Торсіонна підвіска

Торсіо́нна підві́ска — підвіска транспортного засобу, пружними елементами якої є торсіони (пружні стрижні, що працюють на кручення).

Торсіон у здеформованому стані

У транспортних засобах знайшли застосування стрижневі торсіони круглого або квадратного перерізу, рідше пластинчасті — набрані з певного числа пластин пружинної сталі, що сумісно працюють на закручування.

Торсіони в автомобільних підвісках

Стабілізатори поперечної стійкості

Стабілізатор поперечної стійкості (Porsche 996 Carrera)

Стабілізатор поперечної стійкості по суті є торсіоном і призначений для створення опору зусиллям, що спричиняють крен автомобіля. Стабілізатор кріпиться своїм кінцем у вузлі маточини колеса, проходить у напрямі руху до шарнірного вузла кріплення до кузова, а далі, у поперечному напрямі до протилежного борта автомобіля, де кріпиться своїм другим кінцем дзеркально до першого. Відрізки торсіона, що є паралельними до напряму руху, працюють як важелі при роботі підвіски у вертикальному напрямі. Таке кріплення торсіона дозволяє створювати зусилля, що протидіють появі різниці ходів підвіски, тобто крену і не створює зусилля при однаковому ході підвіски з обох сторін автомобіля.

Докладніше: Стабілізатор поперечної стійкості

Торсіонна підвіска

Підвіска на поздовжніх торсіонах. Citroen (1935)

Перше застосування торсіонної підвіски відбулось у 1934 році на автомобілях Citroën Traction Avant. Чехословацькі автомобілі Tatra за проектом австрійського професора Ганса Ледвінка (Hans Ledwinka) в середині 1930-х років разом з повітряним охолодженням двигунів, розташованих у задньому відсіку кузова, використовували незалежну торсіонну підвіску.

Торсіони у підвісках можуть розташовуватись як у поздовжньому (у цьому випадку вони слугують одночасно і осями, зазвичай нижніми, поперечних важелів у паралелограмній підвісці,), так і у поперечному (у цьому випадку кожен з них може працювати як стабілізатор поперечної стійкості, з тією різницею, що торсіон з одного кінця кріпиться нерухомо, і жорстко пов'язується з кузовом чи рамою автомобіля.

Поперечно розташована закріплена на рамі торсіонна балка спортивного автомобіля 1940-их років

Підвіски з поперечним розташуванням торсіонів

Торсіони набули досить значного поширення на малолітражних автомобілях 1950-х та 1960-х років завдяки компактності та відносній простоті виготовлення. Зазвичай, на них торсіонні балки розташовувались упоперек і одним кінцем жорстко кріпились до рами а до протилежних кінців кріпились поздовжні коливні важелі, що сполучені з колесом безпосередньо або з поворотним кулаком за допомогою шкворневого вузла чи сферичних (кульових) шарнірних опор.

Такого ж типу підвіска встановлювалась на усіх моделях автомобілів «Запорожець», ЛуАЗ. і у мотоколясці . Використовувались дві торсіонні балки квадратного перерізу, поміщені у сталеві труби, що розташовані одна над одною, до кінців яких кріпились поздовжні важелі підвіски. Цей тип підвіски було розроблено німецьким інженером Фердинандом Порше і вперше використано на автомобілях «Фольксваген Жук» та ранніх моделях автомобілів марки «Porsche».

Головною перевагою такої підвіски є більша компактність в поздовжньому і вертикальному напрямках. Крім того, поперечка підвіски розташована далеко попереду осі передніх коліс, завдяки чому з'являється можливість сильно винести салон вперед, розмістивши ноги водія і переднього пасажира між арками передніх коліс, що дозволяло істотно скоротити довжину автомобіля із задньомоторним компонуванням. При цьому однак, розташований спереду багажник виявлявся досить скромним за об'ємом, саме з цих причин.

З точки зору кінематики ця підвіска не є досконалою: в ній відбуваються хоч і менші в порівнянні з одинарними подовжніми важелями, але все ж суттєві, зміни колісної бази при ходах відбою і стиснення, і так само присутня сильна зміна розвалу коліс при кренах кузова. До цього слід додати, що важелі в ній повинні сприймати великі згинальні і крутильні навантаження з боку як вертикальних, так і бічних сил, що змушує робити їх досить масивними.

Розташування торсіонів задньої підвіски легкових автомобілів Renault 1960-х — 90-х у горизонтальній площині

Схожу конструкцію мала і задня підвіска на багатьох автомобілях французького виробництва, приклади — Renault 4, Renault 5, Renault 16 , Renault 19 та ін.; ці моделі цікаві тим, що через використання двох (по одному на борт) торсіонів у них різна колісна база справа і зліва (див. рис.). Цей варіант підвіски був поширений у Франції до 1980-х і навіть 1990-х років завдяки можливості зробити гладке днище між важелями, що є важливим для автомобілів з кузовами типу «хетчбек» чи «універсал».

Крім того, на деяких автомобіля концерну Крайслер використовувався і тип підвіски, в якому в парі з подвійними поперечними важелями використовувалися поперечні торсіони, що дозволяло домогтися більшої компактності, по своєму розташуванню і принципом роботи вони були частково подібні до половини стабілізатора поперечної стійкості в звичайній підвісці, з одним з кінців прикріпленим до нижнього важеля підвіски, а другим — нерухомо закріпленим на рамі або підрамнику кузова.

Підвіски з поздовжнім розташуванням торсіонів

Підвіски з поздовжнім розташуванням торс іонів знайшли використання на багатьох автомобілях фірм Packard, Chrysler, Renault та Fiat з початку п'ятдесятих років, радянських легковиків ЗІЛ та деяких моделях французької фірми Simca, створених у співробітництві з «Крайслером». Характеризуються високою плавністю ходу, компактністю (що наприклад дозволило на «Сімці» розташувати між важелями приводи передніх коліс).

Підвіска з поздовжньо розташованими циліндричними торсіонами у передній підвісці, зазвичай, на порівняно великих і важких легкових автомобілях — таких, як «Imperial» (США, 1957-75), «Packard» 1955-56 років чи представницькі моделі ЗІЛ (−114, −117, 4104), а також і на порівняно компактних: «Fiat 130», «Renault 4», «Simca 1307», «Morris Marina», «Alfa Romeo» (Giulietta, GTV, 75).

Конструктивно такі підвіски відповідали звичайній підвісці на подвійних поперечних важелях, але замість пружин у ній використовувались торсіони, переважно сполучені з нижніми важелями, що одночасно відігравали роль їх осей («Renault 4», «Renault 5», «Renault 6», «Simca-Chrysler 1307/1308» вип. 1975 р.) або верхніми важелями (вантажний «Daimler-Benz L206/L307»), що було можливим при високому розташуванні лонжеронів у передній частині рами.

Торсіонна балка напівзалежної підвіски підвіски

У порівнянні з пружинною, торсіонна підвіска цього типу дозволяла досягнути вищої плавності ходу і керованості.

На автомобілях «Packard» спеціальні електроприводи змінювали кут закручування торсіонів, що дозволило задовго до появи гідропневматичних і пневматичних підвісок «на ходу» регулювати дорожній просвіт — для тих років це була прогресивна ідея, але вона не набула поширення через низьку надійність роботи вузла.

При тривалій експлуатації підвісок з поздовжніми торсіонами був виявлений серйозний недолік такої конструкції, пов'язаний з уразливістю до корозії низько розташованих кріплень торсіонів.

На Fiat 130 і Porsche 911 поздовжні торсіони використовувались у підвісці типу «Макферсон».

Торсіонно-важільна підвіска автомобіля (зі спряженими важелями)

Принцип роботи торсіонно-важільної підвіски

Починаючи з 1974 року, поширення набув тип напівзалежної підвіски задніх коліс з двома поздовжніми важелями, сполученими торсіонною балкою. Була розроблена одночасно фірмами Audi («Audi-50») та Volkswagen («Sirocco», «Golf»), після чого знайшла застосування у бюджетних моделях у задніх підвісках передньоприводних автомобілів. Обидві конструкції мають поздовжні важелі, сполучені поперечиною. У першому випадку поперечина має U-подібний перетин а у другому — Т-подібний з податливістю до кручення і жорсткістю при згині у вертикальному і поздовжньому напрямах. Основним пружним елементами у цього типу підвіски були виті пружини, а не торсіон.

Торсіони у підвісці бронетехніки

Торсіони підвіски танка Leopard 2

Ходова частина танка Т-40, де вперше (разом з важким танком КВ-1) у радянському танкобудуванні застосували індивідуальну торсіонну підвіску

Підвіска Пантери із розташуванням коліс у шаховому порядку

Торсіони підвісок виготовляють, зазвичай, у вигляді суцільного або порожнистого круглого стрижня. Торсіони з іншим видом перерізу поширення у бронетехніці не набули.

Для сполучення торсіона з іншими деталями на його кінцях виконуються головки, як правило, зі шліцями трикутного, трапецієвидного і рідше прямокутного профілю. У танку Pz. V «Пантера» для кріплення застосовувались головки з лисками і клиноподібний болт.

Для забезпечення достатньої міцності, головки торсіона виконуються діаметром більшим за діаметр основного стрижня, при цьому d/D = 0,6…0,8 (d — діаметр робочої частини стрижня, D — внутрішній діаметр шліців).

Зручність монтажу забезпечується різним діаметром головок (внутрішня є меншою від зовнішньої), а також отвором з різзю для знімача на зовнішньому торці торсіона. Для точнішого встановлення торсіона на потрібний кут закручування при його монтажі, а також при усуненні осадки торсіона внаслідок накопичення залишкової деформації, число зубів на головках виконують різним. У цьому випадку мінімальний кут перестановки можна визначити так:

φ_min = 360 (z₂ — z₁) / z₂•z₁,

де z₂ і z₁ — число зубів на головках торсіона.

Наприклад, мінімальний кут перестановки для торсіона танка Panzer III з числом зубів на головках 45 і 44 буде становити приблизно 0,18º; для торсіона танка Т-72 з числом зубів 52 і 48 — приблизно 0,58º. У випадку ж однакового числа зубів на головках, точне регулювання потрібного кута закручування торсіона практично неможлива. Так для танка (L6/40) з числом зубів 40 на кожній головці кут перестановки торсіона становить 9º. Кріплення торсіонів, виконане по типу танка Pz.V «Пантера», взагалі виключає можливість регулювання підвіски у процесі експлуатації.

Розрахункові залежності

Дотичні напруження ${\displaystyle \tau _{r}}$, що виникають в умовах кручення, визначаються за формулою:

${\displaystyle \tau _{r}={T\cdot r \over J_{0}}}$,

де r — відстань до осі кручення;

T — крутний момент;

J₀ — геометричний полярний момент інерції.

Очевидно, що дотичні напруження досягають найбільшого значення на поверхні вала при ${\displaystyle r_{max}=R}$ та при максимальному крутному моменту ${\displaystyle T_{max}}$, тобто

${\displaystyle \tau _{max}={T_{max}R \over J_{0}}={\frac {T_{max}}{W_{p}}}}$,

де W_p — (полярний момент опору).

Це дає змогу записати умову міцності при крученні в такому вигляді:

${\displaystyle \tau _{max}={\frac {T_{max}}{W_{p}}}\leq [\tau ]}$.

Використовуючи цю умову, можна або за відомими силовими факторами, що створюють крутний момент Т, знайти полярний момент опору і далі, залежно від тієї чи іншої форми, розміри перерізу, або навпаки — знаючи розміри перерізу, обчислити найбільшу величину крутного моменту, яку можна допустити в перерізі, що у свою чергу, дозволить знайти допустимі величини зовнішніх навантажень.

Технологія виготовлення торсіонів для підвісок

Торсіони виготовляють з хромистих або хромо-кремнистих сталей із вмістом вуглецю 0,45-0,65%, хрому 1-1,5%, з додаванням ванадію, ніклею, молібдена та інших легуючих елементів. Легована сталь (45ХНМФА), що використовується для виготовлення торсіонів, має високу пружність та міцність в умовах втоми.

Термічне оброблення хромистих сталей складається зазвичай з гартування за температури 800–860 ºС з наступним відпуском за температури 400–500 ºС. Для підвищення міцності при втомі впадини шліців обробляють накочуванням роликами. Робоча поверхня стрижня піддається дробоструминній обробці або накочуванню роликами, що створює зміцнений поверхневий шар і значно підвищує міцність в у мовах втоми.

Для підвищення динамічних властивостей, навантаження, що сприймається і максимального кута закручення торсіон піддають заневолюванню. Ця технологічна операція є останньою серед операцій механічної та термічної обробки. Операція заневолювання полягає в закрученні гарячого торсіона за межу його пружного стану та витримуванні в такому стані деякий час. При цьому в поверхневих шарах виникають пластичні деформації, а в серцевині пружні. Після розвантаження торсіона серцевина, прагнучи звільнитися від напружень і повернутися в початковий стан, зазнає опору з боку пластично деформованого поверхневого шару. Залишкові напруги, отримані при заневолюванні, дозволяють підвищити робоче навантаження і кут закрутки торсіона в експлуатації. У деяких випадках, як це робиться для торсіонів Т-72, торсіон піддається подвійному заневолюванню.

Робоча закрутка заневолених торсіонів повинна збігатись з напрямом закрутки при заневоленні. Тому заневолені торсіони лівого і правого бортів не є взаємозамінними і відповідним чином маркуються (зазвичай на торці торсіона буквами «Л» чи «L» і «П» чи «R»). Для запобігання поломки торсіонів в результаті механічних пошкоджень або корозії робочої поверхні вала його після остаточної механічної і термічної обробки покривають спеціальним лаком, а іноді і прогумованою тканиною (M46) або ізоляційною стрічкою (Т-64, Т-72).

Див. також

• Пружина
• Ресора
• Підвіска макферсон

Примітки

1. ДСТУ 2947-94 Автотранспортні засоби. Підвіски автомобілів. Терміни та визначення.
2. «Torsion Bars Support Car Without Springs» Popular Mechanics, October 1934 Кресленик підвіски Citroen Traction Avant
3. Раймпель Й., 1983. С. 73, С. 128–129.
4. Раймпель Й., 1983. — С. 215–218.
5. Раймпель Й., 1983. — С. 265–273

Джерела

• Раймпель Й. Шасси автомобиля./ Сокр. пер. 1 тома 4-го нем. изд В. П. Агапова; Под ред. И. Н. Зверева. — М.: Машиностроение, 1983.  — 536 с.
• Раймпель Й. Шасси автомобиля: Элементы подвески. (Fahrwerktechnik: Federung Fahrwerkmechanik). / Перевод с нем. А. Л. Карпухина. Под ред. Г. Г. Гридасова. — М.: Машиностроение, 1987. — 288 с.

Посилання

• на «Autoexpert»
• на «Autoexpert»
• Василий Чобиток Ходовая часть танков. Подвеска. (рос.)