Opruge i elastični elementi sistema za oslanjanje

Opruge i drugi elastični elementi imaju važnu ulogu u sistemu za oslanjanje motornih vozila. Oni omogućavaju relativno pomeranje točkova u odnosu na karoseriju, prihvataju opterećenje i ublažavaju posledice neravnina na putu.

Kada točak naiđe na izbočinu, elastični element se deformiše i omogućava da se točak pomeri u odnosu na karoseriju. Energija se pri tome privremeno skladišti u elastičnom elementu, a nakon prestanka delovanja sile element teži da se vrati u prvobitni položaj.

U zavisnosti od konstrukcije vozila, kao elastični elementi koriste se spiralne i lisnate opruge, torzione šipke, vazdušne opruge i različiti gumeni ili hidropneumatski elementi.

1. Zašto su opruge potrebne?

Kada bi točkovi bili potpuno kruto povezani sa karoserijom, udarci sa neravnina puta neposredno bi se prenosili na karoseriju i putnike. Elastični elementi omogućavaju da se deo tog pomeranja prihvati kroz kontrolisanu deformaciju opruge.

Osnovni zadaci opruga u sistemu za oslanjanje su:

• Podržavanje mase vozila: opruga nosi deo opterećenja koje preko oslanjanja deluje između karoserije i točkova.
• Omogućavanje relativnog pomeranja: točak može da se pomera u odnosu na karoseriju kada naiđe na neravninu ili udubljenje.
• Ublažavanje udara: elastična deformacija smanjuje naglost prenosa opterećenja na karoseriju.
• Održavanje kontakta sa podlogom: zajedno sa ostalim elementima oslanjanja opruga pomaže točku da prati neravnine puta.
• Prilagođavanje promenama opterećenja: opruga se deformiše u skladu sa silom koja deluje na nju, u granicama predviđenim konstrukcijom.

Opruga sama po sebi ne zaustavlja oscilovanje vozila. Pošto skladišti i oslobađa elastičnu energiju, može da izazove ponovljeno oscilovanje karoserije. Zato se u sistemu za oslanjanje koristi i amortizer, koji prigušuje oscilacije. Njegova funkcija detaljnije je objašnjena u lekciji Amortizeri i stabilizatori.

2. Šta znači da je element elastičan?

Elastičnost je osobina tela ili materijala da se nakon prestanka delovanja sile vrati u prvobitni oblik, pod uslovom da deformacija nije prešla granicu nakon koje nastaje trajna promena oblika.

Na primer, kada se opruga pritisne, njena dužina se smanjuje. Kada se sila ukloni, opruga teži da se vrati na prvobitnu dužinu. Pri tome razvija silu koja se suprotstavlja deformaciji.

U praksi opruga ne sme biti opterećena iznad granica za koje je projektovana. Prekomerno sabijanje, istezanje, uvijanje ili zamor materijala mogu dovesti do trajne deformacije ili loma.

2.1. Sila i deformacija opruge

Za idealnu linearnu oprugu, u radnom području važi Hukov zakon:

F = k · s

• F — sila koja deluje na oprugu, izražena u njutnima (N);
• k — krutost opruge, odnosno sila potrebna za jedinicu deformacije;
• s — deformacija opruge, izražena u metrima (m) ili milimetrima (mm), u skladu sa jedinicom krutosti.

Ako krutost izrazimo u N/mm, a deformaciju u milimetrima, dobijamo silu u njutnima.

Primer proračuna

Pretpostavimo da idealna linearna opruga ima krutost od 25 N/mm i da se sabije za 40 mm. Kolika je sila koju opruga razvija?

Rešenje:

F = k · s = 25 N/mm · 40 mm = 1000 N

Dakle, prema ovom pojednostavljenom modelu, pri sabijanju od 40 mm opruga razvija silu od 1000 N. Ovo je primer za idealnu linearnu oprugu; stvarne opruge mogu imati nelinearne karakteristike, a opterećenje u sistemu vozila zavisi i od geometrije oslanjanja.

3. Spiralne opruge

Spiralna opruga izrađena je od opružnog čelika oblikovanog u spiralu. U sistemima za oslanjanje najčešće radi na sabijanje i izvlačenje. Kada se točak pomeri u odnosu na karoseriju, opruga menja svoju dužinu i razvija silu koja se suprotstavlja deformaciji.

Spiralna opruga može da bude postavljena oko amortizera, kao deo opružne noge, ili odvojeno od amortizera, zavisno od konstrukcije oslanjanja.

Prednosti spiralnih opruga

• Relativno su kompaktne i mogu se postaviti u različitim položajima.
• Mogu obezbediti odgovarajuću udobnost i karakteristike elastičnosti.
• Njihova krutost može se prilagođavati izborom prečnika žice, prečnika spirale, broja aktivnih namotaja i osobina materijala.

Nedostaci i ograničenja

• Spiralna opruga sama po sebi ne vodi točak; za to su potrebne poluge, zglobovi ili drugi elementi oslanjanja.
• Pri velikom opterećenju može se previše sabiti ako sistem nije pravilno dimenzionisan ili ako ne postoji odgovarajuće ograničenje hoda.
• Korozija, zamor materijala ili preopterećenje mogu dovesti do pucanja opruge.

Spiralne opruge su veoma rasprostranjene na putničkim automobilima, uključujući vozila sa Mekfersonovim oslanjanjem i oslanjanjem sa dvostrukim poprečnim ramenima.

4. Lisnate opruge

Lisnata opruga sastoji se od jednog ili više elastičnih čeličnih listova. Kod višelisne opruge listovi su složeni jedan preko drugog, najčešće različitih dužina, i međusobno povezani odgovarajućim pričvršćenjima.

Kada se osovina ili točak pomeri u odnosu na karoseriju, listovi se elastično savijaju. Njihov oblik i raspored određuju krutost i ponašanje opruge pod opterećenjem.

Kako je lisnata opruga pričvršćena?

U čestoj izvedbi jedan kraj glavnog lista povezan je sa nosećim delom vozila, dok je drugi preko zglobnog nosača ili klackalice (šekla) povezan tako da može da prati promenu dužine opruge tokom savijanja. Osovina se za lisnatu oprugu može pričvrstiti steznim obujmicama i odgovarajućim vijčanim vezama.

Lisnata opruga ima važnu posebnost: pored elastične funkcije, u mnogim konstrukcijama može da učestvuje i u vođenju osovine i prenošenju uzdužnih sila. Zbog toga u takvim rešenjima deo funkcija koje bi inače obavljale posebne poluge preuzima sama lisnata opruga.

Gde se koriste lisnate opruge?

Lisnate opruge često se koriste na teretnim vozilima, prikolicama, pojedinim autobusima i terenskim vozilima. Njihove karakteristike mogu se prilagoditi većim opterećenjima i zahtevima robusnosti.

Prednosti i nedostaci

• Prednosti: robusna konstrukcija, mogućnost nošenja velikih opterećenja i mogućnost da opruga istovremeno učestvuje u vođenju osovine.
• Nedostaci: veća masa u pojedinim izvedbama, trenje između listova i mogućnost manjeg komfora u odnosu na prikladno podešene druge sisteme pri određenim uslovima vožnje.

5. Torzione šipke

Torziona šipka je elastična metalna šipka koja radi na uvijanje oko svoje uzdužne ose. Jedan njen kraj pričvršćen je za noseći deo vozila, a drugi je povezan sa ramenom oslanjanja.

Kada se točak pomeri, rame obrće kraj torzione šipke. Šipka se uvija i razvija elastični moment koji se suprotstavlja obrtanju. Kada opterećenje prestane, šipka teži da se vrati u prvobitni položaj.

Kako radi torziona šipka?

1. Točak nailazi na neravninu i pomera se u odnosu na karoseriju.
2. Rame oslanjanja obrće kraj šipke.
3. Šipka se elastično uvija i razvija moment koji se suprotstavlja tom obrtanju.
4. Kada se opterećenje smanji, šipka oslobađa uskladištenu elastičnu energiju i teži da vrati rame u početni položaj.

Prednosti i primena

Torzione šipke mogu da zauzmu malo prostora u određenim pravcima i omoguće konstruktoru da opružni element smesti uzdužno ili na drugi pogodan način u odnosu na karoseriju. Koriste se u pojedinim putničkim i terenskim automobilima, kao i u nekim drugim vrstama vozila.

Krutost sistema zavisi od materijala, dimenzija šipke, njene efektivne dužine i načina na koji se moment prenosi preko ramenа. Torziona šipka sama po sebi ne prigušuje oscilacije dovoljno da bi zamenila amortizer.

6. Vazdušne opruge

Vazdušna opruga koristi sabijeni vazduh kao elastični medijum. Sastoji se od zaptivenog prostora sa vazduhom i fleksibilnog omotača ili meha koji može da menja oblik i zapreminu pod opterećenjem.

Kada se opterećenje poveća, vazduh u opruzi se sabija, pritisak raste i opruga razvija silu koja podržava vozilo. Kada se opterećenje smanji, vazduh se širi i sistem može da podigne karoseriju do odgovarajućeg položaja, ako je opremljen sistemom za regulaciju visine.

Regulisanje visine vozila

Kod sistema sa regulacijom visine, ventili, senzori i drugi upravljački elementi mogu da kontrolišu količinu vazduha u oprugama. Kompresor i rezervoar, ako su predviđeni konstrukcijom, obezbeđuju vazduh potrebnog pritiska.

Na taj način vozilo može da održava približno određenu visinu karoserije i pri promenama opterećenja. Konkretne mogućnosti zavise od sistema: nisu sve vazdušne opruge opremljene automatskim regulisanjem visine.

Gde se koriste vazdušne opruge?

Vazdušno oslanjanje često se primenjuje na autobusima i teretnim vozilima, a koristi se i na pojedinim putničkim automobilima. Moguće prednosti su udobnost, prilagođavanje različitom opterećenju i, kod odgovarajućih sistema, regulisanje visine karoserije.

Nedostaci mogu biti veća složenost sistema, viša cena, potreba za kontrolom zaptivenosti i zavisnost od dodatnih pneumatskih i upravljačkih komponenti.

7. Gumeni i hidropneumatski elastični elementi

7.1. Gumeni elastični elementi

Guma se koristi u različitim delovima sistema za oslanjanje. Gumeno-metalne čaure u zglobovima omogućavaju predviđena mala pomeranja i smanjuju prenos vibracija. Gumeni odbojnici ograničavaju hod oslanjanja i mogu ublažiti udar kada se sistem približi krajnjem položaju.

U pojedinim konstrukcijama gumeni elementi mogu imati i značajniju elastičnu ulogu. Njihove karakteristike zavise od oblika, sastava gume, temperature i opterećenja.

Važno je razlikovati gumenu čauru, čija je osnovna uloga da omogući odgovarajuće zglobno pomeranje i izolaciju vibracija, od glavne opruge koja nosi veći deo oslanjane mase vozila.

7.2. Hidropneumatski elastični elementi

Kod hidropneumatskog oslanjanja elastičnost se može ostvarivati sabijanjem gasa, dok se hidraulična tečnost koristi za prenos sile i upravljanje kretanjem elemenata sistema.

U tipičnom gasnom elementu gas i tečnost odvojeni su membranom. Kada se opterećenje poveća, tečnost ulazi u element i sabija gas. Gas se ponaša kao elastični medijum i razvija silu koja se suprotstavlja sabijanju.

Takvo rešenje omogućava drugačije karakteristike od klasične metalne opruge i može biti povezano sa sistemima za regulaciju visine vozila. Njegova konstrukcija je složenija i zahteva odgovarajuće hidraulične komponente i održavanje.

8. Poređenje elastičnih elemenata

Vrsta	Način elastičnog rada	Karakteristične osobine	Primeri primene
Spiralna opruga	Sabijanje i izvlačenje	Kompaktna, jednostavna za ugradnju u različite konstrukcije	Putnički automobili
Lisnata opruga	Savijanje čeličnih listova	Robusna; može učestvovati i u vođenju osovine	Teretna vozila, prikolice, pojedina terenska vozila
Torziona šipka	Uvijanje oko uzdužne ose	Može biti smeštena uzdužno u odnosu na karoseriju	Pojedini putnički i terenski automobili
Vazdušna opruga	Sabijanje vazduha u zaptivenom prostoru	Može se kombinovati sa regulisanjem visine	Autobusi, teretna vozila i pojedini putnički automobili
Gumeni element	Deformacija gume	Može izolovati vibracije i ograničiti hod	Zglobovi, odbojnici i pojedine posebne konstrukcije
Hidropneumatski element	Sabijanje gasa uz prenos sile hidrauličnom tečnošću	Može se povezati sa složenim sistemima regulacije	Odabrani hidropneumatski sistemi oslanjanja

9. Krutost opruge i udobnost vozila

Krutost opruge pokazuje koliko je sile potrebno da bi se ona deformisala za određenu dužinu. U slučaju linearne opruge veća krutost znači da je za isto sabijanje potrebna veća sila.

Mekša opruga se pri istoj sili više deformiše, dok se tvrđa opruga manje deformiše. Ipak, mekša opruga nije uvek najbolje rešenje: ako je previše meka za masu i namenu vozila, može doći do prevelikog hoda oslanjanja, češćeg oslanjanja na odbojnike i lošije kontrole karoserije.

Sa druge strane, previše tvrda opruga može preneti izraženije ubrzanje i udare na karoseriju pri prelasku preko neravnina. Zbog toga se krutost bira prema masi vozila, konstrukciji oslanjanja, predviđenom opterećenju i željenim voznim osobinama.

Neke opruge imaju približno linearnu karakteristiku, dok se kod drugih sila povećava brže ili sporije kako se opruga sabija. Takve opruge nazivaju se progresivnim ili nelinearnim, u zavisnosti od njihove karakteristike.

Krutost same opruge nije jedini faktor koji određuje ponašanje vozila. Važni su i geometrija oslanjanja, masa vozila, pneumatici, amortizeri, stabilizator i raspored opterećenja.

10. Opruga nije isto što i amortizer

Opruga i amortizer rade zajedno, ali imaju različite zadatke.

• Opruga elastično se deformiše, nosi deo opterećenja i skladišti energiju.
• Amortizer prigušuje oscilacije tako što pretvara deo mehaničke energije kretanja u toplotu.

Kada se točak pomeri preko neravnine, opruga se deformiše i nakon toga može da izazove oscilovanje. Amortizer ograničava trajanje i intenzitet tih oscilacija.

Ako je opruga neispravna, vozilo može biti prenisko, oslanjanje može prečesto dolaziti do krajnjeg položaja ili se mogu javiti drugi simptomi. Ako je amortizer oslabljen, karoserija može nastaviti da osciluje nakon prelaska preko neravnine. Simptomi se mogu preklapati, pa se stanje delova proverava pregledom, a ne samo na osnovu jednog znaka.

Detaljnije o prigušivanju oscilacija i ulozi stabilizatora govori sledeća lekcija: Amortizeri i stabilizatori.

11. Oštećenja i kontrola opruga

Opruge su izložene ponavljanim opterećenjima, vlazi, nečistoćama i promenama temperature. Vremenom se mogu istrošiti, korodirati ili oštetiti.

Na probleme sa oprugama mogu ukazivati:

• neobično niska visina jednog ugla vozila;
• vidljivo napukla ili polomljena opruga;
• neobični zvukovi iz oslanjanja;
• tragovi izražene korozije ili oštećenja površine;
• često dostizanje krajnjeg hoda oslanjanja pri uobičajenom opterećenju;
• kod vazdušnog oslanjanja, gubitak pritiska ili nepravilna visina vozila.

Navedeni simptomi ne znače automatski da je opruga uzrok problema. Slične pojave mogu izazvati i drugi delovi oslanjanja, nejednako opterećenje, pneumatici ili sistem regulacije visine.

Bezbednost: opruge mogu skladištiti veliku količinu elastične energije. Njihovo rastavljanje, posebno spiralnih opruga pod prednaprezanjem, mora se obavljati odgovarajućim alatom i postupkom. Nepravilno oslobađanje opruge može izazvati ozbiljne povrede.

12. Provera znanja

1. Koja je osnovna uloga opruge u sistemu za oslanjanje?
2. Zašto opruga sama po sebi ne može da zameni amortizer?
3. Na koji način radi spiralna opruga?
4. Od čega se sastoji lisnata opruga i koju dodatnu ulogu može da ima?
5. Kako radi torziona šipka?
6. Koji se medijum koristi kao elastični element kod vazdušne opruge?
7. Koja je prednost vazdušnog oslanjanja kada je ugrađena regulacija visine?
8. Koja je razlika između gumene čaure i glavne opruge?
9. Šta predstavlja krutost opruge?
10. Zašto se opruge ne smeju rastavljati bez odgovarajućeg alata?

13. Zadatak za razmišljanje

Uporedite spiralnu oprugu i lisnatu oprugu na putničkom automobilu i teretnom vozilu. Objasnite zašto se spiralna opruga često bira kada su važni prostor i udobnost, dok lisnata opruga može biti pogodna za robusnu konstrukciju koja nosi veće opterećenje.

U odgovoru obratite pažnju na način deformisanja, mogućnost vođenja osovine, masu, konstrukciju i namenu vozila. Nemojte zaključivati da je jedna vrsta opruge uvek bolja od druge — izbor zavisi od zahteva konkretnog vozila.

Povezane lekcije

• Uvod u sistem za oslanjanje
• Delovi sistema za oslanjanje
• Vrste sistema za oslanjanje
• Zavisno oslanjanje
• Nezavisno oslanjanje
• Polunezavisno oslanjanje