Samochód jest obniżany w następstwie montażu sprężyn o długości mniejszej niż standardowa. Tym zagadnieniem powinny się więc interesować serwisy montujące skrócone sprężyny (ale niesamodzielnie, bez dogięcia i zaszlifowania końcowych zwojów!), bowiem czynność ta wpływa między innymi na zmianę kąta pochylenia kół przednich i tylnych. To, dlaczego ta zmiana następuje i jakie może mieć ona następstwa, jest tematem tego artykułu.

Zmiana kąta pochylenia koła spowodowana montażem sprężyny o zmniejszonej długości
Wynika ona z zależności geometrycznych pomiędzy elementami zawieszenia. Ich wymiary i miejsca mocowania są celowo tak dobrane przez konstruktora, aby przy zmianie obciążenia koła następowała zamierzona przez niego zmiana kąta pochylenia koła, o czym w dalszej części artykułu. Prześledźmy na przykładzie zawieszenia koła przedniego na kolumnie resorującej typu McPherson (rys. 1), jak ta zmiana następuje.

Rys. 1. Zmniejszenie wysokości zawieszenia od wartości W1 do wartości W2 poprzez zastąpienie sprężyny kolumny resorującej McPherson o długości L1 sprężyną o mniejszej długości L2 powoduje, że kąt pochylenia koła zmienia się w kierunku wartości ujemnych. Na powyższym rysunku kąt pochylenia koła PK1 = 0O (przy sprężynie o długości L1 – rys. a) zmienił swoją wartość na kąt pochylenia koła PK2 < 0O (przy sprężynie o długości L2 – rys. b). Oznaczenia na rysunku: 1 – wahacz poprzeczny; 2 – gniazdo mocowania wahacza poprzecznego w nadwoziu; 3 – zwrotnica koła; 4 – kolumna resorująca McPherson; 5 – gniazdo mocowania kolumny resorującej McPherson w nadwoziu; 6 – kierunek odchylenia kolumny resorującej 4 połączonej ze zwrotnicą 3 w wyniku obrotu wahacza 1; L1 – długość standardowej sprężyny zawieszenia; L2 – długość sprężyny zawieszenia wykorzystanej do jego obniżenia; W1 i W2 – wysokość zawieszenia z zamontowanymi sprężynami o długościach odpowiednio L1 i L2; rW – promień łuku zataczany przez zamocowany w gnieździe 4 obracający się wahacz.

Jako miarę wysokości zawieszenia, oznaczoną na rys. 1 symbolami W1 i W2, przyjąłem odległość osi obrotu koła od gniazda 5 mocowania w nadwoziu kolumny resorującej McPherson. Wysokość zawieszenia jest zawsze (z małymi wyjątkami) zależna od wymiarów charakterystycznych dla elementów resorujących (długości sprężyny lub strzałki ugięcia resoru pod określonym obciążeniem), a nie, jak się często myśli, od długości amortyzatora. Przyjmijmy, że zawieszenie seryjnego samochodu przy określonym obciążeniu ma wysokość W1, a kąt pochylanie koła PK1 ma wartość równą zero. Dla obniżenia wysokości zawieszenia W1 seryjnego samochodu w miejsce montowanej seryjnie sprężyny o długości L1 jest montowana sprężyna o mniejszej długości L2. Nie ulegają jednak zmianie miejsca zabudowy w nadwoziu:
- gniazda 5 mocowania kolumny resorującej McPherson 4, połączonej ze zwrotnicą 3;
- gniazda mocowania wahacza poprzecznego 1
    oraz długość wahacza poprzecznego 1.

Dlatego po zamontowaniu krótszej sprężyny i obciążeniu koła tym samym obciążeniem:
- wysokość zawieszenia zmniejszy się do wartości W2;
- nastąpi obrót wahacza poprzecznego 1 wokół mocowania w gnieździe 2;
- ponieważ końcówka wahacza 1, połączona ze zwrotnicą 3, porusza się po łuku o promieniu rW, więc obrót wahacza pokazany na rys. 1b spowoduje odchylenie zwrotnicy 3 połączonej z kolumną resorującą McPherson 4 w kierunku 6, w następstwie czego kąt pochylenia koła zmieni się w kierunku wartości ujemnych, osiągając w naszym przykładzie wartość PK2 < 0O.

Określenia: dodatni lub ujemny kąt pochylenia koła są umowne. Zasadę określania kąta pochylania koła podaje rys. 2.
Pokazana na rys.1 zmiana kąta pochylenia koła w kierunku wartości ujemnych po zamontowaniu krótszej sprężyny jest dla zawieszenia koła tym samym, co reakcja zawieszenia na skrócenie sprężyny zawieszenia w wyniku wzrostu obciążenia działającego na koło.
Analogicznie, zwiększenie długości sprężyny zawieszenia w wyniku zmniejszenia obciążenia działającego na koło (to tak, jakby zastąpić sprężynę o długości L2 sprężyną o długości L1) powoduje zmianę kąta pochylenia koła w kierunku wartości dodatnich.
Jak wspomniałem, zmiana kąta pochylenia koła w następstwie zmian jego obciążenia jest zaprojektowana przez konstruktora. Poznajmy cel jej stosowania.

Zmiana kąta pochylenia koła w następstwie zmian jego obciążenia dla samochodów z niezależnym zawieszeniem kół
W następstwie zwiększenia obciążenia koła zmniejsza się długość elementu resorującego, np. sprężyny zawieszenia, a koło przesuwa się w kierunku „do nadwozia”, czyli wykonuje skok dobicia (zmniejsza się wysokość zawieszenia, określona tak jak na rys. 1). Natomiast w następstwie zmniejszenia obciążenia koła zwiększa się długość elementu resorującego, a koło przesuwa się w kierunku „od nadwozia”, czyli wykonuje skok odbicia (zwiększa się wysokość zawieszenia). Zarówno podczas skoku dobicia, jak i odbicia koła zmienia się wartość kąta pochylenia koła, co pokazuje wykres na rys.3 dla zawieszeń kół przednich samochodów Honda i BMW o różnych konstrukcjach.
Na wykresie za wyjściowe ustawienie koła, czyli tzw. skok „zerowy”, względem którego jest określany skok dobicia i odbicia koła, przyjęto ustawienie koła względem nadwozia samochodu obciążonego. Widać na wykresach, że:
- w samochodzie BMW (punkt A na wykresie) koło ma ujemny kąt pochylenia, wynoszący -0,8O;
- w samochodzie Honda (punkt B na wykresie) koło ma zerowy kąt pochylenia, czyli jest prostopadłe do drogi.

Jeśli koło zostanie dociążone (np. podczas jazdy po łuku lub przy hamowaniu) i wykona skok dobicia, przykładowo o wartości 30 mm, to w obu samochodach kąt pochylenia koła zwiększy się w kierunku wartości ujemnych i wyniesie:
- w samochodzie BMW (punkt C na wykresie) -1,5O;
- w samochodzie Honda (punkt D na wykresie) -1,2O.

Wzrost ujemnego kąta pochylenia koła, po wykonaniu skoku dobicia, jest szczególnie widoczny w samochodzie Honda. Zgodnie z tym, co wcześniej napisałem, proszę zauważyć, że jeśli zamontujemy w zawieszeniu tych samochodów sprężyny krótsze o 30 mm w stosunku do sprężyn seryjnych, to dla zawieszenia będzie to ta sama sytuacja, która występuje po dobiciu koła o 30 mm. Kąty pochylenia kół samochodu obciążonego (tak jak dla skoku „zerowego” koła) przyjmą wówczas wartości, które konstruktor zawieszenia przewidział dopiero przy dobiciu koła o 30 mm. Samochód z tak obniżonym zawieszeniem będzie prawdopodobnie jeździł z kołami o nadmiernym ujemnym kącie pochylenia. Popatrzmy jeszcze na wykres z rys. 3, jak zmieni się wartość kąta pochylania koła przy skoku odbicia. Linie wykresu, zarówno dla BMW, jak i Hondy, pokazują, że kąt pochylenia koła zwiększy się w kierunku wartości dodatnich. W samochodzie Honda kąt pochylenia koła przyjmuje wartości dodatnie dla każdej wartości skoku odbicia koła, podczas gdy w samochodzie BMW wartość dodatnia kąta pochylenia koła wystąpi wówczas, gdy skok odbicia koła przekroczy wartość 27 mm. Prezentowane przez linie wykresu na rys. 3 przykładowe zmiany kątów pochylenia kół przednich samochodów, następujące wskutek zmian obciążenia, odnoszą się również do kół tylnych. Zmiany te są niezbędne np. ze względu na prawidłowość współpracy z drogą opon samochodu z zawieszeniem niezależnym kół jadącego po łuku drogi.

Zmiana kątów pochylenia kół samochodu jadącego po łuku
Dla uproszczenia rozważań przyjrzyjmy się kołom tylnym (pomijamy w ten sposób zagadnienia związane ze skrętem kół). W samochodzie jadącym po prostej (rys. 4a) oba koła obserwowanej osi tylnej są obciążone w przybliżeniu tą samą siłą, a kąty pochylenia tych kół powinny mieć wartości w zakresie tolerancji określonej przez producenta. Na samochód jadący po linii prostej nie działa siła odśrodkowa. Na samochód jadący po łuku (na rys. 4b w prawym łuku) działa siła odśrodkowa (niezaznaczona na rys. 4b), która powoduje przechył samochodu w kierunku „na zewnątrz zakrętu”. Przechył ten powoduje, że razem z samochodem pochylają się również koła w kierunku „na zewnątrz zakrętu”, przez co (rys. 4b):
- koło zewnętrzne uzyskuje dodatni kąt pochylenia koła (PKZ);
- koło wewnętrzne uzyskuje ujemny kąt pochylenia koła (PKW).

Niestety, takie pochylenie kół względem drogi jest niekorzystne ze względu na współpracę opony z drogą, a właśnie na styku opony z drogą powstają siły boczne Fbz i Fbw. Równoważą one siłę odśrodkową działającą na samochód, dzięki czemu samochód utrzymuje się na torze jazdy określonym przez kierowcę. Siła boczna Fbz działająca na koła zewnętrzne jest większa od siły bocznej Fbw działającej na koła wewnętrzne, bowiem podczas jazdy po łuku koła zewnętrzne samochodu są dociążane, a koła wewnętrzne odciążane. Niekorzystne pochylenie kół przechylonego samochodu jadącego po łuku (rys. 4b) powoduje, że maksymalne wartości sił bocznych Fbz i Fbw, które mogą wystąpić, są niższe. Niższa będzie więc bezpieczna prędkość, z którą dany zakręt można przejechać. Jeśli suma sił bocznych, działających na wszystkie opony samochodu, nie będzie w stanie zrównoważyć siły odśrodkowej, to samochód zostaje wyrzucony w kierunku zewnętrznej zakrętu.

Aby zmienić niekorzystne pochylenie kół względem drogi, konstruktorzy wykorzystują pokazaną na rys. 3 możliwość zmiany kątów pochylenia kół przy ich dobiciu lub odbiciu. Podczas jazdy po łuku nadwozie przechyla się w kierunku zewnętrznej zakrętu, w wyniku czego (rys. 4c) koło zewnętrzne wykonuje skok dobicia, a koło wewnętrzne wykonuje skok odbicia. Zgodnie więc z wykresem z rys. 3:
- zawieszenie koła zewnętrznego, wykonującego skok dobicia, przechyli koło w kierunku ujemnego kąta pochylenia koła, w wyniku czego zmniejszy się niekorzystny dodatni kąt pochylenia tego koła (PKZ na rys. 4c);
- zawieszenie koła wewnętrznego, wykonującego skok odbicia, przechyli koło w kierunku dodatniego kąta pochylenia koła, w wyniku czego zmniejszy się niekorzystny ujemny kąt pochylenia tego koła (PKW na rys. 4c).

Dzięki temu możliwe jest uzyskanie sił bocznych Fbz i Fbw o większych wartościach. Jazda staje się bezpieczniejsza i możliwe jest osiąganie wyższych prędkości na zakrętach.

Wnioski praktyczne
Przedstawiony powyżej sposób i cel zmiany kątów pochylenia kół, podczas gdy wykonują one skok dobicia i odbicia, miał za zadanie pokazanie konsekwencji, jakie pociąga montaż sprężyn zawieszenia o mniejszej długości. Ktoś może jednak zapytać, dlaczego samochody sportowe oprócz tego, że są nisko zawieszone, mają również widoczne znaczne ujemne kąty pochylenia kół? Może więc obniżaniu zawieszenia powinno towarzyszyć zwiększenie ujemnych kątów pochylenia kół?
Takie ustawienie kół w samochodach sportowych wynika z dwóch różnych powodów. Po pierwsze, to, jak są ustawione koła, gdy samochód się nie porusza, nie oznacza, że tak samo są one ustawione, gdy samochód jedzie i na koła działają siły boczne, hamowania oraz napędowe. Siły te powoduję deformację nadwozia, elementów zawieszenia i elementów połączeniowych zawieszenia, w wyniku czego zmienia się rzeczywiste ustawienie kół względem drogi. Konstruktor, wiedząc o tych siłach i powodowanych przez nie odkształceniach, tak dobiera ustawienie zawieszenia, aby w miarę możliwości je skompensować, aby podczas przyspieszania, hamowania i jazdy po łukach koła były ustawione względem drogi w sposób pożądany. Po drugie, eksploatacja sportowa samochodu to specjalny rodzaj eksploatacji, podczas której w porównaniu do eksploatacji „codziennej” wielokrotnie częściej działają znacznie większe obciążenia, inaczej jest prowadzony samochód (blisko granicy wynikającej z zasad fizyki) i z innymi prędkościami. Dlatego też w samochodach sportowych ustawienia kół dokonywane w warunkach, gdy na koła nie działają siły boczne, hamowania i napędowe, uwzględniają właśnie takie warunki eksploatacji, a nie warunki eksploatacji „codziennej”.

Zawieszenie samochodu tuningowanego, z obniżonym zawieszeniem, przeznaczonego do używania w normalnym ruchu drogowym, w porównaniu do zawieszenia samochodu sportowego będzie najprawdopodobniej bardzo rzadko poddane działaniu dużych sił. Jeśli więc koła będą miały nadmierne ujemne kąty pochylenia, samochód będzie jeździł z tak ustawionymi kołami również wtedy, gdy jest to niepotrzebne, np. przy jeździe na odcinkach prostych, ze stałą prędkością. Może to powodować nadmierne zużycie opon od strony wewnętrznej. Nie można zasad doboru kątów ustawienia kół stosowanych dla samochodów sportowych przenosić na samochody przeznaczone do „codziennej” eksploatacji. Błędem jest również kierowanie się przy ustawianiu zawieszenia kół uzyskaniem możliwie dużej wartości tylko jednego parametru, np. kąta pochylenia koła lub rozstawu kół osi (zmieniają go tarcze dystansowe montowane pomiędzy tarczę koła a piastę). W mojej opinii po montażu sprężyn zawieszenia krótszych niż seryjne należy dokonać pomiaru geometrii ustawienia kół i ewentualnej regulacji, jeśli ustawienie kół nie będzie mieściło się w tolerancji przewidzianej przez producenta. Ponieważ jednak w większości samochodów nie ma możliwości regulacji kąta pochylnia kół przednich i tylnych, należy użyć tzw. niestandardowych elementów regulacyjnych geometrii ustawienia kół. Są to elementy dodatkowe lub montowane zamiast niektórych elementów zawieszenia, które umożliwiają regulację między innymi kąta pochylenia koła w zawieszeniach, w których producent nie przewidział takiej możliwości. Na krajowym rynku, w ofercie firmy Wimad, są dostępne atestowane przez TÜV, niestandardowe elementy regulacyjne amerykańskiej firmy Specialty Products.

mgr inż. Stefan Myszkowski