Když lidé myslí na výkon automobilu, obvykle myslí na výkon, točivý moment a zrychlení z nuly na 60. Ale veškerá síla generovaná pístovým motorem je k ničemu, pokud řidič nemůže auto ovládat. To je důvod, proč automobiloví inženýři obrátili svou pozornost na systém odpružení téměř ihned poté, co zvládli čtyřdobý spalovací motor.
Úkolem odpružení automobilu je maximalizovat tření mezi pneumatikami a povrchem vozovky, zajistit stabilitu řízení s dobrou ovladatelností a zajistit pohodlí cestujících. V tomto článku prozkoumáme, jak odpružení automobilů funguje, jak se vyvíjelo v průběhu let a kam se bude design odpružení ubírat v budoucnu.
Pokud by byla silnice dokonale rovná, bez nerovností, nebylo by nutné odpružení. Ale silnice zdaleka nejsou rovné. Dokonce i čerstvě zpevněné dálnice mají jemné nedokonalosti, které mohou interagovat s koly automobilu. Právě tyto nedokonalosti působí na kola silou. Podle Newtonových pohybových zákonů mají všechny síly obě velikost a směr . Hrbol na vozovce způsobí, že se kolo pohybuje nahoru a dolů kolmo k povrchu vozovky. Velikost samozřejmě závisí na tom, zda kolo narazí na obří hrbol nebo malou skvrnu. V každém případě kolo automobilu zažije vertikální zrychlení jak přechází přes nedokonalost.
Bez zasahující konstrukce se veškerá vertikální energie kola přenáší na rám, který se pohybuje stejným směrem. V takové situaci mohou pneumatiky zcela ztratit kontakt s vozovkou. Pneumatiky pak mohou vlivem gravitace směřující dolů narazit zpět na povrch vozovky. To, co potřebujete, je systém, který pohltí energii vertikálně zrychleného kola a umožní rámu a karoserii nerušeně jet, zatímco pneumatiky sledují nerovnosti na silnici.
Studium sil působících na pohybující se automobil se nazývá dynamika vozidla a musíte porozumět některým z těchto konceptů, abyste pochopili, proč je pozastavení nutné. Většina automobilových inženýrů zvažuje dynamiku jedoucího auta ze dvou hledisek:
Tyto dvě charakteristiky lze dále popsat třemi důležitými principy — izolace vozovky , držení cesty a zatáčení . Níže uvedená tabulka popisuje tyto principy a způsob, jak se inženýři pokoušejí řešit výzvy, které jsou pro každého jedinečné.
Odpružení automobilu s jeho různými součástmi poskytuje všechna popsaná řešení.
Podívejme se na části typického zavěšení, pracujeme od většího obrázku podvozku až po jednotlivé komponenty, které tvoří samotné zavěšení.
Obsah
Odpružení vozu je vlastně součástí podvozku, který obsahuje všechny důležité systémy umístěné pod karoserií vozu. Mezi tyto systémy patří:
Odpružení je tedy pouze jedním z hlavních systémů v každém vozidle.
S ohledem na tento celkový přehled je čas podívat se na tři základní součásti jakéhokoli odpružení:pružiny, tlumiče a výkyvné tyče.
Dnešní pružící systémy jsou založeny na jednom ze čtyř základních návrhů:
Na základě toho, kde jsou na autě umístěny pružiny – tedy mezi koly a rámem – konstruktéři často považují za vhodné mluvit o odpružené hmotě a neodpruženou hmotu .
odpružená hmota je hmotnost vozidla neseného na pružinách, zatímco neodpružená hmotnost je volně definována jako hmotnost mezi vozovkou a pružinami zavěšení. Tuhost pružin ovlivňuje, jak odpružená hmota reaguje během jízdy. Volně odpružená auta, jako jsou luxusní vozy (například Mercedes-Benz třídy C), dokážou spolknout nerovnosti a poskytnout super hladkou jízdu; takové auto je však náchylné k potápění a hrbení během brzdění a zrychlování a má tendenci zakoušet kývání karoserie nebo překlápění během zatáčení. Pevně odpružená auta, jako jsou sportovní vozy (například Mazda Miata MX-5), jsou méně shovívavá na hrbolatých silnicích, ale dobře minimalizují pohyb karoserie, což znamená, že s nimi lze agresivně řídit i v zatáčkách.
Zatímco pružiny samy o sobě vypadají jako jednoduchá zařízení, navrhnout a implementovat je na automobil tak, aby vyvážily pohodlí cestujících a ovladatelnost, je složitý úkol. A aby to bylo složitější, samotné pružiny nemohou zajistit dokonale hladkou jízdu. Proč? Protože pružiny skvěle pohlcují energii, ale ne tak dobře rozptylují to. Jiné struktury, známé jako tlumiče , jsou k tomu povinni.
Pokud není tlumící konstrukce Pokud je přítomna, automobilová pružina se vysune a uvolní energii, kterou absorbuje z nárazu nekontrolovanou rychlostí. Pružina bude nadále poskakovat ve své přirozené frekvenci, dokud se nespotřebuje veškerá energie, která byla do ní původně vložena. Odpružení postavené pouze na pružinách by znamenalo extrémně skákavou jízdu a v závislosti na terénu i neovladatelné auto.
Zadejte tlumič nárazů , neboli snubber, zařízení, které řídí nežádoucí pohyb pružiny pomocí procesu známého jako tlumení . Tlumiče nárazů zpomalují a snižují velikost vibračních pohybů přeměnou kinetické energie pohybu zavěšení na tepelnou energii, kterou lze rozptýlit hydraulickou kapalinou. Abyste pochopili, jak to funguje, je nejlepší podívat se dovnitř tlumiče, abyste viděli jeho strukturu a funkci.
Tlumič je v podstatě olejové čerpadlo umístěn mezi rámem vozu a koly. Horní držák tlumiče se připojuje k rámu (tj. odpružené závaží), zatímco spodní držák se připojuje k nápravě poblíž kola (tj. neodpružené závaží). V dvoutrubkovém provedení , jeden z nejběžnějších typů tlumičů, horní držák je spojen s pístnicí, která je zase spojena s pístem, který zase sedí v trubce naplněné hydraulickou kapalinou. Vnitřní trubka je známá jako tlaková trubka a vnější trubka je známá jako rezervní trubka. Rezervní trubice uchovává přebytečnou hydraulickou kapalinu.
Když kolo automobilu narazí na hrbol na vozovce a způsobí navíjení a odvíjení pružiny, energie pružiny se přenese do tlumiče přes horní uložení, dolů přes pístnici a do pístu. Otvory perforují píst a umožňují únik kapaliny, když se píst pohybuje nahoru a dolů v tlakové trubici. Vzhledem k tomu, že otvory jsou poměrně malé, prochází jimi pouze malé množství tekutiny pod velkým tlakem. Tím se zpomalí píst, který zase zpomalí pružinu.
Tlumiče pracují ve dvou cyklech — cyklus komprese a cyklus prodloužení . Kompresní cyklus nastává, když se píst pohybuje dolů a stlačuje hydraulickou kapalinu v komoře pod pístem. Cyklus prodloužení nastává, když se píst pohybuje směrem k horní části tlakové trubky a stlačuje tekutinu v komoře nad pístem. Typické osobní nebo lehké nákladní vozidlo bude mít během cyklu prodloužení větší odpor než cyklus komprese. S ohledem na to kompresní cyklus řídí pohyb neodpružené hmotnosti vozidla, zatímco prodloužení řídí těžší, odpruženou hmotnost.
Všechny moderní tlumiče jsou citlivé na rychlost — čím rychleji se odpružení pohybuje, tím větší odpor poskytuje tlumič. To umožňuje, aby se tlumiče přizpůsobily podmínkám vozovky a kontrolovaly všechny nežádoucí pohyby, které se mohou vyskytnout v jedoucím vozidle, včetně odrazů, kývání, brzdění a akceleračního dřepu.
Další běžnou tlumicí strukturou je vzpěra — v podstatě tlumič namontovaný uvnitř vinuté pružiny. Vzpěry plní dvě funkce:Poskytují tlumení fungují jako tlumiče a poskytují konstrukční podporu pro zavěšení vozidla. To znamená, že vzpěry poskytují o něco více než tlumiče, které nenesou váhu vozidla – kontrolují pouze rychlost přenášení hmotnosti v autě, nikoli hmotnost samotnou.
Protože tlumiče a vzpěry mají tolik společného s ovladatelností vozu, lze je považovat za kritické bezpečnostní prvky. Opotřebované tlumiče a vzpěry mohou umožnit nadměrný přenos hmotnosti vozidla ze strany na stranu a zepředu dozadu. To snižuje schopnost pneumatiky přilnout k vozovce, stejně jako ovladatelnost a brzdný výkon.
Sway bars (také známé jako stabilizátory) se používají spolu s tlumiči nebo vzpěrami, aby poskytovaly pohyblivému automobilu dodatečnou stabilitu. Kyvná tyč je kovová tyč, která se klene nad celou nápravou a účinně spojuje obě strany zavěšení dohromady.
Když se zavěšení na jednom kole pohybuje nahoru a dolů, výkyvná tyč přenáší pohyb na druhé kolo. To vytváří úrovňovější jízdu a snižuje kývání vozidla . Zejména bojuje proti naklánění vozu na jeho zavěšení při zatáčení. Z tohoto důvodu jsou dnes téměř všechna auta vybavena výkyvnými tyčemi jako standardní vybavení, i když pokud tomu tak není, sady umožňují snadnou instalaci tyčí kdykoli.
Dosud se naše diskuse soustředily na to, jak fungují pružiny a tlumiče na daném kole. Ale čtyři kola automobilu spolupracují ve dvou nezávislých systémech — dvě kola spojená přední nápravou a dvě kola spojená zadní nápravou. To znamená, že auto může mít a obvykle má jiný typ odpružení vpředu a vzadu.
Hodně je určeno tím, zda pevná náprava váže kola, nebo zda se kola mohou pohybovat nezávisle. Předchozí uspořádání je známé jako závislý systém , zatímco druhé uspořádání je známé jako nezávislý systém . V následujících částech se podíváme na některé běžné typy předních a zadních odpružení, které se obvykle používají u běžných automobilů.
Závislá přední zavěšení mají tuhou přední nápravu, která spojuje přední kola. V podstatě to vypadá jako pevná tyč pod přední částí auta, kterou drží na místě listové pružiny a tlumiče. Závislá přední náprava, běžná u nákladních vozidel, se v běžných autech léta nepoužívala.
V tomto nastavení se přední kola mohou pohybovat nezávisle. vzpěra MacPherson , vyvinutý Earlem S. MacPhersonem z General Motors v roce 1947, je nejrozšířenějším systémem předního odpružení, zejména u automobilů evropského původu.
Vzpěra MacPherson kombinuje tlumič a vinutou pružinu do jednoho celku. To poskytuje kompaktnější a lehčí systém odpružení, který lze použít pro vozidla s pohonem předních kol.
Zavěšení s dvojitými lichoběžníky , také známý jako zavěšení A-ramen nebo zavěšení s řídicím ramenem, je dalším běžným typem předního nezávislého zavěšení.
I když existuje několik různých možných konfigurací, tato konstrukce obvykle používá dvě ramena ve tvaru lichoběžníkového ramene k umístění kola. Každé lichoběžníkové rameno, které má dvě montážní polohy k rámu a jednu u kola, nese tlumič a vinutou pružinu pro pohlcování vibrací. Dvojité lichoběžníkové zavěšení umožňuje větší kontrolu nad úhlem odklonu kola, který popisuje míru, do jaké se kola naklánějí dovnitř a ven. Pomáhají také minimalizovat naklánění nebo houpání a poskytují konzistentnější pocit z řízení. Díky těmto vlastnostem je odpružení s dvojitými příčnými rameny běžné u předních kol větších vozů.
Nyní se podívejme na některé běžné zadní odpružení.
Pokud zadní kola automobilu spojuje pevná náprava, pak je zavěšení obvykle zcela jednoduché — založené buď na listových nebo vinutých pružinách. U dřívějšího provedení se listové pružiny upínají přímo na hnací nápravu. Konce listových pružin se připevňují přímo k rámu a tlumič je připevněn ke svorce, která drží pružinu na nápravě. Američtí výrobci automobilů po mnoho let preferovali tento design kvůli jeho jednoduchosti.
Stejného základního provedení lze dosáhnout vinutými pružinami nahrazujícími listy. V tomto případě mohou být pružina a tlumič namontovány jako jeden celek nebo jako samostatné komponenty. Když jsou oddělené, pružiny mohou být mnohem menší, což snižuje množství místa, které zavěšení zabírá.
Pokud jsou přední i zadní zavěšení nezávislé, pak jsou všechna kola namontována a odpružena jednotlivě, což má za následek to, co reklamy na auta propagují jako „nezávislé zavěšení všech čtyř kol“. Na zadní část lze použít jakékoli odpružení, které lze použít na přední část vozu, a verze předních nezávislých systémů popsané v předchozí části najdete na zadních nápravách. V zadní části vozu samozřejmě chybí hřeben řízení – sestava, která obsahuje pastorkové kolo a umožňuje kolům otáčení ze strany na stranu. To znamená, že zadní nezávislá odpružení mohou být zjednodušenými verzemi předních, ačkoli základní principy zůstávají stejné.
Dále se podíváme na odpružení speciálních vozů.
Historické pozastaveníVagony a kočáry ze šestnáctého století se pokoušely vyřešit problém „pociťovat každý hrbol na silnici“ zavěšením korby kočáru z kožených popruhů připevněných ke čtyřem sloupkům podvozku, který vypadal jako převrácený stůl. Protože karoserie byla zavěšena na podvozku, systém se stal známým jako „zavěšení“ – termín, který se dodnes používá k popisu celé třídy řešení. Odpružení na zavěšené karoserii nebylo skutečným pružícím systémem, ale umožnilo karoserii a kolům kočáru se pohybovat nezávisle. Poloeliptické pružinové konstrukce, známé také jako košíkové pružiny, rychle nahradily odpružení s koženým popruhem. Půleliptické pružiny, oblíbené na vozech, buginách a kočárech, se často používaly na přední i zadní nápravě. Měly však tendenci dovolit houpání dopředu a dozadu a měly vysoko položené těžiště. V době, kdy poháněná vozidla vyjela na silnici, byly vyvíjeny další, účinnější systémy odpružení, které cestujícím zpříjemnily jízdu.
Tento článek se z větší části zaměřil na odpružení běžných vozů s pohonem předních a zadních kol – vozů, které jezdí po normálních silnicích za normálních jízdních podmínek. Ale co odpružení speciálních vozů, jako jsou hot rody, závodníci nebo extrémní terénní vozy? Ačkoli se odpružení speciálních automobilů řídí stejnými základními principy, poskytují další výhody jedinečné pro jízdní podmínky, ve kterých se musí pohybovat. Následuje stručný přehled toho, jak jsou odpružení navržena pro tři typy speciálních vozů – Baja Bugs, závodníky Formule 1 a Hot rody amerického stylu.
Volkswagen Beetle neboli Bug byl předurčen k tomu, aby se stal oblíbeným mezi off-roadovými nadšenci. Díky nízkému těžišti a umístění motoru nad zadní nápravou Bug zvládá terénní podmínky stejně jako některá vozidla s pohonem všech čtyř kol. VW Bug samozřejmě není se svou tovární výbavou připraven na terénní podmínky. Většina Bugů vyžaduje určité úpravy nebo konverze, aby byly připraveny na závodění v drsných podmínkách, jako jsou pouště Baja California.
Jedna z nejdůležitějších úprav se odehrává v zavěšení. Odpružení s torzní tyčí, standardní vybavení na přední a zadní části většiny Bugů v letech 1936 až 1977, lze zvednout, aby se vytvořil prostor pro těžká terénní kola a pneumatiky. Delší tlumiče nahrazují standardní tlumiče, aby zvedly karoserii výše a zajistily maximální zdvih kola. V některých případech konvertory Baja Bug zcela odstraní torzní tyče a nahradí je více systémy překrytí , poprodejní zboží, které kombinuje pružinu a tlumič v jedné nastavitelné jednotce. Výsledkem těchto úprav je vozidlo, které umožňuje kolům svislý pohyb 20 palců (50 centimetrů) nebo více na každém konci. Takové auto může snadno projíždět drsným terénem a často se zdá, že „přeskakuje“ přes pouštní válec jako kámen po vodě.
Závodní vůz Formule 1 představuje vrchol automobilové inovace a evoluce. Lehké kompozitové karoserie, výkonné motory V10 a pokročilá aerodynamika vedly k rychlejším, bezpečnějším a spolehlivějším vozům.
Aby byly dovednosti řidiče povýšeny na klíčový odlišující faktor v závodě, řídí se design závodních vozů Formule 1 přísná pravidla a požadavky. Například pravidla upravující konstrukci odpružení říkají, že všichni závodníci Formule 1 musí být konvenčně odpružení, ale neumožňují počítačem řízené aktivní odpružení. Za tímto účelem jsou vozy vybaveny víceprvkovým zavěšením , které používají vícetyčový mechanismus ekvivalentní systému s dvojitými lichoběžníky.
Připomeňme, že konstrukce s dvojitým lichoběžníkem využívá dvě ramena ve tvaru lichoběžníkového ramene k vedení pohybu nahoru a dolů každého kola. Každé rameno má tři montážní polohy – dvě na rámu a jednu na náboji kola – a každý kloub je zavěšen, aby vedl pohyb kola. U všech vozů je primární výhodou dvojitého lichoběžníkového zavěšení ovládání . Geometrie paží a elasticita kloubů dávají inženýrům maximální kontrolu nad úhlem natočení kola a další dynamikou vozidla, jako je zdvih, dřep a skok.
Na rozdíl od silničních vozů se však tlumiče a vinuté pružiny závodních vozů Formule 1 nemontují přímo na ovládací ramena. Místo toho jsou orientovány po délce vozu a jsou ovládány na dálku pomocí řady tlačných a tažných tyčí. Převádějí pohyby kola nahoru a dolů na pohyb pružiny a tlumiče tam a zpět.
Klasická éra amerických hot rodů trvala od roku 1945 zhruba do roku 1965. Stejně jako Baja Bugs, i klasické hot rody vyžadovaly výrazné úpravy ze strany jejich majitelů. Na rozdíl od Bugů, které jsou postaveny na podvozku Volkswagen, byly hot rody postaveny na různých starých, často historických modelech automobilů:Vozy vyrobené před rokem 1945 byly považovány za ideální krmivo pro přeměny hot rodů, protože jejich karoserie a rámy byly často v dobrém stavu. , přičemž jejich motory a převodovky bylo potřeba kompletně vyměnit. Pro nadšence hot rod to bylo přesně to, co chtěli, protože jim to umožnilo instalovat spolehlivější a výkonnější motory, jako je plochý Ford V8 nebo Chevrolet V8.
Jeden populární hot rod byl známý jako T-bucket protože vycházel z Fordu Model T. Sériové zavěšení Fordu na přídi Modelu T sestávalo z pevné přední nápravy s nosníkem I (závislé zavěšení), buggy pružiny ve tvaru U (listová pružina) a příčného ramene- tvarovaná rádiusová tyč s kuličkou na zadním konci, která se otáčí v misce připevněné k převodovce.
Inženýři Fordu postavili Model T tak, aby jezdil vysoko s velkým pohybem odpružení, což je ideální design pro drsné, primitivní silnice 30. let. Ale po druhé světové válce začali žhaví roddeři experimentovat s většími motory Cadillac nebo Lincoln, což znamenalo, že poloměrová tyč ve tvaru lichoběžníkového ramene již nebyla použitelná. Místo toho odstranili středovou kouli a přišroubovali konce lichoběžníku k rámovým lištám. Toto „rozdělené lichoběžník "Design snížil přední nápravu asi o 1 palec (2,5 centimetru) a zlepšil ovladatelnost vozidla.
Snížení nápravy o více než palec si vyžádalo zcela nový design, který dodala společnost známá jako Bell Auto. Během 40. a 50. let 20. století nabízela společnost Bell Auto nápravy se spadlými trubkami to snížilo auto o celých 5 palců (13 centimetrů). Trubkové nápravy byly vyrobeny z hladkých ocelových trubek a vyvážené pevnosti s vynikající aerodynamikou. Ocelový povrch také lépe akceptoval chromování než kované nápravy s I-paprsky, takže je žhaví jezdci často preferovali i pro jejich estetické kvality.
Někteří nadšenci hot rodů však tvrdili, že tuhost trubkové nápravy a její neschopnost se ohýbat ohrozily způsob, jakým zvládala namáhání řízení. Aby tomu vyhověli, zavedli hot rodders čtyřtyčový závěs pomocí dvou upevňovacích bodů na nápravě a dvou na rámu. V každém montážním bodě poskytovaly konce tyčí ve stylu letadla dostatek pohybu ve všech úhlech. Výsledek? Systém čtyř tyčí zlepšil fungování odpružení ve všech druzích jízdních podmínek.
Další informace o odpružení automobilů a souvisejících tématech naleznete na níže uvedených odkazech.
Původně zveřejněno:11. května 2005
