Zawieszenie samochodu elektrycznego: prowadzenie kół, komfort i właściwości jezdne

Zawieszenie to mechaniczny i elektroniczny układ zarządzający siłami między oponami samochodu elektrycznego a jego nadwoziem. Jego zadaniem nie jest wyłącznie zapewnienie miękkiej jazdy: musi utrzymywać użyteczne obciążenie opon, kontrolować ruchy nadwozia, zapewniać skok zawieszenia, izolować hałas i drgania oraz bezpiecznie prowadzić pojazd podczas hamowania, przyspieszania i pokonywania zakrętów.

Co kontroluje zawieszenie

Wymuszenie od drogi zaczyna się w polu styku opony z nawierzchnią. Opona się odkształca, koło i piasta przemieszczają się, wahacze zawieszenia prowadzą ten ruch, sprężyna magazynuje energię, a amortyzator zamienia część ruchu w ciepło. Tuleje, ramy pomocnicze, fotele i konstrukcja nadwozia decydują o tym, jaka część pozostałego zakłócenia dotrze do pasażerów.

Układ musi więc realizować jednocześnie kilka zadań:

utrzymywać koło w użytecznym zakresie pochylenia i zbieżności podczas jego ruchu i skrętu;
ograniczać zmiany pionowego obciążenia opony, aby mogła ona wytwarzać przewidywalne siły hamowania, skrętu i napędu;
kontrolować ruch pionowy nadwozia, jego pochylanie wzdłużne i przechył boczny;
pochłaniać wymuszenia drogi bez ciągłego dobijania do ograniczników ugięcia lub odbicia;
przenosić zmienne obciążenie pasażerami, bagażem i przyczepą przy akceptowalnym prześwicie;
izolować hałas materiałowy bez utraty precyzji prowadzenia koła.

Żadne zawieszenie nie utrzymuje siły opony na idealnie stałym poziomie. Garb, zagłębienie lub ruch kierownicą zawsze zmienia rozkład obciążenia, a opona znajdująca się w powietrzu nie może wytwarzać siły na jezdni. Celem konstruktorów jest kontrolowanie wielkości, szybkości i czasu trwania tych zmian w granicach dostępnej przyczepności i skoku zawieszenia.

Użyteczny model: nadwozie, koło i droga

Najprostszy użyteczny model zawieszenia przedstawia jeden narożnik samochodu jako dwie poruszające się masy:

masa resorowana: część nadwozia, akumulatora, pasażerów i bagażu podparta przez sprężynę;
masa nieresorowana: przede wszystkim koło, opona, piasta, hamulec i część elementów prowadzących zawieszenia;
sprężyna i amortyzator zawieszenia między tymi masami;
sztywność i tłumienie opony między masą nieresorowaną a drogą.

Ten model „ćwiartki samochodu” o dwóch stopniach swobody jest celowo niepełny, ale dobrze pokazuje podstawowy kompromis. Miękkiej izolacji nadwozia, ścisłej kontroli skoku zawieszenia i niewielkich zmian obciążenia opony nie da się optymalizować niezależnie za pomocą pasywnej sprężyny i amortyzatora. Zmiana jednego parametru wpływa na więcej niż jeden wynik. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

Dla słabo tłumionego przybliżenia z jedną masą częstotliwość własna nadwozia wynosi:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

W tym wzorze kᵥ oznacza pionową sztywność na kole w N/m, a mₛ masę resorowaną podpartą w danym narożniku w kg. W rzeczywistym pojeździe wszystkie cztery koła są ze sobą sprzężone, występują też postacie drgań opony, fotela, tulei i konstrukcji. Równanie jest więc narzędziem do rozumowania, a nie kompletną prognozą komfortu jazdy.

Komfortu jazdy nie opisuje także jedna uniwersalna wartość przyspieszenia. Wrażliwość człowieka zależy od częstotliwości, kierunku i czasu trwania drgań, pozycji ciała oraz chwilowych wstrząsów. Norma ISO 2631-1 ocenia zatem drgania całego ciała z ważeniem częstotliwościowym, zamiast traktować każde przyspieszenie jako równoważne. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

Drogi przenoszenia obciążeń

Elementy zawieszenia wykonują różne zadania:

Opony są pierwszymi sprężynami i tłumikami w drodze przenoszenia sił. Ich budowa, ciśnienie, rozmiar i temperatura mogą zmieniać zarówno komfort, jak i reakcje układu kierowniczego.
Sprężyny podtrzymują obciążenie statyczne i magazynują energię podczas ruchu zawieszenia. Ustalają wysokość jazdy oraz, wraz z geometrią, sztywność na kole.
Amortyzatory przeciwstawiają się ruchowi względnemu i rozpraszają energię. W typowej konstrukcji samochodu osobowego nie podtrzymują statycznego ciężaru pojazdu.
Łączniki, wahacze, przeguby i kolumny ograniczają tor ruchu koła i przenoszą siły wzdłużne, boczne oraz pionowe.
Tuleje i mocowania wprowadzają zamierzoną podatność i izolację. Ich odkształcenie pod obciążeniem — elastokinematyka — może zmieniać zbieżność, pochylenie koła i reakcje układu kierowniczego.
Stabilizatory poprzeczne dodają siłę sprężystą głównie wtedy, gdy lewe i prawe koło przemieszczają się o różne wartości.
Ograniczniki ugięcia i odbicia stają się dodatkowymi sprężynami w pobliżu krańców skoku.
Czujniki, zawory, pompy i siłowniki mogą zmieniać tłumienie, wysokość jazdy, sztywność przechyłu lub siłę wytwarzaną przy konkretnym kole.

Tych części nie można oceniać w oderwaniu od siebie. Amortyzator o niskim tarciu jest wartościowy tylko wtedy, gdy jego mocowania i przeguby pozwalają mu reagować. Zaawansowana oś wielowahaczowa może nadal nieprzewidywalnie zmieniać kierunek koła, jeśli jej tuleje uginają się w niewłaściwą stronę. Miękka sprężyna główna może powodować twardą jazdę, jeżeli samochód zbyt często opiera się na ogranicznikach ugięcia.

Dlaczego samochody elektryczne zmieniają problem strojenia

Prawa rządzące zawieszeniem nie zmieniają się w samochodzie elektrycznym, ale często zmieniają się dane wejściowe projektu.

Akumulator trakcyjny może zmienić masę całkowitą, rozkład obciążeń osi, moment bezwładności przy odchyleniu i pochyleniu oraz ilość miejsca konstrukcyjnego wokół zawieszenia. Przekształcenie istniejącej platformy spalinowej w pojazd akumulatorowo-elektryczny może więc wymagać ponownej oceny sztywności na kole, tłumienia, sztywności przechyłu, skoku, pochylenia i zbieżności, a nie jedynie zwiększenia sztywności sprężyn. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Kilka cech samochodów elektrycznych wymaga szczególnej uwagi:

Akumulator zamontowany w podłodze umieszcza znaczną masę resorowaną nisko w nadwoziu. Może to zmniejszyć moment przechyłu wywołany danym przyspieszeniem bocznym, ale nie eliminuje potrzeby kontroli przechyłu ani przenoszenia obciążenia między oponami.
Duża masa pojazdu zwiększa energię ruchów nadwozia oraz siły potrzebne do ich zatrzymania w ramach skończonego skoku. Sama masa nie przesądza jednak, czy samochód elektryczny będzie komfortowy.
Duży moment napędowy i hamowanie rekuperacyjne mogą uwydatniać strojenie pochylenia nadwozia oraz zmiany obciążenia osi.
Duże koła, szerokie opony i duże hamulce mogą zwiększać masę nieresorowaną i sztywność opon. Ich wpływ trzeba oceniać dla kompletnego zestawu koła i opony.
Przy niewielkim hałasie silnika maskującym inne dźwięki łatwiej usłyszeć uderzenia, szum amortyzatorów, rezonans wnętrza opon i wymuszenia przenoszone przez tuleje.
Regulowana wysokość jazdy może chronić akumulator na złych drogach albo obniżać nadwozie przy dużej prędkości, lecz ewentualna korzyść dla zasięgu zależy od aerodynamiki pojazdu, strategii sterowania i energii zużywanej przez układ.

Prawidłowy wniosek nie brzmi, że każdy samochód elektryczny potrzebuje zawieszenia pneumatycznego lub aktywnego. Specyficzne dla danego modelu rozmieszczenie masy, zestaw opon, konstrukcja i sposób użytkowania wymagają dostrojenia właściwego dla tego samochodu elektrycznego.

Jak łączy się pięć artykułów

Nazwa podzespołu w danych technicznych mówi tylko część prawdy:

suspension layouts and wheel-control geometry wyjaśnia układy prowadzenia kół, kinematykę, podatność, geometrię i uwarunkowania przestrzenne.
suspension springs opisuje sztywność na kole, sprężyny śrubowe i pneumatyczne, stabilizatory, skok oraz podtrzymywanie obciążenia.
suspension dampers wyjaśnia charakterystyki siła–prędkość, ugięcie i odbicie, zawory pasywne oraz tłumienie adaptacyjne.
active suspension rozróżnia samopoziomowanie, tłumienie półaktywne, aktywną kontrolę przechyłu, sterowanie predykcyjne i w pełni aktywne zawieszenie.

Obecne Porsche Taycan dobrze pokazuje, dlaczego trzeba rozdzielać te warstwy: jego układ standardowy łączy dwukomorowe sprężyny pneumatyczne, stale sterowane amortyzatory dwuzaworowe, przednie zawieszenie z podwójnymi wahaczami poprzecznymi i tylną oś wielowahaczową, natomiast Porsche Active Ride dodaje pompy hydrauliczne zdolne do wytwarzania indywidualnych sił przy każdym kole. Określenia „pneumatyczne”, „adaptacyjne” i „aktywne” opisują różne funkcje tego samego podwozia. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

Jak ocenić zawieszenie samochodu elektrycznego

Dane techniczne nie ujawniają tarcia przy ruszaniu, charakterystyk amortyzatorów, zachowania tulei, dostępnego skoku, budowy opon ani kalibracji oprogramowania. Staranna jazda próbna powinna zatem rozdzielać warunki zamiast szukać jednego, ogólnego wrażenia:

Przed porównaniem pojazdów sprawdź rozmiar, typ, ciśnienie i obciążenie opon.
Używaj tego samego trybu jazdy i podobnego obciążenia pasażerami lub bagażem.
Uwzględnij ostro zakończone łączenia nawierzchni, niewielkie powtarzające się nierówności, długie pofalowania i wymuszenie działające na jedno koło.
Zwróć uwagę, czy pierwszy wstrząs jest izolowany i czy nadwozie uspokaja się po nim.
Oddziel pionową twardość od bocznego kołysania głowy i od hałasu.
Sprawdź spójność pochylenia nadwozia podczas zwykłej rekuperacji i hamowania.
Na bezpiecznej drodze oceń, czy po najechaniu na nierówność w środku zakrętu potrzebna jest korekta kierownicą.
Wypróbuj każdy tryb zawieszenia; szersze menu nie gwarantuje szerszego ani lepiej kontrolowanego zakresu pracy.

Najlepsze zawieszenie dla kupującego nie musi być najmiększe ani najbardziej złożone. Jest nim układ, który zachowuje się przewidywalnie na drogach, w temperaturach, przy obciążeniach, na oponach i z prędkościami, z jakimi pojazd będzie rzeczywiście użytkowany.