Fot. sxc.hu, Boge, Monroe, Sachs

Powszechnie wiadomo, że amortyzatory mają bardzo istotne znaczenie dla komfortu i bezpieczeństwa jazdy. Pełne zrozumienie tych funkcji wymaga bliższego zapoznania się z budową i działaniem zawieszeń.

W zawieszeniach zwanych elastycznymi koła lub osie pojazdu łączą się z pozostałymi jego elementami za pośrednictwem sprężyn. Dzięki temu całkowita masa pojazdu ulega rozdzieleniu na dwie części: nieresorowaną i resorowaną. Pierwszą z nich tworzą koła lub osie wraz ze sztywno przytwierdzonymi do nich łożyskami, hamulcami i fragmentami układu przeniesienia napędu. Część ta ulega w trakcie jazdy przemieszczeniom pionowym, stosownym do ukształtowania powierzchni podłoża. Ruch części drugiej jest od tych sił niezależny w stopniu tym wyższym, im większą liczbą wyraża się proporcja masy resorowanej do nieresorowanej.

Elementy sprężyste zawieszenia przenoszą na kadłub samochodu siły powodowane nierównościami nawierzchni, lecz same ulegają przy tym odkształceniom, gromadząc energię, która oddawana jest następnie w fazie rozprężania się sprężyn. Potem masa pojazdu i jego ładunku wywołuje powtórne ściśnięcie elementów sprężystych i następujące bezpośrednio po nim kolejne rozprężenie. W ten sposób każde ugięcie zawieszenia skutkuje całą serią pionowych wahań nadwozia, wygasających stopniowo z powodu tarcia występującego we wszystkich wzajemnie przemieszczających się elementach. Wygaszające działanie tarcia jest jednak zbyt powolne dla utrzymania stabilności ruchu pojazdu i trwałego kontaktu jego kół z jezdnią, zwłaszcza przy większych prędkościach jazdy i bardziej nierównych nawierzchniach, gdy wspomniane drgania sprężyn mogą być dodatkowo wzmacniane na zasadzie rezonansu. Szybkie i częste pionowe wahania nadwozia, a także jego kołysanie się wzdłużne i poprzeczne sprawiają, że ciała podróżnych poddawane są nieprzyjemnym i szkodliwym przyspieszeniom, a koła, okresowo odrywane od nawierzchni, przenoszą mniej skutecznie siły napędu, hamowania i kierowania pojazdem. Dlatego w za- wieszeniach samochodowych stosowane są amortyzatory, których zadaniem jest bardziej radykalne zmniejszanie amplitudy cyklicznych ruchów elementów sprężystych.

Amortyzatory hydrauliczne

Spośród różnych znanych w technice mechanizmów amortyzujących w motoryzacji stosowane są dziś wyłącznie amortyzatory hydrauliczne. Ich działanie polega na przetłaczaniu płynu wypełniającego cylinder z jednej strony tłoka na drugą, przez odpowiednio kalibrowane kanały. Tłok połączony jest przy tym przeważnie z resorowaną częścią masy pojazdu, a cylinder – z nieresorowaną, choć zdarzają się również układy odwrotne. Opór przepływu cieczy tłumi drgania zawieszeń, powodując zamianę energii kinetycznej na ciepło. Ilość przetłaczanego płynu, zwanego olejem amortyzatorowym, zależy od długości ruchu tłoka, czyli od stopnia (strzałki) ugięcia elementu sprężystego, natomiast intensywność przepływu – od prędkości przemieszczania się tłoków w cylindrach. Oznacza to, że wartość pochłanianej energii bezpośrednio zależy od intensywności drgań zawieszenia. Im pionowy ruch masy nieresorowanej jest szybszy, tym silniejszemu podlega tłumieniu.

Matematycznie siłę oporu stawianego przez amortyzator można wyrazić ogólnym wzorem:

F_a = k_a ż_oⁱ,

gdzie:

k_a – stała tłumienia amortyzatora, wynikająca m.in. z przekroju kalibrowanych kanałów, lepkości cieczy roboczej oraz stabilności jej cech fizycznych w różnych temperaturach;

ż_o = dzo/dt – prędkość drgań nadwozia samochodu względem kół;

ⁱ – wykładnik potęgi charakteryzujący przebieg zależności siły oporu amortyzatora od prędkości (dzo/dt) drgań.

Wykładnik potęgi i wpływa na przebieg krzywej opisanej przez funkcję

F_a = f (ż_o)

Jeżeli i = 1, krzywa wyrażająca funkcję siły jest linią prostą. Dla i > 1 krzywa przebiega progresywnie, a dla i < 1 regresywnie.

Stałe tłumienia charakterystyczne dla danego typu amortyzatora przyjmują zazwyczaj dwie odmienne wartości kan – podczas naprężania i kao – podczas odprężania zawieszenia. Jest to efekt zastosowania samoczynnych zaworów zwrotnych, zamykających część kanałów przepływowych w trakcie powrotnego ruchu sprężyn. Odczuwalny komfort zapewniają podróżnym wartości kao, mieszczące się w zakresie (2÷5) kan. Przy spełnieniu tego warunku koła nie wpadają w głębokie nierówności wklęsłe, a wysokie nierówności wypukłe nie powodują unoszenia nadwozia.

Zawieszenia z amortyzatorami o niskich wartościach stałej kan nazywa się miękkimi. Takie charakterystyki nie spełniają jednak oczekiwań związanych z bezpieczeństwem jazdy, czyli zapewnieniem stałego kontaktu bieżnika opony z nawierzchnią. Siły poziome Fx,y leżące w płaszczyźnie kontaktu kół z jezdnią zależą bowiem głównie od pionowego obciążenia Fz , zgodnie z wzorem:

F_x,y = m F_z,

gdzie:

m – jest współczynnikiem przyczepności koła do jezdni.

Każde więc zmniejszenie siły Fz w wyniku działania źle dobranych amortyzatorów prowadzi do ograniczenia przyczepności kół, a tym samym oznacza zagrożenie stabilności i bezpieczeństwa ruchu pojazdu.

Współczesne konstrukcje amortyzatorów

Nowoczesne amortyzatory są tak konstruowane, by kompromisowo godzić wymagania komfortu i bezpieczeństwa jazdy. Zjawisko okresowego zmniejszania się siły pionowej ograniczono, wprowadzając do przestrzeni kompensacyjnej amortyzatorów gaz o wysokim ciśnieniu, co zwiększa ogólną sztywność zawieszenia. Wiąże się to jednak z obniżeniem komfortu. Optymalnym rozwiązaniem (lepszym od stosowania charakterystyk kompromisowych) okazały się zatem konstrukcje o zmiennej zdolności tłumienia, dużej – przy znacznych amplitudach drgań (twardy amortyzator), a małej – przy niewielkich (miękki amortyzator). W modelach najprostszych zmianę charakterystyki, niekiedy wielostopniową, uzyskuje się za pomocą ręcznego pokrętła, modyfikującego przepustowość zaworów dławiących przepływy. Wygodniejsze dla użytkowników, lecz znacznie droższe, są amortyzatory z elektronicznym sterowaniem oporów przepływu cieczy pomiędzy obiema stronami tłoka. Układ taki tworzą trzy zasadnicze elementy:

• zespół czujników prędkości i amplitudy skoku zawieszeń;
• sterownik mikroprocesorowy, interpretujący sygnały z czujników w celu nadania odpowiednich impulsów wykonawczych;
• elektrozawory indywidualnie regulujące przepływ cieczy roboczej w poszczególnych amortyzatorach.

Podobne właściwości ma też amortyzator Sensa-Trakc firmy Monroe, odznaczający się stosunkowo prostą, czysto mechaniczną konstrukcją o samoczynnym sterowaniu bez jakichkolwiek układów elektronicznych. W środkowej części gładzi jego cylindra znajduje się pionowy rowek obejściowy, tzw. by-pass.  Gdy tłok znajduje sie w środkowej strefie swego skoku, główna część płynu przepływa przez rowek obejściowy, który ma większy przekrój niż otwory zaworków w tłoku. Tłumienie jest wówczas słabe. Stan ten występuje przy niewielkich amplitudach i zapewnia wysoki komfort jazdy. W czasie poruszania się samochodu po drodze o dużych nierównościach rośnie amplituda ruchów tłoka, wychodząc poza strefę środkową gładzi. Przepływ oleju następuje wtedy wyłącznie przez zaworki w tłoku. Siła tłumienia rośnie, co odczuwane jest przez pasażerów jako usztywnienie amortyzatorów.

Mimo prostoty swej konstrukcji amortyzatory tego rodzaju wymagają dużej precyzji wykonania. Długość rowka obejściowego w amortyzatorach dwururowych niskociśnieniowych zależnie od modelu auta wynosi 27ł59 mm. W amortyzatorach jednorurowych wysokociśnieniowych dla zastosowania rowka potrzebne są odpowiednio grubsze ścianki cylindra oraz przyjęcie nowatorskiego rozwiązania, polegającego na zastosowaniu teflonowego, zespolonego z tłokiem pierścienia, który zapewnia płynną oraz szybką reakcję tłoka, a także specjalnych, samosmarujących się uszczelek tłoczyska.

Niezależnie od konstrukcji każdy amortyzator ulega stopniowemu, eksploatacyjnemu zużyciu. Skutkiem tego procesu może być:

• zwiększanie się luzu pomiędzy tłokiem a cylindrem, czyli spadek siły tłumienia zarówno przy naprężaniu, jak i odprężaniu sprężyn zawieszeń;
• zużycie uszczelnień tłoczyska, powodujące spadek ciśnienia gazu i/lub wycieki płynu amortyzatorowego;
• zmniejszenie się lepkości oleju amortyzatorowego, powodujące spadek siły tłumienia we wszystkich zakresach pracy.

Dla zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa i komfortu jazdy należy więc w każdym samochodzie przeprowadzać okresowe kontrole stanu i sprawności amortyzatorów.

W artykule wykorzystano materiały firm Monroe, Sachs i Boge.

Tweet

Leszek A. Stricker
Politechnika Wrocławska