Sähköauton jousitus: pyöränhallinta, ajomukavuus ja ajo-ominaisuudet

Jousitus on mekaaninen ja elektroninen järjestelmä, joka hallitsee sähköauton renkaiden ja korin välisiä voimia. Sen tehtävä ei ole vain tehdä ajosta pehmeää: sen on säilytettävä renkaiden käyttökelpoinen kuormitus, hallittava korin liikkeitä, tarjottava riittävä joustovara, eristettävä melua ja tärinää sekä vietävä ajoneuvo turvallisesti jarrutusten, kiihdytysten ja kaarreajon läpi.

Mitä jousitus hallitsee

Tien aiheuttama heräte alkaa renkaan kosketuspinnasta. Rengas joustaa, pyörä ja napa liikkuvat, jousituksen tukivarret ohjaavat liikettä, jousi varastoi energiaa ja iskunvaimennin muuttaa osan liikkeestä lämmöksi. Helat, apurungot, istuimet ja korirakenne määräävät, kuinka suuri osa jäljelle jäävästä häiriöstä välittyy matkustajille.

Järjestelmällä on siksi useita samanaikaisia tehtäviä:

pitää pyörä käyttökelpoisella camber- ja aurauskulman alueella sen joustaessa ja kääntyessä;
rajoittaa renkaan pystysuuntaisen kuormituksen vaihtelua, jotta rengas pystyy tuottamaan ennakoitavia jarrutus-, kaarre- ja vetovoimia;
hallita korin pystyliikettä (ylös ja alas), nyökkäystä (pitkittäissuuntainen kiertyminen) ja kallistusta (sivusuuntainen kiertyminen);
vaimentaa tien herätteet ilman, että sisään- tai ulosjouston rajoittimet osuvat toistuvasti;
kantaa vaihtelevat matkustaja-, tavara- ja vetokuormat hyväksyttävällä ajokorkeudella;
eristää rakenteita pitkin etenevää melua heikentämättä pyörän paikannuksen tarkkuutta.

Mikään jousitus ei pysty pitämään rengasvoimaa täysin vakiona. Töyssy, painanne tai ohjausliike jakaa kuormaa aina uudelleen, eikä ilmassa oleva rengas voi välittää voimaa tiehen. Suunnittelun tavoitteena on hallita muutosten suuruutta, nopeutta ja kestoa käytettävissä olevan pidon ja joustovaran rajoissa.

Hyödyllinen malli: kori, pyörä ja tie

Yksinkertaisin käyttökelpoinen jousitusmalli kuvaa auton yhtä kulmaa kahdella liikkuvalla massalla:

jousitettu massa: jousen kannattelema osuus korista, akusta, matkustajista ja kuormasta;
jousittamaton massa: pääasiassa pyörä, rengas, napa, jarru ja osa jousituksen tukivarsista;
jousituksen jousi ja iskunvaimennin näiden massojen välissä;
renkaan jäykkyys ja vaimennus jousittamattoman massan ja tien välissä.

Tämä kahden vapausasteen ”neljännesautomalli” on tarkoituksella epätäydellinen, mutta se tuo esiin keskeisen kompromissin. Korin pehmeää eristystä, joustovaran tarkkaa hallintaa ja renkaan kuormituksen vähäistä vaihtelua ei voida optimoida toisistaan riippumatta passiivisella jousella ja iskunvaimentimella. Yhden parametrin muuttaminen vaikuttaa useampaan kuin yhteen tulokseen. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

Heikosti vaimennetussa yhden massan likiarvossa korin ominaistaajuus on:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

Tässä kᵥ on pystysuuntainen pyöräjäykkyys yksikössä N/m ja mₛ kyseisen kulman kannattelema jousitettu massa kilogrammoina. Todellisessa ajoneuvossa kaikki neljä pyörää ovat kytkeytyneet toisiinsa, ja mukana on myös renkaiden, istuinten, helojen ja rakenteiden värähtelymuotoja. Siksi yhtälö on ajattelun apuväline, ei täydellinen ajomukavuuden ennuste.

Ajomukavuutta ei myöskään voi kuvata yhdellä yleispätevällä kiihtyvyysluvulla. Ihmisen herkkyys riippuu värähtelyn taajuudesta, suunnasta ja kestosta, asennosta sekä hetkellisistä iskuista. ISO 2631-1 arvioi siksi koko kehoon kohdistuvaa tärinää taajuuspainotettuna sen sijaan, että kaikki kiihtyvyys käsiteltäisiin samanarvoisena. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

Voimien kulkureitit

Jousituksen osilla on eri tehtävät:

Renkaat ovat voimareitin ensimmäiset jouset ja vaimentimet. Niiden rakenne, paine, koko ja lämpötila voivat muuttaa sekä mukavuutta että ohjaustuntumaa.
Jouset kantavat staattisen kuorman ja varastoivat energiaa jousituksen liikkuessa. Ne määrittävät ajokorkeuden ja yhdessä geometrian kanssa pyöräjäykkyyden.
Iskunvaimentimet vastustavat suhteellista liikettä ja hajottavat energiaa. Tavallisessa henkilöautorakenteessa ne eivät kanna ajoneuvon staattista painoa.
Tukivarret, nivelet ja joustintuet rajoittavat pyörän liikerataa ja välittävät pitkittäisiä, sivuttaisia ja pystysuuntaisia voimia.
Helat ja kiinnikkeet tuovat järjestelmään tarkoituksellista joustoa ja eristystä. Niiden kuormituksesta aiheutuva muodonmuutos eli elastokinematiikka voi muuttaa aurausta, camber-kulmaa ja ohjausvastetta.
Kallistuksenvakaajat lisäävät jousivoimaa pääasiassa silloin, kun vasen ja oikea pyörä liikkuvat eri verran.
Sisään- ja ulosjouston rajoittimet toimivat lisäjousina lähellä joustoliikkeen päätepisteitä.
Anturit, venttiilit, pumput ja toimilaitteet voivat muuttaa vaimennusta, ajokorkeutta, kallistusjäykkyyttä tai yksittäiseen pyörään kohdistuvaa voimaa.

Näitä osia ei voi arvioida erillään. Pienen kitkan iskunvaimentimesta on hyötyä vain, jos sen kiinnikkeet ja nivelet sallivat nopean reagoinnin. Kehittynyt monivarsituentakin voi ohjata pyörää arvaamattomasti, jos helat taipuvat väärään suuntaan. Pehmeä pääjousi voi tuntua kovalta, jos auto käy liian usein sisäänjouston rajoittimilla.

Miksi sähköauto muuttaa säätöongelmaa

Jousituksen fysikaaliset lait eivät muutu sähköautossa, mutta suunnittelun lähtöarvot muuttuvat usein.

Ajoakku voi muuttaa kokonaismassaa, akselikuormien jakaumaa, kierto- ja nyökkäyshitausta sekä jousituksen ympärillä käytettävissä olevaa rakennetilaa. Olemassa olevan polttomoottorialustan muuttaminen akkusähköiseksi voi siksi edellyttää pyöräjäykkyyden, vaimennuksen, kallistusjäykkyyden, joustovaran, camberin ja aurauksen uudelleenarviointia pelkän jousijäykkyyden kasvattamisen sijaan. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Useat sähköauton ominaisuudet vaativat erityistä huomiota:

Lattiaan sijoitettu akku tuo suuren määrän jousitettua massaa alas koriin. Tämä voi pienentää tietyn sivuttaiskiihtyvyyden synnyttämää kallistusmomenttia, mutta se ei poista tarvetta hallita kallistusta tai renkaiden välistä kuormansiirtoa.
Suuri ajoneuvomassa kasvattaa korin liikkeisiin sitoutuvaa energiaa ja voimia, joita niiden pysäyttäminen rajallisella joustovaralla vaatii. Massa ei kuitenkaan yksin ratkaise sähköauton ajomukavuutta.
Suuri vetävä vääntömomentti ja regeneratiivinen hidastus voivat tehdä nyökkäyksen säädöstä ja akselikuormien muutoksista helpommin havaittavia.
Suuret vanteet, leveät renkaat ja suuret jarrut voivat kasvattaa jousittamatonta massaa ja renkaiden jäykkyyttä. Vaikutus on arvioitava koko pyörä-rengaspaketin perusteella.
Kun moottorin peittävää melua on vähän, iskut, iskunvaimentimien suhina, renkaan ontelomelu ja helojen kautta tulevat herätteet kuuluvat helpommin.
Säädettävä ajokorkeus voi suojata akkua huonoilla teillä tai laskea koria nopeudessa, mutta mahdollinen toimintamatkahyöty riippuu ajoneuvon aerodynamiikasta, ohjausstrategiasta ja järjestelmän energiankulutuksesta.

Oikea johtopäätös ei ole, että jokainen sähköauto tarvitsee ilma- tai aktiivijousituksen. Sähköautokohtainen massajakauma, rengaspaketti, rakenne ja käyttötapa edellyttävät sähköautokohtaista säätöä.

Miten viisi artikkelia liittyvät toisiinsa

Teknisissä tiedoissa mainittu laitteiston nimi kertoo vain osan kokonaisuudesta:

suspension layouts and wheel-control geometry käsittelee pyöräntuennan rakenteita, kinematiikkaa, joustoa, suuntausta ja tilankäyttöä.
suspension springs käsittelee pyöräjäykkyyttä, kierre- ja ilmajousia, kallistuksenvakaajia, joustovaraa ja kuormankantoa.
suspension dampers käsittelee voima–nopeus-käyttäytymistä, sisään- ja ulosjoustoa, passiivisia venttiilejä ja mukautuvaa vaimennusta.
active suspension erottaa toisistaan automaattisen tasonsäädön, puoliaktiivisen vaimennuksen, aktiivisen kallistuksenhallinnan, ennakoivan ohjauksen ja täysin aktiivisen jousituksen.

Nykyinen Porsche Taycan havainnollistaa hyvin, miksi nämä tasot on erotettava: sen vakiojärjestelmässä yhdistyvät kaksikammioiset ilmajouset, jatkuvasti säätyvät kaksiventtiiliset iskunvaimentimet, päällekkäisiin kolmiotukivarsiin perustuva etupyöräntuenta ja monivarsituettu taka-akseli. Porsche Active Ride lisää kokonaisuuteen hydraulipumput, jotka voivat tuottaa pyöräkohtaisia voimia. ”Ilma”, ”mukautuva” ja ”aktiivinen” kuvaavat eri toimintoja samassa alustassa. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

Näin arvioit sähköauton jousitusta

Teknisistä tiedoista eivät selviä liikkeellelähtökitka, iskunvaimentimien käyrät, helojen toiminta, käytettävissä oleva joustovara, rengasrakenne tai ohjelmiston säätö. Huolellisessa koeajossa olosuhteet kannattaa siksi erottaa toisistaan yhden epämääräisen vaikutelman etsimisen sijaan:

Tarkista rengaskoko, -tyyppi, -paine ja -kuormitus ennen autojen vertailua.
Käytä samaa ajotilaa ja samankaltaista matkustaja- tai tavarakuormaa.
Sisällytä reitille teräväreunaisia saumoja, pieniä toistuvia aaltoja, pitkiä heittoja ja vain yhteen pyörään kohdistuva häiriö.
Tarkkaile, eristyykö ensimmäinen isku ja rauhoittuuko kori sen jälkeen.
Erota pystysuuntainen kovuus sivuttaisesta pään heilumisesta ja melusta.
Tarkista nyökkäysliikkeen johdonmukaisuus tavallisessa regeneroinnissa ja jarrutuksessa.
Arvioi turvallisella tiellä, tarvitaanko ohjauskorjausta keskellä kaarretta olevan töyssyn jälkeen.
Kokeile kaikkia jousitustiloja; laajempi valikko ei takaa laajempaa tai paremmin hallittua toiminta-aluetta.

Ostajalle paras jousitus ei välttämättä ole pehmein tai monimutkaisin. Paras järjestelmä toimii ennakoitavasti niillä teillä, niissä lämpötiloissa, kuormissa, renkailla ja nopeuksilla, joita ajoneuvo todellisuudessa kohtaa.