Hjuloppheng i elbiler: hjulkontroll, kjørekomfort og kjøreegenskaper

Hjulopphenget er det mekaniske og elektroniske systemet som håndterer kreftene mellom dekkene og karosseriet på en elbil. Oppgaven er ikke bare å gjøre kjøreturen myk: Systemet må bevare en brukbar dekkbelastning, kontrollere karosseribevegelsene, gi tilstrekkelig fjæringsvei, isolere støy og vibrasjoner og føre bilen trygt gjennom bremsing, akselerasjon og svinger.

Hva hjulopphenget kontrollerer

En påvirkning fra veien begynner i dekkets kontaktflate. Dekket deformeres, hjulet og navet beveger seg, hjulopphengets lenker styrer bevegelsen, fjæren lagrer energi, og støtdemperen omdanner en del av bevegelsen til varme. Foringer, underrammer, seter og karosseristrukturen avgjør hvor mye av den gjenværende forstyrrelsen som når personene i bilen.

Systemet har derfor flere oppgaver samtidig:

holde hjulet innenfor et hensiktsmessig område for camber og spissing når det beveger seg og styres;
begrense variasjonene i den vertikale dekkbelastningen slik at dekket kan skape forutsigbare bremse-, sving- og drivkrefter;
kontrollere karosseriets vertikalbevegelse, stamping (rotasjon forover og bakover) og krengning (rotasjon fra side til side);
absorbere påvirkninger fra veien uten stadig å treffe stoppene for inn- eller utfjæring;
bære skiftende last fra passasjerer, bagasje og tilhenger med en akseptabel kjørehøyde;
isolere strukturbåren støy uten å gjøre hjulføringen upresis.

Ingen hjuloppheng kan holde dekkraften helt konstant. En hump, dump eller styrebevegelse vil alltid fordele lasten på nytt, og et dekk i luften kan ikke skape kraft mot veien. Målet for ingeniørene er å kontrollere størrelsen, hastigheten og varigheten på disse endringene innenfor tilgjengelig veigrep og fjæringsvei.

En nyttig modell: karosseri, hjul og vei

Den enkleste nyttige hjulopphengsmodellen representerer ett hjørne av en bil med to bevegelige masser:

den fjærede massen: andelen av karosseriet, batteriet, personene og bagasjen som bæres av fjæren;
den ufjærede massen: hovedsakelig hjulet, dekket, navet, bremsen og en andel av hjulopphengets lenker;
fjæren og støtdemperen mellom disse massene;
dekkets stivhet og demping mellom den ufjærede massen og veien.

Denne «kvartbilsmodellen» med to frihetsgrader er med hensikt ufullstendig, men den synliggjør det sentrale kompromisset. Myk isolering av karosseriet, streng kontroll med fjæringsveien og små variasjoner i dekkbelastningen kan ikke alle optimaliseres uavhengig av hverandre med en passiv fjær og støtdemper. Én parameterendring påvirker mer enn ett resultat. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

For en svakt dempet tilnærming med én masse er karosseriets egenfrekvens:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

Her er kᵥ den vertikale fjærstivheten ved hjulet i N/m, og mₛ den fjærede massen som bæres i dette hjørnet, målt i kg. I den virkelige bilen er alle fire hjul koblet sammen, og den har dessuten svingningsformer i dekk, seter, foringer og konstruksjon. Ligningen er derfor et verktøy for forståelse, ikke en fullstendig beregning av kjørekomforten.

Kjørekomfort kan heller ikke beskrives med ett universelt akselerasjonstall. Menneskers følsomhet avhenger av vibrasjonens frekvens, retning og varighet, kroppsstilling og kortvarige støt. ISO 2631-1 vurderer derfor helkroppsvibrasjon med frekvensvekting, i stedet for å behandle all akselerasjon som likeverdig. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

Lastveiene

Komponentene i hjulopphenget utfører ulike oppgaver:

Dekkene er de første fjærene og demperne i lastveien. Konstruksjon, trykk, størrelse og temperatur kan endre både komfort og styring.
Fjærene bærer den statiske lasten og lagrer energi når fjæringen beveger seg. De fastsetter kjørehøyden og, sammen med geometrien, fjærstivheten ved hjulet.
Støtdemperne motvirker relativ bevegelse og sprer energi. I den vanlige personbilkonstruksjonen bærer de ikke bilens statiske vekt.
Lenker, armer, ledd og fjærbein begrenser hjulets bevegelsesbane og overfører langsgående, sideveis og vertikale krefter.
Foringer og fester tilfører tilsiktet ettergivelighet og isolasjon. Deformasjonen under belastning — elastokinematikken — kan endre spissing, camber og styrerespons.
Krengningsstabilisatorer tilfører fjærkraft hovedsakelig når venstre og høyre hjul beveger seg ulikt.
Stoppere for inn- og utfjæring fungerer som hjelpefjærer nær endene av fjæringsveien.
Sensorer, ventiler, pumper og aktuatorer kan variere demping, kjørehøyde, krengningsstivhet eller kraften ved et enkelt hjul.

Disse delene kan ikke vurderes isolert. En støtdemper med lav friksjon er bare nyttig dersom festene og leddene lar den reagere. En avansert flerlenket aksel kan fortsatt styre uforutsigbart dersom foringene deformeres i feil retning. En myk hovedfjær kan gi hard kjøring dersom bilen tilbringer for mye tid på innfjæringsstoppene.

Hvorfor elbiler endrer kalibreringsproblemet

Fysikken i hjulopphenget endres ikke for en elbil, men forutsetningene for konstruksjonen gjør det ofte.

Et fremdriftsbatteri kan endre totalmassen, fordelingen av aksellast, treghetsmomentet ved rotasjon og stamping samt mengden tilgjengelig konstruksjonsplass rundt hjulopphenget. Når en eksisterende plattform bygges om fra forbrenningsmotor til batterielektrisk drift, kan det derfor være nødvendig å vurdere fjærstivheten ved hjulet, dempingen, krengningsstivheten, fjæringsveien, camber og spissing på nytt — ikke bare å øke fjærstivheten. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Flere egenskaper ved elbiler fortjener særlig oppmerksomhet:

Et gulvmontert batteri plasserer en betydelig fjæret masse lavt i karosseriet. Det kan redusere krengningsmomentet som oppstår ved en gitt sideakselerasjon, men fjerner ikke behovet for å kontrollere krengning eller overføring av dekkbelastning.
Høy kjøretøymasse øker energien i karosseribevegelsene og kreftene som må til for å stanse dem innenfor en begrenset fjæringsvei. Massen alene avgjør likevel ikke om en elbil får god kjørekomfort.
Kraftig drivmoment og regenerativ retardasjon kan gjøre kalibreringen av stamping og endringer i aksellast mer merkbare.
Store hjul, brede dekk og store bremser kan øke den ufjærede massen og dekkstivheten. Virkningen må vurderes for hele hjul- og dekkpakken.
Når det er lite motorstøy som maskerer andre lyder, kan støt, susing fra støtdempere, hulromsstøy i dekk og påvirkninger gjennom foringene bli lettere å høre.
Justerbar kjørehøyde kan beskytte batteriet på dårlige veier eller senke karosseriet i fart, men en eventuell rekkeviddegevinst avhenger av bilens aerodynamikk, kontrollstrategi og systemets energibruk.

Den riktige konklusjonen er ikke at alle elbiler trenger luftfjæring eller aktiv fjæring. En elbilspesifikk massefordeling, dekkpakke, struktur og brukssyklus krever en elbilspesifikk kalibrering.

Hvordan de fem artiklene henger sammen

Navnet på maskinvaren i en spesifikasjon forteller bare en del av historien:

suspension layouts and wheel-control geometry forklarer konstruksjoner for hjulføring, kinematikk, ettergivelighet, hjulstilling og plassbehov.
suspension springs forklarer fjærstivhet ved hjulet, stål- og luftfjærer, krengningsstabilisatorer, fjæringsvei og lastbæring.
suspension dampers forklarer kraft–hastighetskarakteristikk, inn- og utfjæring, passive ventiler og adaptiv demping.
active suspension skiller mellom selvnivellering, semiaktiv demping, aktiv krengningskontroll, forutseende kontroll og helaktiv fjæring.

Dagens Porsche Taycan illustrerer godt hvorfor lagene må holdes fra hverandre: Standardsystemet kombinerer tokammer-luftfjærer, kontinuerlig styrte toventils støtdempere, dobbel triangelarmsfjæring foran og en flerlenket bakaksel. Porsche Active Ride legger til hydraulikkpumper som kan generere hjulspesifikke krefter. «Luft», «adaptiv» og «aktiv» beskriver forskjellige funksjoner i dette ene understellet. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

Slik vurderer du hjulopphenget i en elbil

En spesifikasjon avslører ikke løsrivningsfriksjon, støtdemperkurver, foringsoppførsel, tilgjengelig fjæringsvei, dekkskonstruksjon eller programvarekalibrering. En grundig prøvekjøring bør derfor isolere forholdene i stedet for å lete etter ett uklart helhetsinntrykk:

Kontroller dekkstørrelse, -type, -trykk og -belastning før du sammenligner biler.
Bruk samme kjøremodus og omtrent samme passasjer- eller bagasjelast.
Ta med skarpkantede skjøter, små gjentatte ujevnheter, lange bølger og en påvirkning på bare ett hjul.
Legg merke til om det første støtet isoleres, og om karosseriet deretter faller til ro.
Skill vertikal hardhet fra sideveis hodekast og fra støy.
Kontroller at stampingen er konsekvent ved normal regenerering og bremsing.
Vurder på en sikker vei om en ujevnhet midt i en sving krever korrigering med rattet.
Prøv alle modusene for hjulopphenget; en større meny garanterer ikke et større eller bedre kontrollert arbeidsområde.

Det beste hjulopphenget for en kjøper er ikke nødvendigvis det mykeste eller mest kompliserte. Det er systemet som oppfører seg forutsigbart på veiene, i temperaturene, med belastningene, dekkene og hastighetene bilen faktisk vil møte.