Elbilers hjulophæng: hjulføring, kørekomfort og køreegenskaber

Hjulophænget er det mekaniske og elektroniske system, der håndterer kræfterne mellem en elbils dæk og karrosseri. Dets opgave er ikke blot at gøre kørslen blød: Det skal bevare en brugbar dækbelastning, styre karrosseriets bevægelser, give tilstrækkelig fjedervandring, isolere støj og vibrationer og føre bilen sikkert gennem bremsning, acceleration og sving.

Hvad hjulophænget styrer

En påvirkning fra vejen begynder i dækkets kontaktflade. Dækket deformeres, hjulet og navet bevæger sig, ophængets arme styrer bevægelsen, fjederen lagrer energi, og støddæmperen omdanner en del af bevægelsen til varme. Bøsninger, hjælperammer, sæder og karrosseristruktur afgør, hvor meget af den resterende forstyrrelse der når passagererne.

Systemet har derfor flere samtidige opgaver:

at holde hjulet inden for et anvendeligt område for camber og sporing, mens det bevæger sig og styres;
at begrænse variationer i dækkets lodrette belastning, så dækket kan skabe forudsigelige bremse-, kurve- og drivkræfter;
at styre karrosseriets lodrette bevægelse, nikning (rotation forud og bagud) og krængning (rotation fra side til side);
at absorbere vejpåvirkninger uden gentagne gange at nå kompressions- eller returstoppene;
at bære skiftende last fra passagerer, bagage og anhænger ved en acceptabel kørehøjde;
at isolere strukturbåret støj uden at gøre hjulføringen upræcis.

Intet hjulophæng kan holde dækkraften fuldstændig konstant. Et bump, en fordybning eller et styreinput omfordeler altid belastningen, og et dæk, der er løftet fra vejen, kan ikke skabe vejkraft. Det tekniske mål er at styre ændringernes størrelse, hastighed og varighed inden for det tilgængelige vejgreb og den tilgængelige fjedervandring.

En nyttig model: karrosseri, hjul og vej

Den enkleste nyttige model af et hjulophæng repræsenterer et hjørne af bilen med to bevægelige masser:

den affjedrede masse: den del af karrosseri, batteri, passagerer og bagage, som fjederen bærer;
den uaffjedrede masse: hovedsageligt hjul, dæk, nav, bremse og en del af ophængets arme;
ophængets fjeder og støddæmper mellem disse masser;
dækkets stivhed og dæmpning mellem den uaffjedrede masse og vejen.

Denne model med to frihedsgrader, en såkaldt »kvartbilsmodel«, er bevidst ufuldstændig, men den synliggør det centrale kompromis. Blød isolering af karrosseriet, stram styring af fjedervandringen og små variationer i dækbelastningen kan ikke alle optimeres uafhængigt med en passiv fjeder og støddæmper. En ændring af én parameter påvirker flere resultater. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

For en tilnærmelse med én svagt dæmpet masse er karrosseriets egenfrekvens:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

Her er kᵥ den lodrette hjulrate i N/m, og mₛ er den affjedrede masse, der bæres ved det pågældende hjørne, i kg. I den virkelige bil er de fire hjul koblet sammen, og der findes desuden svingningsformer i dæk, sæder, bøsninger og struktur. Ligningen er derfor et værktøj til forståelse og ikke en fuldstændig forudsigelse af kørekomforten.

Kørekomfort kan heller ikke udtrykkes med ét universelt accelerationstal. Menneskets følsomhed afhænger af vibrationernes frekvens, retning og varighed, af kropsstilling og af kortvarige stød. ISO 2631-1 vurderer derfor frekvensvægtede helkropsvibrationer i stedet for at behandle al acceleration som ens. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

Belastningsvejene

Hjulophængets komponenter udfører forskellige opgaver:

Dækkene er de første fjedre og dæmpere i belastningsvejen. Deres konstruktion, tryk, størrelse og temperatur kan ændre både komfort og styrerespons.
Fjedrene bærer den statiske belastning og lagrer energi, når hjulophænget bevæger sig. De fastlægger kørehøjden og sammen med geometrien hjulraten.
Støddæmperne modvirker relativ bevægelse og bortleder energi. I et almindeligt personbildesign bærer de ikke bilens statiske vægt.
Led, arme, kugleled og fjederben begrænser hjulets bane og overfører langsgående, tværgående og lodrette kræfter.
Bøsninger og ophæng tilfører tilsigtet eftergivelighed og isolering. Deres deformation under kraft — elastokinematikken — kan ændre sporing, camber og styrerespons.
Krængningsstabilisatorer tilfører primært fjederkraft, når venstre og højre hjul bevæger sig forskelligt.
Kompressions- og returstoppene bliver til hjælpefjedre nær vandringens ender.
Sensorer, ventiler, pumper og aktuatorer kan variere dæmpningen, kørehøjden, krængningsstivheden eller kraften ved et enkelt hjørne.

Disse dele kan ikke vurderes isoleret. En støddæmper med lav friktion er kun værdifuld, hvis dens ophæng og led lader den reagere. En avanceret multilink-bagaksel kan stadig styre uforudsigeligt, hvis bøsningerne deformeres i den forkerte retning. En blød hovedfjeder kan give hård kørsel, hvis bilen arbejder for meget på sine kompressionsstop.

Hvorfor elbiler ændrer kalibreringsopgaven

Hjulophængets fysiske love ændrer sig ikke for en elbil, men det gør konstruktionsforudsætningerne ofte.

Et traktionsbatteri kan ændre den samlede masse, fordelingen af akseltryk, inertien omkring giring og nikning samt mængden af tilgængelig struktur omkring hjulophænget. Ombygning af en eksisterende platform fra forbrændingsmotor til batterielektrisk drift kan derfor kræve en ny vurdering af hjulrate, dæmpning, krængningsstivhed, vandring, camber og sporing i stedet for blot en forøgelse af fjederstivheden. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Flere egenskaber ved elbiler fortjener særlig opmærksomhed:

Et gulvmonteret batteri placerer en betydelig affjedret masse lavt i karrosseriet. Det kan reducere det krængningsmoment, som en given sideacceleration skaber, men fjerner ikke behovet for at styre krængning eller overførsel af dækbelastning.
Stor bilmasse øger energien i karrosseriets bevægelse og de kræfter, der kræves for at standse den inden for en begrænset vandring. Massen alene afgør dog ikke, om en elbil kører komfortabelt.
Højt drivmoment og kraftig regenerativ deceleration kan gøre kalibreringen af nikning og ændringer i akselbelastning mere mærkbare.
Store hjul, brede dæk og store bremser kan øge den uaffjedrede masse og dækkets stivhed. Deres virkning skal vurderes for den samlede hjul-dæk-kombination.
Når motorstøj kun i ringe grad maskerer andre lyde, kan slag, susen fra støddæmpere, resonansstøj i dækkene og påvirkninger fra bøsninger være lettere at høre.
Justerbar kørehøjde kan beskytte batteriet på dårlige veje eller sænke karrosseriet ved høj fart, men enhver rækkeviddegevinst afhænger af bilens aerodynamik, styrestrategien og den energi, systemet bruger.

Den korrekte konklusion er ikke, at alle elbiler behøver luftaffjedring eller aktiv affjedring. Den er, at en elbils særlige massefordeling, hjul-dæk-pakke, struktur og brugsmønster kræver en specifik kalibrering.

Sådan hænger de fem artikler sammen

Navnet på hardwaren i en specifikationsliste fortæller kun en del af historien:

suspension layouts and wheel-control geometry forklarer hjulføringslayout, kinematik, eftergivelighed, hjulindstilling og pladsforhold.
suspension springs forklarer hjulrate, skrue- og luftfjedre, krængningsstabilisatorer, vandring og lastbæring.
suspension dampers forklarer kraft-hastigheds-adfærd, kompression og retur, passive ventiler og adaptiv dæmpning.
active suspension skelner mellem selvnivellering, semiaktiv dæmpning, aktiv krængningskontrol, forudseende styring og fuldt aktiv affjedring.

Den nuværende Porsche Taycan illustrerer, hvorfor lagene skal holdes adskilt: Standardsystemet kombinerer luftfjedre med to kamre, kontinuerligt styrede støddæmpere med to ventiler, dobbelte tværarme foran og en multilink-bagaksel, mens Porsche Active Ride tilføjer hydrauliske pumper, der kan skabe hjulspecifikke kræfter. »Luft«, »adaptiv« og »aktiv« beskriver forskellige funktioner i det samme chassis. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

Sådan vurderes en elbils hjulophæng

En specifikationsliste kan ikke afsløre løsrivningsfriktion, støddæmperkurver, bøsningernes adfærd, den tilgængelige vandring, dækkonstruktionen eller softwarekalibreringen. En omhyggelig prøvekørsel bør derfor isolere forholdene i stedet for at søge efter ét vagt helhedsindtryk:

Kontrollér dækkenes størrelse, type, tryk og belastning, før biler sammenlignes.
Brug den samme køretilstand og en tilsvarende last af passagerer eller bagage.
Medtag skarpkantede samlinger, små gentagne ujævnheder, lange bølger og en påvirkning af kun ét hjul.
Bemærk, om det første slag isoleres, og om karrosseriet falder til ro bagefter.
Skeln mellem lodret hårdhed, sideværts hovedbevægelser og støj.
Kontrollér, om nikningen er ensartet ved normal regenerering og bremsning.
Vurder på en sikker vej, om en styrekorrektion er nødvendig efter et bump midt i et sving.
Prøv alle affjedringstilstande; en større menu garanterer ikke et bredere eller bedre kontrolleret arbejdsområde.

Det bedste hjulophæng for en køber er ikke nødvendigvis det blødeste eller mest komplekse. Det er det system, som bevarer en forudsigelig adfærd på de veje, ved de temperaturer, med de belastninger, dæk og hastigheder, som bilen faktisk vil møde.