1.2. Свойства и силовые характеристики пружин

Упругие свойства рессорного подвешивания оценивают с помощью силовых характеристик и коэффициентов жёсткости или коэффициентов гибкости.

Жёсткость   упругого элемента численно равна силе, вызывающей прогиб этого элемента, равный единице длины:

,                                               (3)

где   – внешняя сила, действующая на упругий элемент;  – прогиб рессоры  от силы  .

Гибкость упругого элемента – величина, обратная жёсткости, численно равна прогибу под действием силы, равной единице:

 

.                                              (4)

 

Для упругих элементов с линейной характеристикой (рис. 2, а) жёсткость постоянна ( ).

 

На рис. 2 показаны простейшие графики силовых характеристик: линейной (рис. 2, а), которую имеют цилиндрические пружины, нелинейной (рис. 2, в), типичной для конических пружин, и билинейной (рис. 2, б), которую могут иметь некоторые конструкции двухрядных пружин.

 

Рис. 2. Силовые характеристики пружин: а - линейная; б - билинейная; в - нелинейная

Цилиндрические пружины в зависимости от нагрузки, воспринимаемой ими, делают однорядными или многорядными. Многорядные пружины состоят из двух, трёх и более пружин, вложенных одна в другую. В двухрядных (см. рис. 1, б) наружная пружина изготовляется из прутка большего диаметра, но с малым числом витков, внутренняя – из прутка меньшего диаметра и с большим числом витков. Для того чтобы при сжатии витки внутренней пружины не зажимались между витками наружной, обе пружины завивают в разные стороны. В многорядных пружинах размеры прутков также уменьшаются от наружной пружины к внутренней, а число витков соответственно увеличивается.

Многорядные пружины позволяют при тех же габаритах, что и у однорядной пружины, иметь большую жёсткость. Широкое применение двухрядные и трёхрядные пружины получили в тележках грузовых и пассажирских вагонов, а также поглощающих аппаратах автосцепных устройств. Силовая характеристика многорядных пружин является линейной (рис. 2, а).

В некоторых конструкциях двухрядных пружин (например, в тележках 18-578, 18-194) наружные пружины рессорного комплекта выше внутренних, благодаря чему жёсткость подвешивания у порожнего вагона в 3 раза меньше, чем у гружёного. Силовая характеристика такой пружины является кусочно-линейной или билинейной (рис. 2, б).

Конические пружины (см. рис. 1, в) применяют в тех случаях, когда необходимо получить нелинейную силовую характеристику (рис. 2, в) пружины с жёсткостью, возрастающей по мере сжатия. Увеличение жёсткости пружины при сжатии объясняется неодинаковой податливостью витков, зависящей от их диаметра. С приложением нагрузки прежде всего деформируются витки наибольшего диаметра. Первый опорный виток ложится на опорную плоскость, затем на него ложится следующий виток и т. д. Сомкнувшиеся витки выключаются из работы. Жёсткость пружины непрерывно возрастает по мере сжатия вследствие как уменьшения числа свободных витков, так и постепенного уменьшения их диаметра.

Эти пружины обычно выполняют с постоянным шагом   (см. рис. 1, в), или с постоянным углом подъёма витков  . У пружин с постоянным шагом   силовая характеристика крутая, у пружин с постоянным углом подъёма – более пологая.

Ввиду сложности изготовления конические пружины пока не получили распространения в рессорном подвешивании вагонов.

Спиральные пружины (см. рис. 1, г), предназначенные для восприятия больших усилий при ограниченных габаритах, навиваются из полосовой стали прямоугольного сечения с большим отношением сторон так, что каждый виток входит внутрь соседнего витка, образуя в плане спираль. Такие пружины применялись в неразрезной упряжи винтовых сцепных устройств вагонов.