– struktura układu (część 1). Celem diagnostyki technicznej jest badanie i ocena stanu, ustalenie przyczyn zaistniałego stanu, a także przewidywanie rozwoju zmian stanu obiektu technicznego (np. pojazdu, układu, zespołu, mechanizmu itp.). Aby osiągnąć w praktyce tak określony cel diagnostyki technicznej, należy znać i mieć: strukturę badanego obiektu, metody diagnozowania, przyrządy (urządzenia) diagnostyczne oraz algorytmy kontroli stanu i lokalizacji uszkodzeń. 
Poprawnie wykonany przyrząd diagnostyczny powinien charakteryzować się następującymi cechami: prostym i optymalnym algorytmem funkcjonowania, automatycznym opracowywaniem diagnoz, jednoznacznością i czytelnością przedstawiania diagnoz, możliwością kontroli i (lub) lokalizacji uszkodzeń, prostotą obsługiwania oraz niskimi kosztami.
Do wykonywania kontroli stanu i lokalizacji uszkodzeń wykorzystuje się algorytmy, które są uporządkowanymi, minimalnymi zbiorami sprawdzeń diagnostycznych. Natomiast sprawdzenie to pomiar i ustalenie wartości parametru diagnostycznego.
Struktura układu zawieszenia
Zawieszenie spełnia w samochodzie bardzo ważną rolę w przekazywaniu sił między ramą (nadwoziem samonośnym) i kołami toczącymi się po nawierzchni drogi. Dlatego też istnieje wiele rodzajów zawieszeń posiadających bardzo różne własności, decydujące w wielu przypadkach nie tylko o płynności ruchu, lecz również o bezpieczeństwie. Zawieszeniem samochodu nazywany jest zespół elementów łączących koła jezdne (osie, mosty napędowe) z ramą lub nadwoziem samonośnym. Zadaniem zawieszenia jest łagodzenie wstrząsów wywołanych nierównościami drogi, po której porusza się pojazd, w celu:
- zapewnienia maksymalnego komfortu jazdy przewożonym osobom,
- ochrony ładunków przed nadmiernymi wstrząsami i szkodliwymi drganiami,
- zwiększenia trwałości mechanizmów samochodu.
Pod względem konstrukcyjnym zawieszenie pojazdu samochodowego składa się z kilku grup zespołów (rys. 1):
- zespołu elementów sprężystych,
- zespołu elementów tłumiących,
- zespołu elementów prowadzących,
- ograniczników skoku (dla fazy rozciągania i ściskania).
Elementy sprężyste umieszczone są pomiędzy kołami i ramą lub nadwoziem samonośnym. Odznaczają się dużą odkształcalnością sprężystą. Elementy te pośredniczą w przekazywaniu wszystkich sił pionowych między kołami a ramą (nadwoziem samonośnym), umożliwiając i jednocześnie utrudniając ich wzajemne przemieszczanie. Przeciwstawiają się wychyleniom kół z położenia statycznej równowagi i wymuszają ich powrót do tego położenia w miarę zaniku zewnętrznego obciążenia dynamicznego. Zespół elementów sprężystych wpływa na charakter drgań kół jezdnych i nadwozia pojazdu. Amortyzatory są elementami tłumiącymi drgania resorowanej masy samochodu. Powodują one osłabianie wstrząsów i tłumienie drgań przez pochłanianie i wytracanie energii obciążeń wywołujących te drgania. Zespół elementów prowadzących łączy koła jezdne z ramą lub nadwoziem samonośnym i wyznacza kinematykę przemieszczania się kół. Za pośrednictwem elementów prowadzących są przenoszone na ramę lub nadwozie samonośne wszystkie siły wzdłużne i poprzeczne, działające na koła jezdne pojazdu. Rozróżnia się ograniczniki skoku odbicia (rozciągania) i dobicia (ściskania). Ograniczniki skoku odbicia ograniczają ruch kół w dół w przypadku miękkich i średnio twardych zawieszeń. Najczęściej poduszki tych ograniczników znajdują się w amortyzatorach lub kolumnach prowadzących. Ograniczniki skoku dobicia ograniczają ugięcia zawieszenia (przejmują na małej drodze duże siły). Elastyczne poduszki mogą być umieszczane zarówno w amortyzatorze, wewnątrz sprężyny śrubowej, jak też montowane na obudowie mostu. Połączenie kół jezdnych (osi, mostów napędowych) z ramą lub nadwoziem samonośnym za pomocą elementów sprężystych powoduje, że wszystkie masy pojazdu można podzielić na:
- masy nieresorowane, na które bezpośrednio działają wstrząsy wywołane nierównościami nawierzchni drogi (np. koła jezdne, bębny hamulcowe, osie, mosty napędowe itp.),
- masy resorowane, których ruch jest znacznie bardziej łagodny wskutek izolującego działania zawieszenia (np. rama, silnik, nadwozie i inne).
Dzięki pracy zawieszenia pojazdu zmiana położenia masy resorowanej odbywa się w sposób płynny, mimo gwałtownego oddziaływania impulsu wywołanego nierównościami drogi. Duże znaczenie ma również sprężystość ogumienia kół, łagodząca w pewnym stopniu uderzenia wywołane przejeżdżaniem przez nierówności. Stosowanie miękkiego i sprężystego zawieszenia powoduje, że samochód staje się układem podatnym na powstawanie drgań. Z tego powodu należy optymalnie dobrać własności zawieszenia (sztywność elementów sprężystych, ich rozmieszczenie), aby powstające drgania nie wpływały niekorzystnie na komfort jazdy, stateczność ruchu i trwałość niektórych zespołów. Dokładna analiza drgań samochodu jest zagadnieniem trudnym, dlatego wnioski dotyczące konstrukcji zawieszenia opracowuje się na podstawie analizy ruchu uproszczonych modeli. Znając ciężar pojazdu w stanie nieobciążonym i obciążonym, można tak dobrać sztywność elementów zawieszenia, aby ich statyczne ugięcie nie przekraczało określonych granic. Wówczas częstotliwość drgań własnych nadwozia będzie zawarta w najkorzystniejszym dla organizmu ludzkiego zakresie. Zależnie od przeznaczenia pojazdu konstrukcję jego zawieszenia dostosowuje się do typowego modelu drogi, po jakiej powinien się głównie poruszać. Względna wysokość nierówności (maksymalny skok zawieszenia) zawiera się w granicach od 10 cm dla pojazdów miejskich do ponad 40 cm w pojazdach terenowych. Najechanie koła pojazdu na nierówność nawierzchni powoduje ugięcie elementów sprężystych zawieszenia, w wyniku czego akumulowana jest w nich energia, rozładowująca się następnie w postaci drgań. Amplituda i częstotliwość tych drgań zależą od konstrukcji zawieszenia. Natomiast skuteczność działania całego układu warunkowana jest stosunkiem mas resorowanych do nieresorowanych. Masy nieresorowane podlegają intensywnym wstrząsom, powodowanym nierównościami nawierzchni, ponieważ ich ciężar przenoszony jest bezpośrednio na podłoże. Częstotliwość drgań mas nieresorowanych w rzeczywistych warunkach drogowych zawiera się zwykle w granicach 500÷1000 Hz. Masy resorowane przy prawidłowej konstrukcji zawieszeń mogą podlegać drganiom o częstotliwościach w zakresie 50÷150 Hz, ponieważ są one najlepiej tolerowane przez ludzki organizm.
Dotychczasowe rozważania nie uwzględniały tłumienia drgań. W praktyce w każdym układzie mechanicznym występują siły tłumiące drgania (tarcie, lepkość smarów, tłumienie wewnętrzne materiałów itp.), powodujące zanikanie drgań własnych. W celu przyspieszenia zanikania drgań w zawieszeniach pojazdów stosuje się specjalne urządzenia o silnym tłumieniu – amortyzatory, które pochłanianą energię zamieniają na ciepło, co powoduje znaczne obniżenie amplitudy drgań (w przypadku rezonansu) i zanikanie drgań własnych (po 2÷3 wychyleniach). Właściwy dobór sztywności elementów sprężystych zawieszenia oraz siły tłumienia amortyzatorów ma istotny wpływ na drgania pionowe nadwozia i na kołysanie podłużne samochodu.
1. Rodzaje zawieszeń
W zależności od konstrukcji zespołu prowadzącego występują dwa podstawowe rodzaje zawieszeń (rys. 2): zależne (sztywne) i niezależne. W zawieszeniach zależnych oba koła jezdne są osadzone na wspólnej sztywnej osi związanej z ramą lub nadwoziem samonośnym elementami sprężystymi. Zawieszenie zależne charakteryzuje się tym, że czopy piast obu kół osi (mostu napędowego) są elementami sztywnej osi, pochwy mostu lub przegubowo związanych z osią (mostem) zwrotnic. Sprawia to, że koła jezdne są ze sobą jakby sztywno związane i chwilowe wychylenie jednego z nich zmienia ustawienie drugiego w tej samej płaszczyźnie. Rozstaw kół podczas pracy zawieszenia jest praktycznie niezmienny, a ich pochylenie zmienia się identycznie. W przypadku zastosowania zawieszenia zależnego praktycznie nie zmienia się prześwit podczas wychylenia kół jezdnych (istotna cecha w przypadku samochodów terenowych). Typowe konstrukcje zawieszeń zależnych polegają na łączeniu sztywnej osi (mostu) z ramą lub nadwoziem pojazdu za pomocą:
- resorów piórowych wzdłużnych,
- resoru poprzecznego i drążków reakcyjnych,
- sprężyn śrubowych i wahaczy wzdłużnych,
- sprężyn śrubowych, drążków reakcyjnych wzdłużnych i poprzecznego drążka Panharda.
W większości zawieszeń zależnych elementami sprężystymi, na których jest zawieszona oś nośna lub most napędowy, są podłużne resory piórowe (rys. 3). Zawieszenia zależne są stosowane przede wszystkim w samochodach ciężarowych oraz w starszych konstrukcjach samochodów osobowych jako zawieszenia tylnych mostów napędowych. Ich podstawową zaletą jest prostota konstrukcji, co jest istotne w przypadku pojazdów o dużych naciskach na osie. Wadami zawieszenia zależnego są: duża masa nieresorowana (zmniejszenie komfortu jazdy), wzajemne oddziaływanie na siebie kół, duża przestrzeń nad osią wymagana do jej ruchu pionowego i zmiany obciążeń kół wynikające z doprowadzenia napędu. Wymienione wady są bardzo istotne w odniesieniu do samochodów osobowych, lecz do zaakceptowania w samochodach ciężarowych. Dzięki rozwojowi konstrukcyjnemu elementów zawieszenia oraz doborowi odpowiedniej sprężystości i tłumienia udało się znacznie poprawić własności zawieszenia zależnego. Mimo to tego typu zawieszenia nie są obecnie stosowane w samochodach osobowych w wersji standardowej, lecz tylko w samochodach o napędzie na cztery koła i w specjalnych pojazdach terenowych. Zawieszenia niezależne to takie, w których każde z kół jest połączone z nadwoziem samonośnym lub ramą indywidualnie za pośrednictwem odrębnego układu elementów prowadzących o łączach przegubowych (rys. 4). Zawieszenie niezależne polega na tym, że koło jezdne może przemieszczać się przestrzennie w przewidziany sposób bez zmieniania chwilowych ustawień drugiego koła tej samej osi. Jednak ze względów konstrukcyjnych zawieszenie niezależne odznacza się pewnym stopniem zależności chwilowych wychyleń kół, często celowo zwiększonym przez zastosowanie stabilizatora.
Zawieszenia niezależne występują w postaci dużej liczby odmiennych rozwiązań konstrukcyjnych, różniących się znacznie kinematyką ruchu koła. W stosowanych rozwiązaniach zawieszeń niezależnych wyróżnia się cztery zasadnicze grupy:
- zawieszenie z prowadzeniem koła w płaszczyźnie poprzecznej (pojedynczy wahacz poprzeczny, podwójne wahacze poprzeczne w układzie równoległym, podwójne wahacze poprzeczne w układzie trapezowym),
- zawieszenie z prowadzeniem koła w płaszczyźnie podłużnej (pojedynczy wahacz wzdłużny, podwójne wahacze wzdłużne),
- zawieszenie na wahaczach skośnych (z przemieszczeniem koła w płaszczyźnie podłużnej i poprzecznej),
- zawieszenie z pionowym prowadzeniem kół (zawieszenie kolumnowe, kolumna McPersona).
W zintegrowanym zawieszeniu McPhersona (rys. 5) kolumna resorująca składa się z amortyzatora teleskopowego, sprężyny śrubowej i ewentualnie zwrotnicy. Kolumny współpracują z wahaczami poprzecznymi lub skośnymi i drążkowym stabilizatorem przechyłów. Zawieszenie tego typu odznacza się prostotą budowy i małą masą nieresorowaną.
Każda z wyżej wymienionych grup zawieszeń niezależnych występuje w wielu odmianach, różniących się rodzajami i usytuowaniem elementów sprężystych i tłumiących oraz szczegółami konstrukcji. W zawieszeniach osi napędzanych spotka się również rozwiązania, w których zadanie wahaczy poprzecznych realizują półpochwy łamanych mostów napędowych lub półosie napędowe.
Zawieszenia niezależne są bardziej skomplikowane, mają jednak wiele istotnych zalet: zmniejszenie mas nieresorowanych pojazdu, zwarta budowa, możliwość stosowania miękkich elementów sprężystych, brak wzajemnego wpływu przemieszczeń kół jezdnych oraz korzystna kinematyka zawieszenia (zwiększająca podsterowność podczas jazdy na zakręcie). Ten rodzaj zawieszenia wydatnie przyczynia się do poprawienia komfortu jazdy i zwiększenia stateczności ruchu samochodu. Wadami zawieszeń niezależnych są: zmienność rozstawu i pochylenia kół jezdnych w przypadku zastosowania wahaczy poprzecznych, zmienność rozstawu osi w przypadku zawieszenia na wahaczach wzdłużnych oraz zmienność prześwitu w zależności od obciążenia pojazdu.
Zawieszenia niezależne występują od dawna, przede wszystkim w samochodach osobowych i samochodach terenowych oraz są obecnie coraz powszechniej stosowane również w samochodach ciężarowych i autobusach.
W zależności od rodzaju zastosowanego elementu sprężystego rozróżniamy zawieszenia:
- z metalowym (stalowym) elementem sprężystym (np. resory, sprężyny oraz drążki skrętne),
- z elementem sprężystym z tworzywa sztucznego (resory z włókien węglowych),
- z gumowym elementem sprężystym pracującym na ścinanie,
- z elementem sprężystym z komórkowego elastomeru poliuretanowego pracującym na ściskanie,
- z pneumatycznym (gazowym) elementem sprężystym występującym samodzielnie lub jako element dodatkowy (poza stalowym elementem sprężystym),
- hydropneumatyczne.
Innym kryterium podziału zawieszeń jest klasyfikacja uwzględniająca dostosowanie charakterystyk resorowania i tłumienia drgań do obciążenia samochodu i stanu nawierzchni. Według tak przyjętego kryterium, występują zawieszenia [4]:
- aktywne:
- pneumatyczne, z pneumatycznymi kolumnami resorującymi o ciągłej regulacji tłumienia drgań,
- z pneumatycznymi kolumnami resorującymi oraz dodatkowym układem hydraulicznym wykorzystywanym do tłumienia drgań,
- hydropneumatyczne z ciągłą regulacją tłumienia.
- półaktywne:
- z klasycznymi elementami tłumiącymi sterowanymi elektronicznie,
- z pneumatycznymi kolumnami resorującymi.
Znaczny stopień komplikacji układów zawieszenia całkowicie aktywnego oraz konieczność zapewnienia dużego poziomu niezawodności powodują ich wysoki koszt. Z tego powodu są oferowane w samochodach klas wyższych. Obecnie bardziej rozpowszechnione są zawieszenia półaktywne, zapewniające wystarczającą skuteczność funkcjonowania i znacznie mniej energochłonne. Ze względu na niższą cenę są stosowane również w samochodach klas średnich.
2. Konstrukcja układu zawieszenia
W skład układu zawieszenia pojazdu wchodzą następujące grupy elementów:
- elementy sprężyste zapewniające płynność jazdy (resory piórowe, stalowe sprężyny śrubowe, sprężyny gazowe, miechy powietrzne, drążki skrętne, stabilizatory),
- elementy prowadzące zapewniające stateczność i kierowalność pojazdu (wahacze, drążki reakcyjne, stabilizatory, metalowo-gumowe elementy mocujące),
- elementy tłumiące drgania umożliwiające rozproszenie energii zmagazynowanej w elementach sprężystych i ułatwiające utrzymanie ciągłego kontaktu kół jezdnych z nawierzchnią drogi (amortyzatory, tłumiki cierne),
- ograniczniki ruchu (dla fazy rozciągania i ściskania).
W zawieszeniach hydropneumatycznych wyróżnia się również elementy układu hydraulicznego: zasilające, sterujące i łączące (pompy hydrauliczne, zbiorniki płynu, filtry, rozdzielacze, regulatory, zawory, przewody, czujniki).
Elementy sprężyste
W zawieszeniach pojazdów samochodowych stosuje się elementy sprężyste metalowe, gumowe i pneumatyczne o różnych charakterystykach sprężystych. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych zawieszeń występują elementy sprężyste hydropneumatyczne i hydroelastyczne (ciecz współpracuje z gumą). Do metalowych elementów sprężystych należą resory piórowe, sprężyny śrubowe i drążki skrętne. Resor piórowy wykonany jest w postaci sprężyny wielopłytkowej utworzonej z płaskowników stalowych, zwanych piórami. Rozróżnia się resory wzdłużne (rys. 6) oraz poprzeczne. Resory wzdłużne są stosowane tylko w zawieszeniach z osiami sztywnymi i to przede wszystkim w samochodach ciężarowych i przyczepach. W tylnych zawieszeniach pojazdów ciężarowych, ze względu na bardzo duże różnice przenoszonych obciążeń, stosuje się często resory podwójne (główny i pomocniczy) – rys. 7. Poprzeczne resory piórowe mogą być natomiast wykorzystywane w zawieszeniach obu osi. We współczesnych pojazdach najczęściej stosuje się resory trapezowe półeliptyczne i resory paraboliczne (w nowszych rozwiązaniach). Ze względu na mniejsze koszty i mniejszy ciężar coraz więcej samochodów osobowych i dostawczych jest wyposażanych w resory jednopiórowe.
Sprężyny śrubowe (rys. 8) powszechnie stosuje się w niezależnych zawieszeniach kół samochodu. W porównaniu z resorami piórowymi są lżejsze i łatwiejsze do zastosowania. Ich wadą jest jednak to, że nie przenoszą sił wzdłużnych oraz bocznych i dlatego wymagają stosowania elementów prowadzących (np. wahaczy). Małe wymiary i brak konieczności smarowania spowodowały, że sprężyny śrubowe o liniowej charakterystyce w całym zakresie skoków koła są powszechnie stosowane w przednich i tylnych zawieszeniach samochodów osobowych. Po zastosowaniu drutu o zmiennej średnicy i odpowiednim ukształtowaniu sprężyny można uzyskać także charakterystyki progresywne. Drążkami skrętnymi nazywamy elementy sprężyste wykonane w postaci pręta, rury lub wiązki płaskowników, w których jeden koniec jest unieruchomiony w ramie (elementach nośnych nadwozia), a drugi wykonuje ruchy skrętne. Ruchy pionowe koła powodują przemieszczenie kątowe wahacza i skręcenie drążka. Drążki skrętne są stosowane do resorowania nadwozia i jako stabilizatory. Na obu końcach mają wykonane metodą spęczania główki z profilem kwadratowym lub wielokarbowym, służące do przekazywania momentu skręcającego. Drążki skrętne są elementami o charakterystyce liniowej. Mogą przenosić tylko moment skręcający i tylko w jedną stronę, co wynika ze wstępnego skręcenia drążka w prawo lub w lewo w procesie produkcji.
Gumowe elementy sprężyste są stosowane w układach zawieszenia pojazdów jako pomocnicze, a niekiedy także jako główne elementy resorujące. W porównaniu z metalowymi elementami sprężystymi mają zalety wynikające z właściwości gumy: duża podatność i tłumienie, mały ciężar, odporność na korozję, brak potrzeby obsługi, łatwość nadawania dowolnego kształtu. Sposób odkształcania się elementów gumowych oraz ich wytrzymałość zależą od kierunku działania obciążenia oraz konstrukcji samego elementu. Elementy gumowe mogą pracować na ściskanie i ścinanie. Pomocnicze elementy sprężyste mają miękką charakterystykę i po całkowitym ściśnięciu mogą przejmować duże siły. Dzięki kombinacji liniowej sprężyny stalowej i progresywnego pomocniczego elementu sprężystego można uzyskać prawie każdą charakterystykę sztywności zawieszenia.
dr inż. Kazimierz Sitek
Pod pojęciem stanu obiektu technicznego rozumiemy zbiór wartości cech (parametrów) stanu w chwili jego badania. W procesie diagnozowania należy uzyskać diagnozę, to jest ustalić stan badanego obiektu. Proces ten jest ciągiem działań składających się z badania i wnioskowania diagnostycznego. Warunkiem wyjściowym prawidłowej obsługi i prawidłowego diagnozowania danego układu pojazdu (także układu zawieszenia) jest zawsze znajomość jego struktury, to jest: charakterystyki technicznej (cech konstrukcyjnych układu, budowy i zasady działania) oraz charakterystyki eksploatacyjnej (węzłów regulacyjnych i obsługowych, materiałów eksploatacyjnych, parametrów diagnostycznych). Metoda diagnozowania jest to świadomie zastosowany sposób postępowania do osiągnięcia określonego celu. Efektywne metody diagnozowania opierają się na parametrach opisujących sygnały diagnostyczne, których źródłem są zachodzące procesy (robocze, towarzyszące lub inne). Wyróżnia się dwie fazy badania i oceny stanu pojazdu samochodowego: kontrolę stanu oraz lokalizację uszkodzeń. Zadaniem najbardziej ogólnym w procesie diagnozowania pojazdu (układu) jest określenie stanu obiektu w całości, bez rozróżniania stanu jego elementów. Celem badania jest wówczas stwierdzenie, czy obiekt jako całość nadaje się do użytku. Takie badanie nazywamy kontrolą stanu samochodu (układu). Uzyskanie przynajmniej jednego negatywnego wyniku kontroli oznacza, że pojazd (układ) znajduje się w stanie niezdatności. W takim przypadku samochód (układ) powinien być skierowany do drugiego etapu badań i oceny stanu, tj. określenia stanu elementów celem ich regulacji, naprawy lub wymiany. Ten rodzaj badania nazywamy lokalizacją uszkodzeń.
Poprawnie wykonany przyrząd diagnostyczny powinien charakteryzować się następującymi cechami: prostym i optymalnym algorytmem funkcjonowania, automatycznym opracowywaniem diagnoz, jednoznacznością i czytelnością przedstawiania diagnoz, możliwością kontroli i (lub) lokalizacji uszkodzeń, prostotą obsługiwania oraz niskimi kosztami.
Do wykonywania kontroli stanu i lokalizacji uszkodzeń wykorzystuje się algorytmy, które są uporządkowanymi, minimalnymi zbiorami sprawdzeń diagnostycznych. Natomiast sprawdzenie to pomiar i ustalenie wartości parametru diagnostycznego.
Struktura układu zawieszenia
Zawieszenie spełnia w samochodzie bardzo ważną rolę w przekazywaniu sił między ramą (nadwoziem samonośnym) i kołami toczącymi się po nawierzchni drogi. Dlatego też istnieje wiele rodzajów zawieszeń posiadających bardzo różne własności, decydujące w wielu przypadkach nie tylko o płynności ruchu, lecz również o bezpieczeństwie. Zawieszeniem samochodu nazywany jest zespół elementów łączących koła jezdne (osie, mosty napędowe) z ramą lub nadwoziem samonośnym. Zadaniem zawieszenia jest łagodzenie wstrząsów wywołanych nierównościami drogi, po której porusza się pojazd, w celu:
- zapewnienia maksymalnego komfortu jazdy przewożonym osobom,
- ochrony ładunków przed nadmiernymi wstrząsami i szkodliwymi drganiami,
- zwiększenia trwałości mechanizmów samochodu.
Pod względem konstrukcyjnym zawieszenie pojazdu samochodowego składa się z kilku grup zespołów (rys. 1):
- zespołu elementów sprężystych,
- zespołu elementów tłumiących,
- zespołu elementów prowadzących,
- ograniczników skoku (dla fazy rozciągania i ściskania).
Elementy sprężyste umieszczone są pomiędzy kołami i ramą lub nadwoziem samonośnym. Odznaczają się dużą odkształcalnością sprężystą. Elementy te pośredniczą w przekazywaniu wszystkich sił pionowych między kołami a ramą (nadwoziem samonośnym), umożliwiając i jednocześnie utrudniając ich wzajemne przemieszczanie. Przeciwstawiają się wychyleniom kół z położenia statycznej równowagi i wymuszają ich powrót do tego położenia w miarę zaniku zewnętrznego obciążenia dynamicznego. Zespół elementów sprężystych wpływa na charakter drgań kół jezdnych i nadwozia pojazdu. Amortyzatory są elementami tłumiącymi drgania resorowanej masy samochodu. Powodują one osłabianie wstrząsów i tłumienie drgań przez pochłanianie i wytracanie energii obciążeń wywołujących te drgania. Zespół elementów prowadzących łączy koła jezdne z ramą lub nadwoziem samonośnym i wyznacza kinematykę przemieszczania się kół. Za pośrednictwem elementów prowadzących są przenoszone na ramę lub nadwozie samonośne wszystkie siły wzdłużne i poprzeczne, działające na koła jezdne pojazdu. Rozróżnia się ograniczniki skoku odbicia (rozciągania) i dobicia (ściskania). Ograniczniki skoku odbicia ograniczają ruch kół w dół w przypadku miękkich i średnio twardych zawieszeń. Najczęściej poduszki tych ograniczników znajdują się w amortyzatorach lub kolumnach prowadzących. Ograniczniki skoku dobicia ograniczają ugięcia zawieszenia (przejmują na małej drodze duże siły). Elastyczne poduszki mogą być umieszczane zarówno w amortyzatorze, wewnątrz sprężyny śrubowej, jak też montowane na obudowie mostu. Połączenie kół jezdnych (osi, mostów napędowych) z ramą lub nadwoziem samonośnym za pomocą elementów sprężystych powoduje, że wszystkie masy pojazdu można podzielić na:
- masy nieresorowane, na które bezpośrednio działają wstrząsy wywołane nierównościami nawierzchni drogi (np. koła jezdne, bębny hamulcowe, osie, mosty napędowe itp.),
- masy resorowane, których ruch jest znacznie bardziej łagodny wskutek izolującego działania zawieszenia (np. rama, silnik, nadwozie i inne).
Dzięki pracy zawieszenia pojazdu zmiana położenia masy resorowanej odbywa się w sposób płynny, mimo gwałtownego oddziaływania impulsu wywołanego nierównościami drogi. Duże znaczenie ma również sprężystość ogumienia kół, łagodząca w pewnym stopniu uderzenia wywołane przejeżdżaniem przez nierówności. Stosowanie miękkiego i sprężystego zawieszenia powoduje, że samochód staje się układem podatnym na powstawanie drgań. Z tego powodu należy optymalnie dobrać własności zawieszenia (sztywność elementów sprężystych, ich rozmieszczenie), aby powstające drgania nie wpływały niekorzystnie na komfort jazdy, stateczność ruchu i trwałość niektórych zespołów. Dokładna analiza drgań samochodu jest zagadnieniem trudnym, dlatego wnioski dotyczące konstrukcji zawieszenia opracowuje się na podstawie analizy ruchu uproszczonych modeli. Znając ciężar pojazdu w stanie nieobciążonym i obciążonym, można tak dobrać sztywność elementów zawieszenia, aby ich statyczne ugięcie nie przekraczało określonych granic. Wówczas częstotliwość drgań własnych nadwozia będzie zawarta w najkorzystniejszym dla organizmu ludzkiego zakresie. Zależnie od przeznaczenia pojazdu konstrukcję jego zawieszenia dostosowuje się do typowego modelu drogi, po jakiej powinien się głównie poruszać. Względna wysokość nierówności (maksymalny skok zawieszenia) zawiera się w granicach od 10 cm dla pojazdów miejskich do ponad 40 cm w pojazdach terenowych. Najechanie koła pojazdu na nierówność nawierzchni powoduje ugięcie elementów sprężystych zawieszenia, w wyniku czego akumulowana jest w nich energia, rozładowująca się następnie w postaci drgań. Amplituda i częstotliwość tych drgań zależą od konstrukcji zawieszenia. Natomiast skuteczność działania całego układu warunkowana jest stosunkiem mas resorowanych do nieresorowanych. Masy nieresorowane podlegają intensywnym wstrząsom, powodowanym nierównościami nawierzchni, ponieważ ich ciężar przenoszony jest bezpośrednio na podłoże. Częstotliwość drgań mas nieresorowanych w rzeczywistych warunkach drogowych zawiera się zwykle w granicach 500÷1000 Hz. Masy resorowane przy prawidłowej konstrukcji zawieszeń mogą podlegać drganiom o częstotliwościach w zakresie 50÷150 Hz, ponieważ są one najlepiej tolerowane przez ludzki organizm.
Dotychczasowe rozważania nie uwzględniały tłumienia drgań. W praktyce w każdym układzie mechanicznym występują siły tłumiące drgania (tarcie, lepkość smarów, tłumienie wewnętrzne materiałów itp.), powodujące zanikanie drgań własnych. W celu przyspieszenia zanikania drgań w zawieszeniach pojazdów stosuje się specjalne urządzenia o silnym tłumieniu – amortyzatory, które pochłanianą energię zamieniają na ciepło, co powoduje znaczne obniżenie amplitudy drgań (w przypadku rezonansu) i zanikanie drgań własnych (po 2÷3 wychyleniach). Właściwy dobór sztywności elementów sprężystych zawieszenia oraz siły tłumienia amortyzatorów ma istotny wpływ na drgania pionowe nadwozia i na kołysanie podłużne samochodu.
1. Rodzaje zawieszeń
W zależności od konstrukcji zespołu prowadzącego występują dwa podstawowe rodzaje zawieszeń (rys. 2): zależne (sztywne) i niezależne. W zawieszeniach zależnych oba koła jezdne są osadzone na wspólnej sztywnej osi związanej z ramą lub nadwoziem samonośnym elementami sprężystymi. Zawieszenie zależne charakteryzuje się tym, że czopy piast obu kół osi (mostu napędowego) są elementami sztywnej osi, pochwy mostu lub przegubowo związanych z osią (mostem) zwrotnic. Sprawia to, że koła jezdne są ze sobą jakby sztywno związane i chwilowe wychylenie jednego z nich zmienia ustawienie drugiego w tej samej płaszczyźnie. Rozstaw kół podczas pracy zawieszenia jest praktycznie niezmienny, a ich pochylenie zmienia się identycznie. W przypadku zastosowania zawieszenia zależnego praktycznie nie zmienia się prześwit podczas wychylenia kół jezdnych (istotna cecha w przypadku samochodów terenowych). Typowe konstrukcje zawieszeń zależnych polegają na łączeniu sztywnej osi (mostu) z ramą lub nadwoziem pojazdu za pomocą:
- resorów piórowych wzdłużnych,
- resoru poprzecznego i drążków reakcyjnych,
- sprężyn śrubowych i wahaczy wzdłużnych,
- sprężyn śrubowych, drążków reakcyjnych wzdłużnych i poprzecznego drążka Panharda.
W większości zawieszeń zależnych elementami sprężystymi, na których jest zawieszona oś nośna lub most napędowy, są podłużne resory piórowe (rys. 3). Zawieszenia zależne są stosowane przede wszystkim w samochodach ciężarowych oraz w starszych konstrukcjach samochodów osobowych jako zawieszenia tylnych mostów napędowych. Ich podstawową zaletą jest prostota konstrukcji, co jest istotne w przypadku pojazdów o dużych naciskach na osie. Wadami zawieszenia zależnego są: duża masa nieresorowana (zmniejszenie komfortu jazdy), wzajemne oddziaływanie na siebie kół, duża przestrzeń nad osią wymagana do jej ruchu pionowego i zmiany obciążeń kół wynikające z doprowadzenia napędu. Wymienione wady są bardzo istotne w odniesieniu do samochodów osobowych, lecz do zaakceptowania w samochodach ciężarowych. Dzięki rozwojowi konstrukcyjnemu elementów zawieszenia oraz doborowi odpowiedniej sprężystości i tłumienia udało się znacznie poprawić własności zawieszenia zależnego. Mimo to tego typu zawieszenia nie są obecnie stosowane w samochodach osobowych w wersji standardowej, lecz tylko w samochodach o napędzie na cztery koła i w specjalnych pojazdach terenowych. Zawieszenia niezależne to takie, w których każde z kół jest połączone z nadwoziem samonośnym lub ramą indywidualnie za pośrednictwem odrębnego układu elementów prowadzących o łączach przegubowych (rys. 4). Zawieszenie niezależne polega na tym, że koło jezdne może przemieszczać się przestrzennie w przewidziany sposób bez zmieniania chwilowych ustawień drugiego koła tej samej osi. Jednak ze względów konstrukcyjnych zawieszenie niezależne odznacza się pewnym stopniem zależności chwilowych wychyleń kół, często celowo zwiększonym przez zastosowanie stabilizatora.
Zawieszenia niezależne występują w postaci dużej liczby odmiennych rozwiązań konstrukcyjnych, różniących się znacznie kinematyką ruchu koła. W stosowanych rozwiązaniach zawieszeń niezależnych wyróżnia się cztery zasadnicze grupy:
- zawieszenie z prowadzeniem koła w płaszczyźnie poprzecznej (pojedynczy wahacz poprzeczny, podwójne wahacze poprzeczne w układzie równoległym, podwójne wahacze poprzeczne w układzie trapezowym),
- zawieszenie z prowadzeniem koła w płaszczyźnie podłużnej (pojedynczy wahacz wzdłużny, podwójne wahacze wzdłużne),
- zawieszenie na wahaczach skośnych (z przemieszczeniem koła w płaszczyźnie podłużnej i poprzecznej),
- zawieszenie z pionowym prowadzeniem kół (zawieszenie kolumnowe, kolumna McPersona).
W zintegrowanym zawieszeniu McPhersona (rys. 5) kolumna resorująca składa się z amortyzatora teleskopowego, sprężyny śrubowej i ewentualnie zwrotnicy. Kolumny współpracują z wahaczami poprzecznymi lub skośnymi i drążkowym stabilizatorem przechyłów. Zawieszenie tego typu odznacza się prostotą budowy i małą masą nieresorowaną.
Każda z wyżej wymienionych grup zawieszeń niezależnych występuje w wielu odmianach, różniących się rodzajami i usytuowaniem elementów sprężystych i tłumiących oraz szczegółami konstrukcji. W zawieszeniach osi napędzanych spotka się również rozwiązania, w których zadanie wahaczy poprzecznych realizują półpochwy łamanych mostów napędowych lub półosie napędowe.
Zawieszenia niezależne są bardziej skomplikowane, mają jednak wiele istotnych zalet: zmniejszenie mas nieresorowanych pojazdu, zwarta budowa, możliwość stosowania miękkich elementów sprężystych, brak wzajemnego wpływu przemieszczeń kół jezdnych oraz korzystna kinematyka zawieszenia (zwiększająca podsterowność podczas jazdy na zakręcie). Ten rodzaj zawieszenia wydatnie przyczynia się do poprawienia komfortu jazdy i zwiększenia stateczności ruchu samochodu. Wadami zawieszeń niezależnych są: zmienność rozstawu i pochylenia kół jezdnych w przypadku zastosowania wahaczy poprzecznych, zmienność rozstawu osi w przypadku zawieszenia na wahaczach wzdłużnych oraz zmienność prześwitu w zależności od obciążenia pojazdu.
Zawieszenia niezależne występują od dawna, przede wszystkim w samochodach osobowych i samochodach terenowych oraz są obecnie coraz powszechniej stosowane również w samochodach ciężarowych i autobusach.
W zależności od rodzaju zastosowanego elementu sprężystego rozróżniamy zawieszenia:
- z metalowym (stalowym) elementem sprężystym (np. resory, sprężyny oraz drążki skrętne),
- z elementem sprężystym z tworzywa sztucznego (resory z włókien węglowych),
- z gumowym elementem sprężystym pracującym na ścinanie,
- z elementem sprężystym z komórkowego elastomeru poliuretanowego pracującym na ściskanie,
- z pneumatycznym (gazowym) elementem sprężystym występującym samodzielnie lub jako element dodatkowy (poza stalowym elementem sprężystym),
- hydropneumatyczne.
Innym kryterium podziału zawieszeń jest klasyfikacja uwzględniająca dostosowanie charakterystyk resorowania i tłumienia drgań do obciążenia samochodu i stanu nawierzchni. Według tak przyjętego kryterium, występują zawieszenia [4]:
- aktywne:
- pneumatyczne, z pneumatycznymi kolumnami resorującymi o ciągłej regulacji tłumienia drgań,
- z pneumatycznymi kolumnami resorującymi oraz dodatkowym układem hydraulicznym wykorzystywanym do tłumienia drgań,
- hydropneumatyczne z ciągłą regulacją tłumienia.
- półaktywne:
- z klasycznymi elementami tłumiącymi sterowanymi elektronicznie,
- z pneumatycznymi kolumnami resorującymi.
Znaczny stopień komplikacji układów zawieszenia całkowicie aktywnego oraz konieczność zapewnienia dużego poziomu niezawodności powodują ich wysoki koszt. Z tego powodu są oferowane w samochodach klas wyższych. Obecnie bardziej rozpowszechnione są zawieszenia półaktywne, zapewniające wystarczającą skuteczność funkcjonowania i znacznie mniej energochłonne. Ze względu na niższą cenę są stosowane również w samochodach klas średnich.
2. Konstrukcja układu zawieszenia
W skład układu zawieszenia pojazdu wchodzą następujące grupy elementów:
- elementy sprężyste zapewniające płynność jazdy (resory piórowe, stalowe sprężyny śrubowe, sprężyny gazowe, miechy powietrzne, drążki skrętne, stabilizatory),
- elementy prowadzące zapewniające stateczność i kierowalność pojazdu (wahacze, drążki reakcyjne, stabilizatory, metalowo-gumowe elementy mocujące),
- elementy tłumiące drgania umożliwiające rozproszenie energii zmagazynowanej w elementach sprężystych i ułatwiające utrzymanie ciągłego kontaktu kół jezdnych z nawierzchnią drogi (amortyzatory, tłumiki cierne),
- ograniczniki ruchu (dla fazy rozciągania i ściskania).
W zawieszeniach hydropneumatycznych wyróżnia się również elementy układu hydraulicznego: zasilające, sterujące i łączące (pompy hydrauliczne, zbiorniki płynu, filtry, rozdzielacze, regulatory, zawory, przewody, czujniki).
Elementy sprężyste
W zawieszeniach pojazdów samochodowych stosuje się elementy sprężyste metalowe, gumowe i pneumatyczne o różnych charakterystykach sprężystych. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych zawieszeń występują elementy sprężyste hydropneumatyczne i hydroelastyczne (ciecz współpracuje z gumą). Do metalowych elementów sprężystych należą resory piórowe, sprężyny śrubowe i drążki skrętne. Resor piórowy wykonany jest w postaci sprężyny wielopłytkowej utworzonej z płaskowników stalowych, zwanych piórami. Rozróżnia się resory wzdłużne (rys. 6) oraz poprzeczne. Resory wzdłużne są stosowane tylko w zawieszeniach z osiami sztywnymi i to przede wszystkim w samochodach ciężarowych i przyczepach. W tylnych zawieszeniach pojazdów ciężarowych, ze względu na bardzo duże różnice przenoszonych obciążeń, stosuje się często resory podwójne (główny i pomocniczy) – rys. 7. Poprzeczne resory piórowe mogą być natomiast wykorzystywane w zawieszeniach obu osi. We współczesnych pojazdach najczęściej stosuje się resory trapezowe półeliptyczne i resory paraboliczne (w nowszych rozwiązaniach). Ze względu na mniejsze koszty i mniejszy ciężar coraz więcej samochodów osobowych i dostawczych jest wyposażanych w resory jednopiórowe.
Sprężyny śrubowe (rys. 8) powszechnie stosuje się w niezależnych zawieszeniach kół samochodu. W porównaniu z resorami piórowymi są lżejsze i łatwiejsze do zastosowania. Ich wadą jest jednak to, że nie przenoszą sił wzdłużnych oraz bocznych i dlatego wymagają stosowania elementów prowadzących (np. wahaczy). Małe wymiary i brak konieczności smarowania spowodowały, że sprężyny śrubowe o liniowej charakterystyce w całym zakresie skoków koła są powszechnie stosowane w przednich i tylnych zawieszeniach samochodów osobowych. Po zastosowaniu drutu o zmiennej średnicy i odpowiednim ukształtowaniu sprężyny można uzyskać także charakterystyki progresywne. Drążkami skrętnymi nazywamy elementy sprężyste wykonane w postaci pręta, rury lub wiązki płaskowników, w których jeden koniec jest unieruchomiony w ramie (elementach nośnych nadwozia), a drugi wykonuje ruchy skrętne. Ruchy pionowe koła powodują przemieszczenie kątowe wahacza i skręcenie drążka. Drążki skrętne są stosowane do resorowania nadwozia i jako stabilizatory. Na obu końcach mają wykonane metodą spęczania główki z profilem kwadratowym lub wielokarbowym, służące do przekazywania momentu skręcającego. Drążki skrętne są elementami o charakterystyce liniowej. Mogą przenosić tylko moment skręcający i tylko w jedną stronę, co wynika ze wstępnego skręcenia drążka w prawo lub w lewo w procesie produkcji.
Gumowe elementy sprężyste są stosowane w układach zawieszenia pojazdów jako pomocnicze, a niekiedy także jako główne elementy resorujące. W porównaniu z metalowymi elementami sprężystymi mają zalety wynikające z właściwości gumy: duża podatność i tłumienie, mały ciężar, odporność na korozję, brak potrzeby obsługi, łatwość nadawania dowolnego kształtu. Sposób odkształcania się elementów gumowych oraz ich wytrzymałość zależą od kierunku działania obciążenia oraz konstrukcji samego elementu. Elementy gumowe mogą pracować na ściskanie i ścinanie. Pomocnicze elementy sprężyste mają miękką charakterystykę i po całkowitym ściśnięciu mogą przejmować duże siły. Dzięki kombinacji liniowej sprężyny stalowej i progresywnego pomocniczego elementu sprężystego można uzyskać prawie każdą charakterystykę sztywności zawieszenia.
dr inż. Kazimierz Sitek
Komentarze (0)