Jousitusrakenteet, geometria ja pyöränhallinta

Jousitusrakenne määrää, miten pyörän liikettä, kääntymistä ja voimien välitystä rajoitetaan. MacPherson, päällekkäiset kolmiotukivarret ja monivarsituenta kuvaavat varsien ja nivelten järjestelyä; nimi ei yksin ennusta koko sitä mukavuus- ja ajokäyttäytymistä, joka esitellään artikkelissa EV suspension overview.

Kinematiikka ja jousto

Pyörännapa voi siirtyä ja kiertyä kolmessa ulottuvuudessa. Jousituksen varret rajoittavat useimpia vapausasteita mutta sallivat suunnitellun liikeradan sisään- ja ulosjoustossa. Kinematiikka kuvaa ihanteellista geometrista liikettä. Elastokinematiikka eli joustokinematiikka kuvaa lisäliikettä, joka syntyy helojen, nivelten, varsien, apurunkojen ja korin taipuessa rengasvoimien alla.

Molemmat ratkaisevat. Rakenteen camber-muutos voi olla mittalaitteessa haluttu, mutta jarrutuksessa syntyä haitallinen aurausmuutos taipuvan helan vuoksi. Tarkasti suunnattu jousto voi puolestaan vaimentaa iskun tai tuottaa vakauttavaa aurausta sivuttaiskuormalla. Nykyaikainen kehitys yhdistää siksi monikappalesimuloinnin, jäykkyysmallit, kinematiikka- ja joustomittaukset, kestävyystyön ja ajosäädön. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance

Tärkeimmät geometriatermit ovat:

Camber: edestä katsottu pyörän kallistus. Sen muutos joustoliikkeen ja korin kallistuksen aikana vaikuttaa renkaan asentoon tiellä.
Auraus: ylhäältä katsottuna pyörien suunta sisään- tai ulospäin. Joustoliikkeen aiheuttamaa tahatonta aurausmuutosta kutsutaan usein jousto-ohjaukseksi.
Caster, ohjausakselin kallistus ja jättämä: etu- ja sivukuvan ohjausgeometriaa, joka vaikuttaa palautukseen, ohjausvoimaan ja häiriöherkkyyteen.
Olkapoikkeama: tien tasossa oleva sivuttaisetäisyys ohjausakselin leikkauspisteen ja kosketuspinnan keskikohdan välillä. Se vaikuttaa ohjausvoimiin jarrutuksessa ja pidon vaihdellessa.
Kallistuskeskiö: geometrinen esitys, jolla analysoidaan sivuttaisvoiman jakautumista tukivarsien välittämän voiman ja korin elastisen kallistuksen kesken. Se ei ole fyysinen nivel ja liikkuu jousituksen mukana.
Jarrutusnyökkäystä ja kiihdytyskyykkäystä vastustava geometria: varsien suunnat johtavat osan pitkittäisestä rengasvoimasta jousitusrakenteiden kautta vastustamaan korin nyökkäystä. Liian suuri vaikutus voi välittää koriin enemmän häiriöitä.
Liikesuhde: pyörän liikkeen suhde jousen tai iskunvaimentimen liikkeeseen. Se muuttaa pyöräjäykkyyttä, iskunvaimentimen nopeutta ja osilta vaadittavia voimia.

Mikään yksittäinen geometria-arvo ei ole ”paras”. Tavoitteet riippuvat renkaasta, painopisteestä, raideleveydestä, akselivälistä, vetotavasta, jarruvoimien jaosta, ohjauksesta, aerodynamiikasta ja käyttötarkoituksesta.

Riippumattomat, kytketyt ja jäykät rakenteet

Erillisjousituksessa toinen pyörä voi liikkua pystysuunnassa ilman, että jäykkä akseli pakottaa vastakkaisen pyörän samaan liikkeeseen. Puolet kytkeytyvät silti korin, apurungon, kallistuksenvakaajan ja joissakin järjestelmissä hydrauli- tai paineilmapiirien kautta.

Yhdystukiakselia kutsutaan usein puoli-itsenäiseksi. Sen pitkittäiset varret voivat liikkua eri verran, mutta poikkipalkki kiertyy ja kytkee ne toisiinsa.

Jäykässä akselissa yhtenäinen rakenne yhdistää pyörännavat. Yhden pyörän liike muuttaa akseliston asentoa ja voi vaikuttaa suoraan vastakkaiseen pyörään. Vetävä jäykkä akseli sisältää tasauspyörästön ja vetoakseleiden toiminnot; De Dion yhdistää pyörät, mutta tasauspyörästö kiinnittyy koriin.

Luokat kuvaavat kytkentää, eivät laatua. Hyvin kehitetty yhdystukiakseli voi olla rauhallisempi kuin huonosti säädetty erillisjousitettu taka-akseli, ja jäykkä akseli voi olla järkevä valinta kuormalle, kestävyydelle ja maastoliikkeille.

MacPherson- ja jaetun alatukipisteen joustintuet

MacPherson-rakenne käyttää jousi-iskunvaimennintukea kantavana pyörää paikantavana osana. Alatukivarsi tai -varret paikantavat pyörännavan alaosan, ja yläkiinnitys sekä ohjaustanko täydentävät perusgeometrian.

Etuja ovat vähäinen osamäärä, hyvä sivuttaispakkaus ja tila joustintornien välissä törmäysrakenteelle, voimansiirrolle tai etutavaratilalle. Rajoitteita ovat suuret kuormat joustintuessa ja yläkiinnityksessä, herkkyys kitkalle ja kiinnityksen jäykkyydelle sekä erillisillä ylätukivarsilla toteutettua rakennetta vähäisempi vapaus camberin ja ohjausakselin geometriassa.

”Kaksoisnivel-”, ”kaksoisakseli-” tai ”kaksoiskääntöpiste”-joustintuenta jakaa alatukitoiminnon kahdelle varrelle ja luo virtuaalisen alemman ohjauspisteen. Se kuuluu yhä joustintukiperheeseen, mutta virtuaalipiste antaa enemmän vapautta olkapoikkeamaan, ohjaushäiriöihin ja voimareitteihin. BMW:n kuvaus kaksoisniveljoustintuesta osoittaa, miksi kaikkia joustintukia ei pidä pelkistää yhdeksi alatukivarreksi. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction

Päällekkäiset kolmiotukivarret

Päällekkäisiin kolmiotukivarsiin perustuva jousitus paikantaa pyörän ylä- ja alatukivarsilla. Varsien ei tarvitse olla A-kirjaimen muotoisia; kumpikin voidaan jakaa erillisiksi lenkeiksi, ja jousi sekä vaimennin voivat toimia suoraan tai keinuvivun tai työntötangon kautta.

Erillinen ylä- ja alageometria antaa paljon vapautta camber-muutoksen, kallistuskeskiön liikkeen, ohjausakselin sijainnin sekä jarrutus- ja kiihdytysnyökkäyksen hallintaan. Se voi myös tuottaa jäykän pyöräntuennan, jossa vaimennin on erotettu ohjauskuormista.

Haittoina ovat tila ja osamäärä. Ylätukivarsi kilpailee renkaan liikealueen, korirakenteen ja etutavaratilan kanssa; lyhyt varsi voi tuottaa jyrkkiä geometriamuutoksia, pitkä tarvitsee tilaa. Huonoa geometriaa ei pelasta rakenteen nimi.

Monivarsituenta

”Monivarsituenta” on rakenneperhe, ei yksi standardimekanismi. Erilliset varret hallitsevat eri yhdistelmiä pitkittäisestä, sivuttaisesta ja kiertävästä liikkeestä. Tulos määräytyy sijainneista, niveltyypeistä ja jäykkyyksistä.

Viisivarsituenta käyttää usein viittä erillistä vartta rajoittamaan viittä pyörännavan kuudesta vapausasteesta ja jättää suunnitellun joustoliikkeen vapaaksi. Todelliset rakenteet eivät ole näin yksiselitteisiä: kolmiotukivarsi voidaan laskea yhdeksi tai kahdeksi lenkiksi, aurausvarsi voi ohjata aktiivisesti ja valmistajien nimet vaihtelevat.

Monivarsituennan arvo on säätövapaudessa. Auraus- ja camber-hallinta voidaan erottaa, jarru- ja vetovoimat johtaa eri helojen kautta ja jousi sekä vaimennin sijoittaa tavara- tai moottoritilan ehdoilla. Vastineena on enemmän niveliä, tiukempi toleranssien hallinta, monimutkaisempi suuntaus ja enemmän mahdollisuuksia jouston tai kulumisen aiheuttamiin muutoksiin.

Nykyinen Porsche Taycan osoittaa luokan ja toteutuksen eron: Porsche käyttää edessä päällekkäisiä kolmiotukivarsia ja takana taottua alumiinista monivarsituentaa ja yhdistää niihin ilmajouset sekä säätyvät vaimentimet. Rakenne ei kerro, mikä jousi- tai vaimennintekniikka autossa on. Porsche: Taycan front and rear suspension construction

Pitkittäiset tukivarret ja yhdystukiakselit

Pitkittäinen tukivarsi kiertyy pääasiassa poikittaisen, pyörän etupuolella olevan akselin ympäri. Se on kompakti ja suora pitkittäisvoimille, mutta yksinkertainen versio antaa vähän itsenäistä camber- ja auraushallintaa. Vinotukivarsi kallistaa nivelakselia ja kytkee joustoliikkeen tarkoituksella camber- ja aurausmuutokseen.

Yhdystukiakseli liittää kaksi pitkittäisvartta kiertyväksi suunnitellulla poikkipalkilla. Palkki paikantaa pyörät ja tuottaa osan akselin kallistusjäykkyydestä, joten erillistä vakaajaa ei aina tarvita.

Rakenne on kompakti, kevyt osiltaan ja edullinen, ja se voi vapauttaa arvokasta lattia- ja tavaratilaa. Pyörien liikkeet ja joustot kytkeytyvät vahvemmin kuin täysin erillisessä akselissa, ja suuri taka-akselikuorma tai vaativat mukavuus- ja ajettavuustavoitteet voivat vaikeuttaa palkin, helojen ja korikiinnitysten yhteisoptimointia. Tutkimukset osoittavat silti, että poikkipalkin geometrialla ja helojen suunnalla on merkittävä säätövara; ”yhdystukiakseli” ei yksin ratkaise alustan laatua. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization

Jäykät akselit ja lehtijousen paikannus

Jäykkä akseli pitää pyörien camber-suhteen kiinteänä akseliin nähden ja tarjoaa vahvat, yksinkertaiset voimareitit. Se on yhä perusteltu pakettiautoissa, avolavoissa ja maastoautoissa, joissa kuorma, vetokyky, akseliston liike ja kestävyys voivat painaa enemmän kuin jousittamattoman massan ja eristyksen haitat.

Lehtijouset voivat sekä kannattaa koria että paikantaa akselin pitkittäissuunnassa, mikä vähentää varsia. Kehittyneemmät jäykät akselit käyttävät erillisiä tukivarsia, Panhard-tankoa tai Watt-vivustoa, kun kierre- tai ilmajouset kantavat kuorman.

Koska tasauspyörästö ja suuri osa voimansiirrosta liikkuvat vetävän jäykän akselin mukana, jousittamaton massa voi olla suuri. De Dion pitää tasauspyörästön korissa, mikä pienentää haittaa säilyttäen pyörien sivuttaiskytkennän.

Geometria ei ole säätö

Kaksi samalla ilmoitetulla rakenteella varustettua sähköautoa voivat käyttäytyä eri tavoin seuraavien vuoksi:

jousen ja vaimentimen liikesuhteet;
staattinen ajokorkeus ja käyttökelpoinen sisään- ja ulosjoustovara;
helojen jäykkyys, suuntariippuvuus ja kitka;
apurungon ja korikiinnitysten jäykkyys;
kallistuksenvakaajan jäykkyys ja kiinnitysjousto;
vanteen offset, rengasrakenne ja -paine sekä jousittamaton massa;
suuntaustavoitteet ja toleranssit;
ohjauksen, jarrujen ja aktiivialustan ohjelmisto.

Siksi suspension springs, suspension dampers ja active suspension ovat tämän sarjan erillisiä osia.

Mitä ostajan ja omistajan kannattaa tarkistaa

Pidä rakenteen nimeä lähtökohtana. Selvitä tarkka etu- ja takarakenne, muuttaako takaohjaus tai aktiivinen auraus sitä ja korvaavatko lisävarustepaketit jouset, vaimentimet vai molemmat.

Pyöränsuuntaus on arvioitava määrätyllä ajokorkeudella ja kuormalla. Madallus, korotus tai eri offsetin vanne voi muuttaa camberia, aurausta, jousto-ohjausta, kallistuskeskiötä, vetoakseleiden kulmia ja jäljellä olevaa joustovaraa. Kumiholkilliset varret saatetaan myös joutua kiristämään suunnitteluasennossa; kiristys täysin ulosjoustettuna voi esijännittää helat normaalikorkeudella.

Arvioi tiellä lopputulos: ohjauksen tarkkuus epätasaisuuksissa, vakaus jarrutuksessa, pään heiluminen vuorottelevissa herätteissä, rengasmelu, iskujen eristys ja korin rauhoittuminen. Arkkitehtuuri luo mahdollisuudet. Geometria, jousto ja säätö ratkaisevat, kuinka paljon niistä välittyy kuljettajalle.