Rys. Toyota, Jacek Kubiś, Wimad

Tego rodzaju artykuły są trudne w pisaniu i odbiorze, bo przyzwyczajeni już jesteśmy do reklam opisujących najbardziej złożone produkty i technologie kilkoma entuzjastycznymi przymiotnikami, ale…

W metodzie diagnozowania zawieszeń opisanej w poprzednim odcinku niniejszego cyklu analizy zachodzących zjawisk dokonuje się w oparciu o tzw. ćwiartkowy model pojazdu. Jest to konstrukcja teoretyczna obejmująca masy m₁ (¹/₄ masy resorowanej pojazdu) i m₂ (cała masa nieresorowana przypadająca na jedno kompletne koło).

Model ten charakteryzuje się określoną sprężystością zawieszenia k₁ i sprężystością opony k₂ oraz wartościami tłumienia drgań obu wspomnianych mas. Masy i działające między nimi siły tworzą pionowy układ, na który składają się (w kolejności od dołu): „sprężyna” opony ściskana między platformą testera i masą nieresorowaną, a tę z kolei oddziela od resorowanej sprężyna zawieszenia.

Parametrami zmiennymi w tym układzie mogą być wartości obu mas i obu sprężystości, a celem analizy jest określenie ich wpływu na przesunięcie fazowe przemieszczeń danej masy względem wymuszających je ruchów testera, a także na przyleganie opony do nawierzchni i komfort jazdy. Dla uproszczenia zakłada się tu występowanie w zawieszeniu tłumienia c₁ o przebiegu liniowym. Za istotne uznaje się też uwzględnienie tłumienia c₂ występującego w samej oponie.

W oparciu o tak rozumiany analityczny model ćwiartkowy można przystąpić do wyprowadzenia równań wyznaczających: kąt przesunięcia fazowego oraz częstotliwości drgań własnych. Niezbędna będzie jednak do tego znajomość matematyki z zakresu szkoły średniej.

Podstawowe czynniki wpływu

Wartość tłumienia w zawieszeniu (c₁) ma znaczący wpływ na krzywą przesunięcia fazowego i na krzywą przylegania, co przedstawiają załączone wykresy 1 i 2. Dla niskich wartości tłumienia krzywe te pomiędzy częstotliwością rezonansową masy resorowanej a częstotliwością odrywania się koła od jezdni są strome. Dla dostatecznie dużych wartości tłumienia przy częstości rezonansowej masy nieresorowanej minimalne przyleganie i przesunięcie fazowe rosną. Obserwujemy wówczas:

• wyższe wartości minimalnego przesunięcia fazowego i łagodne nachylenie krzywej w obszarze częstotliwości odrywania się koła od płyty testera,
• wysokie wartości przylegania,
• wysokie wartości minimalnego przesunięcia fazowego.

Tłumienie krytyczne zawieszenia jest to graniczna wartość (najmniejsza) współczynnika tłumienia bezwzględnego, przy którym przemieszczenie przestaje być sinusoidalne, tzn. po odkształceniu zawieszenie powraca do położenia równowagi, lecz go nie przekracza.

Współczynnik tłumienia zawieszenia samochodów osobowych z (theta), będący stosunkiem aktualnego tłumienia układu do tłumienia krytycznego pojazdu, może być odczytany z wykresów przesunięcia fazowego i przyczepności. Współczynnik ? zwykle mieści się między 0,2 a 0,4 dla mas resorowanych i może ulegać zmianom wraz z częstotliwością i amplitudą. Przybliżone wartości tłumienia krytycznego dla mas resorowanych i nieresorowanych można wyznaczyć z poniższych wzorów, wykorzystując obliczoną wcześniej zastępczą sztywność zawieszenia k_eq. Wartości tego współczynnika (z) nie powinny przekraczać 0,5.

Wartość tłumienia amortyzatorów samochodowych zmienia się w zależności od częstotliwości i amplitudy oraz aktualnego suwu tłoka: ściskanie (dobicie) lub rozciąganie (odbicie). Tłumienie przy rozciąganiu jest zwykle od 1 do 6 razy większe niż przy ściskaniu. Z kolei wartość tłumienia podczas ściskania ma większy wpływ na przyleganie i przesunięcie fazowe.

Konwencjonalne amortyzatory hydrauliczne mają niewielki wpływ na działanie zawieszenia przy częstotliwościach powyżej 20 Hz, tu ważne stają się natomiast opory tulei zawieszenia, opony, sprężyny oraz tarcie występujące w ruchomych połączeniach.

Czynniki dodatkowe

Konwencjonalne amortyzatory, w odróżnieniu od regulowanych (skokowo lub bezstopniowo), uzyskują większą wartość tłumienia przy mniejszych prędkościach ruchu zawieszeń. Minimalne przyleganie i przesunięcie fazowe mogą wzrastać przy twardszym ustawieniu amortyzatora o zmiennej charakterystyce.

Nieprawidłowe zamocowanie amortyzatora może być czasem wykryte przez tester podczas porównania kół jednej osi. W tabeli 3 przedstawiono przykład, w którym górne nakrętki obu śrub przedniego amortyzatora zostały nieprawidłowo dokręcone, powodując luzy w górnym mocowaniu. Podobny efekt pojawi się, kiedy górne lub dolne tuleje gumowe będą miały luz lub guma ulegnie zestarzeniu. Jeśli jednak tester nie wykryje błędów zamocowania, trzeba innymi metodami zbadać jego prawidłowość. Negatywne skutki może też powodować wymiana amortyzatorów na inne niż oryginalne.

Masa resorowana ma istotny wpływ na przyleganie, sztywność jazdy i izolację drgań wysokoczęstotliwościowych oraz niewielki na przesunięcie fazowe. Niesymetryczny rozkład masy po obu stronach osi wpływa również na mierzone parametry (wykresy 3 i 4). Większa masa nieresorowana zwiększa bezwładność zawieszenia, co z kolei ogranicza minimalne przesunięcie fazowe i częstotliwość rezonansową oraz ma niewielki wpływ na przyleganie, wymaga więc zwiększenia wartości tłumienia amortyzatora (wykresy 5 i 6).

Sztywność sprężyn zawieszenia znacznie wpływa na przyleganie i przesunięcie fazowe (wykresy 7 i 8) oraz komfort jazdy w zakresie między częstotliwością rezonansową masy resorowanej a częstotliwością odrywania się koła od nawierzchni. Wpływ sztywności sprężyny na minimalne przesunięcie fazowe i minimalne przyleganie jest średni, a zupełnie mały – na izolację drgań wysokoczęstotliwościowych. Sprężyny o zmiennej charakterystyce mogą osiągać mniejszy współczynnik sprężystości niż sprężyny o charakterystyce liniowej dla tego samego pojazdu pod stałym obciążeniem. Skutkiem tego normalnie obciążony samochód ze sprężynami o charakterystyce zmiennej ma takie samo lub niższe przyleganie w porównaniu z zastosowaniem sprężyn o charakterystyce liniowej, lecz odznacza się dużo wyższym komfortem jazdy. Przy wyższym obciążeniu pojazd o zmiennej charakterystyce sprężyn wykazuje też lepsze osiągi.

Sprężystość (sztywność) opony w wysokim stopniu zależy od ciśnienia (wykresy 9 i 10). Wyższe wpływa na zwiększenie hałasu i przenoszenia drgań na masę resorowaną. Empirycznie stwierdzono, że zmiana ciśnienia o 0,1 bara może zmienić przyleganie od 0,7% do 3,1%. Z testów ponad 100 różnych pojazdów wynika, iż zwiększenie ciśnienia o 0,1 bara zmniejsza przyleganie średnio o 1,7%. Zależność między ciśnieniem a przyczepnością jest odwrotna niż między zakresem prawidłowych ciśnień a obciążeniem opony.

Nieruchome koło odznacza się sprężystością nawet do 22% wyższą niż koło toczące się (wykres 11). Jednak w czasie jazdy temperatura koła rośnie, a w konsekwencji rosną też ciśnienie i sprężystość opony (wykresy 12 i 13).

Tłumienie opony oddziałuje na przyleganie, przesunięcie fazowe, częstotliwość odrywania koła od jezdni, izolację drgań wysokoczęstotliwościowych oraz nieznacznie na komfort jazdy. Jest ono jednak znacznie mniej istotne w porównaniu z tłumieniem zawieszenia (wykresy 14 i 15).

Zawieszenie zależne charakteryzuje się dwiema krytycznymi częstotliwościami masy nieresorowanej, zwanymi tętnieniem przeciwbieżnym i współbieżnym. Pierwsze jest częstotliwością drgań koła występującą wówczas, gdy drugie koło tej samej osi wykonuje ruchy przeciwne (asymetryczne), a drugie dotyczy symetrycznych, rezonansowych drgań obu kół. Częstotliwość tętnienia przeciwbieżnego jest zawsze wyższa niż tętnienia współbieżnego. Charakterystyczne dla osi sztywnej jest ostre załamanie krzywej przylegania, zależne od wartości tłumienia. Podobne właściwości mogą mieć pojazdy z zawieszeniem niezależnym, ale „usztywnione” stabilizatorem poprzecznym.

Przedstawione równania dla modelu ćwiartkowego pojazdu oraz analiza wpływów rozmaitych czynników na wyniki testów potwierdzają, iż omawiane tu testery dwufazowe są najlepszym ze znanych dotychczas narzędzi do diagnostyki zawieszenia ze względu na mierzone parametry i jednoznaczną interpretację dokonywanych pomiarów, o której napiszę w następnym odcinku.

Tweet

Zenon Majkut
Wimad Spółka Jawna