Według definicji amortyzatory to urządzenia mechaniczne służące do wytracania energii kinetycznej powstających w czasie obciążeń dynamicznych koła jezdnego na styku z podłożem i jej rozproszeniu, czyli zamienianiu na inną postać np. ciepło.

A teraz bardziej obrazowo. Koła jezdne pojazdów połączone są z nadwoziem (czytaj masą resorowaną) poprzez układ mechanizmów (układy zawieszeń), za pomocą elementów sprężystych, których podstawowym zadaniem jest eliminacja występujących podczas jazdy wstrząsów i drgań, które niekoniecznie pozytywnie (a wręcz destrukcyjnie) wpływają zarówno na samą konstrukcję pojazdu jak również na komfort podróżowania.

Używane najczęściej jako elementy sprężyste zawieszeń współczesnych pojazdów to obecnie sprężyny śrubowe, które skutecznie (no może poza samochodami ciężarowymi i użytkowymi) wypierają łączone w pakiety stalowe sprężyny płaskie (resory piórowe),oraz elementy gumowe lub tzw. elastomery. Problem jednak w tym, że większość z nich, a zwłaszcza te wymienione na początku doskonale pełniąc wyznaczoną im rolę mają również wady, z których podstawową jest stosunkowo długi czas wytracanie energii!

Jednym słowem, w celu kolokwialnie mówiąc „zmniejszeniu efektu kołysania” oraz zapobieżenia odrywania się koła jezdnego od podłoża potrzebne jest urządzenie tłumiące, optymalizujące rozkład masy resorowanej na każde z kół i to w zależności od aktualnych warunków poruszania się pojazdu. Dziś to oczywista oczywistość i każdy, nawet najmniej zorientowany w technice samochodowej wie, że od utrzymania stałego kontaktu czoła bieżnika opony z nawierzchnią z zależy bezpieczeństwo jazdy (kierowanie samochodu i skuteczność hamowania), ale również efektywność trakcji.

Na marginesie! Warto wiedzieć, że współczesne tzw. systemy wspomagania kierowcy odczytują chwilowy brak kontaktu opony z podłożem jako poślizg, a tym samym np. system ABS zmniejsza ciśnienie płynu hamulcowego co oczywiście obniża efektywność hamowania.

W przypadku koła napędzanego podobna sytuacja powoduje jego przyhamowanie, co z kolei ma wpływ na pracę (i kondycję) układu przeniesienia napędu.
Czyli powrót do początku i wniosek!

Amortyzatory w zawieszeniu samochodu kontrolują pracę sprężyn tłumiąc drgania o różnej częstotliwości (na co wpływ ma szybkość ruchu amortyzatora), amplitudę drgań co z kolei zależy od suwu pracy amortyzatora i przyśpieszenia, czyli sił działających na amortyzator.

Im amortyzator bardziej miękki (montowany fabrycznie – o niskich siłach tłumienia wbicia i wybicia), tym więcej energii pochłania i mniej drgań przenosi z masy nieresorowanej na resorowaną, zapewniając duży komfort podróżowania. Pozwala na większe kołysanie samochodu podczas i po pokonaniu nierówności co zwiększa komfort jazdy, ale z kolei ma mniejszy wpływ na precyzje kierowania i hamowania niż amortyzator twardszy (sportowy – o wyższych siłach tłumienia wbicia i wybicia).

Bujanie w niektórych sytuacjach jest może przyjemne, ale na dłuższą metę mało kto je wytrzymuje! Przyjmuje się, że akceptowalne dla organizmu człowieka drgania to ok. 4-8 Hz, podczas gdy częstotliwość mas resorowanych (zwykle o niskiej częstotliwości i dużej amplitudzie) wynosi ok. 1,3-1,5 Hz, a mas nieresorowanych (kół i związanych z nimi mechanizmów) odwrotnie. Są o mniejszej amplitudzie, ale ich częstotliwość jest wyższa ok.10-11 Hz.

Jak zwykle trudno stwierdzić to jednoznacznie, ale wszystko (a przynajmniej wiele wiarygodnych źródeł dotyczących historii motoryzacji) wskazuje na Francuzów, a ściślej na wyścig Paryż –Berlin (20 VI 1901 r.) i Emila Morsa, którego samochód prowadzony przez Henri’ego Fourniera zwyciężył podobno dzięki po raz pierwszy zastosowanym amortyzatorom co pozwalało na szybką i bezpieczną jazdę. Na mecie był szybszy od następnego o ponad godzinę!

Różne są informacje na temat samej konstrukcji urządzenia, ale wszystko wskazuje na to że chodzi tu o tzw. sprężyny powietrzne (air springs) lub amortyzatory hydrauliczne jednostronnego działania zbudowane według pomysłu C.L Horock’a z 1901 r. To dziwne, ale jest to dokładnie ta sama idea, według której dopiero we wczesnych latach 30. zbudowano hydrauliczne amortyzatory tłokowe.

Dlaczego? Trudno znaleźć informacje na ten temat. Tak zresztą jak te dotyczące wynalazku Louisa Renaulta, który zastosował amortyzator hydrauliczny, ale już dwustronnego działania w swoim samochodzie z 1905 r!

Amortyzator Horocka składał się z umieszczonych wewnątrz metalowej tulei wypełnionej olejem tulei. W tłoku znajdował się zawór zwrotny, który przy ruchu resoru górę (przy odbiciu) pozostawał otwarty. Olej nie stawiał wtedy oporu i tłoczysko przemieszczało się swobodnie ku górze. Kiedy następowało „dobicie” resoru zawór samoczynnie się zamykał a olej stawiał opór hamujący energię rozprężanego resoru.

A jaka była geneza amortyzatora, a właściwie idei rozwiązań tłumienia drgań elementów sprężystych zawieszeń kół po zapomnianych, albo raczej nie wdrożonych w praktyce pomysłów Horocka i Renaulta?

Początkowo był resor…i to zależności od zamożności właściciela powozu, karety czy dyliżansu stalowy, albo jak bywało to u Anglików mógł być wykonany z giętego drewna, a nadwozie mocowano do niego pasami.

Lokomobile „poszły dalej”. Były znacznie szybsze od „horse carrige”, ale masywne i złożone z wielu warstw o wymyślnej czasem geometri resory dalej były dominującym elementem łączącym koła z nadwoziem…i prawdę mówiąc często spotyka się je nawet w dzisiejszych pojazdach. A że miało być o amortyzatorach, to bardzo proszę! W miarę rozwoju przemysłu metalurgicznego nauczono się wykonywać resory, które niekoniecznie miały być jedynie sprężyste i „połykać” nierówności podłoża.

Odpowiednio dobierany kształt i ilość piór powodowały, że te przesuwając się wzajemnie względem siebie na zasadzie tarcia tworzyły rodzaj hamulca, a raczej tłumika wywłaszczającego amplitudę drgań. Problem w tym, że technicznie były „mało przewidywalnie”. Zależnie od występujących warunków zewnętrznych inne tłumienie występowało np. przy nieobciążonym pojeździe, a inne, kiedy pióra resorów przylegały do siebie na całej powierzchni.

Inaczej więc resory „tłumiły drgania” kiedy pióra były np. mokre, a inaczej kiedy nie padało. W celu jak najbardziej efektywnego sposobu tłumienia wychyleń (zarówno pionowych jak i wzdłużnych) resorów wzdłużnych w zależności od charakteru eksploatacji i rodzaju pojazdu próbowano wielu innych rozwiązań. Jednym z nich i dość często stosowanym było użycie i odpowiednie konfigurowanie w określone systemy dodatkowych pakietów piór o innej sprężystości nazywanych „amortyzatorami”

Warto też nadmienić, że „tymczasowym”, bo stosowanym dość krótko (mniej więcej do połowy lat 20.) i większości w pojazdach użytkowych, były dodatkowe sprężynowe tłumiki drgań mocowane na końcach resorów piórowych, które nazywano systemem „Telesco”, którego premiera odbyła się w 1912 r. podczas wystawy motoryzacyjnej w londyńskiej Olympii.

Ale przy okazji spostrzeżenie. To dzięki możliwości tłumienia drgań początkowo resory piórowe zyskały powszechne zastosowanie w samochodach, w przeciwieństwie do trudniejszych do opanowania pod względem gaszenia amplitudy drgań sprężyn śrubowych. Te na dobre zaistniały dopiero wtedy, kiedy amortyzator osiągnął już swoją techniczną dojrzałość i kiedy nauczono się technologicznej ekwilibrystyki związanej z żonglowaniem różnicami średnic i kształtami zwojów.

Moce silników pojazdów drogowych rosły, a wraz z nimi prędkości, co w połączeniu ze stosowanym ogumieniem pneumatycznym (do połowy lat 20. stosowano opony wysokociśnieniowe, w których stosowano ciśnienie rzędu 6-8 bar) zmuszało wręcz konstruktorów do walki z odrywaniem kół od nawierzchni.

Pierwszym podejściem były wynalezione w 1907 r. przez Claud’ea H. Fostera amortyzatory taśmowe powszechnie znane i stosowane między innymi pod nazwą Gabriel „Snubber” (powściągliwy), czy Stromberg Anti-Shox. Obie nazwy łączą się z nazwami ich producentów, przy czym firma Gabriel Co. sama w sobie ma ciekawą historię.

W 1904 r. założył ją miłośnik orkiestr dętych wspomniany C.H Foster w celu uruchomienia produkcji instrumentów dętych. Kiedy nastała era automobili skonstruował przeznaczony dla nich sygnał dźwiękowy brzmiący według niego jak „róg Archanioła Gabriela” (Gabriel Horn) …i tak zostało. Firma nazywała się Gabriel Co.

Od 1907 r. główną gałąź jej produkcji stanowiły już jednak amortyzatory, które jak się okazało przynosiły właścicielowi krociowe zyski. Kiedy Foster sprzedawał firmę w 1925 r. jej wartość oszacowano na 5 mln $.

Jak działały amortyzatory taśmowe? Podobnie do znanych nam dzisiaj bezwładnościowych pasów bezpieczeństwa. Były mocowane do ramy samochodu, a koniec nawiniętej na rolkę i mieszczonej wewnątrz obudowy elastycznej taśmy do osi samochodu. Podczas „podbicia” dzięki sile sprężyny (lub sprężyn) taśma swobodnie nawijała się na rolkę, ale wracając musiała pokonać siłę oporu sprężyn. W ten sposób „rozpraszana” była energia resoru.

Oczywisty postęp, ale … amortyzator Fostera działał tylko w jedna stronę, czyli jak byśmy to dziś określili był jednostronnego działania. No miał wady. Skuteczność jego działania bezpośrednio zależała od trwałości i kondycji taśm, które w przypadku różnych producentów (Foster sprzedał licencje na ich produkcję w wielu krajach) nie zawsze cechowała odpowiednio wysoka jakość.

A tak opisywała je polska prasa motoryzacyjna w 1937 r. (Szofer Polski):

„Są to aparaty jednokierunkowe. Przed kilku laty dość powszechne u nas jako stanowiące standardowe wyposażenie wozów amerykańskich. Na szkicu 17a widzimy typowy amortyzator taśmowy. W blaszanym bębnie znajduje się kilka zwojów taśmy „A” przegrodzonych cienkim paskiem metalowym „B” w celu ułatwienia poślizgu między poszczególnymi warstwami szorstkiej materii. Przy wjeżdżaniu wozu na przeszkodę uginający się resor wywiera nacisk w kierunku strzałki i powoduje nawinięcie się odcinak prostej taśmy we wnętrzu bębna. Jak wynika z tego opisu resor ma swobodę ruchu ku górze, natomiast w chwili ruchu w dół musi pokonać opór sprężyny, która nacisnęła już przed momentem nawiniętą taśmę oraz tarcie między poszczególnymi, mocno dociśniętymi zwojami wstęgi”.

I dalej o nieco innej wersji amortyzatora taśmowego:

„Zakłady „Stempel” wyprodukowały aparat „Komet”, którym resor powracający do normalnego położenia musi dodatkowo pokonywać opór zapadki „F”, która nie przeciwdziała nawijaniu się taśmy, ale przy rozwijaniu się mocno dociska zwoje do siebie (ryc. 17b). Amortyzatory taśmowe są stosunkowo nieduże i lekkie. W nowoczesnych wozach osobowych zastępowane są przez aparaty hydrauliczne”.

No nie tak od razu, chociaż chronologicznie wszystko się zgadza. Rzeczywiście, amortyzatory hydrauliczne pomysłu francuskiego wynalazcy Maurice Houdaille’a i opatentowane już w Stanach i Europie w 1908 r zaczęto powszechnie stosować mniej więcej od połowy lat 30. , ale przedtem wśród wszystkich niemal producentów pojazdów królowały ramieniowe amortyzatory cierne dwustronnego działania powszechne znane jako amortyzatory Hartford.

Sama nazwa wskazuje autora, chociaż nie do końca słusznie…, bo wynalazcą systemu budowy płaskiego elementu ciernego, co zresztą stanowiło podstawę wynalazku był Francuz Trauffault. To on, jeszcze przed 1900 r. wymyślił rodzaj sprzęgła zbudowanego ze ściskanych osiowo śrubą tarcz wykonanych z brązu i oddzielanych od siebie skórzanymi krążkami.

W 1907 r. André Hartford (francuskiego pochodzenia, ale rzecz działa się w Bufflo w stanie New York) wymyślił i rok potem opatentował nowy i inny pod względem działania rodzaj amortyzatora ciernego, który ze względu na niski koszt produkcji, niezawodność, prostotę konstrukcji i łatwość obsługi przetrwał w motoryzacji praktycznie aż do połowy lat 30. W zależności od producenta (np. we Francji np. przez firmę F. Repusseau & Cie, w Anglii Bentley& Draper ltd.) dostępne były w różnych wersjach.

Jako pojedyncze z dwoma powierzchniami ciernymi lub wielopłytkowe oraz w zależności od rodzaju, przeznaczenia i ciężaru pojazdu z różnymi średnicami dysków.
Najczęściej stosowanymi rozmiarami były tarcze o średnicy 3¼ „(83 mm) i 4¼” (110 mm).

Wspólną cechą wszystkich typów amortyzatorów Hartforda były dwie dźwignie jednoramienne (pojedyncza i obejmująca ją rozwidlona) i centralna płaska sprężyna dociskowa w kształcie gwiazdy, której naprężenie regulowane było nakrętką.

Ramiona amortyzatorów mocowane były na końcach do ramy i osi przy pomocy tulei, a pod koniec lat 30. wulkanizowanymi tulejami metalowo-gumowymi typu „silentblock”. „Hartfordy” stosowano zarówno w zawieszeniach przedniej jak i tylnej osi i czasami w zależności od potrzeb więcej niż po parze na każdą oś.

W lekkich i tanich samochodach z resorem poprzecznym czasem wystarczył tylko jeden centralny amortyzator jak np. w małym BMW-Dixi, czy nieco większych Tatra.

Pewną odmianą „Hartforda” był bardziej wyrafinowany konstrukcyjnie i stąd stosowany w samochodach wybitnie sportowych lub z tzw. wyższej półki (czyli również tych z możliwością rozwijania znacznych prędkości) był wielopłytkowy amortyzator cierny wzoru Georges’a d’Ram składający się ze stosu naprzemiennie ułożonych metalowych dysków w sposób podobny do tego jak ma to miejsce w przypadku sprzęgieł wielopłytkowych.

Proste, tanie i wygodne, ale niestety jak prawie wszystko z wadami.

Po pierwsze „zadana” poprzez naprężenie sprężyny siła tłumienia była ciągle ta sama bez względu na szybkość jazdy i warunki drogowe. Aby ją zmienić należało dokonać regulacji (w czym pomagała umieszczona na dysku skala), ale nadal amortyzator „nie nadążał” za amplitudą odkształceń resorów. Druga istotna wada dotyczyła częstego unieruchamiania urządzenia ze względu na zanieczyszczenia lub długi czas pozostawania w bezruchu.

Być może to, albo oswojenie się już zarówno producentów jak i użytkowników samochodów z hydrauliką (np. hydraulicznych układów hamulcowych) spowodowało, że już od połowy lat 30. na nowo zainteresowano się wynalazkiem francuskiego inżyniera wojskowego Charlaesa Françoisa Maurice Houdaille’a.

Ale! Należy też wspomnieć, że mniej więcej od drugiej połowy lat 20. rozwiązanie problemu tłumienia drgań w układzie jezdnym pojazdów drogowych w dużym stopniu wspomagane było także przez stosowanie wynalezionych ok.1925 r. opon niskociśnieniowych potocznie określanych jako „balonowe”.

Druga część historii amortyzatorów – Amortyzatory – tylko mnie nie bujaj! – część 2

Zdjęcia i szkice: archiwum i własne zdjęcia autora.