Hjulophængslayout, geometri og hjulføring

Et hjulophængs layout bestemmer, hvordan hjulet styres, mens det bevæger sig, drejer og overfører kræfter. Betegnelser som MacPherson, dobbelte tværarme og multilink beskriver placeringen af arme og led; de forudsiger ikke i sig selv den samlede komfort og køreadfærd, som introduceres i EV suspension overview.

Kinematik og eftergivelighed

En hjulholder kan forskydes og rotere i tre dimensioner. Ophængets arme begrænser de fleste af disse frihedsgrader, samtidig med at de tillader en konstrueret bane gennem kompression og retur. Kinematik beskriver denne ideelle geometriske bevægelse. Elastokinematik, eller eftergivelighedskinematik, beskriver den ekstra bevægelse, der opstår, når bøsninger, led, arme, hjælperammer og karrosseri deformeres under dækkraft.

Begge dele er vigtige. Et layout kan have ønskelig camber i en geometriopstilling, men få uønsket sporing under bremsning, fordi en bøsning giver efter. Omvendt kan omhyggeligt styret eftergivelighed absorbere et slag eller tilføre stabiliserende sporing under sidebelastning. Moderne udvikling kombinerer derfor multibody-simulering, stivhedsmodeller, kinematik- og eftergivelighedstest, holdbarhedsarbejde og vejkalibrering. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance

De vigtigste geometribegreber er:

Camber: hjulets hældning set forfra. Ændringen gennem hjulvandring og karrosserikrængning påvirker, hvordan dækket møder vejen.
Sporing: om hjulene peger indad eller udad set ovenfra. Uønsket ændring i sporing med hjulvandringen kaldes almindeligvis bump steer.
Caster, styreaksehældning og efterløb: styregeometri set forfra og fra siden, som påvirker selvopretning, styrekraft og følsomhed over for forstyrrelser.
Skrubberadius: den tværgående afstand på vejen mellem styreaksens skæringspunkt og kontaktfladens centrum. Den påvirker styrekræfter under bremsning og ved uens vejgreb.
Krængningscenter: en geometrisk repræsentation, der bruges til at analysere, hvordan sidekraften fordeles mellem kræfter i ophængsarmene og elastisk krængning af karrosseriet. Det er ikke et fysisk hængsel og flytter sig med ophængets position.
Anti-dive- og anti-squat-geometri: placering af arme, som leder en del af den langsgående dækkraft gennem ophængets elementer for at modvirke karrosseriets nikning. For høje værdier kan overføre flere forstyrrelser til karrosseriet.
Udvekslingsforhold: forholdet mellem hjulvandring og fjeder- eller støddæmpervandring. Det ændrer hjulraten, støddæmperhastigheden og de nødvendige komponentkræfter.

Ingen enkelt geometriværdi er »bedst«. Målværdierne afhænger af dækadfærd, tyngdepunkt, sporvidde, akselafstand, drivlinjelayout, bremsefordeling, styring, aerodynamik og tilsigtet brug.

Uafhængige, koblede og afhængige layout

Med uafhængigt hjulophæng kan ét hjul bevæge sig lodret, uden at en stiv aksel tvinger det modsatte hjul gennem samme bevægelse. De to sider er stadig koblet gennem karrosseriet, hjælperammen, krængningsstabilisatoren og i nogle systemer hydrauliske eller pneumatiske kredsløb.

En bagaksel med torsionsbjælke kaldes almindeligvis semi-uafhængig. Dens langsgående arme kan bevæge sig forskelligt, men tværbjælken vrides og kobler dem.

Med en afhængig aksel forbinder et stift element de to hjulholdere. Bevægelse af ét hjul ændrer akselenhedens position og kan påvirke det modsatte hjul direkte. Stive drivaksler samler differentialets og drivakslernes funktioner i dette element; en De Dion-konstruktion forbinder hjulene, men monterer differentialet på karrosseriet.

Kategorierne beskriver kobling, ikke kvalitet. En kompaktbil med en veludviklet torsionsbjælke kan være roligere end en dårligt kalibreret uafhængig bagaksel, mens en stiv aksel kan være det rationelle valg af hensyn til nyttelast, holdbarhed og akselvandring.

MacPherson og fjederben med delte arme

Et MacPherson-layout bruger fjeder-støddæmperbenet som et strukturelt hjulførende element. En nedre arm eller flere led placerer hjulholderens nederste del, mens fjederbenets øverste ophæng og styrestangen fuldender den grundlæggende forhjulsgeometri.

Styrkerne er få dele, god udnyttelse af pladsen på tværs og plads mellem fjederbenstårnene til kollisionsstruktur, drivkomponenter eller et forreste bagagerum. Begrænsningerne omfatter høj strukturel belastning gennem fjederbenet og topophænget, følsomhed over for friktion og ophængsstivhed samt mindre uafhængig kontrol over camber og styreaksegeometri end layout med separate øvre arme.

Fjederbensaksler, der kaldes »double-joint«, »dual-axis« eller »double-pivot«, deler den nedre styrefunktion mellem to arme og skaber et virtuelt nedre styrepunkt. De tilhører stadig fjederbensfamilien, men det virtuelle omdrejningspunkt giver ingeniørerne større frihed over skrubberadius, styreforstyrrelser og kraftveje. BMW's egen beskrivelse af sin double-joint-fjederbensaksel viser, hvorfor det er misvisende at reducere ethvert fjederbenslayout til én nedre tværarm. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction

Dobbelte tværarme

Et hjulophæng med dobbelte tværarme placerer hjulet med en øvre og en nedre arm. Armene behøver ikke bogstaveligt at være A-formede; hver af dem kan opdeles i separate led, og fjeder og støddæmper kan virke direkte eller gennem en vippearm eller trykstang.

Separat øvre og nedre geometri giver ingeniørerne betydelig frihed til at forme cambertilvækst, krængningscenterets bevægelse, styreaksens position og anti-dive- eller anti-squat-virkning. Konstruktionen kan også give en stiv hjulføring, hvor støddæmperen er adskilt fra styrebelastningerne.

Prisen er plads og antal komponenter. En øvre arm konkurrerer med dækkets bevægelsesrum, karrosseristrukturen og pladsen i det forreste bagagerum; korte arme kan skabe kraftige geometriændringer, mens lange arme kræver plads. Betegnelsen redder ikke en dårligt valgt tværarmsgeometri.

Multilink

»Multilink« beskriver en familie, ikke én standardmekanisme. Separate led styrer forskellige kombinationer af langsgående, tværgående og roterende bevægelse. Deres placering, ledtyper og stivheder bestemmer resultatet.

Et hjulføringssystem med fem led bruger ofte fem uafhængige led til at begrænse fem af hjulholderens seks frihedsgrader og efterlade den tilsigtede ophængsbevægelse. Virkelige konstruktioner er mindre entydige end lærebogsbeskrivelsen: En tværarm kan tælle som én arm eller to led, et sporingsled kan styre aktivt, og producenter bruger forskellige navnekonventioner.

Værdien af et multilink-layout er friheden til indstilling. Ingeniørerne kan adskille styringen af sporing fra styringen af camber, lede bremse- og drivkræfter gennem forskellige bøsninger og placere fjeder og støddæmper efter behovene til bagage- eller motorplads. Omkostningerne er flere led, strammere tolerancestyring, mere kompleks hjulindstilling og flere muligheder for, at eftergivelighed eller slid ændrer adfærden.

Den nuværende Porsche Taycan demonstrerer forskellen mellem en kategori og dens udførelse: Porsche specificerer dobbelte tværarme foran og en multilink-bagaksel af smedet aluminium og kombinerer derefter disse layout med luftfjedre og styrede støddæmpere. Konstruktionen fortæller ikke læseren, hvilken fjeder- eller støddæmperteknologi der er monteret. Porsche: Taycan front and rear suspension construction

Langsgående arme og torsionsbjælker

En langsgående arm drejer primært omkring en tværgående akse foran hjulet. Den er kompakt og strukturelt direkte ved langsgående belastninger, men en enkel version giver kun begrænset uafhængig kontrol over camber og sporing. Skrå langsgående arme vinkler omdrejningsaksen og kobler bevidst hjulvandringen til ændringer i camber og sporing.

En torsionsbjælke forbinder to langsgående arme med en tværbjælke, der er konstrueret til at vride sig. Elementet placerer hjulene og leverer en del af akslens krængningsstivhed, hvilket kan overflødiggøre en separat krængningsstabilisator.

Layoutet er kompakt, let i kraft af få dele og omkostningseffektivt, og det kan bevare værdifuld plads under gulvet og i bagagerummet. Hjulbevægelserne og eftergiveligheden er stærkere koblet end på en fuldt uafhængig aksel, og høj bagakselbelastning eller krævende mål for komfort og køreegenskaber kan gøre det vanskeligt at optimere bjælke, bøsninger og karrosserifastgørelser samtidigt. Tekniske studier viser dog, at tværbjælkens geometri og bøsningernes orientering giver et betydeligt spillerum til indstilling; »torsionsaksel« er ikke en fuldstændig dom over chassiset. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization

Stive aksler og føring med bladfjedre

En stiv aksel holder forholdet mellem de to hjuls camber fast i forhold til akslen og giver stærke, enkle belastningsveje. Den er fortsat relevant til varevogne, pickups og terrængående biler, hvor nyttelast, anhængervægt, akselartikulation og holdbarhed kan veje tungere end ulemperne ved uaffjedret masse og isolation.

Bladfjedre kan både bære karrosseriet og styre en aksel i længderetningen, så der behøves færre arme. Mere avancerede afhængige aksler bruger separate styrearme, en Panhard-stang eller et Watt-led til at placere akslen, mens skrue- eller luftfjedre bærer lasten.

Fordi differentialet og en stor del af drivlinjen bevæger sig med en stiv drivaksel, kan den uaffjedrede masse være høj. En De Dion-aksel holder differentialet på karrosserisiden, hvilket reducerer denne ulempe, mens den tværgående kobling mellem hjulene bevares.

Geometri er ikke kalibrering

To elbiler med det samme annoncerede layout kan opføre sig forskelligt på grund af:

fjederens og støddæmperens udvekslingsforhold;
statisk kørehøjde og brugbar kompressions- og returvandring;
bøsningernes stivhed, retningsafhængighed og friktion;
hjælperammens og karrosserifastgørelsernes stivhed;
krængningsstabilisatorens stivhed og eftergivelighed i ophængene;
hjuloffset, dækkonstruktion, dæktryk og uaffjedret masse;
mål og tolerancer for hjulindstilling;
software til styring, bremsning og aktivt chassis.

Derfor er suspension springs, suspension dampers og active suspension separate dele af denne serie.

Hvad købere og ejere bør kontrollere

Betragt navnet på et layout som et udgangspunkt. Find den præcise konstruktion foran og bagpå, undersøg om baghjulsstyring eller aktiv sporingskontrol ændrer den, og om valgfrie affjedringspakker erstatter fjedre, støddæmpere eller begge dele.

Hjulindstillingen bør vurderes ved den foreskrevne kørehøjde og belastning. Sænkning, hævning eller montering af en anden hjuloffset kan ændre camber, sporing, bump steer, krængningscenterets placering, drivakselvinkler og resterende vandring. Arme med gummibøsninger kan desuden skulle spændes i den foreskrevne konstruktionsposition; spændes de ved fuld returvandring, kan bøsningerne blive forspændt ved normal kørehøjde.

Bedøm resultatet på vejen: styrepræcision over bump, stabilitet under bremsning, sideværts hovedbevægelser ved skiftende påvirkninger, dækstøj, isolering af slag og måden bilen falder til ro på. Arkitekturen skaber muligheder. Geometri, eftergivelighed og kalibrering afgør, hvor meget af potentialet der når føreren.