επάνω του στοιβάζουμε το ενιαίο φύλλο 2,2. Επάνω από το 2,2 στοιβάζουμε το 3,3 κοκ. Με αυτόν τον τρόπο σχηματίζουμε το ολοκληρωμένο ελατήριο όπως φαίνεται στην εικόνα 7γ.4
4 Mechanical springs, A.A.D. Brown, Oxford University Press, σελ 17, 1981.
Είκονα 5
Μονόπλευρη πάκτωση
20 Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ένα ελατήριο το οποίο έχει τα ίδια φυσικά χαρακτηριστικά με το τραπεζοειδές ελατήριο της θεωρίας. Αυτή η μορφή ελατηρίου έχει το συγκριτικό πλεονέκτημα της μικρής κατάληψης χώρου που είναι απαραίτητος στην αυτοκίνηση.
Εικόνα 7
Μετατροπή μονού τραπεζοειδούς ελατηρίου σε ελατήριο πολλαπλών ελασμάτων
Πηγή: 7
2.2 Γενική περιγραφή ημιελλειπτικών ελατηρίων και εξαρτημάτων
Τα ημιελλειπτικά ελατήρια ή σούστες τοποθετούνται πάνω από τον άξονα και πιο σπάνια κάτω απ’αύτον. Ένα φύλλο σούστας είναι μία ημιελλειπτική λάμα σιδήρου κατάλληλα σκληρυμένη με μια τρύπα στο κέντρο, σπανιότερα δε παράκεντρα. Ένα σετ σούστας αποτελείται από διαδοχικές στρώσεις παρόμοιων φύλλων που τοποθετούνται κάτω από το κύριο 1ο φύλλο και των οποίων το μήκος μειώνεται σταδιακά.
Μια τυπική σύνδεση ημιελλειπτικών ελατηρίων εμφανίζεται στην εικόνα 8 Το κύριο φύλλο που καλείται αλλιώς και μάνα σχηματίζει ένα ή δύο βρόγχους στις άκριες του. Ο βρόγχος αυτός ονομάζεται μάτι ή καρύδι. Το δεύτερο φύλλο τοποθετείται κάτω από την μάνα -γνωστό και ως παραμάνα- την «αγκαλιάζει» ώστε να την υποστηρίξει καλυτέρα.
21 Εικόνα 8
Δείγμα σύνδεσης ημιελλειπτικού ελατηρίου
Πηγή: 8
Μέσα στο καρύδι της μάνας είναι προσαρμοσμένα μπρούτζινα δαχτυλίδια ή ελαστικά κουζινέτα. Η σύνδεση της σούστας με το σασί από το εμπρόσθιο μέρος γίνεται με ένα σταθερό μπρακέτο. Ένας πίρος διέρχεται μέσα από το δαχτυλίδι της μάνας και το σταθερό μπρακέτο του σασιού ενώνοντας τα δύο αυτά εξαρτήματα. Στο πίσω μάτι της σούστας περνάει ένας ειδικός σύνδεσμος (σκουλαρίκι ή κρίκος) ο οποίος επιτρέπει στη σούστα να έχει μια σχετική ελευθερία κινήσεων επειδή με το φόρτωμα του οχήματος χάνεται η παραβολικότητα και μεγαλώνει το μήκος της. Οι δύο πίροι του σκουλαρικιού φέρουν εξωτερικά κουζινέτα για τη μείωση των τριβών και του θορύβου. Όταν ένας τροχός προσκρούει σε μια ανωμαλία του δρόμου τα ελατήρια παραμορφώνονται και δημιουργούνται αυξομειώσεις στο μήκος τους. Το σκουλαρίκι επιτρέπει την αύξηση του μήκους της σούστας με την μετατόπιση του κάτω άκρου του.
Ένα ακόμα συστατικό στοιχείο της σούστας είναι η επιδεσμίδα (ζυγκάκι). Σε κάποια από τα μικρότερα φύλλα της σούστας τοποθετούμε ζυγκάκια τα οποία κρατούν τη σούστα δεμένη. Ο κύριος σκοπός τους είναι να υποστηρίζουν το κύριο φύλλο (μάνα) όταν ο άξονας πέφτει σε μια τρύπα ή όταν το σασί συνεχίζει να ανυψώνεται καθώς περνάει από ένα εξόγκωμα του δρόμου. Χωρίς αυτά τα εξαρτήματα η μάνα θα ήταν αναγκασμένη αν σηκώσει όλο το βάρος των αξόνων και
22 ένα πολύ μεγάλο φορτίο κάμψης θα εφαρμόζονταν στην περιοχή που βρίσκεται οριακά εκτός της επαφή της με τον άξονα. Τα ζυγκάκια επίσης κρατούν τα φύλλα της σούστας ευθυγραμμισμένα και τα αποτρέπουν από το να λοξεύσουν.
Η συγκράτηση όλων των φύλλων της σούστας μεταξύ τους γίνεται από ένα μπουλόνι το οποίο περνάει μέσα από όλες τις τρύπες των επιμέρους φύλλων και τα συσφίγγει. Το κεφάλι του μπουλονιού προσαρμόζεται σε μια υποδοχή που έχει ο άξονας. Εάν για κάποιο λόγο αυτό το μπουλόνι κοπεί τότε τα φύλλα θα μετατοπιστούν και η μάνα θα χάσει το κεντράρισμα της σε σχέση με τον άξονα. Έτσι ενώ ο άξονας που δεν έχει πρόβλημα θα κινείται κανονικά ο άλλος θα λοξεύσει μη επιτρέποντας την ευθύγραμμη πορεία. Η σούστα συνδέεται στον άξονα με την χρήση ζυγκιών. Ουσιαστικά οι αμφιδέτες πακτώνουν τα ελατήρια επάνω στον άξονα γι’αυτό η σφιχτή σύσφιξή τους είναι απαραίτητη.
2.3 Τρόπος λειτουργίας ημιελλειπτικών ελατηρίων
Ποιος όμως είναι ο λόγος που χρησιμοποιούμε έναν αριθμό φύλλων σούστας τα οποία συσφίγγουμε και όχι ένα μονοκόμματο κομμάτι μετάλλου κομμένο στο ίδιο σχήμα; Ο λόγος είναι απλός. Καθώς το φορτίο πιέζει τη σούστα αυτή αρχίζει να παραμορφώνεται. Αυτή η παραμόρφωση εξαναγκάζει κάθε ξεχωριστό φύλλο σε κάμψη. Επειδή όμως αυτά τα φύλλα είναι σφιχτά δεμένα μεταξύ τους κάθε κίνηση η όποια λαμβάνει μέρος πρέπει πρώτα να υπερνικήσει την τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ των επιφανειών τους. Αυτή λοιπόν η τριβή λειτουργεί σαν αποσβεστήρας ταλαντώσεων.
2.4 Απαιτούμενα χαρακτηριστικά ημιελλειπτικών ελατηρίων
Κάθε σύστημα ανάρτησης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν ελαφρύτερο. Ο ίδιος κανόνας ισχύει και στην περίπτωση ανάρτησης με ημιελλειπτικά ελατήρια. Από τη δυναμική οχημάτων γνωρίζουμε ότι το βάρος της μη αναρτώμενης μάζας επηρεάζει άμεσα την κατανάλωση καυσίμων. Κάθε μείωση του συγκεκριμένου βάρους μειώνει την κατανάλωση και αυξάνει την αποδοτικότητα των καυσίμων.
Είναι αυτός ο λόγος που κάθε προσπάθεια για μείωση βάρους στοχεύει σε μέρη όπως οι αναρτήσεις και οι άξονες.
Η ενέργεια που απορροφάται από ένα ημιελλειπτικό ελατήριο αποθηκεύεται με τη μορφή ελαστικής ενέργειας παραμορφώσεως η οποία ισούται με το έργο που καταβάλλεται από ένα εξωτερικό φορτίο για να λυγίσει αυτό το ελατήριο. Το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται μια σούστα θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες ελαστικής ενέργειας.
Η ενέργεια που απορροφάται θα πρέπει να διαχέεται όσο το δυνατόν γρηγορότερα έτσι ώστε το σύστημα να σταματήσει να ταλαντώνεται μετά την αρχική διέγερση. Ο βαθμός απελευθέρωσης της ενέργειας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά απόσβεσης που ενέχει το υλικό κατασκευής της σούστας. Εάν όμως η απόσβεση που προσφέρει η σούστα δεν είναι επαρκής θα πρέπει να εγκαταστήσουμε επιπρόσθετους μηχανισμούς ανάρτησης όπως αμορτισέρ.
Εφόσον η σούστα υπόκειται σε καταπόνηση το υλικό από το οποίο θα είναι κατασκευασμένη θα πρέπει να έχει καλές ιδιότητες αντοχής σε κόπωση.
