Między kołem a nadwoziem

Zwykło się mówić, że samochód stoi na kołach. I jest to prawda w tym sensie, że to koła właśnie stykają się bezpośrednio z podłożem. Ale tak jak ludzkie stopy są tylko częścią dolnej kończyny, tak koła to tylko końcowy (i zarazem najmniej skomplikowany) element rozbudowanego układu, na którym opiera się główna bryła auta. Układ ten, zwany potocznie zawieszeniem, musi sprostać wielu skrajnym wymaganiom - przeciążeniom powstającym zarówno podczas przyspieszania, jak i hamowania, warunkom jazdy pod obciążeniem i bez niego, musi poradzić sobie z ruchami nadwozia wynikającymi z jazdy na wprost, jak i w innych kierunkach, zminimalizować niedogodności będące rezultatem jazdy po nierównych drogach lub nawet w ciężkim terenie, wreszcie zapewnić komfort i bezpieczeństwo kierowcy oraz pasażerom pojazdu.

Czy istnieje jeden uniwersalny układ zawieszenia, który jest w stanie w sposób idealny sprostać tym wszystkim wymaganiom i sprawdzający się w każdych warunkach? Z pewnością nie. Producenci aut opracowali kilka sprawdzonych i dziś powszechnie stosowanych rozwiązań, ale każde z nich ma swoje wady i zalety, będąc pewnego rodzaju funkcjonalnym kompromisem.

Sprężynują, prowadzą, tłumią

W każdym zawieszeniu możemy wyróżnić trzy kluczowe zespoły: elementy sprężyste; elementy prowadzące i łączące oraz elementy tłumiące.

Główną rolą elementów sprężystych jest absorbowanie drgań wywołanych przez ruch tzw. mas nieresorowanych auta (kół, hamulców, osi, niektórych elementów zawieszenia) oraz utrzymanie wysokości prześwitu. Funkcję tę mogą pełnić resory piórowe, zwane także sprężynami płaskimi, sprężyny zwijane (śrubowe), drążki skrętne, sprężyny gumowe lub plastikowe, układy pneumatyczne.

Od początku XIX w. aż do lat 70. XX w. najpowszechniej stosowanym elementem sprężystym w pojazdach, najpierw konnych potem mechanicznych, były resory piórowe, zwykle w odmianie półeliptycznej. Możemy je zresztą spotkać jeszcze dzisiaj, przede wszystkim w tylnym zawieszeniu aut dostawczych, pick-upów i samochodów terenowych z zawieszeniem zależnym. Są tanie, nieskomplikowane, potrafią znosić znaczne obciążenia i dodatkowo mają jedną ważną właściwość - mogą stanowić samodzielny układ zawieszenia, ponieważ potrafią przenosić siły we wszystkich trzech kierunkach. Niestety, zapewniają dość niski komfort jazdy. Wykonywane są w postaci jednego płaskownika lub pakietu płaskowników ze stali sprężynowej, nazywanych piórami, związanych w całość śrubą ustalającą i opaskami.

Elementy tylnego zawieszenia pojazdu, które w pewnym sensie wyewoluowały z resorów piórowych, to drążki skrętne. Mają one postać długiego stalowego pręta, rury lub wiązki płaskowników. Jeden z końców drążka skrętnego mocuje się do ramy lub nadwozia pojazdu, drugi - przegubowo do wahacza. Ruchy pionowe koła powodują przemieszczanie kątowe wahacza i skręcanie drążka, który wskutek swej sprężystości działa na koło pojazdu jak tradycyjny resor.

Obecnie najchętniej stosowanym przez producentów pojazdów elementem sprężynującym są jednak sprężyny śrubowe, powstałe w wyniku zwinięcia pręta ze stali sprężynowej wokół formy o kształcie walca, stożka lub beczki. Zaglądając pod podwozie samochodu, powinniśmy zobaczyć po jednej masywnej sprężynie na koło. Sprężyny mają wiele zalet: zajmują niewiele miejsca, mają prostą budowę, a jednocześnie najlepsze właściwości sprężynujące i charakteryzują się dużą uniwersalnością - świetnie sprawdzają się na co dzień, ale także w motorsporcie czy off-roadzie.

Ważnym elementem sprężystym w zawieszeniu jest stabilizator przechyłów. Najczęściej ma on postać metalowego pręta o przekroju kołowym, wygiętego w kształt zbliżony do litery U. Na środku zamontowany jest do nadwozia, natomiast końce połączone są z wahaczami lub kolumnami resorującymi przy pomocy tulei gumowych lub tzw. łączników stabilizatora. Dzięki temu sprężysta reakcja stabilizatora ogranicza boczne przechyły nadwozia podczas pokonywania zakrętów i zmniejsza kołysanie przy jeździe po nierównościach. Podobną rolę odgrywają drążki reakcyjne, które mogą być montowane poprzecznie (to tzw. drążki Panharda) lub wzdłużnie.

Zdecydowana większość zawieszeń wymaga stosowania dodatkowych łączników, będących w stanie przenosić siły poprzeczne i skośne. I w tym miejscu na scenie pojawia się wahacz, który jest dzisiaj najczęściej stosowanym elementem prowadzącym. Wahacze to dźwignie zamocowane przegubowo, umożliwiające przemieszczanie się kół w płaszczyźnie pionowej i przenoszące zarazem siły poziome. Zależnie od usytuowania osi ich obrotu wahacze dzielimy na: wzdłużne (wleczone lub pchane), poprzeczne lub skośne.

Kolejnym kluczowym elementem zawieszenia są amortyzatory, które stanowią nierozłączną parę ze sprężynami śrubowymi. Są odpowiedzialne za tłumienie drgań nadwozia na nierównościach oraz zapewnienie kołu stałego kontaktu z nawierzchnią drogi. Gdyby ich zabrakło, na samych sprężynach samochód bujałby się niczym kołyska i odbijał od jezdni jak piłka. Układ tłumiący pośrednio wpływa też na działanie takich systemów bezpieczeństwa, jak ABS czy ESP.

Obecnie najczęściej spotykane są amortyzatory teleskopowe (olejowe oraz olejowo-gazowe), a zwłaszcza teleskopowe zintegrowane ze sprężyną śrubową, tzw. kolumny MacPhersona. W wielu nowszych autach z tzw. zawieszeniem półaktywnym można spotkać amortyzatory o regulowanym stopniu tłumienia.

Większość elementów zawieszenia połączona jest za pomocą specjalnych przegubów i tulei metalowo-gumowych, potocznie zwanych silentblokami.

Zależnie, niezależnie lub z belką

Ze względu na sposób łączenia poszczególnych elementów zawieszenia i zasadę ich działania układy te dzielimy na trzy główne kategorie: zawieszenia zależne, niezależne i półzależne z tzw. belką skrętną.

Pierwszy z wymienionych typów jest historycznie najstarszy. Zawieszenie zależne charakteryzuje się tym, że koła w danej osi połączone są ze sobą w sposób sztywny, poprzez osadzenie ich na wspólnym elemencie, którym może być nienapędzana belka osi lub sztywny most napędowy. Taki układ sprawia, że gdy jedno z kół trafia na nierówność drogi i zmienia położenie, automatycznie wymusza to ruch drugiego koła.

Wadami zawieszenia tego typu, poza nie zawsze pożądanym oddziaływaniem na siebie kół jednej osi (gorsze prowadzenie się auta na zakrętach, łatwość odrywania się kół od powierzchni), są: duża masa elementu łączącego koła, zwłaszcza kiedy na osi występuje przekładnia, oraz konieczność wygospodarowania sporej przestrzeni na pionowy ruch mostu, który pracuje razem z kołami - z tyłu zabiera to przestrzeń bagażową, a z przodu wymusza podniesienie silnika, co z kolei podnosi środek ciężkości pojazdu.

Zawieszenie zależne ma jednak również zalety: masy nieresorowane są niskie, a ono samo jest proste konstrukcyjnie, wytrzymałe, potrafi przenosić duże obciążenia i dlatego chętnie się je stosuje w samochodach ciężarowych, autobusach i terenówkach. W zawieszeniu zależnym często możemy jeszcze spotkać resory piórowe. Inne rozwiązanie to sprężyny śrubowe współpracujące z drążkami reakcyjnymi.

W przypadku samochodów osobowych na przedniej osi najczęściej stosuje się zawieszenia niezależne, a na tylnej niezależne lub oparte na belce skrętnej. Ale nawet jeśli na obu osiach mamy ten sam typ zawieszenia, to i tak nie są one identyczne. Skąd takie rozróżnienie? Nie chodzi o fanaberię konstruktorów. Po prostu z przodu trzeba uwzględniać dodatkowy czynnik - konieczność zastosowania układu zwrotniczego, który umożliwi skręcanie kół.

W zawieszeniu niezależnym każde z kół samochodu porusza się niezależnie od pozostałych. Wymaga to wykorzystania większej liczby wahaczy i drążków, ale układ nie zajmuje dużo miejsca i znacząco poprawia komfort oraz trakcję pojazdu. Najczęściej spotykane rozwiązania zawieszeń niezależnych stosowanych na przedniej osi to układ z podwójnymi wahaczami poprzecznymi, wspomniana już kolumna MacPhersona lub układ wielowahaczowy (wielodrążkowy).

Ten pierwszy ma najdawniejszą metrykę. Zwrotnica koła jest mocowana przez sworzeń kulowy do dwóch poprzecznych wahaczy: górnego i dolnego. Wahacze przytwierdzone są do ramy lub nadwozia i pełnią funkcję nośną - jeden z wahaczy jest podparty sprężyną i amortyzatorem, często jako zespół kolumny zawieszenia. Ten typ zawieszenia bardzo dobrze przeciwdziała przechyłom karoserii na boki.

Najpopularniejsze są jednak kolumny MacPhersona, nazwane tak od nazwiska ich wynalazcy, amerykańskiego konstruktora Earle’a S. MacPhersona, który po raz pierwszy zastosował swój sprytny wynalazek w prototypowym Chevrolecie Cadet w 1946 r. Skąd tak duża popularność tego rozwiązania? Jest ono tanie, proste konstrukcyjnie, zajmuje mało miejsca i jest bardzo skuteczne. Zasadniczy element kolumny McPhersona stanowi amortyzator, na który nałożona jest sprężyna śrubowa. Zakończenia tłoczyska amortyzatora i sprężyny znajdują się w punkcie podparcia w nadkolu (kielichu).

Górne mocowanie amortyzatora umożliwia obrót kolumny wokół swojej osi, a co za tym idzie - skręcanie kół. Jego dolna część jest na sztywno przymocowana do zwrotnicy koła, a zwrotnica - przy pomocy przegubu kulistego z wahaczem poprzecznym. Dzięki temu pojedynczy układ pełni jednocześnie funkcje resorujące, tłumiące oraz prowadzi koła. Słabe strony macphersonów to: przenoszenie części drgań z układu kierowniczego bezpośrednio na karoserię, mocne tarcia w gnieździe tłoczyska wskutek obrotu wokół własnej osi oraz fakt, że koło nie jest prostopadłe do podłoża w całym zakresie pracy.

Zawieszenie wielowahaczowe to konstrukcyjnie najwyższe stadium "rozwoju" takich układów. Jest to dość skomplikowana kombinacja wahaczy wzdłużnych, poprzecznych, skośnych i drążków. Nie ma jednego wzorca zawieszenia wielodrążkowego, każdy producent opracował swoje własne patenty. "Wielowahacz" zapewnia możliwie najmniejsze zmiany kątów zbieżności i pochylenia pod wpływem zmian obciążeń pojazdu i jego ruchu. Mówiąc prościej, nawet podczas szybkiego pokonywania zakrętów auto zachowuje dużą stabilność i dobrą trakcję. Łączy wysoki komfort ze sportowymi właściwościami jezdnymi, dlatego najczęściej spotkamy je w autach premium, szczególnie tych o wyższej masie. Właściciele takich aut dysponują także większym budżetem na naprawy i serwis, co ma w tym wypadku niebagatelne znaczenie, bo zawieszenie wielowahaczowe - ze względu na liczbę elementów i potrzebę zmniejszenia masy nieresorowanej, skutkującą często wykonaniem go ze stopów lekkich - jest bardzo kosztowne. Liczba zalet pozostaje jednak na tyle duża, że układy wielowahaczowe coraz częściej są montowane zarówno na przedniej, jak i na tylnej osi, i to nawet w autach marek popularnych.

Warto wspomnieć, że w kategorii zawieszeń niezależnych na tylnej osi różnorodność jest jeszcze większa niż w zawieszeniu przednim. Poza wspominanym systemem wielodrążkowym stosuje się układy z wahaczami skośnymi, wahaczami wzdłużnymi oraz poprzecznymi. Wszystkie te elementy - podobnie jak amortyzatory i sprężyny - każdy producent montuje nieco inaczej.

Zawieszenie półzależne

W trzecim typie - zawieszeń półzależnych - ruch jednego koła w minimalnym stopniu wpływa na ruch drugiego koła tej samej osi. Do tej grupy zaliczamy przede wszystkim zawieszenia z belką skrętną, składające się z dwóch wahaczy wzdłużnych wleczonych, przymocowanych z jednej strony bezpośrednio do nadwozia, a z drugiej zespolonych za pomocą pojedynczej belki poprzecznej.

Dlaczego belka nosi nazwę skrętnej? Ponieważ jest podatna na odkształcenia, wywoływane pracą wahaczy. Dodatkowo spełnia także funkcję stabilizatora. Zawieszenie tego rodzaju pozostaje bardzo proste konstrukcyjnie, dość skuteczne, tanie w produkcji i naprawach.Poza tym jest lekkie (małe masy nieresorowane), zajmuje mało miejsca (większy bagażnik) i występują w nim niewielkie zmiany kątów pochylenia kół pod działaniem sił bocznych.

Belkę skrętną stosuje się nieprzerwanie od lat 70. XX w., przede wszystkim w autach klasy mini, miejskich i kompaktowych. Szczególnie upodobali ją sobie producenci francuscy i dalekowschodni. Ze względu na konstrukcję ten typ zawieszenia może być stosowany wyłącznie na osi nienapędzanej.

Zawieszenie z belką skrętną ma również szereg wad: wzajemne oddziaływanie ruchów kół na siebie, wysokie naprężenia skrętne i tnące działające na belkę, a w rezultacie duże obciążenia spawów, słaba izolacja nadwozia od drgań i hałasu wynikającego z nierówności nawierzchni.

Pneumatyka, off-road, sport

Jest jeszcze jeden typ zawieszenia - niezrównany pod względem komfortu: zawieszenie pneumatyczne. Niezależnie od obciążenia, parametry resorowania i co za tym idzie prześwit pozostają takie same. W niektórych przypadkach standardowy prześwit można zwiększyć, co ma duże znaczenie w autach terenowych i SUV-ach. Dodatkowo amortyzatory w układzie pneumatycznym mają często charakterystykę tłumienia sterowaną elektronicznie (stopniową lub bezstopniową), co pozwala np. wybrać tryb komfortowy podczas spokojnej jazdy i sportowy podczas bardziej dynamicznej.

W zawieszeniu pneumatycznym tradycyjne elementy sprężyste zastąpione są przez specjalne gumowe worki, zwane miechami, napełnione przez kompresor sprężonym azotem lub powietrzem. Miechy są często zintegrowane z amortyzatorami pneumatycznymi, ich tłoki łączą się z wahaczami, a te z kolei z kołami. Zawór poziomujący związany z ruchem wahacza dba o stałą wysokość zawieszenia. Gdy zawieszenie jest obciążone i ściśnięte, układ pompuje dodatkowe powietrze, a wypuszcza je w momencie rozprężenia układu zawieszenia. Czasami zawieszenie pneumatyczne występuje tylko na tylnej osi, np. w niektórych modelach kombi i wtedy nazywa się nivomatem. Zawieszenia pneumatyczne są bardzo wrażliwe na nieprawidłową eksploatację i serwis, a koszty ich napraw są zwykle wysokie.

Rozwinięcie zawieszenia pneumatycznego stanowi zawieszenie adaptacyjne, w którym aktualny prześwit zależy od prędkością jazdy - np. gdy przyspieszymy, prześwit zmniejszy się, aby obniżyć środek ciężkości. Wisienką na torcie jest natomiast hydropneumatyka, z której słynie przede wszystkim marka Citroën. Zawieszenie hydropneumatyczne Francuzi zastosowali po raz pierwszy w 1954 r., w tylnym zawieszeniu modelu Traction Avant 15 Six H, a rozwinęli w technologicznie rewolucyjnym DS i następcach: SM, CX, BX, XM, Xantia, C5 i C6.

Mimo kolejnych generacji hydropneumatyki i autorskich rozwiązań innych producentów aut, ogólna zasada działania kolumny resorująco-tłumiącej zawieszenia hydropneumatycznego jest cały czas zbliżona do rozwiązania, które poznaliśmy w DS. W zawieszeniu takim nie ma konwencjonalnych elementów, takich jak amortyzatory, sprężyny, resory czy drążki skrętne. Mamy za to przy każdym kole układ ciśnieniowy w formie metalowej kuli (sfery), wypełnionej w połowie sprężonym gazem, a w połowie płynem hydraulicznym, i rozdzielonej przeponą. Kula przytwierdzona jest do aluminiowego cylindra ze stalowym tłokiem w środku. Wahacze zawieszenia łączone są z tłoczyskiem, którego praca wymusza przepływ oleju w cylindrze, następnie płyn wywiera nacisk na gaz, co prowadzi do jego sprężenia i w konsekwencji do tłumienia pionowego ruchu, wywołanego najechaniem koła na wyboje. Bardzo dużą rolę w prawidłowym działaniu hydropneumatyki odgrywają różnego rodzaju czujniki i zawory sterowane elektronicznie.

Na zakończenie jeszcze kilka słów o specyfice zawieszenia w off-roadzie i motorsporcie. Dbałość o nie i dopasowanie go do stawianych mu wyzwań to jedno z najważniejszych zadań, przed którymi stają właściciele terenówek oraz pojazdów sportowych i wyścigowych.

W off-roadzie najlepiej sprawdza się zawieszenie zależne, na sztywnych mostach, resorowanych za pomocą sprężyn śrubowych. Niewiele ustępuje mu tradycyjne zawieszenie oparte o resory piórowe. Równie istotne jest także to, jak "zawiasy" zestroimy. W zwykłym aucie, także w popularnych SUV-ach, bardzo miękkie zawieszenie o dużym skoku zasadniczo uznawane jest za wadę. W terenie jest odwrotnie - odpowiednio przemyślane wykrzyżowanie osi, czyli zdolność sporego skoku danego koła względem podwozia lub drugiego koła tej samej osi, w zasadniczy sposób wpływa na dzielność auta.

W samochodach sportowych zawieszenia są usztywniane, a komfort schodzi na drugi plan. Liczą się trakcja i przyczepność. Na jakość jazdy danym autem wpływa także prześwit. Jest to związane z położeniem środka ciężkości auta. Im niżej się on znajduje, tym szybciej i stabilniej możemy pokonywać zakręty. Dlatego w autach sportowych często możemy natknąć się na zawieszenia gwintowane, w których specjalna konstrukcja sprężyn pozwala na łatwe ustawienie prześwitu auta, a w tych bardziej zaawansowanych także sztywności zawieszenia. Ważny jest też rozstaw kół – im większy, tym lepsza przyczepność na zakrętach.

Nieprawidłowe działanie zawieszenia może spowodować przedwczesne zużycie ogumienia, przegubów w zawieszeniu i układzie kierowniczym, łożysk kół oraz elementów mocujących nadwozie, a także wydłużenie drogi hamowania.

Dlatego warto wiedzieć, jak działa układ zawieszenia w naszym aucie, z jakich elementów jest skonstruowany i na bieżąco dbać o jego należytą sprawność. Kondycja zawieszenia pozostaje wciąż w naszym kraju niedoceniania, chociaż stanowi ono jedno z kluczowych, permanentnie pracujących podzespołów samochodu i to od niego w dużym stopniu zależy nasze bezpieczeństwo.

Krzysztof Jóźwiak