Zawieszenia: Co wisi w powietrzu

Nazwijmy rzecz po imieniu: jeśli zawieszenie – np. jak w nowej Klasie S – podczas przejazdu auta przez muldę na asfalcie potrafi tak skutecznie zapobiec wstrząsom w kabinie, że pasażerowie niczego nie poczują, to mamy do czynienia z idealnym komfortem resorowania. Uzyskanie takiego efektu wymaga ogromnych nakładów w zaawansowaną technikę przed którymi chylą czoło konkurenci Mercedesa.

Jak w każdym aucie, cała sztuka polega na odpowiedniej pracy amortyzatorów i stalowych sprężyn śrubowych. Inne samochody też potrafią reagować na napotkane dziury i wyboje, ale tylko Mercedes S w pewnym sensie sam je zawczasu tropi i unieszkodliwia. I na tym polega jego przewaga.

Luksusowa limuzyna Mercedesa nierówności drogi namierza za pomocą kamery. Znajduje się ona na wysokości lusterka wewnętrznego i zebrane informacje przekazuje do komputera, który je analizuje i zmienia sztywność zawieszenia danego koła tak, aby zneutralizowało poprzeczny garb na asfalcie. System sprawdza się dlatego, że przy każdym kole znajdują się sterowane elektronicznie hydrauliczne siłowniki, które potrafią ścisnąć oraz rozciągnąć sprężyny.

Konkurenci pod ścianą
Dzięki temu skomplikowanemu i drogiemu rozwiązaniu Mercedes osiągnął komfort resorowania niespotykany w innych autach. Nie wiadomo jednak kiedy, i czy w ogóle, auta niższych klas skorzystają z tego wynalazku. Jego elementy resorujące nie pasują do każdego modelu auta, za to tanie konwencjonalne amortyzatory i sprężyny – owszem. Dlatego długo jeszcze będą stosowane.

Jeśli spytać konstruktorów zawieszeń, jakie czynniki decydują o komforcie, zaczynają od sztywności nadwozia, opowiadają o oponach, układzie hamulcowym i stabilizatorach, potem o zawieszeniu i punktach mocowania zawieszenia do karoserii. Następnie przechodzą do jakości foteli i zahaczają o akustykę. Mimo wszystko z ich opowieści wynika, że najistotniejszy wpływ na poczucie komfortu podczas jazdy samochodem mają amortyzatory i sprężyny. Upraszczając, można stwierdzić, że małe ugięcie sprężyn sprawia, iż komfort resorowania jest wyższy, duże ugięcie zaś – że komfort jest niższy. Właśnie ugięcie (skok) decyduje, jak dużą siłę należy przyłożyć, aby ścisnąć sprężynę.

Gdy kamera w Klasie S wykryje nierówność drogi – zawieszenie reaguje w ciągu 120 milisekund, skutecznie ją neutralizując.

Dzisiaj, gdy stosuje się amortyzatory o zmiennej sile tłumienia, wielu sądzi, że to właśnie od amortyzatorów zależy komfort resorowania. Ale jest tak tylko do pewnego stopnia. Najwięcej zależy od sprężyny, a amortyzator nie powinien przeszkadzać jej w pracy lecz wspomagać.

Gdy samochód napotyka na garb na drodze, koło przesuwa się do góry w głąb nadkola. Sprężyna i amortyzator są ściskane – ten drugi znajduje się w fazie sprężenia. Gdy sprężony jest zbyt mocno, przeciwdziałać temu musi sprężyna – poczucie komfortu się pogarsza, zawieszenie staje się nieprzyjemnie twarde. Bardzo ważna jest też podatność sprężyny na rozciąganie – chodzi o to, aby nie rozciągnęła się zbyt gwałtownie, wykorzystując całą energię zgromadzoną podczas ściskania. Amortyzator musi wyhamować impet sprężyny. Jeśli rozciąga się ona zbyt szybko, karoseria zaczyna się kołysać, co u niektórych pasażerów może wywoływać nudności.

W zawieszeniach małych, tanich aut stosuje się czysto mechaniczne rozwiązania i konwencjonalne amortyzatory, pozbawione dodatkowych urządzeń wspomagających. Dopiero w kompaktach pojawiają się w opcji amortyzatory o zmiennej sile tłumienia, a w autach wyższych klas są one seryjne. Wyposażono je dodatkowo w funkcje zmniejszające przechyły nadwozia.

Na pracę płynnie regulowanych amortyzatorów można wpływać wybierając przyciskiem komfortowy lub sportowy tryb pracy. Zwłaszcza w autach sportowych ich obecność pozwala znaleźć kompromis między przeciwstawnymi wymaganiami – stabilnością w zakrętach, dla zapewniania której zawieszenie musi być twarde, i wysokim komfortem resorowania na długich trasach, który uzyskuje się zestrajając zawieszenie bardziej miękko.

Jeden amortyzator, kilka ustawień
Pomysł, aby wpływać na pracę zawieszenia poprzez zmianę jego charakterystyki przyczynił się do powstania pneumatycznych zawieszeń w samochodach luksusowych. Tradycyjna stalowa sprężyna śrubowa została w nich zastąpiona przez wypełniony gazem pojemnik. Inaczej niż to ma miejsce w zawieszeniu ze stalowymi sprężynami, których skok (twardość) jest na stałe określony, w resorowaniu pneumatycznym może on się zmieniać, wpływając na to, na jakiej wysokości ponad jezdnią znajduje się nadwozie auta oraz regulując twardość zawieszenia. Gdy pneumatyczne zawieszenie ma amortyzatory o zmiennej sile tłumienia, można osobno ustawić komfortowy i sportowy tryb pracy, co jest ciekawym rozwiązaniem dla limuzyn o sportowym charakterze.

Dość powszechne, ale błędne jest przekonanie, że nowoczesne amortyzatory mogą pracować tylko w dwóch trybach – twardym (sportowym) i miękkim (komfortowym). W rzeczywistości zawieszenie można zestrajać na wiele sposobów. Dzięki temu inżynierom udało się spowodować, iż mimo że amortyzatory za pomocą przycisku ustawiono na komfort, dają one sobie radę z wymaganiami, jakie stawia sportowa jazda. Gdy czujniki wychwycą, że skok sprężyn wzrósł, bo kierowca jedzie dynamicznie po krętej drodze o złej nawierzchni, zwiększana jest twardość amortyzatorów.

Na prostej i równej drodze ta twardość z kolei maleje, mimo że kierowca wybrał sportowy tryb pracy zwieszenia – wszystko po to, by zwiększyć komfort jazdy. Tak zwane zawory proporcjonalne (czyli regulacyjne) zmniejszają przepływ oleju w tłokach amortyzatorów, by reagowały bardziej twardo lub zwiększają go, żeby amortyzatory stały się miękkie. Inny sposób na osiągnięcie tego celu to zastosowanie namagnesowanych cząsteczek w oleju – gdy za pomocą napięcia elektrycznego wywoła się pole magnetyczne, zmienia się ciągliwość oleju, a tym samym twardość resorowania.

Cztery koła w sieci
Te rozwiązania można też wykorzystać do zmniejszania niepożądanych ruchów nadwozia, np. jego wychylania się. System hydrauliczny sprzęga ze sobą stabilizatory poprzeczne oraz amortyzatory. Gdy nadwozie zaczyna się wychylać w którymś kierunku, system działa w przeciwną stronę. Podczas jazdy w zakrętach zwiększa ciśnienie po stronie, która jest bardziej obciążona (zewnętrznej), dzięki czemu sprężyny są ściskane w mniejszym stopniu. Podobnie system funkcjonuje podczas hamowania, przeciwdziałając „nurkowaniu” karoserii.

Na wielkość tego przeciwdziałania przechyłom można wpływać za pomocą elektroniki. Podczas jazdy na wprost, kiedy nadwozia nie trzeba stabilizować, zawory się otwierają i ciśnienie w układzie zmniejsza się. Dzięki temu rośnie komfort resorowania, bo koła pracują niezależnie od siebie. Ich sprzężenie byłoby niepożądane, gdyby np. jedno z kół wpadło w dziurę.

Ale cztery amortyzatory o zmiennej sile tłumienia można ze sobą połączyć hydraulicznie i skoordynować ich działanie w ramach systemu regulacji przechyłów i prześwitu. System Kinetic H2/CES amerykańskiej firmy Tenneco jest montowany w brytyjskim sportowym McLarenie MP4-12C, w którym adaptacyjne amortyzatory są ze sobą powiązane w taki sposób, że tradycyjne stabilizatory dla zapobiegania przechyłom nadwozia stają się zbędne.

Podobny pomysł zastosował Mercedes już w 1998 roku w systemie o nazwie Active Body Control (ABC). Tu amortyzatory także wyposażono w hydrauliczne cylindry, które potrafią wytworzyć siły przeciwdziałające przechyłom karoserii. ABC nie wymaga stosowania stabilizatorów, a mimo to niemal całkowicie neutralizuje wychylanie się nadwozia w zakrętach. Logicznym krokiem byłoby teraz całkowite odłączenie kół od sprężyn i sterowanie wyłącznie amortyzatorami – np. za pomocą elektrycznych silników. Firma Bose, producent sprzętu nagłaśniającego, w 2004 r. przedstawiła prototypowe urządzenie – czujniki rozpoznawały nierówności nawierzchni niemal w czasie rzeczywistym i zawieszenie mogło je prawie całkowicie neutralizować. Pasażerowie mieli wrażenie, jakby płynęli w powietrzu.

Jednak rozwiązanie to nie weszło do produkcji seryjnej, bo silniki elektryczne na długich odcinkach o złej nawierzchni za mocno się rozgrzewały i wymagały skomplikowanego układu chłodzenia. Mogą też pojawić się kłopoty z utrzymaniem stabilności auta, jeśli w zakręcie system błędnie stwierdzi, że pod przednim kołem pojawił się jakiś wybój i podciągnie je ku górze, gdy tymczasem nadwozie nad kołem po prostu „przygięło się” w zakręcie. Auto mogłoby wpaść w podsterowność, którą trudno byłoby opanować.

Acocar na przyszłość
Tenneco pracuje też nad innym rozwiązaniem – nad systemem aktywnego tłumienia nierówności Acocar. Już wkrótce ma ono być stosowane seryjnie w autach luksusowych. Acocar wykorzystuje regulowane elektronicznie zawory przy amortyzatorach, jednak wzbogaca je o specjalny system hydrauliczny, który ma utrzymywać nadwozie auta na stałej wysokości nawet na drogach o fatalnej nawierzchni. Acocar zmienia siłę tłumienia amortyzatorów i skok sprężyn, co przynajmniej w teorii gwarantuje komfort przy jednoczesnej zdolności do szybkiego i bezpiecznego pokonywania zakrętów. Układ ten ma być lżejszy i zajmować mniej miejsca niż stosowane dotąd aktywne zawieszenia, a także zużywać mniej energii.

Kamera bada nawierzchnię przed samochodem
Na razie jednak najbardziej komfortowe zawieszenie ma nowa Klasa S. Opcjonalny Magic Body Control jest rozwinięciem systemu ABC, wykorzystującego kolumny resorujące ze stalowymi sprężynami śrubowymi. Najważniejszym elementem tego zawieszenia są hydrauliczne siłowniki, które stale regulują twardość sprężyny, przygotowując ją na wyboje, które za moment znajdą się pod kołami.

Idea systemu Mercedesa polega bowiem na tym, żeby za pomocą kamery z wyprzedzeniem namierzać wyboje na drodze. Mercedes nazywa ten wynalazek Road Surface Scan. Wyśledzone nierówności są w mgnieniu oka wartościowane matematycznie. Komputer wylicza jaki skok powinna mieć sprężyna przy każdym kole oraz siłę tłumienia amortyzatora potrzebną do zneutralizowania nierówności. Siła niezbędna do wstępnego naprężenia stalowej sprężyny jest wytwarzana hydraulicznie.

System MBC zmniejsza przechyły boczne oraz „nurkowanie” nadwozia w zakrętach i w czasie hamowania. Może też działać w trybie sport, w którym zamiast systemu Road Surface Scan pracują wyłącznie amortyzatory o zmiennej sile tłumienia nierówności; mogą one mieć nieco twardszą charakterystykę. Ale nawet wtedy komfort zawieszenia w Klasie S jest bardzo wysoki. Miejmy nadzieję, że z czasem to rozwiązanie pojawi się w tańszych autach.

Sprężyna i amortyzator w jednym
Amortyzator znajduje się w środku sprężyny. Obydwa elementy są połączone z nadwoziem w tych samych punktach. W tzw. zawieszeniu gwintowanym można ustawiać nie tylko charakterystykę zawieszenia, lecz także, za pomocą gwintowanej nakrętki, zmieniać prześwit auta. Sprężyna „wstępna” zapewnia właściwe napięcie sprężyny głównej. W tłumieniu nierówności biorą udział obie sprężyny; górna, bardziej miękka daje komfort, dolna, sztywniejsza zapewnia precyzję prowadzenia.

Łączy je hydraulika
W modelu MP4-12C McLaren amortyzatory są połączone układem hydraulicznym m.in. z zaworami wysokiego i niskiego ciśnienia. Połączono je ze sobą z prawej i lewej strony oraz od przodu i z tyłu. Gdy auto przechyla się w zakręcie, przy zewnętrznym kole wysokie ciśnienie spotyka się z wysokim ciśnieniem po obu stronach tłoczyska, co powoduje utwardzenie amortyzatorów i zmniejsza wychylenie auta. Przy rozprężaniu wysokie ciśnienie spotyka się z niskim – w układzie ciśnienie jest niższe, dzięki czemu bardziej miękkie amortyzatory zapewniają większy komfort.

Sportowe, ale komfortowe
Zawieszenie sportowych aut jest twarde? Może kiedyś tak było. Dzisiaj dzięki amortyzatorom o zmiennej sile tłumienia (w opcji) w Porsche Caymanie udało się ożenić wodę z ogniem, czyli spowodować, żeby nadwozie łagodnie pokonywało nierówności, zapewniając pasażerom komfort podróży, ale jednocześnie nie wychylało się podczas szybkiej jazdy w zakrętach. W trybie sport amortyzator wykorzystuje cały zakres możliwości i zależnie od stanu nawierzchni staje się raz twardszy, raz bardziej miękki. W położeniu komfort nie wybiera twardej sportowej charakterystyki, lecz trzyma się obszaru gwarantującego wygodę pasażerom.