Bezpieczeństwo czynne pojazdu. Układ zawieszenia.
Kolejnym czynnikiem wpływającym na bezpieczeństwo czynne pojazdu jest zachowanie się jego zawieszenia w trakcie jazdy. Zawieszenie pojazdu służy do zapewnienia:
- komfortu jazdy,
- bezpieczeństwa ruchu samochodu.
Zadaniem układu zawieszenia jest zapewnienie stałego kontaktu wszystkich kół z nawierzchnią. Warunek ten musi być spełniony bez względu na rodzaj wykonywanego pojazdem manewru oraz bez względu na prędkość pojazdu. Zawieszenie spełniać będzie swoje zadanie, gdy zapewni ono stałą charakterystykę prowadzenia samochodu przy różnych prędkościach jazdy, różnych obciążeniach pojazdu, różnych rodzajach i jakościach nawierzchni. Zawieszenie pojazdu musi także zapewnić utrzymanie prostoliniowego toru jazdy podczas hamowania. Ponadto geometria zawieszenia przedniego musi gwarantować samoczynny powrót kół kierowanych do jazdy na wprost po puszczeniu koła kierownicy już po wykonaniu manewru skrętu. Te właściwości zawieszenia uzyskuje się przez stosowanie konstrukcji wielowahaczowych. Ze względu na koszty pojazdu stosuje się jednak najczęściej rozwiązania mieszane. Z przodu pojazdu stosuje się układ kolumn McPersona z trójkątnym wahaczem dolnym o znacznie oddalonych od siebie punktach mocowania do nadwozia, a z tyłu układ wielowahaczowy. Dobra charakterystyka
zawieszenia wymaga jednak stosowania odpowiednich elementów sprężystych (sprężyn, drążków skrętnych, resorów piórowych) oraz tłumiących (amortyzatorów). Obecnie najczęściej stosowane są amortyzatory olejowo-gazowe lub gazowe dwustronnego działania. Umożliwiają one tłumienie drgań ze zmienną siłą, zarówno przy ugięciu jak i odbiciu zawieszenia. Prawidłowe działanie amortyzatorów zapewnia odpowiednie bezpieczeństwo jazdy. Przy niewystarczającym tłumieniu drgań z powodu użycia lub uszkodzenia amortyzatorów koła nie przylegają w wystarczającym zakresie do nawierzchni. Znacznie wydłuża się wskutek tego droga hamowania oraz zwiększa się znoszenie boczne samochodu podczas pokonywania zakrętów.
Pierwszym krokiem w konstrukcjach zawieszenia w zakresie zwiększania bezpieczeństwa jazdy było wprowadzenie zawieszeń pneumatycznych. Zawieszenia te posiadały możliwość płynnej regulacji sztywności elementów sprężystych przy jednoczesnym zapewnieniu stałego prześwitu podwozia, przy zmieniającym się obciążeniu pojazdu lub wprowadzaniu dowolnych zmian prześwitu w zależności od aktualnych warunków drogowych. Dzięki takim rozwiązaniom konstrukcyjnym zawieszenia możliwe było zintegrowanie elementów sprężystych i amortyzujących, połączone z płynną regulacją charakterystyki tłumienia drgań. Te pierwsze pneumatyczne układy zawieszenia pojazdu nosiły miano zawieszeń I generacji. Po upływie ponad dwudziestu lat zaczęto wprowadzać do użytku kolejne, nowe rozwiązania konstrukcyjne. W zawieszeniach drugiej generacji pojawiły się samoczynne systemy stabilizujące poziomą pozycję pojazdu podczas szybkiego pokonywania zakrętów, ostrego hamowania i energicznego przyspieszania. W najnowszej, trzeciej generacji zawieszeń całością procesu sterowania i kontroli zarządza mikroprocesorowy układ elektroniczny.
W samochodach osobowych stosuje się zawieszenia hydropneumatyczne ABC (Active Body Control). Wykorzystuje się w nich sprężone powietrze (coraz częściej powietrze zastępowane jest czystym azotem). Zadaniem gazu jest przejmowanie sił z poszczególnych układów zawieszenia. Odbywa się to za pośrednictwem płynu hydraulicznego i następuje w komorze tzw. akumulatora ciśnienia. Ciśnienie płynu hydraulicznego wytwarzane jest przez elektryczną pompę hydrauliczną i regulowane jest przez zespół elektrozaworów. Całością procesu regulacji (sterowaniem przepływu płynu między akumulatorami ciśnienia a tłokowymi elementami resorująco-amortyzującymi przy poszczególnych kołach) zawiaduje jednostka mikroprocesorowa. O jej pracy decydują parametry (aktualne sygnały) docierające z czujników. Do parametrów tych należą: wysokość prześwitu, przyspieszenia pionowe, boczne, wzdłużne, prędkość jazdy, kąt skrętu kół kierowanych.
Elektroniczna jednostka sterująca takiego układu zawieszenia umożliwia na podstawie docierających do niej sygnałów z wszystkich czujników dobór odpowiedniej charakterystyki pracy. Może to nastąpić poprzez polecenie wydawane przez kierowcę (wybór jazdy sportowa lub komfortowa) lub samoczynnie (poprzez rozpoznanie typowych konfiguracji na podstawie sygnałów otrzymywanych z czujników).
Elektroniczna jednostka sterująca w funkcji samoczynnego ustalenia parametrów pracy zawieszenia zapewnia:
- utrzymywanie stałej wielkości prześwitu,
- stabilizację wzdłużną samochodu w trakcie gwałtownego przyspieszania i hamowania,
- stabilizację poprzeczną samochodu przy jeździe na zakręcie,
- zmniejszanie prześwitu przy wzroście prędkości jazdy oraz przy równiejszej, gładszej nawierzchni.
Coraz częściej w celu zapewnienia komfortu i zwiększenia bezpieczeństwa stosuje się również w zawieszeniach pojazdów sterowane elektronicznie amortyzatory. Podstawowym zadaniem amortyzatorów jest tłumienie drgań. Ich działanie ma istotny wpływ na zachowanie się pojazdu zwłaszcza przy pokonywaniu zakrętów lub zmianie toru jazdy (pasów ruchu) z dużą prędkością.
Dla danego zawieszenia można wyznaczyć optymalne charakterystyki pracy amortyzatora, zarówno pod kątem komfortu jazdy jak i zapewnienia odpowiednich parametrów związanych z bezpieczeństwem.
Z praktyki wiadomo, że optymalne charakterystyki pracy zawieszenia przy dwóch różnych kryteriach ich doboru (komfortu i bezpieczeństwa) nie są do końca zgodne ze sobą. Dla zapewnienia komfortu korzystniejsze jest zawieszenie miękkie kosztem zmniejszonego trzymania się drogi i prowadzenia samochodu. Z kolei dla zapewnienia optymalnego trzymania się drogi i prowadzenia samochodu znacznie lepsze jest zawieszenie twarde. Niestety musi się to odbić na komforcie jazdy. Dodatkowo tłumienie drgań ulega zmianie w zależności od chwilowych czynników zewnętrznych (typ drogi, ładowność pojazdu, prędkość pojazdu).
Zasada działania elektronicznie sterowanych amortyzatorów polega na przejęciu zadań regulowania pracy zawieszenia właśnie poprzez płynny wybór pomiędzy komfortem a bezpiecznym trzymaniem się drogi w trakcie jazdy. Takie możliwości uzyskano dzięki zastosowaniu dwustopniowego zaworu elektromechanicznego, zastępującego konwencjonalny tłok i zawory podstawy. Dzięki takiemu rozwiązaniu konstrukcyjnemu stosunek między minimalną a maksymalną siłą tłumienia wynoszący 1/20 uzyskuje się przy niskich prędkościach (do 0,15 m/s). Przy prędkościach powyżej 1m/s współczynnik ten wynosi 1/5. Szeroki zakres miedzy minimalnymi i maksymalnymi siłami tłumienia zapewnia zawsze właściwy poziom sił tłumienia potrzebny do kontroli dynamiki pojazdu. Czas przełączania zaworu pomiędzy różnymi poziomami siły tłumienia wynosi ok. 9 milisekund. Całością układu sterowania zarządza elektroniczna jednostka sterująca. Docierają do niej na bieżąco sygnały z trzech czujników przyspieszeń nadwozia samochodu, czujników ruchu kół, czujnika obrotu koła kierownicy.
Dodatkowo zbieranymi, niezbędnymi parametrami do prawidłowego działania są: ciśnienie w układzie hamowania, ABS oraz ESP. Po zebraniu i przetworzeniu informacji centralna jednostka sterująca wysyła sygnał do zaworu elektromechanicznego każdego amortyzatora z osobna. Poziom tłumienia musi być najniższy z możliwych, czyli musi zapewnić dobre trzymanie się drogi i zdolność kierowania w danych warunkach jazdy przy jednoczesnym zapewnieniu maksymalnego komfortu.
Pojazdy wyposażone w elektronicznie sterowane amortyzatory charakteryzują się:
- zwiększonym bezpieczeństwem,
- bardziej równomierną jazdą,
- zredukowanym ruchem pionowym kół jezdnych,
- zwiększonym komfortem.
Wprowadzanie tego typu zmian i nowości konstrukcyjnych w zawieszeniach pojazdów to kolejny duży krok do stworzenia samochodu zarówno bardziej komfortowego, a co najważniejsze również jeszcze bardziej bezpiecznego.
mgr Andrzej Kowalewski
Komentarze (1)