Układy zawieszenia, geometria i prowadzenie kół

Układ konstrukcyjny zawieszenia określa, jak ograniczony jest ruch koła podczas ugięcia, skrętu i przenoszenia sił. Nazwy takie jak MacPherson, podwójne wahacze poprzeczne i zawieszenie wielowahaczowe opisują rozmieszczenie łączników i przegubów; same nie przewidują pełnego komfortu i zachowania opisanego w EV suspension overview.

Kinematyka i podatność

Zwrotnica może przemieszczać się i obracać w trzech wymiarach. Elementy zawieszenia ograniczają większość stopni swobody, pozostawiając zaprojektowany tor ugięcia i odbicia. Kinematyka opisuje ten idealny ruch geometryczny. Elastokinematyka, czyli kinematyka podatności, opisuje ruch dodatkowy, powstający, gdy tuleje, przeguby, wahacze, ramy pomocnicze i nadwozie odkształcają się pod siłami opon.

Obie są ważne. Układ może mieć pożądane pochylenie koła na stanowisku geometrycznym, lecz podczas hamowania uzyskiwać niepożądaną zmianę zbieżności wskutek ugięcia tulei. Starannie ukierunkowana podatność może natomiast pochłonąć uderzenie albo wprowadzić stabilizującą zbieżność pod obciążeniem bocznym. Współczesny rozwój łączy zatem symulacje wieloczłonowe, modele sztywności, badania kinematyki i podatności, próby trwałości oraz strojenie drogowe. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance

Najważniejsze pojęcia geometryczne:

Pochylenie koła: odchylenie koła widzianego z przodu. Jego zmiana podczas ruchu koła i przechyłu nadwozia wpływa na ustawienie opony względem drogi.
Zbieżność: skierowanie kół do wewnątrz lub na zewnątrz widziane z góry. Niepożądaną zmianę zbieżności przy ugięciu często nazywa się samoskrętem zawieszenia.
Wyprzedzenie sworznia, pochylenie osi zwrotnicy i ślad: geometria kierowania w widoku z przodu i z boku, wpływająca na samopowrót, siłę na kierownicy i wrażliwość na zakłócenia.
Promień zataczania: boczna odległość na drodze między przecięciem osi zwrotnicy a środkiem pola styku. Wpływa na siły w układzie kierowniczym podczas hamowania i przy nierównej przyczepności.
Środek przechyłu: geometryczna reprezentacja używana do analizy podziału siły bocznej między siły w elementach zawieszenia a sprężysty przechył nadwozia. Nie jest fizycznym zawiasem i zmienia położenie wraz z zawieszeniem.
Geometria anti-dive i anti-squat: ustawienie elementów prowadzących część wzdłużnej siły opony przez zawieszenie, aby przeciwdziałać pochyleniu nadwozia. Nadmierne wartości mogą przenosić więcej zakłóceń.
Przełożenie ruchu: zależność między ruchem koła a ruchem sprężyny lub amortyzatora. Zmienia sztywność na kole, prędkość amortyzatora i wymagane siły.

Nie istnieje jedna „najlepsza” wartość geometrii. Cele zależą od opony, środka ciężkości, rozstawu kół i osi, układu napędowego, rozdziału hamowania, kierowania, aerodynamiki i przeznaczenia.

Układy niezależne, sprzężone i zależne

W zawieszeniu niezależnym jedno koło może poruszać się pionowo bez wymuszania takiego samego ruchu przeciwnego koła przez sztywną oś. Strony nadal są sprzężone przez nadwozie, ramę pomocniczą, stabilizator oraz czasem obwody hydrauliczne lub pneumatyczne.

Tylną belkę skrętną zwykle określa się jako półniezależną. Jej wahacze wleczone mogą przemieszczać się różnie, ale poprzeczka skręca się i je sprzęga.

W osi zależnej sztywny element łączy obie zwrotnice. Ruch jednego koła zmienia położenie osi i może bezpośrednio wpływać na drugie. Sztywna oś napędowa mieści funkcje mechanizmu różnicowego i półosi; układ De Dion łączy koła, lecz mocuje mechanizm różnicowy do nadwozia.

Kategorie opisują sprzężenie, nie jakość. Dobrze dopracowana belka skrętna może być spokojniejsza od źle zestrojonej osi niezależnej, a oś sztywna może być racjonalna dla ładowności, trwałości i artykulacji.

Kolumny MacPherson i rozdzielone dolne punkty prowadzenia

Układ MacPherson wykorzystuje kolumnę sprężyny i amortyzatora jako konstrukcyjny element prowadzenia koła. Dolny wahacz lub łączniki ustalają dół zwrotnicy, a górne mocowanie i drążek kierowniczy uzupełniają podstawową geometrię przednią.

Zaletami są niewielka liczba części, dobre wykorzystanie miejsca w poprzek i przestrzeń między kielichami na strukturę zderzeniową, napęd lub przedni bagażnik. Ograniczenia to duże obciążenie kolumny i mocowania, wrażliwość na tarcie i sztywność poduszki oraz mniejsza niezależność kształtowania pochylenia i osi zwrotnicy niż przy osobnych górnych elementach.

Kolumny „dwuprzegubowe”, „dwuosiowe” lub „dwupunktowe” dzielą dolną funkcję prowadzenia na dwa łączniki i tworzą wirtualny dolny punkt skrętu. Nadal należą do rodziny kolumn, ale wirtualny punkt daje większą swobodę w zakresie promienia zataczania, zakłóceń kierowania i dróg sił. Opis BMW pokazuje, dlaczego nie należy sprowadzać każdej kolumny do jednego dolnego wahacza. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction

Podwójne wahacze poprzeczne

Zawieszenie z podwójnymi wahaczami prowadzi koło elementem górnym i dolnym. Nie muszą mieć dosłownego kształtu litery A; każdy można rozdzielić, a sprężyna i amortyzator mogą działać bezpośrednio albo przez dźwignię lub popychacz.

Oddzielna geometria górna i dolna daje dużą swobodę kształtowania przyrostu pochylenia, ruchu środka przechyłu, osi zwrotnicy i efektów anti-dive lub anti-squat. Może też tworzyć sztywną strukturę prowadzenia koła z amortyzatorem oddzielonym od obciążeń kierowniczych.

Kosztem są miejsce i liczba części. Górny wahacz konkuruje z przestrzenią opony, konstrukcją nadwozia i przednim bagażnikiem; krótki może powodować gwałtowne zmiany geometrii, a długi wymaga miejsca. Nazwa nie uratuje źle dobranej geometrii.

Zawieszenie wielowahaczowe

„Wielowahaczowe” oznacza rodzinę, nie jeden mechanizm. Osobne łączniki kontrolują różne kombinacje ruchu wzdłużnego, bocznego i obrotowego. Wynik zależy od ich położenia, przegubów i sztywności.

Układ pięciowahaczowy często używa pięciu niezależnych elementów, by ograniczyć pięć z sześciu stopni swobody zwrotnicy i pozostawić zamierzony ruch zawieszenia. Rzeczywiste konstrukcje są mniej jednoznaczne: wahacz może liczyć się jako jeden albo dwa łączniki, drążek zbieżności może aktywnie skręcać, a nazewnictwo producentów się różni.

Wartością układu jest swoboda strojenia. Kontrolę zbieżności można oddzielić od pochylenia, siły hamowania i napędu prowadzić przez inne tuleje, a sprężynę i amortyzator ustawić pod kątem bagażnika lub silnika. Koszty to więcej przegubów, trudniejsze tolerancje i geometria oraz więcej okazji, by podatność albo zużycie zmieniały zachowanie.

Obecne Porsche Taycan pokazuje różnicę między kategorią a wykonaniem: Porsche stosuje z przodu podwójne wahacze, z tyłu kutą aluminiową konstrukcję wielowahaczową, a następnie łączy je ze sprężynami pneumatycznymi i sterowanymi amortyzatorami. Sama konstrukcja nie mówi, jaka technologia sprężyn lub amortyzatorów została zamontowana. Porsche: Taycan front and rear suspension construction

Wahacze wleczone i belki skrętne

Wahacz wleczony obraca się głównie wokół osi poprzecznej przed kołem. Jest kompaktowy i bezpośredni dla sił wzdłużnych, ale prosty wariant słabo rozdziela kontrolę pochylenia i zbieżności. Wahacz skośny ustawia oś pod kątem, celowo łącząc ruch koła ze zmianą tych kątów.

Belka skrętna łączy dwa wahacze poprzeczką zaprojektowaną do skręcania. Element prowadzi koła i zapewnia część sztywności przechyłu, czasem eliminując osobny stabilizator.

Układ jest kompaktowy, lekki pod względem części i tani, a także może uwalniać miejsce pod podłogą i w bagażniku. Ruchy i podatność kół są silniej sprzężone niż w osi w pełni niezależnej, a duże obciążenie tylne lub ambitne cele mogą utrudniać jednoczesną optymalizację belki, tulei i mocowań. Badania pokazują jednak znaczną swobodę wynikającą z geometrii poprzeczki i orientacji tulei; „belka skrętna” nie jest pełnym werdyktem. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization

Osie sztywne i prowadzenie resorem piórowym

Sztywna oś utrzymuje wzajemne pochylenie kół względem osi i zapewnia mocne, proste drogi obciążeń. Pozostaje użyteczna w vanach, pickupach i terenówkach, gdzie ładowność, holowanie, artykulacja i trwałość przeważają nad wadami masy nieresorowanej i izolacji.

Resor piórowy może podpierać nadwozie i prowadzić oś wzdłużnie, ograniczając liczbę elementów. Bardziej zaawansowane osie używają osobnych wahaczy, drążka Panharda lub mechanizmu Watta, a ciężar przenoszą sprężyny śrubowe lub pneumatyczne.

Ponieważ mechanizm różnicowy i duża część napędu poruszają się ze sztywną osią napędową, masa nieresorowana może być duża. De Dion pozostawia mechanizm przy nadwoziu, zmniejszając tę karę przy zachowaniu bocznego sprzężenia kół.

Geometria to nie strojenie

Dwa samochody elektryczne z tą samą deklarowaną konstrukcją mogą zachowywać się inaczej z powodu:

przełożeń ruchu sprężyn i amortyzatorów;
wysokości statycznej i użytecznego skoku ugięcia oraz odbicia;
sztywności, kierunkowości i tarcia tulei;
sztywności ramy pomocniczej i mocowań nadwozia;
sztywności stabilizatora i podatności jego mocowań;
odsadzenia koła, budowy i ciśnienia opon oraz masy nieresorowanej;
celów i tolerancji geometrii;
oprogramowania kierowania, hamowania i aktywnego podwozia.

Dlatego suspension springs, suspension dampers i active suspension są osobnymi częściami serii.

Co powinni sprawdzić kupujący i właściciele

Nazwa układu to punkt wyjścia. Sprawdź dokładną konstrukcję z przodu i z tyłu, wpływ tylnego skrętu lub aktywnej zbieżności oraz to, czy pakiety opcjonalne wymieniają sprężyny, amortyzatory czy oba elementy.

Geometrię kół należy oceniać przy określonej wysokości i obciążeniu. Obniżenie, podniesienie albo inne odsadzenie koła może zmienić pochylenie, zbieżność, samoskręt, środek przechyłu, kąty półosi i pozostały skok. Elementy z gumowymi tulejami mogą wymagać dokręcenia w pozycji projektowej; dokręcenie przy pełnym odbiciu może wstępnie obciążyć tuleje na normalnej wysokości.

Na drodze oceń wynik: precyzję kierowania na nierównościach, stabilność przy hamowaniu, kołysanie głowy przy naprzemiennych wymuszeniach, hałas opon, izolację uderzeń i uspokojenie nadwozia. Architektura tworzy możliwości. Geometria, podatność i strojenie decydują, ile z nich dociera do kierowcy.