Drugą część cyklu o zawieszeniach kół zaczniemy od opisania sprężystych elementów zawieszenia.

To termin trochę zapomniany, ale samo zagadnienie jak najbardziej aktualne i to w odniesieniu do części i zespołów wytwarzanych w najnowszych technologiach.
Są to elementy, których zadaniem jest przeciwstawianie się wychyleniom kół jezdnych z położeń równowagi i ich powrotu do stanu pierwotnego po zaniku obciążeń zewnętrznych.

Ogólnie mówiąc elementy sprężyste pośredniczą w przekazywaniu obciążeń pochodzących z nadwozia na koła jezdne i odwrotnie, czyli np. sprężyny zawieszenia, służące tłumieniu drgań amortyzatory…, jak również różnego rodzaju elementy i tuleje elastyczne lub w przypadku zawieszeń pneumatycznych miechy sprężyste.

Nawiązując do kwestii mas, są to elementy, które zdolne są częściowo lub w pełni przekazywać obciążenia dynamiczne pochodzące od mas nieresorowanych na masy resorowane i zamianę nieregularnych wstrząsów lub uderzeń kół na wymuszone drgania mas resorowanych o z góry przewidzianej przez konstruktorów częstotliwości.

Nie chodzi w tym przypadku o konkretne rozwiązania konstrukcyjne, ale o charakterystykę zależną zarówno od rodzaju jak i własności zastosowanych elementów sprężystych. Podział jest stosunkowo prosty, ponieważ odnosi się do dwóch przypadków. Zawieszeń o charakterystyce liniowej, gdzie statyczna strzałka ugięcia zmienia się wprost proporcjonalnie do zmiany obciążenia i zawieszeń o charakterystyce progresywnej. W drugim przypadku chodzi o to, że strzałka ugięcia wzrasta coraz wolniej ze zwiększaniem obciążenia a jednostkowe ugięcie zmienia się w zależności od chwilowego obciążenia.

Tłumacząc na język bardziej zrozumiały chodzi o to, że jedne zawieszenia są w stanie przenosić obciążenia dosłownie, czyli akcja –reakcja (jak np. na zdjęciu po lewej stronie), a drugie działają bardziej jak akumulatory stopniowo uwalnianej energii.

Najbardziej pożądaną cechą byłoby (i w praktyce jest) rozwiązanie pośrednie, czyli stosunkowo miękkie zawieszenie przy małym obciążeniu i twarde przy pełnym. Kiedyś trudne, dziś, dzięki zawieszeniom adaptacyjnym i zawiadującej nimi elektronice jak najbardziej powszechne!

Przez długi czas historii rozwoju samochodu dominującym rodzajem połączenia nadwozi z podwoziami były tzw. zawieszenia zależne (sztywne) ze sztywnymi osiami łączącymi obydwa koła i to zarówno przednich, jak i tylnych lub niezależne pozwalające na równoległe przemieszczanie się kół podczas uginania się elementów sprężystych, czyli tak jak to jest np. w przypadku zawieszeń z podwójnymi lub pojedynczymi wahaczami poprzecznymi, podłużnymi (a wcześniej nawet z pojedynczymi wahaczami wzdłużnymi), również układów mieszanych z wahaczami poprzecznymi i wzdłużnymi (np. współczesne zawieszenia wielowahaczowe).

Obecnie, poza nielicznymi przykładami zastosowań w autach użytkowych i ciężarowych, w samochodach osobowych prawie zapomniane na korzyść zawieszeń niezależnych. Kto był ich prekursorem trudno dociec, ale pewne jest, że już we wczesnych latach 20. minionego stulecia niezależne zawieszenia przednich kół pojawiały się w seryjnie produkowanych autach kilku producentów amerykańskich jak i w Europie.

Niezależne zawieszenia tylnych kół pojawiły się nieco później i to głównie jak zwykle za sprawą sportów samochodowych. Dziś zawieszenia niezależne kół obu osi to standard, którego podstawową zaletą jest indywidualne utrzymywanie każdego z kół we właściwym położeniu względem nadwozia poprzez sztywne elementy wyposażone w przeguby lub elementy sprężyste. Dzięki temu wychylenie jednego koła (np. w czasie pokonywania łuku) nie powoduje bezpośrednio zmiany położenia drugiego koła tej samej osi tak jak miało to miejsce w przypadku zawieszenia sztywnego.

Wymienienie wszystkich rodzajów niezależnych zawieszeń kół z uwagi na ich ilość i różnorodność to zadanie prawie niewykonalne, ale z czasem producenci samochodów przekonali się do kilku standardów, które powielane w wielu wersjach z powodzeniem funkcjonują do dziś.

Jednym z najczęściej stosowanych ze względu na zwartość i prostotę konstrukcji, stosunkowo niski ciężar i koszty produkcji jest doskonale znane zawieszenie kolumnowe nazwane od nazwiska jego wynalazcy „kolumną MacPhersona”.

Ciekawostka! Nazwa MacPherson pochodzi od nazwiska inż. Earle S. MacPherson, który ostatecznie po wnioskach składanych w 1945 i 1946 r. patent na swoje rozwiązanie otrzymał w 1949 r, ale równie dobrze (gdyby nie formalności patentowe) mogłoby nosić imię innego konstruktora, który zastosował zawieszenie kolumnowe w budowanych w latach 1934-36 samochodach Scarab.

Chodzi o Williama Bushed’a Stouta, który zawieszenie kolumnowe zaprojektował już w 1925 r. będąc jeszcze członkiem zespołu konstruującego samoloty u Packarda (samolot Torpedo plain), a następnie u Forda, „Tri motor” (Tin goose – „blaszaną gęś”). Chodziło wówczas o projekt dotyczący konstrukcji podwozia, a konkretnie tzw. przedniej goleni. Po raz pierwszy w samochodach pojawiło się w prototypowych Chevroletach Cadet (1946 r.), a następnie stosowane były między innymi w europejskich Simcach Vedette (1949 r.).

A polski wątek? W 1964 r. pierwsze polskie zawieszenie kolumnowe rodzimej konstrukcji (autorem projektu był inż. Feliks Adler) pojawiło się w prototypowej Warszawie 210 i wykonano je w całości w zakładach w Krośnie. Tyle, że jak w wielu innych momentach konstrukcji auta wzorowano się wówczas na Fordzie Zephtrze, gdzie montowano je wtedy w standardzie już od 1951 r.

Jest to jeden spójny zespół odpowiadający za resorowanie, tłumienie, prowadzenie oraz skręcanie kierowanych kół, zbudowany z umieszczonego współosiowo wewnątrz sprężyny spiralnej amortyzatora, który obok funkcji tłumienia spełnia także rolę elementu prowadzącego.

Stanowi połączenie z nadwoziem samochodu, przy jednoczesnej możliwości obrotu wokół własnej osi zapewniając jednocześnie duży skok zawieszenia. Niewątpliwa zaleta…, ale takie rozwiązanie ma też kilka znaczących wad.

Bezpośrednie połączenie z nadwoziem jest przyczyną bezpośredniego przenoszenia się drgań pochodzących od kół na nadwozie to jedno, a drugie, to występowanie niekorzystnego tarcia powstającego podczas ruchu obrotowego w gnieździe tłoczyska amortyzatora.

Oczywiście obecnie (zwłaszcza druga z wymienionych wad) dzięki nowym technologiom jest już skutecznie eliminowana, ale jako zjawisko jest ono nadal obecne.

W przypadku zawieszeń kół tylnych osi rozpowszechnione jest obecnie zawieszenie z wahaczami wzdłużnymi. Jest stosunkowo proste konstrukcyjnie i składa się zamocowanych obrotowo do ramy pomocniczej lub bezpośrednio do nadwozia zgodnie z kierunkiem ruchu dwóch wahaczy, po jednym z każdej strony samochodu.

Zaletą tego typu konstrukcji jest łatwość adaptacji w zależności od konstrukcji podłogi pojazdu, co pozwala zarówno na większą dowolność konfiguracji jego wnętrza, jak również możliwość ingerencji dotyczącej np. rozstawu osi, a to z kolei pozwala na działania bezpośrednio związane z optymalizacją parametrów jezdnych.

Inną zaletą tego typu zawieszeń jest także to, że podczas pionowych ruchów kół równoległe do nawierzchni osie obrotu wahaczy nie powodują zmiany rozstawu kół, kątów pochylenia i zbieżności. Tylko w nieznacznych wartościach zmienia się jedynie rozstaw osi. Jak w każdym rozwiązaniu są też wady, które w tym przypadku dotyczą oddziaływania sił bocznych i tendencji odkształcania się wahaczy podczas pokonywania ostrych zakrętów.

Pochodną zawieszenia z wahaczami wzdłużnymi są zawieszenia kół tylnych z wahaczami skośnymi, które konstrukcyjnie jest właściwie taki sam jak z wahaczami wzdłużnymi. Różnica polega na kształcie zastosowanego wahacza, który umożliwia zaadoptowanie takiego układu do samochodów z napędem na tylne, przednie bądź wszystkie koła.

W tym przypadku koła wykonują jednak nie ruchu w jednej płaszczyźnie, ale przestrzenne co wymaga zastosowania dwóch przegubów na każdą z półosi napędowych umożliwiających przemieszczenia kątowe oraz kompensację przemieszczeń osiowych. I wreszcie często stosowane we współczesnych samochodach i to już nie jak dawniej w autach z wyższych półek, ale w różnych segmentach

Po raz kolejny trudno jednoznacznie stwierdzić który producent uważany jest za prekursora takiego rozwiązania, ale jednym z pierwszych producentów, który je wprowadził do seryjnie produkowanych aut osobowych był Mercedes-Benz (model W201).

Ogólnie mówiąc jest to rozwiązanie polegające na zastosowaniu kombinacji wahaczy wzdłużnych, poprzecznych, skośnych i drążków i nie ma jednoznacznie określonego kanonu jego realizacji. Wielu producentów wdraża własne rozwiązania, zależne od konkretnego modelu i przeznaczenia pojazdu, ale często spotykanym układem jest zastosowanie dolnego wahacza wzdłużnego i dwóch drążków poprzecznych. Do dolnego zamocowany jest amortyzator wraz z elementem sprężystym (np. sprężyną śrubową lub zespołem pneumatycznym).

Bez względu na sposób realizacji główną ideą układu wielowahaczowego jest zapewnienie jak najmniejszej zmiany kątów zbieżności i pochylenia pod wpływem zmian obciążenia pojazdu i jego ruchu. Jak zwykle w technice jest coś za coś, a w tym przypadku zdecydowanie zwiększa się masa nieresorowana. Tu kolejny uśmiech stronę nowych technologii i stosowania lżejszych, ale za to droższych materiałów.

Zawieszenia wielowahaczowe wielu producentów samochodów stosuje zarówno na osi przedniej jak i tylnej. Na tylnej osi można znaleźć już w samochodach klasy średniej, gdzie powoli odchodzi się od półzależnej i często używanej w przeszłości belki skrętnej.

Tak naprawdę nie wiadomo jakie będą zawieszenia przyszłości. Czy wraz z nowymi technologiami i być może materiałami sprężystymi pojawią się nowe możliwości?!
Kiedyś np. techniczną rewelacją, która znalazła zastosowanie w Mini Morrisie były elastomery (które tak naprawdę wówczas się nie przyjęły). Co będzie za kilka lub kilkanaście lat …?

Jak należy przypuszczać, dość pewnym zjawiskiem będzie większa koncentracja na problemie elektormobilności i bezpieczeństwa, a to (przynajmniej na dziś, choćby ze względu na ciężkie akumulatory) oznacza zwiększanie masy resorowanej w samochodach z napędem elektrycznym.

Bezpieczeństwo również „waży”, co potwierdza choćby konstrukcja fotela montowanego we współczesnym samochodzie, gdzie z kolei pojawia się problem stosunku mas?! Jest też wiele innych aspektów, ale…! Mimo wszystkich prognoz nie mówi się jednak dotąd o zmianie praw fizyki, a jak wynika z powyższego i mocno skróconego opracowania mają i prawdopodobnie będą miały one podstawowe znaczenie, które muszą być uwzględnione przez przyszłych konstruktorów już może nie samochodów ale pojazdów.

„Zawieszenie kół – co warto o nim wiedzieć – część 1„