Kiedy pada termin „zawieszenie kół i osi”, każdemu, kto interesuje się budową samochodów jednoznacznie kojarzy się on z dziesiątkami połączonych wzajemnie ruchomych elementów, których zadaniem jest połączenie układu jezdnego, optymalne utrzymanie kontroli nad poruszającym się pojazdem oraz zapewnienie komfortu podróżowania.

Tak było od samego początku kiedy powstawały pierwsze konstrukcje maszyn samobieżnych poruszających się już bez udziału siły ludzkiej lub zwierzą i tak pozostało do dziś.

Jednym tchem jesteśmy w stanie wymienić rodzaje zawieszeń, ich tło historyczne, wykorzystywane rozwiązania konstrukcyjne i technologie wytwarzania oraz funkcje jakie muszą spełniać. Większość z nas (samochodziarzy) doskonale potrafi nazwać poszczególne części zawieszeń, odróżniać je pod względem przydatności i wykazać wyższość jednych rozwiązań na innymi.

Czy jednak nasza wiedza na ten temat jest kompletna? Czy rzeczywiście oceniając np. nowoczesność rozwiązań w konkretnym modelu samochodu zdajemy sobie sprawę z ogromu tematu związanego z zaprojektowaniem najbardziej efektywnego rodzaju zawieszenia kół i osi dla osiągnięcia konkretnego celu?

Być może tak, ale na wszelki wypadek przypomnijmy kilka wybranych i wręcz encyklopedycznych formułek, które pozwolą inaczej spojrzeć na ten problem.

Według definicji jest to układ elementów sprężystych łączących koła jezdne, osie lub mosty napędowe z nadwoziem, ale także „z ramą nośną samochodu”. Dziś w odniesieniu do większości samochodów osobowych jest to czysty anachronizm. Elementami sprężystymi zawieszenia są najczęściej resory, spiralne sprężyny śrubowe, drążki skrętne, elementy gumowe, urządzenia pneumatyczne lub hydrauliczne.

A tak historycznie! Pierwsze w chronologii automobilu były resory piórowe zapożyczone jeszcze z powozów, karet…, ale również z samobieżnych lokomobil!

Jak podają niektóre źródła, sprężyny śrubowe w seryjnie produkowanych samochodach pojawiły się ok. 1906 r. między innymi w amerykańskich autach marki Brush (Brush Motor Company), a nie wspomniane jeszcze drążki skrętne ok 1920 r. w angielskich pojazdach produkowanych przez Leyland Motors.

Tu oczywiście pewna korekta. Mówimy o sprężynach w pojazdach produkowanych seryjnie, co nie oznacza, że idea ich stosowania nie znana była wcześniej. Przykład! Ciężarówka Daimlera z 1898 r., którą możemy oglądać w muzeum Mercedesa w Stuttgarcie

Zadanie zawieszenia polega przede wszystkim na tłumieniu wstrząsów nadwozia wywołanych toczeniem się kół jezdnych samochodu po nierównościach nawierzchni oraz drgań występujących podczas ruchu pojazdu, ale to zadanie spełnia już kolejny element układu jezdnego – amortyzator, o którym będzie mowa w kolejnym opracowaniu.

Zawieszenie samochodu chroni więc nie tylko przewożone osoby przed szkodliwymi wstrząsami (komfort jazdy), ale również elementy samego pojazdu. Na koniec, jeszcze to, co jest może najważniejsze w samochodach, ma bezpośredni i bardzo znaczący wpływ na stabilność pojazdu i tym samym zapewnienie bezpieczeństwa jazdy w każdych warunkach drogowych.

Jak dotąd wszystko jasne i może nawet trywialne…ale!

Sama mechanika ruchu pojazdu, a stąd także projektowanie zawieszeń kół, to już jednak dla większości zwykłych użytkowników (ograniczmy się tylko do samochodów) bardzo złożona i dostępna tylko nielicznym dziedzina wiedzy polegająca na ściśle matematycznych analizach teorii ruchu i drgań jakim podlega poruszające się auto…, ale przede wszystkim również suma doświadczeń zdobywanych wraz z postępującym rozwojem samochodu przez konstruktorów przez konstruktorów, jak również infrastruktury drogowej.

Wypadałoby w tym miejscu wspomnieć o znaczącej, jeśli nie dominującej roli motorsportu, ale to kolejny i bardzo szeroki temat, który wymaga bardzo specjalnego omówienia w innym miejscu.

Dla uproszczenia tych rozważań i rozpatrując samochód jako obiekt podlegający podczas ruchu różnorodnym drganiom ograniczymy się więc do podstawowych charakteryzujących ten temat kwestii takich jak masa resorowana, czyli wszystkie elementy, których ciężar przenoszony jest przez zawieszenie.

Mówimy tu o ciężarze całego nadwozia z wszystkimi wchodzącymi w jego skład elementami wyposażeniem, całym układem napędowym, układem wydechowym, ale również ciężarem jadących w samochodzie osób i ich bagażem. Aby bardziej skomplikować zagadnienie należy dodać, że w czasie ruchu, zgodnie z prawami fizyki „masa resorowana” podczas poruszania się pojazdu może wykonywać dowolne ruchy, z czym wiąże się również powstawanie drgań.

W odniesieniu do przestrzennego układu współrzędnych prostokątnych (takich np. jak w przypadku wykonywania rysunków technicznych) można sprowadzić je do sześciu możliwych przesunięć wzdłuż do wzajemnie do siebie prostopadłych trzech osi lub obrotów wokół nich.

Analizując kolejno mamy przesunięcia liniowe:
– wzdłuż osi pionowej (x) w kierunku jazdy (np. siły występujące podczas przyśpieszania i hamowania)
– przesunięcia wzdłuż osi poziomej (y) prostopadłej do kierunku jazdy (znoszenie boczne)
– przemieszczanie się w osi pionowej (z) – unoszenie się i opadanie samochodu względem podłoża.

Ruchy obrotowe to:
– obroty wokół osi pionowej (x) – występujące podczas kołysania się nadwozia
– obroty wokół osi poziomej (y) – kołysanie podłużne
– obroty wokół osi pionowej (z) – obrót samochodu na drodze.

Idąc dalej można wspomnieć o kolejnych stopniach wtajemniczenia jak np. o charakterystyce drgań swobodnych masy resorowanej, statycznej strzałce ugięcia, czyli o odkształceniach elementów sprężystych (np. sprężyn spiralnych) pod wpływem ciężaru masy resorowanej, częstotliwości drgań swobodnych, drganiach wymuszonych masy nieresorowanej etc.

Wszystko po to, aby konstruktor samochodu (i jego komputer) mógł precyzyjnie obliczyć najbardziej istotne parametry mające wpływ na efektywność pracy zawieszenia kół i tym samym zachowania się samochodu na drodze.

Ciekawostka! Przyjmuje się, że częstotliwość drgań masy resorowanej nie powinna przekraczać 50-150 na minutę, co mniej więcej odpowiada częstotliwości stawiania kroków przez idącego człowieka i koresponduje z jego naturą, a to z kolei ma wpływ na poczucie komfortu.

Masa nieresorowana, to z kolei wszystkie te elementy, które mogą wykonywać ruchy nienależnie od ruchów masy resorowanej i których drgania charakteryzują się małą amplitudą i dużą częstotliwością. Dokładnie odwrotnie w stosunku do zachowywania się masy resorowanej.

Masa nieresorowana to koła jezdne z piastami, zwrotnice, tarcze hamulcowe lub bębny, zaciski hamulcowe, wewnętrzne układy hydrauliczne znajdujące się w bębnach hamulcowych, szczęki hamulcowe, ale także osie lub belki zawieszenia, mosty napędowe (jeśli nie są zespolone z nadwoziem), półosie napędowe etc. Jednym słowem wszystko to bezpośrednio łączy samochód z podłożem i ma wpływ na jakość i komfort jazdy. Tym większy, im bardziej poprawna jest zależność (stosunek) wartości masy resorowanej do nieresorowanej.

W dużym uproszczeniu wygląda to tak, że dążeniem konstruktorów samochodów jest zachowanie właściwych relacji masy resorowanej w stosunku do nieresorowanej. W praktyce przyjmuje się, że wartość masy nieresorowanej nie powinna przekraczać 10-15% całkowitej masy pojazdu, co w przypadku samochodu średniej wielkości oznacza ok. 35-50 kg na każde koło.

To oczywiście bardzo szacunkowe dane, ponieważ już od długiego czasu, od kiedy klienci wymagają bardziej komfortowo wyposażonych samochodów (przy okazji cięższych) wśród ich producentów trwa wyścig na technologie wykorzystywane przy wytwarzaniu lżejszych elementów wchodzących w skład masy nieresorowanej.

Stąd wykonywane dla większości modeli aut aluminiowe felgi kół, ceramiczne lub zbudowane z lekkich stopów i o mniejszych średnicach tarcze hamulcowe oraz opony, które tak naprawdę już same w sobie są dodatkową masą nieresorowaną ponieważ ich sprężystość powoduje wstępne tłumienie drgań.

Ciekawostka! Specjalnie dedykowane (opcjonalne dla modelu Audi Q8” opony 22″ w celu zwiększenia możliwości tłumienia drgań wyposażono w specjalnie zaprojektowane tłumiki drgań wykonane z pianki znajdującej się między bieżnikiem a szkieletem opony (karkasem).

KONKLUZJA OGÓLNA: dążeniem projektantów samochodów jest, aby wszystko, co ma się „trząść” było jak najlżejsze, ponieważ będzie w mniejszym stopniu przenosiło siły na nadwozie wraz z jego cenną zawartością!

“Zawieszenie kół – co warto o nim wiedzieć – część 2“

Zdjęcia: Audi, archiwum autora