Zkoušení vinutých pružin v automobilovém průmyslu
Tlumiče v kombinaci se závěsnými pružinami, známé také jako vinuté pružiny, jsou klíčovým tlumicím prvkem mezi podvozkem a karoserií. Mají zásadní vliv na jízdní komfort i bezpečnost moderních vozidel. Hlavním úkolem těchto pružin je pohlcovat rázy a vibrace způsobené nerovnostmi vozovky. Zároveň zajišťují trakci kol.
Vinuté pružiny, často označované také jako šroubové tlačné pružiny, jsou zásadními komponenty moderních systémů odpružení. Pomáhají tlumit nerovnosti, zlepšují jízdní stabilitu i komfort a přispívají ke zvýšení bezpečnosti a ovladatelnosti vozidla. Díky své kompaktní konstrukci a možnosti integrace s tlumiči jsou preferovaným řešením u mnoha výrobců vozidel.
V praxi jsou vinuté pružiny zatěžovány axiálně tahem nebo tlakem. Při návrhu jsou optimalizovány pro konkrétní typ vozidla i způsob použití a předpokládá se jejich přesné fungování podle zadaných specifikací. Z tohoto důvodu je nutné jejich důkladné testování. U moderních elektromobilů bývá celková hmotnost zpravidla ještě vyšší než u vozidel se spalovacím motorem, což znamená, že pružiny jsou vystaveny ještě většímu zatížení. Spolehlivé výsledky zkoušek pružin tak hrají klíčovou roli pro zajištění bezpečnosti a funkčnosti. Systém ZwickRoell pro zkoušení vinutých pružin je vybaven unikátní vícekanálovou měřicí platformou s až devíti snímači síly, která umožňuje měřit axiální i boční síly, siločáry a kompletní charakteristiky pružin s vysokou přesností. Navíc lze tato silová působení – včetně směrů a bodů zatížení – virtuálně vizualizovat v reálném čase díky speciálně vyvinuté specifikaci ve zkušebním softwaru testXpert.
Typické charakteristiky pružin Vektor zatížení vinutých pružin Vícekanálový systém pro zkoušení pružin Víceosé zkoušky tlumičových vzpěr Požadavky na zařízení pro zkoušení pružin Požádat o konzultaci Reference
Vinuté pružiny – preferovaný prvek v automobilových konstrukcích
Vinuté tlačné pružiny, běžně označované jako šroubovité, válcové nebo spirálové pružiny, představují v automobilovém průmyslu osvědčené a efektivní řešení. Díky svým vlastnostem se často používají v podvozkových systémech:
- Zajišťují konstantní světlou výšku karoserie bez ohledu na zatížení.
- Spolehlivě fungují i v náročných provozních podmínkách a jejich výroba je hospodárná.
- Kompaktní konstrukce umožňuje prostorově úspornou montáž do pomocných rámů nebo přímo na komponenty řízení.
- Lze je integrovat s tlumičem do jednoho celku, jako je jednoduchá vzpěra nebo vzpěra typu McPherson.
- Poskytují lineární nebo progresivní charakteristickou křivku.
EN 15800: Typické charakteristiky při zkoušení šroubovitých pružin
Evropská norma EN 15800 (která nahrazuje DIN 2095) definuje jakostní požadavky na šroubovité pružiny válcované z drátu kruhového průřezu drátu svinuté za studena. Tlačné pružiny svinuté za studena lze vyrábět až do průměru drátu přibližně 16 mm (viz také norma EN 13906-1).
Nejdůležitější parametry standardní vinuté pružiny jsou:
- Délka pružiny [Lo] – jmenovitá délka vinuté pružiny ve stavu bez zatížení
- Pružinové síly [F] a délka pružiny [L] – charakteristiky pružiny v pracovním rozsahu
- Blokovací délka [Lc] – délka při plném stlačení pružiny
- Blokovací síla [Fc] – síla vznikající při kontaktu závitů (v blokovací délce)
- Pružinová tuhost [R] – nárůst síly při deformaci, udávaný v N/mm (označuje se také jako pružinová konstanta, tuhost nebo tvrdost pružiny)
- Příčné síly [Fx, Fy] – slouží k vyhodnocení tření a opotřebení
- Průsečíky zatížení – definují linii působení výsledné síly
- Poloměr opsané kružnice [De] – poloměr závitu pružiny ve stlačeném stavu
- Středový rozměr – výpočtový bod, ve kterém síla prochází podpěrnou rovinou pružiny
Proč je u vinutých pružin tak důležité měřit vektor zatížení?
U vinutých pružin vektor zatížení nikdy neprobíhá přesně podél jejich geometrické středové osy. Důvodem je nerovnoměrné zatížení na koncích pružiny způsobené tvarem závitů, což vede ke složitému víceosému napětí. Výsledné síly pak vytvářejí boční síly, klopné i krouticí momenty, které působí na montážní plochu vzpěry. Tyto síly mohou způsobit tření a urychlené opotřebení sousedních součástí, jako jsou tlumiče nebo ventily.
Z tohoto důvodu je velmi důležité kromě běžných měření přesně sledovat také vektor zatížení, body jeho průniku a horizontální síly a momenty – ideálně pomocí systému pro víceosé zkoušení pružin. Tyto hodnoty lze navíc v reálném čase zobrazit prostřednictvím odpovídajícího zkušebního programu ve zkušebním softwaru ZwickRoell testXpert.
Vícekanálový systém pro testování pružin od společnosti ZwickRoell
Společnost ZwickRoell nabízí unikátní vícekanálový systém pro zkoušení vinutých pružin, který poskytuje přesné, standardizované a spolehlivé výsledky. Díky devíti snímačům síly umožňuje tento systém nejen měřit axiální a boční síly, ale také přesně určit vznikající krouticí momenty.
- 6 vertikálních snímačů (umístěných nahoře a dole)
- 3 horizontální snímače (v základní platformě)
Tato konfigurace umožňuje v rámci plně automatizované zkušební sekvence současné měření axiálních a bočních sil, určení silových středů a výpočet všech relevantních charakteristických hodnot. Především však slouží k přesnému určení průsečíků zatížení, které se nikdy nenacházejí ve středu osy pružiny, a přitom mají zásadní vliv na její chování a životnost.
Přehled výhod systému ZwickRoell pro zkoušení vinutých pružin:
- Stanovení všech relevantních parametrů pružiny
- Automatizovaný měřicí cyklus
- Zobrazení výsledných sil ve 3D formátu
- Maximální opakovatelnost
- Zkušební protokoly s volitelným obsahem
- Volitelné měření obvodové kružnice
Systém umožňuje zkoušet všechny konstrukční typy vinutých pružin, včetně válcových, bubnových, kuželových, s tvarovým profilem přesýpacích hodin či včelího úlu (beehive springs). Každý typ pružiny klade specifické nároky na tvarovou odolnost, boční stabilitu, prostorové požadavky a vibrační chování – a právě tyto parametry dokáže náš systém spolehlivě a přesně analyzovat.
Stroj pro víceosé zkoušky pružinových vzpěr a tlumičů
Tento systém pro zkoušení pružin slouží ke stanovení charakteristik hydraulických tlumičů. Je vybaven třemi zkušebními osami. Vertikální síla (zatížení na kole) je přenášena v ose zkušebního stroje. Horizontální síly a krouticí momenty, které vznikají při manévrování v zatáčkách, při rozjezdu nebo brzdění, jsou generovány horizontálně umístěným elektromechanickým pohonem a torzním pohonem. Zatížení ve zkušebních osách lze ovládat samostatně a nezávisle na sobě. To umožňuje určovat charakteristické vlastnosti jako tlumení, tření a viskozitu při různých rychlostech, s působením bočních sil a krouticích momentů i bez nich.
Jaké požadavky musí splňovat systém pro zkoušení pružin?
Aby bylo možné získávat spolehlivé a opakovatelné výsledky zkoušek, musí zkušební systém splňovat řadu technických požadavků:
- Zařízení musí poskytovat opakovatelná měření. To se ověřuje pomocí referenčních pružin, které slouží k porovnání výsledků v čase.
- Tlačné desky musí v nezatíženém stavu vykazovat vysoký stupeň rovnoběžnosti.
- Vliv mimoosého působení síly na měření nesmí ovlivnit výsledek měření síly o více než 1 %.
Je nutné postupovat podle normy EN ISO 7500-1, která stanovuje požadavky na kontrolu statických jednoosých zkušebních strojů pomocí specifikovaných kalibračních postupů. V dodatku č. 2 normy ISO 7500-1 jsou specifikovány požadavky pro kalibrace strojů pro zkoušení pružin. Obecně musí kalibrace síly odpovídat třídě přesnosti 0,5.