– struktura układu (część 2). W części drugiej artykułu przedstawiono w sposób ogólny konstrukcję układu zawieszenia, tj. pneumatyczne i hydropneumatyczne elementy sprężyste, elementy tłumiące i elementy prowadzące oraz opisano zakres diagnozowania układu zawieszenia. 
Gumowe miechy balonowe są to elastyczne zbiorniki najczęściej dwufałdowe lub trzyfałdowe, obustronnie zamknięte. Wykonane są z gumy syntetycznej zbrojonej i zakończone kołnierzem z zawulkanizowanym pierścieniem z drutu stalowego. Mogą być wyposażone w dodatkowe zbiorniki gazu, co zmniejsza progresywność ich charakterystyki. Miechy pneumatyczne wykonywane są najczęściej jako niskociśnieniowe (ciśnienie powietrza 0,5÷1,0 MPa), co sprawia, że mają dość duże wymiary i ciężar. Przenoszą tylko obciążenia pionowe i konieczne jest stosowanie elementów prowadzących. Miech przeponowy (z powłoką zwijaną) składa się ze sztywnego cylindra i tłoka uszczelnionego gumową przeponą. Progresywność działania zapewnia odpowiednie ukształtowanie tłoka, co powoduje prawidłowe układanie przepony na tłoku podczas jego ruchu do wnętrza zbiornika (przekrój fałdy przepony musi mieć zawsze kształt kolisty). Miechy z powłoką zwijaną są stosunkowo niewielkie i lekkie (możliwość stosowania również w samochodach osobowych). W zawieszeniach o wymaganej dużej nośności można zastosować układ miechów podwójnych (cztery miechy w zawieszeniu osi jezdnej).
Do podstawowych zalet zawieszenia pneumatycznego należą:
- możliwość regulacji sztywności zawieszenia (stosownie do zmiany ciężaru ładunku w samochodzie),
- progresywny przebieg charakterystyki sprężystości,
- utrzymywanie stałego położenia nadwozia lub zmiana wysokości nadwozia w celu usprawnienia załadunku i wyładunku,
- możliwość zmiany liczby czynnych osi jezdnych (unoszenie jednej lub kilku osi kół) w celu zmniejszenia oporu toczenia i zużycia ogumienia,
- wygodne sterowanie zawieszenia (poziomowanie, unoszenie) z pulpitu w kabinie kierowcy lub za pomocą pilota.
Zawieszenie pneumatyczne umożliwia znaczne ugięcia, co korzystnie wpływa na płynność ruchu pojazdu i pozwala na regulację położenia nadwozia. Dzięki możliwości regulacji sztywności zawieszenie pneumatyczne poprawia komfort jazdy i wpływa na zmniejszenie oddziaływań dynamicznych od kół na nawierzchnię drogi. Elementy aktywnego zawieszenia pneumatycznego EAS samochodu osobowego pokazano na rys. 3. System EAS (Electronic Air Suspension) został opracowany przez koncern Continental i łączy pneumatyczne elementy sprężyste ze sterowanymi elektronicznie amortyzatorami o zmiennym tłumieniu. Hydropneumatyczne elementy sprężyste zbudowane są z cylindra połączonego z kulistym zbiornikiem. W zbiorniku znajduje się przepona dzieląca go na dwie części. W jednej części (zamkniętej) znajduje się gaz (najczęściej azot), stanowiący element sprężysty zawieszenia. Druga część jest wypełniona olejem i połączona z cylindrem. W cylindrze znajduje się tłok, którego tłoczysko jest połączone z wahaczem koła. Ruchy koła powodują przesuwanie się tłoka w cylindrze. Znajdujący się nad tłokiem olej wywiera nacisk na przeponę i powoduje sprężanie gazu. Hydropneumatyczne elementy sprężyste charakteryzują się stałą masą gazu w komorze zbiornika oraz tym, że na przeponę nie działa bezpośrednio tłok, lecz nacisk na nią jest wywierany za pośrednictwem oleju. Ten rodzaj elementów sprężystych z reguły występuje w układach hydraulicznych wykorzystywanych do stabilizacji i zmiany wzniosu nadwozia. Zawieszenie hydropneumatyczne umożliwia utrzymywanie stałej odległości nadwozia pojazdu od nawierzchni drogi, niezależnie od obciążenia pojazdu. Wysokość elementów sprężystych reguluje się przez doprowadzenie do komory między tłokiem a przeponą dodatkowej ilości oleju. Dopływem oleju ze specjalnego zbiornika (akumulatora ciśnienia) do elementów sprężystych steruje regulator wysokości, działający pod wpływem statycznego ugięcia elementów zawieszenia.
Elementy hydropneumatyczne są często stosowane w zawieszeniach aktywnych nowoczesnych samochodów. Takie zawieszenia samoczynnie utrzymują zadaną wysokość pojazdu przy zmieniającym się obciążeniu (hamowanie, przyspieszanie, jazda po łuku). W zawieszeniu aktywnym zawór sterujący otrzymuje sygnały od właściwych czujników pomiarowych i umożliwia regulację sztywności zawieszenia i wysokości pojazdu. Ogólną budowę zawieszenia hydropneumatycznego aktywnego przedstawiono na przykładzie zawieszenia Hydroactive 3, zastosowanego w samochodach osobowych Citroën C5 i C6. Ta trzecia już generacja zawieszenia hydroaktywnego składa się z następujących zespołów (rys. 4):
- zintegrowanego modulatora elektrohydraulicznego, który obejmuje:
- pompę wysokiego ciśnienia,
- zbiornik oleju hydraulicznego zawieszenia i wspomagania układu kierowniczego (z wbudowanym akumulatorem ciśnienia),
- elektrozawory wlotowy i wylotowy (dla każdej osi),
- zawór bezpieczeństwa,
- moduł sterowania pracą układu połączony z siecią CAN,
- lokalną sieć sterowników (modułów) zapewniającą szybką transmisję danych,
- czterech siłowników hydraulicznych,
- czterech przeponowych gazowo-olejowych akumulatorów ciśnienia i zespolonych z nimi amortyzatorów hydraulicznych (tzw. tłumików wiskotycznych),
- czujników prześwitu nadwozia (dla każdej osi),
- przełącznika wysokości prześwitu nadwozia (sterowanie elektryczne).
W zawieszeniu Hydroactive 3+ dla każdej osi dodatkowo wprowadzono zespoły akumulatorów ciśnienia z tłumikami wiskotycznymi oraz zespoły regulatorów ciśnienia. Zawieszenie Hydroactive występuje w dwóch wersjach: podstawowej 3 oraz o rozszerzonym zakresie funkcji 3+ (dot. Citroëna C5). Natomiast w samochodzie Citroën C6 zastosowano zawieszenie Hydroactive 3+ AMVAR. Trzecia generacja zawieszenia, za pomocą układu hydraulicznego, obejmuje swoim działaniem resorowanie i tłumienie. Charakteryzuje się możliwością adaptacji wysokości prześwitu nadwozia do warunków jazdy z uwzględnieniem rodzaju nawierzchni i prędkości pojazdu. Ograniczono również połączenie hydrauliczne z układem hamulcowym i kierowniczym, co występowało we wcześniejszych generacjach tego zawieszenia.
W zawieszeniu Hydroactive 3 zastosowano dwa tryby pracy automatycznej:
- położenie jazdy po nawierzchniach równych (autostrada); w tym trybie działania, powyżej prędkości jazdy 110 km/h prześwit nadwozia automatycznie zmniejsza się o 15 mm,
- położenie jazdy po drogach o gorszym stanie nawierzchni; w tym trybie ustawień, powyżej prędkości jazdy 70 km/h prześwit nadwozia automatycznie zwiększa się o 13 mm.
Samoczynną zmianę prześwitu nadwozia zapewnia moduł sterowania pracą zawieszenia, na podstawie analizy informacji z czujników: prędkości jazdy i prześwitu nadwozia poszczególnych osi. W zawieszeniu Hydroactive 3+ wprowadzono dodatkowy, trzeci tryb pracy umożliwiający zmianę charakterystyki pracy zawieszenia w zależności od stylu jazdy kierowcy (rys. 5). W celu realizacji tej funkcji zastosowano dodatkowe czujniki: kąta skrętu kierownicy, położenia przepustnicy oraz przyśpieszeń wzdłużnych i poprzecznych.
2. Elementy tłumiące (amortyzatory)
W układach zawieszenia współczesnych pojazdów samochodowych powszechnie stosuje się amortyzatory hydrauliczne, których działanie polega na tłoczeniu cieczy przez kalibrowane otwory. Występujące przy tym opory są pokonywane kosztem energii drgań pojazdu, co powoduje tłumienie tych drgań. Siła tłumienia jest proporcjonalna do prędkości względnej tłoka i cylindra. Większość amortyzatorów tłumi drgania zarówno podczas najeżdżania koła na nierówność (ugięcie zawieszenia), jak i podczas zjeżdżania z niej (odbicie), są to zatem amortyzatory dwustronnego działania. Mają one najczęściej niesymetryczną charakterystykę, tzn. skuteczność tłumienia przy odbiciu jest 2÷4 razy większa niż przy ugięciu zawieszenia. Pod względem konstrukcji amortyzatory hydrauliczne dzieli się na ramieniowe i teleskopowe. Obecnie powszechnie są stosowane amortyzatory teleskopowe (rys. 6). Rozróżnia się dwa typy amortyzatorów hydraulicznych teleskopowych:
- dwururowe, w których komora kompensacyjna znajduje się pomiędzy zewnętrzną powierzchnią cylindra a rurową obudową (rys. 7),
- jednorurowe z komorą kompensacyjną w postaci komory ciśnieniowej wypełnionej gazem i oddzielonej od cieczy roboczej membraną lub tłokiem.
Wadą amortyzatorów dwururowych jest konieczność pracy w pozycji pionowej lub z niewielkim pochyleniem i utrudnione odprowadzanie ciepła, ponieważ rura wewnętrzna (tłumiąca) znajduje się wewnątrz rury zewnętrznej (osłonowej) oraz gorsze tłumienie drgań spowodowane pienieniem oleju. Większość tych wad zdołano wyeliminować w amortyzatorze jednorurowym. W amortyzatorze tym nie ma rury zewnętrznej (ułatwione chłodzenie), olej od gazu oddzielony jest dodatkowym tłokiem (nie dochodzi do pienienia oleju). Taki amortyzator charakteryzuje się dobrym tłumieniem drgań, szybką reakcją i małą masą własną. Dalsze udoskonalenie amortyzatora jednorurowego polega na jego odwróceniu, tzn. zamontowaniu tłoczyskiem do góry (rys. 8), co umożliwiło zwiększenie siły tłumienia i zapewnienie większego bezpieczeństwa podczas jazdy. Niezależnie od rozwiązania konstrukcyjnego podstawowymi elementami teleskopowych amortyzatorów hydraulicznych są cylinder oraz poruszający się w nim tłok z tłoczyskiem. Cylinder roboczy amortyzatora jest wypełniony cieczą i rozdzielony tłokiem na dwie komory. Ruch tłoka powoduje przetaczanie cieczy z jednej komory do drugiej przez wykonane w tłoku kalibrowane otwory. Średnica tych otworów decyduje o wartości siły tłumienia. Otwory są wyposażone w zaworki zwrotne. W zależności od kierunku ruchu tłoka olej jest przetłaczany przez otwór o innej średnicy (zmiana siły tłumienia w zależności od kierunku ruchu tłoka). Przez odpowiedni dobór średnic otworków oraz sztywności sprężyn zaworków można otrzymać najkorzystniejszą dla danego pojazdu charakterystykę amortyzatora. W nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych amortyzatorów ich siła tłumienia może być sterowana elektronicznie.
3. Stabilizatory
Stabilizatorami nazywamy urządzenia zabezpieczające przed nadmiernymi przechyłami nadwozia. Stabilizatory wpływają również na kierowalność, co powoduje zwiększenie bezpieczeństwa jazdy. Stosowanie sprężystych elementów zawieszenia powoduje, że podczas jazdy na zakręcie (występuje siła odśrodkowa) lub pod działaniem innych sił bocznych nadwozia pojazdów przechylają się w kierunku poprzecznym do kierunku ruchu. Występuje to szczególnie wyraźnie w szybkich samochodach osobowych oraz w dużych samochodach ciężarowych, w których środek ciężkości jest usytuowany wysoko. W takich pojazdach konieczne jest stosowanie stabilizatorów. Stabilizatory mechaniczne w postaci drążków skrętnych związanych z elementami prowadzącymi kół jednej osi najczęściej stosuje się w samochodach osobowych. Skręcenie drążka jest proporcjonalne do różnicy ugięć prawego i lewego koła. Przy jednakowych ugięciach zawieszenia z obu stron stabilizator nie działa.
Poza zmniejszaniem przechyłów bocznych, za pomocą stabilizatorów można też wpływać na zachowanie się pojazdu podczas jazdy na zakręcie. Ogólnie można stwierdzić, że sztywny stabilizator zastosowany:
- w przednim zawieszeniu zwiększa tendencję do podsterowności i poprawia zachowanie się samochodu podczas zmiany pasa ruchu,
- w tylnym zawieszeniu umożliwia uzyskanie w samochodzie o przednim napędzie neutralnej charakterystyki sterowności,
- w tylnym zawieszeniu w samochodzie o tylnym napędzie powoduje zwiększenie nadsterowności.
Stabilizator ma także oddziaływanie niekorzystne. Im większa jest wartość współczynnika sztywności stabilizatora, tym silniej są napięte poszczególne przeguby elastyczne oraz inne elementy i tym słabiej zawieszenie reaguje na pokonywane nierówności drogi
Podobny efekt do działania stabilizatora mechanicznego można uzyskać w zawieszeniu pneumatycznym lub hydropneumatycznym.
Zakres diagnozowania układu zawieszenia
Zawieszenie samochodu jest tym układem, od którego poprawnego działania zależy: bezpieczeństwo jazdy, kierowalność pojazdu, trwałość i niezawodność innych zespołów, komfort jazdy pasażerów oraz stan przewożonych towarów. Wykorzystywanie samochodu z niezdatnym zawieszeniem znacznie skraca okres jego użytkowania. Dobór rodzaju zawieszenia oraz charakterystyk jego elementów sprężystych i tłumiących jest zadaniem trudnym. Obecnie w samochodach osobowych elementy te posiadają najczęściej charakterystyki nieliniowe. Elementami sprężystymi w samochodach osobowych są na ogół stalowe sprężyny śrubowe. Nieliniową charakterystykę sztywności sprężyn otrzymuje się przez zmianę średnicy zewnętrznej, zmianę skoku lub średnicy drutu. W samochodach ciężarowych elementami sprężystymi są z reguły resory piórowe, drążki skrętne i miechy zawieszenia pneumatycznego. Elementami tłumiącymi drgania w samochodach osobowych są amortyzatory teleskopowe o charakterystyce komfortowej (miękkiej) lub sportowej (twardej). Konstruktorzy dobierając charakterystykę tłumienia amortyzatora najczęściej przyjmują rozwiązanie kompromisowe. Charakterystyki stosowanych amortyzatorów są nieliniowe oraz niesymetryczne. W samochodach ciężarowych do tłumienia drgań nadwozia stosuje się także inne elementy tłumiące. Na tłumienie drgań oprócz amortyzatorów mają wpływ: opony, sprężyny, przeguby kuliste, tuleje metalowo-gumowe i stabilizatory. Jednak w największym stopniu o wartości tłumienia decydują amortyzatory. Poważne zadania, jakie ma do spełnienia w samochodzie układ zawieszenia oraz jego wpływ na bezpieczeństwo jazdy sprawia, że ocena stanu technicznego tego układu ma duże znaczenie dla właściwej eksploatacji pojazdu. Przed przystąpieniem do kontroli układu zawieszenia należy doprowadzić ciśnienie w ogumieniu do zalecanego przez wytwórcę samochodu oraz usunąć luzy w zawieszeniu. Do badania skuteczności tłumienia zawieszenia pojazdu o dopuszczalnej masie całkowitej do 3,5 t wykorzystuje się dwie metody: drgań swobodnych i drgań wymuszonych. Pierwsza z tych metod polega na ocenie drgań swobodnych nadwozia wywołanych wytrąceniem bryły nadwozia ze stanu spoczynkowego. W nowszych odmianach tej metody mierzy się siłę nacisku koła na podłoże. Metoda drgań wymuszonych polega na rejestracji zmiennej amplitudy drgań w funkcji czasu (test Boge) i porównaniu otrzymanych wykresów z charakterystykami wzorcowymi dla badanego samochodu. W przypadku stosowania drugiej odmiany tej metody (test Eusama) dokonuje się analizy nacisku koła na płytę stanowiska. Następnie porównuje się wyniki pomiaru z wymaganiami ustalonymi przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAMA).
Amortyzatory wchodzą w skład elementów tłumiących układu zawieszenia pojazdu. Niezdatność amortyzatorów decyduje o zachowaniu się pojazdu w czasie jazdy, powoduje zmniejszenie bezpieczeństwa (mniejsza przyczepność kół do drogi, wydłużenie drogi hamowania) oraz wpływa na trwałość pojazdu.
Dokładniejsze rozpoznanie niezdatnego amortyzatora jest możliwe dopiero na stanowiskach kontrolnych. W diagnostyce wykonywanej w stacjach kontroli i obsługi pojazdów najczęściej stosuje się badanie amortyzatorów w stanie zamontowanym w pojeździe, z uwagi na łatwość i szybkość wykonania pomiaru. Metoda drgań wymuszonych znalazła powszechne zastosowanie do określania stanu technicznego układu zawieszenia samochodów osobowych, osobowo-terenowych i dostawczych.
Urządzenia do badania zawieszenia w pełni wykazują swoją przydatność w stacjach kontroli i obsługi pojazdów oraz w warsztatach samochodowych. Aktualnie produkowane urządzenia do badania układu zawieszenia (amortyzatorów) wykonywane są w wersji stacjonarnej lub mobilnej (z rampami najazdowymi). Mogą być stosowane tylko do kontroli w samochodach osobowych i dostawczych. Diagnozowanie zawieszenia samochodów ciężarowych, autobusów, przyczep i naczep nadal jest wykonywane metodami organoleptycznymi.
Podczas eksploatacji pojazdu charakterystyki elementów sprężystych i tłumiących zawieszenia ulegają zmianie. W zawieszeniu pojawiają się luzy wpływające na bezpieczeństwo jazdy. Objawami niezdatności układu zawieszenia są:
- duże amplitudy drgań nadwozia samochodu,
- powiększone przechyły pojazdu wpływające na komfort jazdy i stabilność ruchu,
- odrywanie się kół od nawierzchni drogi,
- wydłużenie drogi hamowania.
W czasie jazdy występują wówczas w zawieszeniu nadmierne siły dynamiczne, powodujące szybsze zużycie elementów pojazdu i niszczenie nawierzchni drogi. Z tego powodu konieczne są badania okresowe stanu technicznego układu zawieszenia. Stacje diagnostyczne i stacje obsługi pojazdów nie dysponują obecnie urządzeniami pozwalającymi na przeprowadzenie badań kontrolnych wszystkich elementów układu zawieszenia. Badania takie przeprowadza się obecnie metodami organoleptycznymi. Jedynie elementy tłumiące drgania (szczególnie amortyzatory) mogą być sprawdzane na specjalnych stanowiskach kontrolnych. Oględziny zewnętrzne układu zawieszenia obejmują sprawdzenie ukompletowania, prawidłowości montażu oraz stanu technicznego elementów sprężystych, prowadzących i tłumiących drgania (amortyzatorów). Podczas oględzin samochodu ocenia się także luzy w układzie zawieszenia. Określenie stanu technicznego elementów tłumiących drgania (przede wszystkim amortyzatorów) metodami przyrządowymi wykonuje się na podstawie analizy drgań w funkcji czasu lub analizy nacisku koła na podłoże.
dr inż. Kazimierz Sitek
Konstrukcja układu zawieszenia
Pod względem konstrukcyjnym układ zawieszenia pojazdu samochodowego składa się z kilku grup zespołów, to jest:
- zespołu elementów sprężystych,
- zespołu elementów tłumiących,
- zespołu elementów prowadzących,
- ograniczników skoku (dla fazy rozciągania i ściskania).
1. Elementy sprężyste
W poprzedniej części artykułu opisano metalowe i gumowe elementy sprężyste. Obecnie zostaną przedstawione pozostałe rodzaje elementów sprężystych zawieszenia. Pneumatyczne elementy sprężyste wykorzystują energię sprężonego powietrza i osłabiają obciążenia dynamiczne dzięki zmianie ciśnienia powietrza wypełniającego zamkniętą przestrzeń roboczą. Podczas uginania zawieszenia zmniejsza się objętość wewnątrz pneumatycznego elementu sprężystego, wzrasta ciśnienie i element pneumatyczny przenosi zwiększone obciążenie, wykazując progresywny kształt charakterystyki sprężystości. Zawieszenia pneumatyczne są coraz szerzej stosowane w autobusach, samochodach ciężarowych (rys. 1) oraz przyczepach i naczepach.
Głównymi elementami w zawieszeniu pneumatycznym są gumowe miechy (rys. 2), które są elementami sprężystymi oraz pełnią funkcje nośne zawieszenia. Ich charakterystyka sprężystości zależy od ciśnienia sprężonego powietrza i objętości. Stosuje się dwa zasadnicze typy miechów (sprężyn pneumatycznych):
- miechy balonowe,
- miechy przeponowe.
Gumowe miechy balonowe są to elastyczne zbiorniki najczęściej dwufałdowe lub trzyfałdowe, obustronnie zamknięte. Wykonane są z gumy syntetycznej zbrojonej i zakończone kołnierzem z zawulkanizowanym pierścieniem z drutu stalowego. Mogą być wyposażone w dodatkowe zbiorniki gazu, co zmniejsza progresywność ich charakterystyki. Miechy pneumatyczne wykonywane są najczęściej jako niskociśnieniowe (ciśnienie powietrza 0,5÷1,0 MPa), co sprawia, że mają dość duże wymiary i ciężar. Przenoszą tylko obciążenia pionowe i konieczne jest stosowanie elementów prowadzących. Miech przeponowy (z powłoką zwijaną) składa się ze sztywnego cylindra i tłoka uszczelnionego gumową przeponą. Progresywność działania zapewnia odpowiednie ukształtowanie tłoka, co powoduje prawidłowe układanie przepony na tłoku podczas jego ruchu do wnętrza zbiornika (przekrój fałdy przepony musi mieć zawsze kształt kolisty). Miechy z powłoką zwijaną są stosunkowo niewielkie i lekkie (możliwość stosowania również w samochodach osobowych). W zawieszeniach o wymaganej dużej nośności można zastosować układ miechów podwójnych (cztery miechy w zawieszeniu osi jezdnej).
Do podstawowych zalet zawieszenia pneumatycznego należą:
- możliwość regulacji sztywności zawieszenia (stosownie do zmiany ciężaru ładunku w samochodzie),
- progresywny przebieg charakterystyki sprężystości,
- utrzymywanie stałego położenia nadwozia lub zmiana wysokości nadwozia w celu usprawnienia załadunku i wyładunku,
- możliwość zmiany liczby czynnych osi jezdnych (unoszenie jednej lub kilku osi kół) w celu zmniejszenia oporu toczenia i zużycia ogumienia,
- wygodne sterowanie zawieszenia (poziomowanie, unoszenie) z pulpitu w kabinie kierowcy lub za pomocą pilota.
Zawieszenie pneumatyczne umożliwia znaczne ugięcia, co korzystnie wpływa na płynność ruchu pojazdu i pozwala na regulację położenia nadwozia. Dzięki możliwości regulacji sztywności zawieszenie pneumatyczne poprawia komfort jazdy i wpływa na zmniejszenie oddziaływań dynamicznych od kół na nawierzchnię drogi. Elementy aktywnego zawieszenia pneumatycznego EAS samochodu osobowego pokazano na rys. 3. System EAS (Electronic Air Suspension) został opracowany przez koncern Continental i łączy pneumatyczne elementy sprężyste ze sterowanymi elektronicznie amortyzatorami o zmiennym tłumieniu. Hydropneumatyczne elementy sprężyste zbudowane są z cylindra połączonego z kulistym zbiornikiem. W zbiorniku znajduje się przepona dzieląca go na dwie części. W jednej części (zamkniętej) znajduje się gaz (najczęściej azot), stanowiący element sprężysty zawieszenia. Druga część jest wypełniona olejem i połączona z cylindrem. W cylindrze znajduje się tłok, którego tłoczysko jest połączone z wahaczem koła. Ruchy koła powodują przesuwanie się tłoka w cylindrze. Znajdujący się nad tłokiem olej wywiera nacisk na przeponę i powoduje sprężanie gazu. Hydropneumatyczne elementy sprężyste charakteryzują się stałą masą gazu w komorze zbiornika oraz tym, że na przeponę nie działa bezpośrednio tłok, lecz nacisk na nią jest wywierany za pośrednictwem oleju. Ten rodzaj elementów sprężystych z reguły występuje w układach hydraulicznych wykorzystywanych do stabilizacji i zmiany wzniosu nadwozia. Zawieszenie hydropneumatyczne umożliwia utrzymywanie stałej odległości nadwozia pojazdu od nawierzchni drogi, niezależnie od obciążenia pojazdu. Wysokość elementów sprężystych reguluje się przez doprowadzenie do komory między tłokiem a przeponą dodatkowej ilości oleju. Dopływem oleju ze specjalnego zbiornika (akumulatora ciśnienia) do elementów sprężystych steruje regulator wysokości, działający pod wpływem statycznego ugięcia elementów zawieszenia.
Elementy hydropneumatyczne są często stosowane w zawieszeniach aktywnych nowoczesnych samochodów. Takie zawieszenia samoczynnie utrzymują zadaną wysokość pojazdu przy zmieniającym się obciążeniu (hamowanie, przyspieszanie, jazda po łuku). W zawieszeniu aktywnym zawór sterujący otrzymuje sygnały od właściwych czujników pomiarowych i umożliwia regulację sztywności zawieszenia i wysokości pojazdu. Ogólną budowę zawieszenia hydropneumatycznego aktywnego przedstawiono na przykładzie zawieszenia Hydroactive 3, zastosowanego w samochodach osobowych Citroën C5 i C6. Ta trzecia już generacja zawieszenia hydroaktywnego składa się z następujących zespołów (rys. 4):
- zintegrowanego modulatora elektrohydraulicznego, który obejmuje:
- pompę wysokiego ciśnienia,
- zbiornik oleju hydraulicznego zawieszenia i wspomagania układu kierowniczego (z wbudowanym akumulatorem ciśnienia),
- elektrozawory wlotowy i wylotowy (dla każdej osi),
- zawór bezpieczeństwa,
- moduł sterowania pracą układu połączony z siecią CAN,
- lokalną sieć sterowników (modułów) zapewniającą szybką transmisję danych,
- czterech siłowników hydraulicznych,
- czterech przeponowych gazowo-olejowych akumulatorów ciśnienia i zespolonych z nimi amortyzatorów hydraulicznych (tzw. tłumików wiskotycznych),
- czujników prześwitu nadwozia (dla każdej osi),
- przełącznika wysokości prześwitu nadwozia (sterowanie elektryczne).
W zawieszeniu Hydroactive 3+ dla każdej osi dodatkowo wprowadzono zespoły akumulatorów ciśnienia z tłumikami wiskotycznymi oraz zespoły regulatorów ciśnienia. Zawieszenie Hydroactive występuje w dwóch wersjach: podstawowej 3 oraz o rozszerzonym zakresie funkcji 3+ (dot. Citroëna C5). Natomiast w samochodzie Citroën C6 zastosowano zawieszenie Hydroactive 3+ AMVAR. Trzecia generacja zawieszenia, za pomocą układu hydraulicznego, obejmuje swoim działaniem resorowanie i tłumienie. Charakteryzuje się możliwością adaptacji wysokości prześwitu nadwozia do warunków jazdy z uwzględnieniem rodzaju nawierzchni i prędkości pojazdu. Ograniczono również połączenie hydrauliczne z układem hamulcowym i kierowniczym, co występowało we wcześniejszych generacjach tego zawieszenia.
W zawieszeniu Hydroactive 3 zastosowano dwa tryby pracy automatycznej:
- położenie jazdy po nawierzchniach równych (autostrada); w tym trybie działania, powyżej prędkości jazdy 110 km/h prześwit nadwozia automatycznie zmniejsza się o 15 mm,
- położenie jazdy po drogach o gorszym stanie nawierzchni; w tym trybie ustawień, powyżej prędkości jazdy 70 km/h prześwit nadwozia automatycznie zwiększa się o 13 mm.
Samoczynną zmianę prześwitu nadwozia zapewnia moduł sterowania pracą zawieszenia, na podstawie analizy informacji z czujników: prędkości jazdy i prześwitu nadwozia poszczególnych osi. W zawieszeniu Hydroactive 3+ wprowadzono dodatkowy, trzeci tryb pracy umożliwiający zmianę charakterystyki pracy zawieszenia w zależności od stylu jazdy kierowcy (rys. 5). W celu realizacji tej funkcji zastosowano dodatkowe czujniki: kąta skrętu kierownicy, położenia przepustnicy oraz przyśpieszeń wzdłużnych i poprzecznych.
2. Elementy tłumiące (amortyzatory)
W układach zawieszenia współczesnych pojazdów samochodowych powszechnie stosuje się amortyzatory hydrauliczne, których działanie polega na tłoczeniu cieczy przez kalibrowane otwory. Występujące przy tym opory są pokonywane kosztem energii drgań pojazdu, co powoduje tłumienie tych drgań. Siła tłumienia jest proporcjonalna do prędkości względnej tłoka i cylindra. Większość amortyzatorów tłumi drgania zarówno podczas najeżdżania koła na nierówność (ugięcie zawieszenia), jak i podczas zjeżdżania z niej (odbicie), są to zatem amortyzatory dwustronnego działania. Mają one najczęściej niesymetryczną charakterystykę, tzn. skuteczność tłumienia przy odbiciu jest 2÷4 razy większa niż przy ugięciu zawieszenia. Pod względem konstrukcji amortyzatory hydrauliczne dzieli się na ramieniowe i teleskopowe. Obecnie powszechnie są stosowane amortyzatory teleskopowe (rys. 6). Rozróżnia się dwa typy amortyzatorów hydraulicznych teleskopowych:
- dwururowe, w których komora kompensacyjna znajduje się pomiędzy zewnętrzną powierzchnią cylindra a rurową obudową (rys. 7),
- jednorurowe z komorą kompensacyjną w postaci komory ciśnieniowej wypełnionej gazem i oddzielonej od cieczy roboczej membraną lub tłokiem.
Wadą amortyzatorów dwururowych jest konieczność pracy w pozycji pionowej lub z niewielkim pochyleniem i utrudnione odprowadzanie ciepła, ponieważ rura wewnętrzna (tłumiąca) znajduje się wewnątrz rury zewnętrznej (osłonowej) oraz gorsze tłumienie drgań spowodowane pienieniem oleju. Większość tych wad zdołano wyeliminować w amortyzatorze jednorurowym. W amortyzatorze tym nie ma rury zewnętrznej (ułatwione chłodzenie), olej od gazu oddzielony jest dodatkowym tłokiem (nie dochodzi do pienienia oleju). Taki amortyzator charakteryzuje się dobrym tłumieniem drgań, szybką reakcją i małą masą własną. Dalsze udoskonalenie amortyzatora jednorurowego polega na jego odwróceniu, tzn. zamontowaniu tłoczyskiem do góry (rys. 8), co umożliwiło zwiększenie siły tłumienia i zapewnienie większego bezpieczeństwa podczas jazdy. Niezależnie od rozwiązania konstrukcyjnego podstawowymi elementami teleskopowych amortyzatorów hydraulicznych są cylinder oraz poruszający się w nim tłok z tłoczyskiem. Cylinder roboczy amortyzatora jest wypełniony cieczą i rozdzielony tłokiem na dwie komory. Ruch tłoka powoduje przetaczanie cieczy z jednej komory do drugiej przez wykonane w tłoku kalibrowane otwory. Średnica tych otworów decyduje o wartości siły tłumienia. Otwory są wyposażone w zaworki zwrotne. W zależności od kierunku ruchu tłoka olej jest przetłaczany przez otwór o innej średnicy (zmiana siły tłumienia w zależności od kierunku ruchu tłoka). Przez odpowiedni dobór średnic otworków oraz sztywności sprężyn zaworków można otrzymać najkorzystniejszą dla danego pojazdu charakterystykę amortyzatora. W nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych amortyzatorów ich siła tłumienia może być sterowana elektronicznie.
3. Stabilizatory
Stabilizatorami nazywamy urządzenia zabezpieczające przed nadmiernymi przechyłami nadwozia. Stabilizatory wpływają również na kierowalność, co powoduje zwiększenie bezpieczeństwa jazdy. Stosowanie sprężystych elementów zawieszenia powoduje, że podczas jazdy na zakręcie (występuje siła odśrodkowa) lub pod działaniem innych sił bocznych nadwozia pojazdów przechylają się w kierunku poprzecznym do kierunku ruchu. Występuje to szczególnie wyraźnie w szybkich samochodach osobowych oraz w dużych samochodach ciężarowych, w których środek ciężkości jest usytuowany wysoko. W takich pojazdach konieczne jest stosowanie stabilizatorów. Stabilizatory mechaniczne w postaci drążków skrętnych związanych z elementami prowadzącymi kół jednej osi najczęściej stosuje się w samochodach osobowych. Skręcenie drążka jest proporcjonalne do różnicy ugięć prawego i lewego koła. Przy jednakowych ugięciach zawieszenia z obu stron stabilizator nie działa.
Poza zmniejszaniem przechyłów bocznych, za pomocą stabilizatorów można też wpływać na zachowanie się pojazdu podczas jazdy na zakręcie. Ogólnie można stwierdzić, że sztywny stabilizator zastosowany:
- w przednim zawieszeniu zwiększa tendencję do podsterowności i poprawia zachowanie się samochodu podczas zmiany pasa ruchu,
- w tylnym zawieszeniu umożliwia uzyskanie w samochodzie o przednim napędzie neutralnej charakterystyki sterowności,
- w tylnym zawieszeniu w samochodzie o tylnym napędzie powoduje zwiększenie nadsterowności.
Stabilizator ma także oddziaływanie niekorzystne. Im większa jest wartość współczynnika sztywności stabilizatora, tym silniej są napięte poszczególne przeguby elastyczne oraz inne elementy i tym słabiej zawieszenie reaguje na pokonywane nierówności drogi
Podobny efekt do działania stabilizatora mechanicznego można uzyskać w zawieszeniu pneumatycznym lub hydropneumatycznym.
Zakres diagnozowania układu zawieszenia
Zawieszenie samochodu jest tym układem, od którego poprawnego działania zależy: bezpieczeństwo jazdy, kierowalność pojazdu, trwałość i niezawodność innych zespołów, komfort jazdy pasażerów oraz stan przewożonych towarów. Wykorzystywanie samochodu z niezdatnym zawieszeniem znacznie skraca okres jego użytkowania. Dobór rodzaju zawieszenia oraz charakterystyk jego elementów sprężystych i tłumiących jest zadaniem trudnym. Obecnie w samochodach osobowych elementy te posiadają najczęściej charakterystyki nieliniowe. Elementami sprężystymi w samochodach osobowych są na ogół stalowe sprężyny śrubowe. Nieliniową charakterystykę sztywności sprężyn otrzymuje się przez zmianę średnicy zewnętrznej, zmianę skoku lub średnicy drutu. W samochodach ciężarowych elementami sprężystymi są z reguły resory piórowe, drążki skrętne i miechy zawieszenia pneumatycznego. Elementami tłumiącymi drgania w samochodach osobowych są amortyzatory teleskopowe o charakterystyce komfortowej (miękkiej) lub sportowej (twardej). Konstruktorzy dobierając charakterystykę tłumienia amortyzatora najczęściej przyjmują rozwiązanie kompromisowe. Charakterystyki stosowanych amortyzatorów są nieliniowe oraz niesymetryczne. W samochodach ciężarowych do tłumienia drgań nadwozia stosuje się także inne elementy tłumiące. Na tłumienie drgań oprócz amortyzatorów mają wpływ: opony, sprężyny, przeguby kuliste, tuleje metalowo-gumowe i stabilizatory. Jednak w największym stopniu o wartości tłumienia decydują amortyzatory. Poważne zadania, jakie ma do spełnienia w samochodzie układ zawieszenia oraz jego wpływ na bezpieczeństwo jazdy sprawia, że ocena stanu technicznego tego układu ma duże znaczenie dla właściwej eksploatacji pojazdu. Przed przystąpieniem do kontroli układu zawieszenia należy doprowadzić ciśnienie w ogumieniu do zalecanego przez wytwórcę samochodu oraz usunąć luzy w zawieszeniu. Do badania skuteczności tłumienia zawieszenia pojazdu o dopuszczalnej masie całkowitej do 3,5 t wykorzystuje się dwie metody: drgań swobodnych i drgań wymuszonych. Pierwsza z tych metod polega na ocenie drgań swobodnych nadwozia wywołanych wytrąceniem bryły nadwozia ze stanu spoczynkowego. W nowszych odmianach tej metody mierzy się siłę nacisku koła na podłoże. Metoda drgań wymuszonych polega na rejestracji zmiennej amplitudy drgań w funkcji czasu (test Boge) i porównaniu otrzymanych wykresów z charakterystykami wzorcowymi dla badanego samochodu. W przypadku stosowania drugiej odmiany tej metody (test Eusama) dokonuje się analizy nacisku koła na płytę stanowiska. Następnie porównuje się wyniki pomiaru z wymaganiami ustalonymi przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAMA).
Amortyzatory wchodzą w skład elementów tłumiących układu zawieszenia pojazdu. Niezdatność amortyzatorów decyduje o zachowaniu się pojazdu w czasie jazdy, powoduje zmniejszenie bezpieczeństwa (mniejsza przyczepność kół do drogi, wydłużenie drogi hamowania) oraz wpływa na trwałość pojazdu.
Dokładniejsze rozpoznanie niezdatnego amortyzatora jest możliwe dopiero na stanowiskach kontrolnych. W diagnostyce wykonywanej w stacjach kontroli i obsługi pojazdów najczęściej stosuje się badanie amortyzatorów w stanie zamontowanym w pojeździe, z uwagi na łatwość i szybkość wykonania pomiaru. Metoda drgań wymuszonych znalazła powszechne zastosowanie do określania stanu technicznego układu zawieszenia samochodów osobowych, osobowo-terenowych i dostawczych.
Urządzenia do badania zawieszenia w pełni wykazują swoją przydatność w stacjach kontroli i obsługi pojazdów oraz w warsztatach samochodowych. Aktualnie produkowane urządzenia do badania układu zawieszenia (amortyzatorów) wykonywane są w wersji stacjonarnej lub mobilnej (z rampami najazdowymi). Mogą być stosowane tylko do kontroli w samochodach osobowych i dostawczych. Diagnozowanie zawieszenia samochodów ciężarowych, autobusów, przyczep i naczep nadal jest wykonywane metodami organoleptycznymi.
Podczas eksploatacji pojazdu charakterystyki elementów sprężystych i tłumiących zawieszenia ulegają zmianie. W zawieszeniu pojawiają się luzy wpływające na bezpieczeństwo jazdy. Objawami niezdatności układu zawieszenia są:
- duże amplitudy drgań nadwozia samochodu,
- powiększone przechyły pojazdu wpływające na komfort jazdy i stabilność ruchu,
- odrywanie się kół od nawierzchni drogi,
- wydłużenie drogi hamowania.
W czasie jazdy występują wówczas w zawieszeniu nadmierne siły dynamiczne, powodujące szybsze zużycie elementów pojazdu i niszczenie nawierzchni drogi. Z tego powodu konieczne są badania okresowe stanu technicznego układu zawieszenia. Stacje diagnostyczne i stacje obsługi pojazdów nie dysponują obecnie urządzeniami pozwalającymi na przeprowadzenie badań kontrolnych wszystkich elementów układu zawieszenia. Badania takie przeprowadza się obecnie metodami organoleptycznymi. Jedynie elementy tłumiące drgania (szczególnie amortyzatory) mogą być sprawdzane na specjalnych stanowiskach kontrolnych. Oględziny zewnętrzne układu zawieszenia obejmują sprawdzenie ukompletowania, prawidłowości montażu oraz stanu technicznego elementów sprężystych, prowadzących i tłumiących drgania (amortyzatorów). Podczas oględzin samochodu ocenia się także luzy w układzie zawieszenia. Określenie stanu technicznego elementów tłumiących drgania (przede wszystkim amortyzatorów) metodami przyrządowymi wykonuje się na podstawie analizy drgań w funkcji czasu lub analizy nacisku koła na podłoże.
dr inż. Kazimierz Sitek
Komentarze (0)