Witam
Chciałem się z Wami podzielić moimi spostrzeżeniami odnośnie twardych i
miękkich amortyzatorów w samochodzie. Doszedłem do pewnych wniosków, ale
raczej kiepski ze mnie fizyk, więc możliwe, że w moim myśleniu jest jakiś
błąd. Jeśl tak, to proszę: poprawcie mnie!
Miałem okazję jeździć samochodem z dość twardym zawieszeniem i miałem
wrażenie, że przy dużej prędkości wyrzuca mnie z zakrętu - dość
nieprzyjemne
uczucie. Jeździłem też samochodem z miękkim zawieszeniem i zauważyłem, że
przy "ostrym" wejsciu w zakręt cześć samochodu po zewnętrznej stronie
zakrętu mocno opada, czułem, że auto mocno dociska w dół do jezdni, ale
nie
czułem, żeby chciało je wyrzucić na zewntąrz zakrętu. Tak, jakby siła
odśrodkowa pchała mnie bardziej w dół, a nie na zewnątrz, jak było to w
samochodzie z twardym zawieszeniem. Ma się dzięki temu wrażenie stabilnego
i
pewnego zachowania się samochodu na zakręcie.
1. Miękkie zawieszenie - spora część siły odśrodkowej przeznaczona jest na
wykonanie pracy na amortyzatorze. Amoryzator przejmuje energię siły
odśrodkowej, przez co składowa wyrzucająca samochód na zewnątrz jest już
mniejsza. Dzięki temu również część samochodu po wewnętrznej stronie
zakrętu
nie unosi się do góry. Część samochodu po zewnętrznej stronie zakrętu
mocno
opada, część po stronie wewnętrznej pozostaje na swoim miejscu. Dzięki tym
czynnikom samochód na zakręcie jest bardziej stabilny.
2. Zawieszenie twarde - sztywne amortyzatory przyjmują niewielką energię
związaną z pracą siły odśrodkowej. Po zewnętrznej stronie zakrętu samochód
nieznacznie opada, po pewnętrznej podnosi się do góry, przez co maleje
przyczepność kół po wewnętrznej. Siła odśrodkowa jest duża i wyrzuca
samochód na zewnątrz zakrętu.
Oczywiście zachowanie samochodu na zakręcie zależy od bardzo wielu
czynników
(m.in. położenie środka ciężkości) ale ja chciałem skupić się tylko na
wpływie samego zawieszenia.
W samochodach rajdowych zawieszenie jest sportowe, czyli bardzo twarde.
Myślę, że tam stabilność na zakręcie uzyskuje się dzięki obniżeniu środka
ciężkości, zaś zawieszenie jest twarde dlatego, aby nie marnować energii z
silnika na pracę na amortyzatorach. W przypadku miękkiego zawieszenia
spora
część energi z silnika przeznaczona jest na "kołysanie" samochodu czyli na
pracę na amortyzatorach, a to z kolei zmniejsza energię przeznaczoną na
rozpędzanie samochodu.
Proszę o opinie i komentarze.
Artykuł na temat zawieszenia
Zawieszenie wraz z oponami, jest odpowiedzialne za przyczepność i zachowanie
się samochodu podczas jazdy na wprost, pokonywania zakrętów i hamowania. W
aucie do jazdy cywilnej ma zapewnić jak najlepszą przyczepność, zarówno na
równej jak i wyboistej nawierzchni, a przy tym powinien zostać zachowany jak
najwyższy komfort jazdy. Zawieszenie musi też dawać kierowcy poczucie
bezpieczeństwa, czyli zachowywać się stabilnie w każdych warunkach. Aby
zapewnić kierowcy takie poczucie i precyzję prowadzenia przy zachowaniu
niezbędnego komfortu, we współczesnych autach najczęściej mamy kombinację
miękkich sprężyn z amortyzatorami o względnie dużej sile tłumienia. Z
drugiej strony zdarzają się samochody, które wydają się za miękkie i jakieś
takie "mało sportowe", ale nawet gwałtownymi manewrami ciężko je doprowadzić
do granicy przyczepności. Dlatego należy tu odróżnić dwie rzeczy:
rzeczywistą przyczepność i "dobre prowadzenie". Nie zawsze jedno
automatycznie ogranicza drugie!
W samochodzie sportowym trzeba przynajmniej częściowo zrezygnować z komfortu
jazdy. Poza tym, zawieszenie powinno być jak najdokładniej dostosowane do
typu zawodów, nawierzchni, rozwijanej szybkości i wszystkich innych
warunków. Ten wymóg komplikuje sprawę: inny "zawias" jest potrzebny na tor
wyścigowy, inny na rajd asfaltowy, szutrowy, a jeszcze inny na śnieg.
Pytanie jest banalne: dlaczego? W ramach mądrzenia się, my na to pytanie
odpowiemy!
Dlaczego twardsze jest lepsze?
Zacznijmy od sprężyn. Kiedy samochód wjeżdża w zakręt, pod wpływem siły
odśrodkowej przechyla się. Jeśli sprężyny są miękkie, auto przechyla się
bardziej, jeśli twarde to mniej. Co się wtedy dzieje? Gdy auto jedzie na
wprost na każde koło przypada pewna część całkowitej masy samochodu (jest to
rozłożenie masy). Załóżmy, że każde koło jest równo obciążone - po 25% masy
auta, czyli 50% na każdą stronę. W zakręcie - dajmy na to lewym - koła po
wewnętrznej zostają odciążone, a koła po zewnętrznej (czyli prawej) -
dociążone. W tym momencie masa nie rozkłada się już po 25% na każde koło.
Jeśli mamy zwykłe sprężyny, to prawa strona dźwiga w tej chwili np. 80% masy
auta. Oznacza to, że lewe koła toczą się w tym momencie bezużytecznie, a
zadanie utrzymania pojazdu w zakręcie spada na dwie prawe, biedne i
piszczące z wysiłku opony! Gdybyśmy teraz założyli twardsze sprężyny, to na
tym samym lewym zakręcie, prawa strona zostanie obciążona już nie 80-cioma -
a dajmy na to - sześćdziesięcioma procentami masy auta. W tej sytuacji lewe
i prawe opony są obciążone prawie w równym stopniu i maksymalna prędkość z
jaką można pokonać ten zakręt znacznie się zwiększa. Wróćmy na chwilę do
tych wymyślonych sprężyn seryjnych: a co będzie kiedy w zakręcie jeszcze
przyhamujemy, bądź dodamy gazu? Przy hamowaniu, odpowiednio większa masa
"przemieści się" na prawe przednie koło i to właśnie ono pierwsze straci
przyczepność. Jeśli dodamy gazu - prawe tylne. Dlaczego więc zamiast sprężyn
nie wstawić zwykłych kołków sosnowych? Wtedy masa samochodu w ogóle nie
przemieszczałaby się na zewnątrz zakrętu i wszystkie opony pracowałyby
równo. Owszem, pomysł jest niezły, ale sprawdziłby się tylko na idealnie
równej nawierzchni. Każdy najmniejszy dołek, czy wybój powodowałby utratę
przyczepności, gdyż nieruchome zawieszenie nie mogłoby go płynnie "wybrać".
Taka koncepcja była swego czasu testowana przez jeden z zespołów Formuły 1.
Inżynierowie pomyśleli, że zawieszenie bolidu ugina się na zakrętach nie
więcej niż 1 cm, spróbujmy więc pojechać na całkowicie sztywnym! Okazało się
jednak, że ten jeden centymetr powoduje kolosalną różnicę i bez niego w
ogóle nie da się jeździć!
Zjawisko zmiany nacisku na poszczególne koła podczas skręcania, hamowania i
przyspieszania, nazywamy dynamiczną dystrybucją masy - w skrócie DDM. Jest
ono kluczowe dla zrozumienia jakie korzyści może dać twarde zawieszenie.
Jednak rzadko które auto ma idealne rozłożenie masy (25% na każde koło).
Jeśli więc np. przód jest cieżki (silnik z przodu, napęd na przednie koła),
sprężyny przedniego zawieszenia muszą być twardsze niż tylnego. Jeśli
wszystkie pozostawimy takie same, to przednie koła na każdym zakręcie bardzo
szybko będą traciły przyczepność. Gdybyśmy dłużej pojeździli takim autem
(nawet zakładając, że kierowca nie zajmuje się paleniem gumy), to przednie
opony zużyją się w tempie błyskawicznym, a tylne "ledwo-co", albo i w ogóle.
I odpowiednio na odwrót: w Porsche 911, gdzie około 65% masy spoczywa na
tylnych kołach, przednie sprężyny w porównaniu z tylnymi wyglądają jak
sprężynki od tapczanu.
Do wywodu o DDM dodamy znaczenie wysokości zawieszenia: jeśli zawieszenie
jest obniżone, to środek ciężkości auta spoczywa niżej i karoseria ma
mniejszą ochotę przechylać się w zakrętach. Mniejsza jest też DDM i
automatycznie szybkość pokonywania zakrętów może wzrosnąć. Samo obniżenie
bez utwardzenia daje względnie niewiele, więc nie spodziewajmy się
zauważalnej poprawy w wyniku prostego cięcia sprężyn.
Twarde sprężyny wymagają amortyzatorów o odpowiednio zwiększonej sile
tłumienia, aby samochód nie wymykał się spod kontroli w krytycznych
momentach, jak wejście w zakręt, ostre hamowanie, czy jazda po wybojach. W
tym miejscu pora skomplikować nasze rozważania. Wyliczenia DDM podane wyżej,
można w pełni zastosować na równym i gładkim torze wyścigowym, albo na
jednej z niezwykle licznych polskich autostrad. Kiedy droga jest nierówna,
albo kiedy przyczepność jest niewielka, konieczny jest kompromis. Jeśli mamy
zamiar poruszać się tuningowanym autem na co dzień, ani sprężyny, ani
amortyzatory nie mogą być przesadnie twarde a wóz nie może "siedzieć" za
nisko. Najczęstsze jest zastosowanie zasady "jak najniżej, jak
najtwardziej". W wyniku takiej filozofii, samochód szybko zaczyna ciągnąć za
sobą części podwozia urwane w kontakcie z jezdnią, droga hamowania na
wszelkich wybojach niebezpiecznie się wydłuża, a kierowca musi od nowa
plombować ubytki w uzębieniu. Aby auto miękko pokonywało nierówności i
dobrze hamowało oraz aby jednocześnie było "twardsze" na zakrętach,
wymyślono drążki stabilizacyjne. W stopniu zależnym od swojej grubości i
masy auta, ograniczają one przechyły nadwozia, a co za tym idzie i DDM na
zakrętach.
Geometria teoretyczna i bardzo praktyczna
Samochód styka się z drogą za pośrednictwem czterech opon, przy czym
faktyczna powierzchnia styku wszystkich opon z podłożem wynosi kilkanaście
do kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych. Ponadto opony różnych firm,
rozmiarów i kategorii cenowych zapewniają bardzo dużą przyczepność.
Odpowiednio dobrane sprężyny i amortyzatory walczą o utrzymanie stałego
kontaktu guma-asfalt na dziurach i wybojach, co jak wiemy, we wszystkich
krajach prócz Polski, jest łatwe do zrealizowania. Geometria zawieszenia,
czyli kąty pod jakimi koła są w czasie jazdy ustawione względem drogi, dba
natomiast o to, aby ta powierzchnia styku była możliwie jak największa.
Problem polega na tym, że kiedy zawieszenie się ugina, koła zmieniają swoje
ustawienie. Podczas ostrego hamowania, w wyniku zjawiska DDM przód samochodu
nurkuje, a przednie koła pochylają się górnymi krawędziami do środka. W tym
momencie nie są już ustawione prostopadle do nawierzchni i opony nie stykają
się z nią całą szerokością bieżnika. Przyczepność dramatycznie wręcz maleje,
a akurat teraz najbardziej by się przydała! Efekt to wydłużona droga
hamowania, a czym to może grozić, nawet nie chcemy myśleć. Na zakręcie z
kolei, koła po zewnętrznej stronie łuku odchylają się górnymi krawędziami na
zewnątrz. I znowu najbardziej obciążone opony pracują tylko częścią swej
szerokości. Zależność jest tutaj prosta: im twardszy założymy "zawias", tym
niekorzystne wahania geometrii będą mniejsze. Ale znowu pamiętajmy, że
trzeba zachować poprawkę na pokonywanie nierówności i nie można z
utwardzaniem przesadzić!
W tym miejscu znów należy wspomnieć o obniżaniu zawieszenia. Ma ono ścisły
związek z geometrią. Na zeszłorocznym zlocie w Toruniu (2002) naszą uwagę
zwróciło pewne auto znanej i lubianej bawarskiej marki. Wóz był maksymalnie
"rzucony na ziemię" i wyglądał zaiste bardzo efektownie. Jednak w wyniku
obniżenia wszystkie koła tego pojazdu (obute w opony nieprawdopodobnej
szerokości), były pochylone do wewnątrz pod bardzo dużym kątem. W rezultacie
samochód stykał się z drogą wyłącznie wewnętrznymi kantami opon! W takiej
sytuacji samochód ma minimalną przyczepność i jeżdżenie nim szybciej niż 40
km/h może być po prostu niebezpieczne. O ile samochód ma nie tylko lepiej
wyglądać, ale i lepiej jeździć, nie obniżajmy "na maxa"!