Sprężyny powietrzne – skąd ten pomysł?

Sprężyny powietrzne – skąd ten pomysł? Corteco
11.2.2022

Aby osiągnąć lepsze właściwości jezdne, zawieszenia pneumatycznego używa się w miejsce konwencjonalnych sprężyn stalowych w pojazdach ciężkich, takich jak autobusy i ciężarówki, a także w niektórych samochodach osobowych. Jest ono również szeroko stosowane w naczepach i pociągach, głównie pasażerskich.

 

  • ​Zadaniem zawieszenia pneumatycznego jest dostarczenie najwyższej, stałej jakości komfortu jazdy
  • Chociaż tradycyjnie nazywane są poduszkami powietrznymi lub miechami powietrznymi, prawidłowym określeniem jest sprężyna powietrzna
  • Amerykanin William W. Humphreys opatentował „pneumatyczną sprężynę do pojazdów”
  • Kluczowym elementem w sprężynach powietrznych do pojazdów lekkich jest gumowy mieszek
  • W przypadku pojazdów elektrycznych coraz bardziej popularne staje się zastosowanie resorów pneumatycznych z tyłu lub na wszystkich czterech narożnikach pojazdu
  • Zawieszenie pneumatyczne w samochodach elektrycznych ma olbrzymi wpływ na układ efektywnego pasywnego chłodzenia akumulatorów, które są przeważnie umieszczone w podłodze samochodu
Reklama

Zadaniem zawieszenia pneumatycznego jest dostarczenie najwyższej, stałej jakości komfortu jazdy, ale bywa ono także stosowane jako zawieszenie w pojazdach sportowych. Nowoczesne elektronicznie sterowane systemy w samochodach osobowych i lekkich ciężarówkach prawie zawsze mają funkcję samopoziomowania wraz z funkcjami podnoszenia i opuszczania. Chociaż tradycyjnie nazywane są poduszkami powietrznymi lub miechami powietrznymi, prawidłowym określeniem jest sprężyna powietrzna (choć terminy te są również używane do opisania tylko gumowych elementów miechów z płyt końcowych).

Elementy zawieszenia pneumatycznego
Elementy zawieszenia pneumatycznego. Źródło: Audi

Idea płynnej i komfortowej jazdy jest tak stara jak projektowanie i produkcja samochodów. Na początku motoryzacji, w 1901 r., Amerykanin William W. Humphreys opatentował „pneumatyczną sprężynę do pojazdów”. Konstrukcja składała się z lewej i prawej sprężyny pneumatycznej, wzdłużnie poprowadzonej przez prawie całą długość pojazdu. Kanały były zagłębione w celu umieszczenia w nich dwóch długich poduszek pneumatycznych. Każda z nich była zamknięta na jednym końcu i miała zawór powietrza na drugim.

W 1920 r. Francuz George Messier dostarczył na rynek wtórny pneumatyczne systemy zawieszenia. Jego własne samochody Messier były produkowane w latach 1922–1930 i wyposażone w zawieszenie „do utrzymania samochodu na czterech pęcherzykach gazu”.

Podczas II wojny światowej USA opracowało zawieszenie pneumatyczne dla ciężkich samolotów w celu zmniejszenia wagi przy zwartej konstrukcji. Systemy pneumatyczne były również stosowane w ciężkich samochodach ciężarowych i samolotach w celu uzyskania samopoziomującego zawieszenia. Dzięki regulowanemu ciśnieniu powietrza wysokość osi była niezależna od obciążenia pojazdu.

Dalszy rozwój nastąpił w roku 1954, kiedy Francuz Paul Magès zaprojektował i opracował działające zawieszenie hydropneumatyczne typu powietrze/olej. Łączyło ono w sobie zalety wcześniejszych koncepcji zawieszenia pneumatycznego, ale z wykorzystaniem płynu hydraulicznego, a nie powietrza pod ciśnieniem.

Citroën zastąpił konwencjonalne sprężyny stalowe na tylnej osi swojego topowego modelu – Traction Avant 15 Hydraulique. W 1955 r. w modelu Citroën DS zastosowano zawieszenie hydropneumatyczne czterech kół. Rozwiązanie takie łączyło bardzo miękkie, komfortowe zawieszenie wraz systemem samopoziomowania, z pełną kontrolą ruchów pozwalającą na pewne prowadzenie w każdych warunkach.

Rolls-Royce wprowadził samopoziomujące zawieszenie w Rolls-Royce Silver Shadow z 1965 r., był to system zbudowany na licencji Citroëna. Pierwszym niemieckim pojazdem z samopoziomującym zawieszeniem był Borgward P100 produkowany w 1960 r.

W 1962 r. na platformie Mercedes-Benz W112 pojawiło się zawieszenie pneumatyczne w modelach 300SE. System wykorzystywał zawór główny firmy Bosch z dwoma zaworami osiowymi z przodu i jednym z tyłu. Kontrolowały one stożkową sprężynę powietrzną na każdej osi koła. System utrzymywał stałą wysokość jazdy, wykorzystując zbiornik powietrza, który był napełniany przez jednocylindrową sprężarkę powietrza napędzaną silnikiem. W 1964 r. w Mercedesie 600 zastosowano większe sprężyny powietrzne, a system sprężonego powietrza zasilał również serwo hamulcowe.

Reklama

W modelu Mercedes-Benz 450SEL 6.9 (1975) zastosowano zawieszenie hydropneumatyczne po wygaśnięciu patentów na tę technologię. Ta konstrukcja zastąpiła drogi, skomplikowany i problematyczny system sprężonego powietrza, który był nadal używany w modelach 600 aż do 1984 r.

Pierwszy elektronicznie sterowany (TEMS) półaktywny system pełnego zawieszenia pneumatycznego (stała sprężyna, zmienna siła tłumienia) wprowadzono w samochodzie Toyota Soarer w 1986 r.

Firma Dunlop Systems Coventry UK była również pionierem w dziedzinie elektronicznie sterowanego zawieszenia pneumatycznego (electronically controlled air suspension – ECAS) dla pojazdów terenowych. Termin ECAS został z powodzeniem wprowadzony do obrotu handlowego. System ten po raz pierwszy zastosowano w modelu 93MY Land Rover Range Rover. Dziś systemy ECAS są szeroko stosowane zarówno w ciężkich pojazdach, takich jak ciężarówki i autobusy, jak i w lekkich kategoriach, takich jak SUV-y, samochody osobowe i lekkie pojazdy użytkowe.

ECAS oferuje zawieszenie o zmiennej wysokości do zastosowań na drodze i w terenie. Pięć typowych wysokości zawieszenia oferowanych przez ECAS (od najniższej do najwyższej w zakresie wysokości) obejmuje opcje: „Załadunek”, „Autostrada”, „Standard”, „Off-Road” i „Off-Road Rozszerzony”. Wysokość jest kontrolowana automatycznie na podstawie czujników prędkości i podwozia, ale ręczny przełącznik wysokości jazdy pozwala kierowcy kontrolować zawieszenie. Wysokości „Załadunek” i „Off-Road” są dostępne tylko przy prędkościach zazwyczaj mniejszych niż 35 mil/h (56 km/h). Ustawienie „Autostrada” nie jest dostępne manualnie, ustawia się automatycznie, gdy pojazd porusza się z prędkością ponad 50 mil/h (80 km/h) dłużej niż przez 30 sekund. W przeciwieństwie do mechanicznego układu sprężyn (gdzie ugięcie jest proporcjonalne do obciążenia) wysokość można zmieniać niezależnie od obciążenia przez zmianę ciśnienia w sprężynach powietrznych.

Sprężyny powietrzne zaprojektowano tak, aby zapewnić płynną jazdę, z dodatkową możliwością podniesienia nadwozia pojazdu w celu uzyskania prześwitu w terenie i obniżenia go w trakcie jazdy po drogach z wyższymi prędkościami. Sprężyny mechaniczne, dla których ugięcie jest proporcjonalne do obciążenia, nie są w stanie tego zrobić. W systemie ECAS wysokość jest bowiem w dużym stopniu niezależna od obciążenia. Twórcy systemu ECAS zaprojektowali również LoadSafe, powiązany system do określania obciążenia i zmian obciążenia w pojazdach dostawczych wyposażonych w resory pneumatyczne.

Technologia sprężyn pneumatycznych dla samochodów pasażerskich oferuje wiele imponujących korzyści w porównaniu z resorami zwojowymi. Po pierwsze, resory pneumatyczne utrzymują pojazd na stałym poziomie, niezależnie od tego, jak duże jest obciążenie. Po drugie, kierowcy mogą dowolnie konfigurować swoje podwozie, na przykład wybierając między twardym zawieszeniem sportowym a bardziej komfortowym.

Kluczowym elementem w sprężynach powietrznych do pojazdów lekkich jest mieszek gumowy. Decyduje on zasadniczo o komforcie i właściwościach użytkowych. Rozróżnia się trzy różne typy mieszków. Różnią się one pod względem struktury włókien wzmacniających osadzonych w mieszku. W przypadku miechów osiowych włókna osadzone w elastomerze biegną osiowo w kierunku ugięcia. W przeciwieństwie do tego mieszek poprzeczny ma dwie przecinające się warstwy elementów wzmacniających, ale nie są one połączone (w przeciwieństwie do tkaniny). Nowo opracowany mieszek poprzeczno-osiowy (lub mieszek ZAX) łączy w sobie dobrą zdolność odsprzęgania skrętnego mieszków osiowych ze stabilnością wymiarową mieszków poprzeczno-warstwowych.

Niezwykle cienki mieszek resoru pneumatycznego do pojazdów lekkich w połączeniu z osiowo rozciągającym się wzmocnieniem skutkuje bardzo niskim poziomem tarcia.

W miechach poprzecznych stosowanych głównie na tylnej osi stosuje się dwie warstwy krzyżujących się nośników wzmocnienia (włókien) w ściance miecha. Są one pokryte wewnątrz i na zewnątrz uszczelniającą lub ochronną warstwą elastomeru. Między dwoma warstwami nici znajduje się kolejna warstwa elastomeru – warstwa pośrednia, która definiuje geometryczną spójność obu warstw nici. W przypadku mieszków krzyżowych odporność na nacisk jest określona przez nośnik stabilności, podczas gdy właściwości materiałowe warstwy pośredniej wpływają na żywotność i komfort. Zaletami mieszków poprzecznych są wysoka odporność na ciśnienie i stabilność wymiarowa, a także stosunkowo prosta i bezpieczna produkcja.

Przekrój miecha pneumatycznego. Źródło: Corteco
Warto wiedzieć
Ważna cisza
Vibracoustic opracował zupełnie nowe zawory przełączające, które kontrolują skalę przepływu, odgrywają również ważną rolę w odniesieniu do nowych sprężyn powietrznych. Czasy przełączania muszą być wystarczająco krótkie, a otwór musi być odpowiednio zwymiarowany. Jednak konstruktorzy zminimalizowali również hałas przełączania za pomocą membrany, aby nie był on odczuwalny przez kierowców i pasażerów pojazdu. Ta cecha jest szczególnie ważna w przypadku pojazdów elektrycznych, w których nie występują hałas spalania ani wibracje silnika, które mogłyby pokryć ten rodzaj hałasu.

Trójkomorowy system sprężyn powietrznych

Przez włączanie i wyłączanie poszczególnych komór powietrznych za pomocą inteligentnego sterowania resory pneumatyczne mogą być ustawione na cztery różne poziomy sztywności zależnie od konkretnej sytuacji na drodze. Dzięki temu jazda staje się bardziej komfortowa lub bardziej dynamiczna, a także bezpieczniejsza.

W przypadku pojazdów elektrycznych coraz bardziej popularne staje się zastosowanie resorów pneumatycznych z tyłu lub na wszystkich czterech narożnikach pojazdu. Pozwala to na regulację poziomu samochodu, co jest szczególnie ważne w przypadku pojazdów z napędem elektrycznym, ponieważ umożliwia prowadzenie strumienia powietrza pod samochodem. Ma to olbrzymi wpływ na układ efektywnego pasywnego chłodzenia akumulatorów, które są przeważnie umieszczone w podłodze samochodu.

Pomysł trójkomorowego systemu sprężyn powietrznych dla lekkich pojazdów jest prosty: im większa dostępna objętość, tym bardziej miękkie sprężyny, a im mniejsza objętość powietrza, tym sztywniejsze sprężyny. W obecnych aplikacjach sztywność sprężyn może być praktycznie podwojona, od bardzo miękkiej do ekstremalnie sztywnej, na czterech poziomach nachylenia.

Na podstawie informacji z firmy Corteco

 

O Autorze

autoEXPERT – specjalistyczny miesięcznik motoryzacyjny, przeznaczony dla osób zajmujących się zawodowo naprawą, obsługą, diagnostyką i sprzedażą samochodów oraz produkcją i sprzedażą akcesoriów motoryzacyjnych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę