När människor tänker på bilprestanda tänker de vanligtvis på hästkrafter, vridmoment och acceleration från noll till 60. Men all kraft som genereras av en kolvmotor är värdelös om föraren inte kan kontrollera bilen. Det var därför bilingenjörer riktade uppmärksamheten mot fjädringssystemet nästan så snart de hade bemästrat fyrtaktsförbränningsmotorn.
En bilupphängnings uppgift är att maximera friktionen mellan däcken och vägbanan, att ge styrstabilitet med bra hantering och att säkerställa passagerarnas komfort. I den här artikeln kommer vi att utforska hur bilupphängningar fungerar, hur de har utvecklats under åren och vart utformningen av upphängningar är på väg i framtiden.
Om en väg var helt platt, utan ojämnheter, skulle upphängningar inte vara nödvändiga. Men vägarna är långt ifrån plana. Även nygjorda motorvägar har subtila brister som kan interagera med hjulen på en bil. Det är dessa ofullkomligheter som applicerar krafter på hjulen. Enligt Newtons rörelselagar har alla krafter både storlek och riktning . En gupp i vägen gör att hjulet rör sig upp och ner vinkelrätt mot vägytan. Storleken beror förstås på om hjulet träffar en gigantisk bula eller en liten fläck. Hur som helst upplever bilhjulet en vertikal acceleration när det går över en ofullkomlighet.
Utan en mellanliggande struktur överförs all hjulets vertikala energi till ramen som rör sig i samma riktning. I en sådan situation kan däcken helt tappa kontakten med vägen. Sedan, under tyngdkraften nedåt, kan däcken smälla tillbaka i vägbanan. Vad du behöver är ett system som absorberar energin från det vertikalt accelererade hjulet, så att ramen och karossen kan åka ostört medan däcken följer gupp på vägen.
Studiet av krafterna som verkar på en bil i rörelse kallas fordonsdynamik , och du måste förstå några av dessa begrepp för att förstå varför en avstängning är nödvändig i första hand. De flesta bilingenjörer betraktar dynamiken i en bil i rörelse ur två perspektiv:
Dessa två egenskaper kan beskrivas ytterligare i tre viktiga principer - vägisolering , väghållning och hörning . Tabellen nedan beskriver dessa principer och hur ingenjörer försöker lösa de utmaningar som är unika för var och en.
En bils fjädring, med dess olika komponenter, ger alla de lösningar som beskrivs.
Låt oss titta på delarna av en typisk fjädring, från den större bilden av chassit till de enskilda komponenterna som utgör själva fjädringen.
Innehåll
Upphängningen av en bil är faktiskt en del av chassit, som omfattar alla viktiga system som finns under bilens kaross. Dessa system inkluderar:
Så fjädringen är bara ett av de viktigaste systemen i alla fordon.
Med den här stora översikten i åtanke är det dags att titta på de tre grundläggande komponenterna i varje fjädring:fjädrar, dämpare och svängningsstänger.
Dagens fjädersystem bygger på en av fyra grundkonstruktioner:
Baserat på var fjädrarna är placerade på en bil – det vill säga mellan hjulen och ramen – tycker ingenjörer ofta att det är bekvämt att prata om den fjädrade massan och den ofjädrade massan .
Den fjädrade massan är massan på fordonet som stöds av fjädrarna, medan den ofjädrade massan definieras löst som massan mellan vägen och fjädrarna. Fjädrarnas styvhet påverkar hur den fjädrande massan reagerar medan bilen körs. Löst fjädrade bilar, som lyxbilar (tänk Mercedes-Benz C-Klass), kan svälja gupp och ge en supersmidig körning; dock är en sådan bil benägen att dyka och sitta på huk under inbromsning och acceleration och tenderar att uppleva kroppen svaj eller rulla under kurvtagning. Tätt fjädrade bilar, som sportbilar (tänk Mazda Miata MX-5), är mindre förlåtande på gropiga vägar, men de minimerar kroppsrörelser bra, vilket innebär att de kan köras aggressivt, även runt hörn.
Så även om fjädrar i sig verkar som enkla enheter, är det en komplex uppgift att designa och implementera dem på en bil för att balansera passagerarkomfort med hantering. Och för att göra saken mer komplex kan inte fjädrarna ensamma ge en perfekt jämn gång. Varför? Eftersom fjädrar är bra på att absorbera energi, men inte så bra på att avleda den. Andra strukturer, kända som dämpare , krävs för att göra detta.
Såvida inte en dämpande struktur är närvarande kommer en bilfjäder att sträcka sig och frigöra energin den absorberar från en gupp i en okontrollerad hastighet. Fjädern kommer att fortsätta att studsa med sin naturliga frekvens tills all energi som ursprungligen lagts in i den är förbrukad. En fjädring byggd på enbart fjädrar skulle ge en extremt studsig åktur och, beroende på terrängen, en okontrollerbar bil.
Gå in i stötdämparen , eller snubber, en enhet som kontrollerar oönskad fjäderrörelse genom en process som kallas dämpning . Stötdämpare saktar ner och minskar omfattningen av vibrationsrörelser genom att omvandla den kinetiska energin från fjädringsrörelsen till värmeenergi som kan avledas genom hydraulvätska. För att förstå hur detta fungerar är det bäst att titta inuti en stötdämpare för att se dess struktur och funktion.
En stötdämpare är i grunden en oljepump placerad mellan bilens ram och hjulen. Stötdämparens övre fäste ansluter till ramen (d.v.s. den fjädrande vikten), medan det nedre fästet ansluter till axeln, nära hjulet (d.v.s. den ofjädrade vikten). I en tvillingrörsdesign , en av de vanligaste typerna av stötdämpare, är det övre fästet kopplat till en kolvstång som i sin tur är kopplad till en kolv som i sin tur sitter i ett rör fyllt med hydraulvätska. Det inre röret är känt som tryckröret, och det yttre röret är känt som reservröret. Reservröret lagrar överskott av hydraulvätska.
När bilhjulet stöter på en gupp i vägbanan och får fjädern att lindas och rullas upp, överförs fjäderenergin till stötdämparen genom det övre fästet, ner genom kolvstången och in i kolven. Hål perforerar kolven och låter vätska läcka igenom när kolven rör sig upp och ner i tryckröret. Eftersom hålen är relativt små, passerar endast en liten mängd vätska, under stort tryck, igenom. Detta saktar ner kolven, vilket i sin tur saktar ner fjädern.
Stötdämpare fungerar i två cykler — kompressionscykeln och förlängningscykeln . Kompressionscykeln sker när kolven rör sig nedåt och komprimerar hydraulvätskan i kammaren under kolven. Förlängningscykeln sker när kolven rör sig mot toppen av tryckröret och komprimerar vätskan i kammaren ovanför kolven. En typisk bil eller lätt lastbil kommer att ha mer motstånd under sin förlängningscykel än dess kompressionscykel. Med det i åtanke styr kompressionscykeln rörelsen av fordonets ofjädrade vikt, medan förlängningen styr den tyngre fjädrande vikten.
Alla moderna stötdämpare är hastighetskänsliga — Ju snabbare fjädringen rör sig, desto mer motstånd ger stötdämparen. Detta gör det möjligt för stötar att anpassa sig till vägförhållandena och att kontrollera alla oönskade rörelser som kan uppstå i ett fordon i rörelse, inklusive studs, svaj, bromsdyk och accelerationsknäböj.
En annan vanlig dämpande struktur är staget — i princip en stötdämpare monterad inuti en spiralfjäder. Struts utför två jobb:De ger en dämpning fungerar som stötdämpare och ger strukturellt stöd för fordonsupphängningen. Det betyder att fjäderben levererar lite mer än stötdämpare, som inte stöder fordonets vikt – de styr bara hastigheten med vilken vikten överförs i en bil, inte själva vikten.
Eftersom stötdämpare och fjäderben har så mycket att göra med hanteringen av en bil, kan de betraktas som kritiska säkerhetsdetaljer. Slitna stötdämpare och fjäderben kan tillåta överdriven fordonsviktöverföring från sida till sida och fram och bak. Detta minskar däckets förmåga att greppa vägen, samt hantering och bromsprestanda.
Svängningsstänger (även känd som krängningshämmare) används tillsammans med stötdämpare eller fjäderben för att ge en rörlig bil ytterligare stabilitet. En svängstång är en metallstång som sträcker sig över hela axeln och effektivt förenar varje sida av upphängningen.
När fjädringen vid ett hjul rör sig upp och ner, överför svajstången rörelse till det andra hjulet. Detta skapar en jämnare körning och minskar fordonets svajning . I synnerhet bekämpar den rullningen av en bil på dess fjädring när den svänger. Av denna anledning är nästan alla bilar idag utrustade med svajbyglar som standardutrustning, men om de inte är det, gör kit det enkelt att installera stängerna när som helst.
Hittills har våra diskussioner fokuserat på hur fjädrar och dämpare fungerar på ett givet hjul. Men de fyra hjulen på en bil fungerar tillsammans i två oberoende system - de två hjulen som är förbundna med framaxeln och de två hjulen som är förbundna med bakaxeln. Det betyder att en bil kan och vanligtvis har en annan typ av fjädring fram och bak.
Mycket bestäms av om en stel axel binder hjulen eller om hjulen tillåts röra sig oberoende. Det förra arrangemanget är känt som ett beroende system , medan det senare arrangemanget är känt som ett oberoende system . I följande avsnitt ska vi titta på några av de vanligaste typerna av fram- och bakupphängning som vanligtvis används på vanliga bilar.
Beroende framhjulsupphängningar har en stel framaxel som förbinder framhjulen. I grund och botten ser detta ut som en rejäl stång under bilens front, som hålls på plats av bladfjädrar och stötdämpare. Vanligt på lastbilar, beroende framhjulsupphängningar har inte använts i vanliga bilar på flera år.
I denna uppställning tillåts framhjulen att röra sig oberoende av varandra. MacPherson fjäderben , utvecklat av Earle S. MacPherson från General Motors 1947, är det mest använda främre fjädringssystemet, särskilt i bilar av europeiskt ursprung.
MacPherson fjäderben kombinerar en stötdämpare och en spiralfjäder i en enda enhet. Detta ger ett mer kompakt och lättare fjädringssystem som kan användas för framhjulsdrivna fordon.
upphängningen med dubbla skenben , även känd som en A-armsupphängning eller kontrollarmsupphängning, är en annan vanlig typ av främre oberoende fjädring.
Även om det finns flera olika möjliga konfigurationer, använder den här designen vanligtvis två armar med armar för att lokalisera hjulet. Varje bärarm, som har två monteringslägen på ramen och ett vid ratten, har en stötdämpare och en spiralfjäder för att absorbera vibrationer. Upphängningar med dubbla skenben ger mer kontroll över hjulets cambervinkel, vilket beskriver i vilken grad hjulen lutar in och ut. De hjälper också till att minimera rullning eller svängning och ger en mer konsekvent styrkänsla. På grund av dessa egenskaper är fjädring med dubbla skenben vanlig på framhjulen på större bilar.
Låt oss nu titta på några vanliga bakre fjädringar.
Om en solid axel förbinder bakhjulen på en bil, är upphängningen vanligtvis ganska enkel - baserad på antingen en bladfjäder eller en spiralfjäder. I den tidigare designen klämmer bladfjädrarna direkt till drivaxeln. Bladfjädrarnas ändar fäster direkt på ramen och stötdämparen är fäst vid klämman som håller fjädern på axeln. Under många år föredrog amerikanska biltillverkare denna design på grund av dess enkelhet.
Samma grundläggande design kan uppnås med spiralfjädrar som ersätter bladen. I detta fall kan fjädern och stötdämparen monteras som en enhet eller som separata komponenter. När de är separata kan fjädrarna vara mycket mindre, vilket minskar mängden utrymme som upphängningen tar upp.
Om både de främre och bakre fjädringarna är oberoende, är alla hjulen monterade och fjädrade individuellt, vilket resulterar i vad bilreklam bjuder på som "fyrahjulsoberoende fjädring." Alla fjädringar som kan användas på framsidan av bilen kan användas på baksidan, och versioner av de främre oberoende systemen som beskrivs i föregående avsnitt kan hittas på bakaxlarna. Naturligtvis, på baksidan av bilen, saknas styrstången - den montering som inkluderar kugghjulet och gör det möjligt för hjulen att svänga från sida till sida. Detta innebär att de bakre oberoende fjädringarna kan vara förenklade versioner av de främre, även om grundprinciperna förblir desamma.
Därefter ska vi titta på upphängningarna av specialbilar.
Historiska avstängningar1500-talets vagnar och vagnar försökte lösa problemet med att "känna varje gupp på vägen" genom att slänga vagnskroppen från läderremmar fästa vid fyra stolpar på ett chassi som såg ut som ett uppåtvänt bord. Eftersom vagnskroppen var upphängd från chassit kom systemet att bli känt som en "upphängning" - en term som fortfarande används idag för att beskriva hela klassen av lösningar. Den slungade karossupphängningen var inte ett riktigt fjädersystem, men det gjorde det möjligt för karossen och vagnens hjul att röra sig oberoende av varandra. Semi-elliptiska fjäderdesigner, även känd som vagnfjädrar, ersatte snabbt upphängningen av läderremmen. Populära på vagnar, barnvagnar och vagnar, de semi-elliptiska fjädrarna användes ofta på både fram- och bakaxeln. De hade dock en tendens att tillåta svajning framåt och bakåt och hade en hög tyngdpunkt. När motordrivna fordon körde ut på vägen utvecklades andra, mer effektiva fjädersystem för att jämna ut åkturen för passagerare.
För det mesta har den här artikeln fokuserat på upphängningarna av vanliga fram- och bakhjulsdrivna bilar - bilar som kör på normala vägar under normala körförhållanden. Men hur är det med upphängningarna av specialbilar, som hot rods, racerbilar eller extrema terrängfordon? Även om upphängningarna av specialbilar följer samma grundläggande principer, ger de ytterligare fördelar som är unika för de körförhållanden de måste navigera. Vad som följer är en kort översikt över hur fjädringar är designade för tre typer av specialbilar - Baja Bugs, Formel 1-racerbilar och hot rods i amerikansk stil.
Volkswagen Beetle, eller Bug, var avsedd att bli en favorit bland terrängentusiaster. Med en låg tyngdpunkt och motorplacering över bakaxeln klarar den tvåhjulsdrivna Bug terrängförhållanden såväl som vissa fyrhjulsdrivna fordon. Naturligtvis är VW Bug inte redo för terrängförhållanden med sin fabriksutrustning. De flesta buggar kräver vissa modifieringar, eller omvandlingar, för att göra dem redo för racing under svåra förhållanden som öknarna i Baja California.
En av de viktigaste modifieringarna sker i upphängningen. Torsion-bar fjädring, standardutrustning på fram- och baksidan av de flesta Bugs mellan 1936 och 1977, kan höjas för att göra plats för tunga terränghjul och däck. Längre stötdämpare ersätter standarddämparna för att lyfta karossen högre och ge maximal hjulrörelse. I vissa fall tar Baja Bug-omvandlare bort torsionsstängerna helt och ersätter dem med flera coil-over-system , en eftermarknadsvara som kombinerar både fjäder och stötdämpare i en justerbar enhet. Resultatet av dessa modifieringar är ett fordon som gör att hjulen kan färdas vertikalt 20 tum (50 centimeter) eller mer i varje ände. En sådan bil kan lätt navigera i tuff terräng och verkar ofta "hoppa" över ökentvättbrädan som en sten över vatten.
Formel 1-racingbilen representerar toppen av bilinnovation och evolution. Lättviktskompositkarosser, kraftfulla V10-motorer och avancerad aerodynamik har lett till snabbare, säkrare och mer pålitliga bilar.
För att höja förarens skicklighet som den viktigaste differentierande faktorn i ett lopp, styr stränga regler och krav Formel 1 racerbilsdesign. Till exempel säger reglerna som reglerar upphängningsdesign att alla Formel 1-förare måste vara konventionellt fjädrade, men de tillåter inte datorstyrda, aktiva fjädringar. För att klara detta har bilarna flerlänksupphängning , som använder en flerstavsmekanism som motsvarar ett system med dubbla skenben.
Kom ihåg att en design med dubbla armar använder två armar med armar för att styra varje hjuls upp-och-ner-rörelse. Varje arm har tre monteringspositioner - två vid ramen och en vid hjulnavet - och varje led är ledad för att styra hjulets rörelse. I alla bilar är den främsta fördelen med en fjädring med dubbla skenben kontroll . Armarnas geometri och ledernas elasticitet ger ingenjörer ultimat kontroll över hjulets vinkel och annan fordonsdynamik, såsom lyft, knäböj och dyk.
Till skillnad från landsvägsbilar monteras dock inte stötdämparna och spiralfjädrarna i en Formel 1-racerbil direkt på styrarmarna. Istället är de orienterade längs bilens längd och fjärrstyrs genom en serie tryck- och dragstänger. De översätter hjulets upp-och-ned-rörelser till fjäder-och-dämparens fram- och tillbakarörelse.
Den klassiska amerikanska hot rod-eran varade från 1945 till cirka 1965. Precis som Baja Bugs krävde klassiska hot rods betydande modifieringar av sina ägare. Till skillnad från Bugs, som är byggda på Volkswagen-chassi, byggdes hot rods på en mängd gamla, ofta historiska, bilmodeller:Bilar tillverkade före 1945 ansågs vara idealiskt foder för hot rod-transformationer eftersom deras karosser och ramar ofta var i gott skick , medan deras motorer och transmissioner behövde bytas ut helt. För hot rod-entusiaster var detta precis vad de ville, för det gjorde det möjligt för dem att installera mer pålitliga och kraftfulla motorer, som den flatheadade Ford V8 eller Chevrolet V8.
En populär hot rod var känd som T-bucket eftersom den var baserad på Ford Model T. Den vanliga Ford-upphängningen på framsidan av Model T bestod av en solid I-balk framaxel (en beroende fjädring), en U-formad buggyfjäder (bladfjäder) och en bärarms- formad radiestav med en kula i den bakre änden som svängdes i en kopp fäst vid transmissionen.
Fords ingenjörer byggde Model T för att åka högt med en stor mängd fjädringsrörelser, en idealisk design för 1930-talets grova, primitiva vägar. Men efter andra världskriget började hot rodders experimentera med större Cadillac- eller Lincoln-motorer, vilket gjorde att den triangelformade radiestaven inte längre var tillämplig. Istället tog de bort mittkulan och bultade fast ändarna av bärarmsbenet till ramskenorna. Det här "delade armbenet designen sänkte framaxeln cirka 1 tum (2,5 centimeter) och förbättrade fordonshanteringen.
Att sänka axeln mer än en tum krävde en helt ny design, som levererades av ett företag känt som Bell Auto. Under hela 1940- och 1950-talen erbjöd Bell Auto tappade röraxlar som sänkte bilen hela 5 tum (13 centimeter). Röraxlarna byggdes av släta stålrör och balanserad styrka med suverän aerodynamik. Stålytan accepterade också kromplätering bättre än de smidda I-balkaxlarna, så hot rodders föredrog dem ofta också för sina estetiska egenskaper.
Vissa hot rod-entusiaster hävdade dock att röraxelns styvhet och oförmåga att böja kompromissade hur den hanterade påfrestningarna vid körning. För att tillgodose detta introducerade hot rodders fyrstavsupphängningen , med två monteringspunkter på axeln och två på ramen. Vid varje monteringspunkt gav flygplansstångsändar gott om rörelse i alla vinklar. Resultatet? Fyrstavssystemet förbättrade hur fjädringen fungerade i alla möjliga körförhållanden.
För mer information om bilupphängningar och relaterade ämnen, kolla in länkarna nedan.
Ursprungligen publicerad:11 maj 2005
