Zrozumienie sprężyn zawieszenia i ich konstrukcji w Jeepach (i dlaczego używamy Dual Rate w zawieszeniach Jeep) – biała księga na temat cewek…
Schemat przedstawia trzy rodzaje sprężyn powszechnie stosowanych w branży offroad, a dokładnie montowanych w Jeep Wrangler. Dołożymy wszelkich starań, aby opisać każdy z nich w kolejnych postach. Uważamy, że ważne jest, aby opisać sprężyny o liniowej charakterystyce i ich wady przed omówieniem sprężyn progresywnych i podwójnych. Zamierzamy podać konkretne wartości współczynnika sprężyny, obciążenia na wysokości jazdy itp. wyłącznie w celach dyskusyjnych.
Nie są to rzeczywiste liczby, ponieważ większość producentów ma własne wartości sprężyn i obciążenia, które ich zdaniem są idealne dla wysokiej jakości jazdy lub są dostrojone do ich konkretnych systemów (podobnie jak MetalCloak). Wszystkie liczby są tylko przykładami.
Sprężyny o budowie liniowej
Standardowe sprężyny są sprężynami o liniowej charakterystyce. Wielu większych producentów zawieszeń stosuje sprężyny liniowe. Sprężyny liniowe kosztują mniej, są prostsze w projektowaniu, łatwiejsze do sprawdzenia i zapewniają dość stałą wysokość jazdy.
Niestety nie nadają się one do zawieszeń o długim skoku (liftów) z następującego powodu. Aby to wyjaśnić, posłużę się przykładem.
Załóżmy, że przednia sprężyna po stronie kierowcy w JK musi utrzymać obciążenie 270kg by utrzymać lift.
Przyjmijmy, że sprężyna musi skompresować się do długości 10″ na tak zwaną „Ride height” czyli utrzymaną docelową wysokość podczas jazdy, dla danego podniesionego JK. (Wysokość liftu nie ma znaczenia dla tej dyskusji).
Załóżmy, że nasz przykładowy lift ma skok zawieszenia w pełni rozciągniętej sprężyny 14″.
Spring Rate jest równa obciążeniu podczas „Ride Height” (270kg) podzielona przez długość jaką sprężyna musi ulec kompresji (4″)
Rzeczywiste obliczenia
270KG / (14 – 10) = 68kg/cm
Załóżmy, że 68kg/in jest idealnym współczynnikiem sprężyny dla idealnej jakości jazdy JK. Nie za miękki (porusza się w każdym miejscu), nie za sztywny (czuć każdy mały wybój na drodze).
Przyjrzyjmy się teraz, co się dzieje, gdy potrzebujemy sprężyny, która pozostanie osadzona w zawieszeniu o długim skoku przy tym samym Ride Height.
Załóżmy więc, że potrzebujemy w pełni rozciągniętą długość naszej przykładowej sprężyny dla tego zawieszenia o długim skoku musi wynosić 18″.
Długość ściśniętej sprężyny wynosząca 10: przy tym samym „Ride Height” pozostaje bez zmian.
Ponownie nowy współczynnik sprężyny jest równy obciążeniu na wysokości jazdy (270kg) podzielonemu przez długość, którą sprężyna musi skompresować (8″).
Nowe obliczenie
270kg / (18 – 10) = 33,75kg/in
Nowy przykładowy współczynnik sprężyny 33,75kg/in będzie zbyt miękki dla kierowcy pojazdu. Pojazd będzie się kołysał lub podskakiwał przy najmniejszym ruchu.
Jest to problem ze sprężynami o liniowej charakterystyce, gdy chcesz stworzyć zawieszenie o dłuższym skoku, które wymaga dłuższych sprężyn… współczynnik sprężyny staje się zbyt niski, gdy sprężyna ściska się do pożądanej podniesionej wysokości jazdy.
Innymi słowy, jeśli chcemy utrzymać przykładową idealną jakość jazdy na poziomie 68kg/in w zawieszeniu o długim skoku, staje się to niemożliwe przy zastosowaniu sprężyny o liniowej charakterystyce.
Dlatego firmy produkujące zawieszenia o długim skoku, które chcą, aby ich sprężyny zachowywały tą samą wysokość pojazdu przez cały ruch zawieszenia i zapewniały jakość jazdy co najmniej w tym samym zakresie, co pojazd seryjny, muszą użyć sprężyny innej niż sprężyna o liniowym skoku.
Propozycją są dwa rozwiązania, sprężyny progresywne i sprężyny o podwójnym zakresie pracy tak zwane Dual Rate. Opiszemy je w następnej kolejności.
Sprężyny progresywne w USA znane jako Triple Rate lub Quad Rate
W tym poście omówimy sprężyny progresywne (w żargonie marketingowym określane również jako Triple Rate lub Quad Rate). Po raz kolejny podamy konkretne wartości współczynnika sprężyny, obciążenia Ride Height itp. wyłącznie w celach dyskusyjnych. Jak wspomniano wcześniej, wszystkie liczby są jedynie przykładami.
Wielu czołowych producentów zawieszeń o długim skoku stosuje sprężyny progresywne. Istnieją dwa sposoby produkcji sprężyn progresywnych.
1) Ciągła zmienna grubość zwojów …. lub odległość między każdym kolejnym aktywnym zwojem (skok zwoju) sprężyny wzrasta wraz z postępem od górnego do dolnego zwoju. Innymi słowy, skok zwoju zmienia się w sposób ciągły na całej długości sprężyny. Produkcja tego typu sprężyn progresywnych jest rzadkością, ponieważ wymaga specjalistycznych maszyn CNC do nawijania sprężyn.
2) Łączenie 3 lub więcej wskaźników sprężyny (skoków) …. Sprężyny progresywne są produkowane przy użyciu kombinacji 3 lub więcej liniowych stopni sprężyny (skoków zwoju). Niektórzy producenci używają terminów marketingowych, takich jak sprężyny Triple Rate lub Quad Rate, jednak tak naprawdę są to wersje budżetowe sprężyny progresywne o fantazyjnej nazwie. Pozwolę sobie wyjaśnić, co mam na myśli… gdy w jednej sprężynie zastosowane są trzy wskaźniki sprężyny (skoki zwoju), każda wskaźnik sprężyny musi mieć również wartość przejściową (skok zwoju) między każdą z trzech wskaźników sprężyny, dlatego sprężyna z trzema wartościami sprężyny musi mieć w sumie 5 wskaźników sprężyny. Gdy w pojedynczym zwoju sprężyny znajduje się tak wiele różnych wskaźników stopni sprężystości, jest to szacunkowa wskaźniku sprężyny progresywnej. Innymi słowy, sprężyny potrójne i sprężyny poczwórne to to samo, tylko inaczej nazwane. W tym poście będę odnosił się do nich wszystkich jako sprężyn progresywnych USA.
Sprężyny progresywne są generalnie droższe w produkcji, trudniejsze do zaprojektowania, trudniejsze do skontrolowania i nie mają spójności Ride Height w porównaniu ze sprężynami o liniowej charakterystyce. Są to doskonałe sprężyny do systemów zawieszenia o długim skoku. Spójrz na sprężynę progresywną na powyższym obrazku. Zauważ, że odległość między aktywnymi zwojami (Pitch) stale rośnie w miarę przechodzenia od górnego zwoju do dolnego. W ten sposób można odróżnić prawdziwą sprężynę progresywną od marketingowej sprężyny progresywnej. Prawdziwa sprężyna progresywna jest progresywna według wskaźnika sprężyny. Oznacza to, że wskaźnik sprężyny wzrasta im bardziej sprężyna jest ściśnięta.
Niestety, sprężyna liniowa jest progresywna pod względem SIŁY. Oznacza to, że siła obciążenia sprężyny wzrasta im bardziej sprężyna jest ściskana. Widziałem, że niektórzy producenci twierdzą, że ich sprężyny są progresywne i technicznie są progresywne pod względem siły, ale nie pod względem wskaźnika sprężyny.
Zwróć uwagę, że dwa ostatnie aktywne zwoje są najbardziej oddalone od siebie (wrócę do tego w dalszej części postu).
Zamierzam więc użyć tych samych założeń dotyczących sprężyn, których użyłem w ostatnim przykładzie zawieszenia o długim skoku:
- Przyjmijmy, że pożądany wskaźnik sprężyny dla idealnej jazdy wynosi ponownie 68kg/in
- Przyjmijmy, że długość ściśniętej sprężyny progresywnej na wysokości jazdy wynosi ponownie 10″.
- Przyjmijmy, że długość sprężyny progresywnej wynosi ponownie 18″.
Podsumowując, potrzebujemy, aby nasza sprężyna skompresowała łącznie 8″(18″ – 10″). Kiedy sprężyna skompresuje te 8″ i osiągnie pożądaną długość 10″, musi wytrzymać obciążenie 270kg i mieć wskaźnik 68kg/in w tym konkretnym punkcie.
Poniżej znajduje się wykres tego, co dzieje się ze sprężyną progresywną, gdy ściskamy ją do pożądanej wysokości jazdy.
| Kompresja sprężyny | wskaźnik sprężyny podczas kompresji | Kompresja pod wpływem siły | Długość sprężyny |
| 0 | 0 | 0 | 18″ |
| 2″ | 9 kg/cm | 22 kg | 16″ |
| 4″ | 18 | 54 | 14″ |
| 6″ | 40 | 136 | 12″ |
| 8″ | 68 | 270 | 10″ |
Jest to więc przykład progresywnej sprężyny o stale zmieniającym się skoku, która sprawdzi się w przykładowym zawieszeniu o długim skoku zastosowanym powyżej.
Jak widać, wskaźnik sprężyny zmienia się, gdy sprężyna jest ściskana i zbliża się do żądanej wysokości jazdy. To właśnie utrudnia zapewnienie stałego Ride Height, ponieważ zarówno wskaźnik, jak i siła sprężyny zmieniają się w punkcie, w którym użytkownik chce uzyskać swój Ride Height. Pamiętaj, że powiedziałem, że to utrudnia, a nie uniemożliwia.
Ponadto, gdy sprężyna progresywna na powyższym obrazku ściska się, każdy zwój sprężyny przesuwa się o tę samą odległość, co powoduje, że górne zwoje powoli zapadają się jeden na drugim, zanim dolne zwoje zapadną się jeden na drugim. W miarę zapadania się zwoju na poprzedni, staje się on w pełni podparty i nie działa już jako aktywna część sprężyny. To zapadanie się zwojów na siebie jest dokładną cechą mechaniczną, która powoduje, że sprężyna progresywna działa jak sprężyna progresywna.
Innymi słowy, gdy zwoje sprężyny przestają być aktywne, mniejsza liczba pozostałych aktywnych zwojów powoduje, że sprężyna staje się sztywniejsza. Jest to ta sama koncepcja, co w przypadku długiego pręta, który jest łatwiejszy do zginania (bardziej miękki) niż krótszy pręt o tej samej średnicy (sztywniejszy).
Jest to kolejny sposób na określenie, czy naprawdę posiadasz sprężynę progresywną, czy nie. Jeśli zwoje sprężyny nie układają się progresywnie bezpośrednio jeden na drugim (dotykając się) podczas znacznej części cyklu ściskania sprężyny, prawdopodobnie nie masz prawdziwych sprężyn progresywnych. Lub też sprężyna nie osiągnęła etapu progresywnego wskaźnika sprężyny w oglądanym cyklu sprężania.
Sprężyny progresywne mają bardzo przydatną cechę, polegającą na znacznym zwiększeniu wskaźnika sprężyny w miarę ściskania powyżej Ride Height. Pomaga to zmniejszyć siłę uderzenia osi w odbojniki w ekstremalnych warunkach terenowych. Miła cecha w porównaniu do sprężyn liniowych.
Teraz najważniejszy powód, dla którego MetalCloak nie zdecydował się zaprojektować sprężyn jako sprężyn progresywnych.
Zawieszenia Metalcloak w Jeep przede wszystkim wykorzystują duży skok zawieszenia, dlatego sprężyny Metalcloak są bardzo zbliżone do stanu pełnego ściśnięcia (wszystkie zwoje dotykają się). Sprężyny progresywne nie lubią być w pełni ściśnięte, ponieważ są podatne na ugięcie. Jeśli wyobrazisz sobie prawie całkowicie ściśniętą sprężynę progresywną, wszystkie górne zwoje będą zapadnięte jeden na drugim i nieaktywne, podczas gdy tylko ostatni aktywny zwój będzie aktywny. W tym stanie największe naprężenie sprężyny jest skoncentrowane w ostatnim aktywnym zwoju. Naprężenia te są znacznie większe niż w pierwszym zwoju, który zapadł się i zestalił na długo przed osiągnięciem stanu pełnego ściśnięcia. Tak duża koncentracja naprężeń w pojedynczym zwoju może z czasem spowodować zmęczenie i ugięcie sprężyny.
Dlatego też MetalCloak zdecydował się na zastosowanie sprężyn Dual Rate.
Dual Rate Spring ( Jeep ) – spreżyny używane w zawieszeniach Metalcloak
Zagłębimy się teraz w dynamikę sprężyn o podwójnym skoku ( Dual Rate), pokazaną w akcji na poniższych diagramach. Zamierzam podać konkretne wartości współczynnika sprężyny, obciążenia Ride Height itp. wyłącznie w celach dyskusyjnych. Jak wspomniano powyżej, wszystkie liczby są jedynie przykładami.
Sprężyny Dual Rate to kolejny rodzaj sprężyn progresywnych, jednak w przypadku sprężyn TRUE Dual Rate progresja odbywa się od pierwszej wartości (Flex Rate) do drugiej wartości (Ride lub Road Rate), w przeciwieństwie do stale zmieniającej się wartości tradycyjnej sprężyny progresywnej. Uważamy, że bardzo niewielu producentów zawieszeń o długim skoku stosuje sprężyny TRUE Dual Rate. Sprężyny Dual Rate są generalnie droższe w produkcji, trudniejsze do zaprojektowania i trudniejsze do skontrolowania niż sprężyny liniowe. Sprężyny o podwójnym skoku mają jednak podobną spójność wysokości jazdy, co sprężyny o liniowym skoku. Sprężyny o podwójnym skoku są doskonałymi sprężynami do układów zawieszenia o długim skoku.
Spójrz na sprężynę Dual Rate na powyższym obrazku. Zauważ, że odległość między górnymi 4 aktywnymi zwojami (Pitch) jest mniejsza i identyczna. Zauważ, że odległość między dolnymi 4 aktywnymi zwojami (Pitch) jest większa i identyczna. W ten sposób można zidentyfikować prawdziwą sprężynę Dual Rate. Ze względu na unikalny wygląd sprężyny Dual Rate można ją łatwo odróżnić od sprężyny Linear Rate. Innymi słowy, bardzo trudno byłoby ją sprzedać jako coś innego niż sprężyna Dual Rate. Korzystając z tych samych założeń dotyczących sprężyn z poprzednich dwóch postów dla tego samego przykładowego zawieszenia o długim skoku:
- Przyjmijmy, że pożądany wskaźnik sprężyny dla idealnej jazdy wynosi ponownie 68kg/cm
- Przyjmijmy, że długość ściśniętej sprężyny progresywnej na wysokości jazdy wynosi ponownie 10 in.
- Przyjmijmy, że długość sprężyny progresywnej wynosi ponownie 18 in
Podsumowując, potrzebujemy, aby nasza sprężyna skompresowała łącznie 8„ (18” – 10″). Kiedy sprężyna skompresuje te 8 cali i osiągnie pożądaną długość 10 cali, musi wytrzymać obciążenie 270kg i mieć współczynnik 68 kg / cal w tym konkretnym punkcie.
Poniżej znajduje się wykres tego, co dzieje się ze sprężyną Dual Rate, gdy jest ona ściskana do żądanej wysokości jazdy.
| Kompresja sprężyny | wskaźnik sprężyny podczas kompresji | Kompresja pod wpływem siły | Długość sprężyny |
| 0 | 0 | 0 | 18″ |
| 2″ | 11 kg/in | 22 kg | 16″ |
| 4″ | 11 kg/in | 54 | 14″ |
| 6″ | 11 kg/in | 68 | 12″ |
| 7″ | 68 | 136 | 11″ |
| 8″ | 68 | 270 | 10″ |
Tak więc ten przykład sprężyny Dual Rate spełnia cele projektu przykładowego zawieszenia o długim skoku. W tym przypadku przejście z Flex Rate (1) do Road (Ride) Rate (2) następuje przy około 7„ kompresji lub 1” powyżej żądanej wysokości jazdy.
Należy zauważyć, że współczynnik sprężystości nie zmienia się, gdy ściskanie sprężyny zbliża się do żądanej wysokości jazdy, zmienia się tylko siła. To znacznie ułatwia producentowi utrzymanie stałej wysokości jazdy. Nie krytykuję sprężyn o progresywnej charakterystyce ani nie twierdzę, że nie utrzymują one stałej wysokości jazdy, mówię tylko, że jest to trudniejsze w przypadku sprężyn o progresywnej charakterystyce.
Gdy sprężyna Dual Rate na powyższym obrazku ściska się, każdy zwój przesuwa się o tę samą odległość względem siebie, co powoduje, że około 5 górnych aktywnych zwojów zapada się jeden na drugim, a zatem są w pełni podparte lub solidne. W tym momencie te 5 zwojów staje się nieaktywnych, co ułatwia przejście od Flex Rate do Ride Rate. W przykładowej sprężynie przejście to następuje przy około 7” kompresji. Pozostałe dolne około 8 aktywnych zwojów nie zapadnie się, dopóki sprężyna nie osiągnie stanu pełnego ściśnięcia, w którym to czasie wszystkie z nich dotkną się w tym samym czasie. Innymi słowy, 8 dolnych zwojów pozostanie aktywnych przez resztę cyklu sprężania.
Fakt, że 8 dolnych aktywnych zwojów pozostaje aktywnych przez cały cykl kompresji sprężyny jest głównym powodem, dla którego Metalcloak wybiera sprężyny Dual Rate dla swojego zawieszenia. Jak wspomniałem w powyższym poście o sprężynach progresywnych. MetalCloak wykorzystuje duży skok w górę w swoich zawieszenia, dlatego ich sprężyny bardzo zbliżają się do stanu pełnego ściśnięcia (wszystkie zwoje dotykają się). Ale nawet gdy ich zawieszenie jest bliskie stanu pełnego ściśnięcia, naprężenie w sprężynie jest równomiernie rozłożone na wszystkie 8 dolnych aktywnych zwojów. Innymi słowy, rozkładją obciążenie na wiele zwojów. Ta cecha sprężyn Dual Rate pomaga zapobiegać zmęczeniu i ugięciu sprężyny, co zdaniem MetalCloak jest głównym zmartwieniem klientów.
Prawidłowo zaprojektowane sprężyny Dual Rate Springs Metalcloak i niektóre sprężyny Progressive Rate Springs (w zależności od konstrukcji) mają unikalną cechę, która skutkuje zwiększoną stabilnością sprężyny, a tym samym zwiększoną stabilnością zawieszenia. MetalCloak nazywa tę funkcję „dropping the virtual spring bucket (upuszczaniem wirtualnego wiadra sprężyn)y”. Cecha ta została zilustrowana na powyższym obrazku.
Aby dyskutować, musimy zgodzić się na następujące założenie:
Jeśli porównamy DŁUŻSZĄ sprężynę do KRÓTSZEJ sprężyny, obie o tej samej średnicy drutu, tej samej liczbie zwojów i tej samej średnicy sprężyny, DŁUŻSZA sprężyna jest bardziej podatna na wypaczenia i wykazuje niestabilność boczną niż KRÓTSZA sprężyna.
Jak widać na powyższym obrazku, gdy zwoje Flex Rate zapadają się, stają się solidne i w pełni podparte przez siebie nawzajem. W efekcie… to tak, jakby kubełek sprężyny, który utrzymuje górną część sprężyny, przesuwał się w dół do nowej lokalizacji lub „wirtualnego kubełka sprężyny”. To z kolei powoduje, że sprężyna efektywnie staje się KRÓTSZA, a zatem bardziej stabilna i mniej podatna na wyboczenie.
