Hjulopphengskonstruksjoner, geometri og hjulkontroll
Konstruksjonen av hjulopphenget bestemmer hvordan hjulet styres når det beveger seg, svinger og overfører krefter. Betegnelser som MacPherson, doble triangelarmer og flerlenket hjuloppheng beskriver plasseringen av lenker og ledd; alene forutsier de ikke hele komforten og kjøredynamikken som introduseres i EV suspension overview.
Kinematikk og ettergivelighet
En hjulholder kan forskyves og roteres i tre dimensjoner. Lenkene begrenser de fleste frihetsgradene, men tillater en konstruert bane gjennom inn- og utfjæring. Kinematikk beskriver den ideelle geometriske bevegelsen. Elastokinematikk, eller ettergivelighetskinematikk, beskriver tilleggsbevegelsen når foringer, ledd, lenker, underrammer og karosseri deformeres under dekkraft.
Begge deler er viktige. En konstruksjon kan ha ønsket camber på en geometririgg, men få uønsket spissing under bremsing fordi en foring deformeres. Nøye styrt ettergivelighet kan derimot absorbere et støt eller gi stabiliserende spissing under sidebelastning. Moderne utvikling kombinerer derfor flerlegemesimulering, stivhetsmodeller, kinematikk- og ettergivelighetstesting, holdbarhetsarbeid og veikjøring. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance
De viktigste geometribegrepene er:
- Camber: hjulets helning sett forfra. Endringen gjennom hjulbevegelse og krengning påvirker hvordan dekket møter veien.
- Spissing: om hjulene peker innover eller utover sett ovenfra. Uønsket endring med fjæringsbevegelsen kalles ofte bump steer.
- Caster, styreaksehelling og etterløp: styregeometri sett forfra og fra siden som påvirker selvoppretting, styrekraft og følsomhet for forstyrrelser.
- Skrubberadius: sideavstanden på veien mellom styreaksens skjæringspunkt og midten av kontaktflaten. Den påvirker styrekreftene ved bremsing og ulikt veigrep.
- Rullesenter: en geometrisk representasjon brukt til å analysere fordelingen av sidekraft mellom lenkekrefter og elastisk krengning. Det er ikke et fysisk hengsel og flytter seg med hjulopphenget.
- Anti-dive- og anti-squat-geometri: lenkeretninger som fører en del av den langsgående dekkraften gjennom hjulopphenget for å motvirke stamping. For store verdier kan overføre mer uro til karosseriet.
- Utvekslingsforhold: forholdet mellom hjulbevegelse og fjær- eller demperbevegelse. Det endrer fjærstivheten ved hjulet, demperhastigheten og nødvendige komponentkrefter.
Ingen enkelt geometriverdi er «best». Målene avhenger av dekk, tyngdepunkt, sporvidde, akselavstand, drivlinje, bremsefordeling, styring, aerodynamikk og tiltenkt bruk.
Uavhengige, koblede og avhengige konstruksjoner
Med uavhengig hjuloppheng kan ett hjul bevege seg vertikalt uten at en stiv aksel tvinger det motsatte hjulet gjennom samme bevegelse. Sidene er fortsatt koblet gjennom karosseri, underramme, krengningsstabilisator og i noen systemer hydrauliske eller pneumatiske kretser.
En bakaksel med torsjonsbjelke kalles ofte semi-uavhengig. De langsgående armene kan bevege seg ulikt, men tverrbjelken vrir seg og kobler dem.
Med en avhengig aksel forbinder et stivt element hjulholderne. Bevegelse på ett hjul endrer akselens posisjon og kan påvirke det andre direkte. En stiv drivaksel integrerer differensial- og halvakselfunksjoner; De Dion forbinder hjulene, men fester differensialen til karosseriet.
Kategoriene beskriver kobling, ikke kvalitet. En godt utviklet torsjonsbjelke kan være roligere enn en dårlig kalibrert uavhengig bakaksel, mens en stiv aksel kan være rasjonell for nyttelast, holdbarhet og artikulasjon.
MacPherson og fjærbein med delt nedre føring
MacPherson bruker fjærbein og støtdemper som et bærende hjulføringselement. En nedre arm eller flere lenker plasserer nedre del av hjulholderen, mens toppfestet og styrestaget fullfører grunngeometrien foran.
Fordelene er få deler, god plassutnyttelse på tvers og plass mellom fjærbeinstårnene til kollisjonsstruktur, drivkomponenter eller bagasjerom foran. Begrensningene er stor strukturlast gjennom fjærbein og toppfeste, følsomhet for friksjon og festestivhet samt mindre uavhengig kontroll av camber og styreaksegeometri enn konstruksjoner med separate øvre lenker.
«Dobbeltledd», «dobbelakse» eller «dobbelt dreiepunkt» deler den nedre føringen i to lenker og skaper et virtuelt nedre styrepunkt. De tilhører fortsatt fjærbeinfamilien, men gir større frihet for skrubberadius, styreforstyrrelser og kraftveier. BMWs beskrivelse viser hvorfor det er misvisende å redusere alle fjærbein til én nedre triangelarm. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction
Doble triangelarmer
Et hjuloppheng med doble triangelarmer plasserer hjulet med en øvre og en nedre arm. Armene trenger ikke være bokstavelige A-former; hver kan deles i separate lenker, og fjær og demper kan virke direkte eller gjennom vippearm eller skyvestang.
Separat øvre og nedre geometri gir stor frihet til å forme camberøkning, rullesenterbevegelse, styreakse og anti-dive eller anti-squat. Det kan også gi en stiv hjulføringsstruktur der demperen er skilt fra styrelaster.
Kostnaden er plass og komponentantall. En øvre arm konkurrerer med dekkets bevegelsesrom, karosseristruktur og bagasjerom; korte armer kan gi aggressive geometriendringer, lange trenger plass. Et dårlig valg reddes ikke av navnet.
Flerlenket hjuloppheng
«Flerlenket» beskriver en familie, ikke én standardmekanisme. Separate lenker kontrollerer ulike kombinasjoner av langsgående, sideveis og roterende bevegelse. Posisjon, leddtype og stivhet avgjør resultatet.
Et femlenket system bruker ofte fem uavhengige lenker til å begrense fem av hjulholderens seks frihetsgrader og lar den tiltenkte fjæringsbevegelsen stå igjen. Virkelige konstruksjoner er mindre ryddige: en triangelarm kan telle som én eller to lenker, en spissingslenke kan styre aktivt, og produsentnavnene varierer.
Verdien ligger i kalibreringsfriheten. Ingeniørene kan skille spissingskontroll fra camber, føre bremse- og drivkrefter gjennom ulike foringer og plassere fjær og demper etter bagasje- eller motorplass. Kostnadene er flere ledd, strengere toleranser, mer komplisert hjulstilling og flere muligheter for at ettergivelighet eller slitasje endrer oppførselen.
Dagens Porsche Taycan viser forskjellen mellom kategori og utførelse: Porsche bruker doble triangelarmer foran og smidd aluminium i en flerlenket bakaksel, og kombinerer dem deretter med luftfjærer og styrte dempere. Konstruksjonen forteller ikke hvilken fjær- eller demperteknologi som er montert. Porsche: Taycan front and rear suspension construction
Langsgående armer og torsjonsbjelker
En langsgående arm dreier hovedsakelig rundt en tverrgående akse foran hjulet. Den er kompakt og direkte for langsgående laster, men en enkel variant gir begrenset uavhengig kontroll av camber og spissing. En skråstilt langsgående arm kobler bevisst hjulbevegelsen til endringer i disse vinklene.
En torsjonsbjelke forbinder to langsgående armer med et tverrelement konstruert for vridning. Det plasserer hjulene og gir en del av akselens krengningsstivhet, slik at en separat stabilisator kan unngås.
Konstruksjonen er kompakt, delelett og kostnadseffektiv og kan frigjøre verdifull gulv- og bagasjeplass. Hjulbevegelsene og ettergiveligheten er sterkere koblet enn i en helt uavhengig aksel, og høy bakaksellast eller krevende mål kan gjøre samtidig optimalisering av bjelke, foringer og karosserifester vanskelig. Studier viser likevel betydelig spillerom i bjelkegeometri og foringsretning; «torsjonsbjelke» er ikke en full dom over understellet. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization
Stive aksler og plassering med bladfjærer
En stiv aksel holder hjulenes camberforhold fast mot akselen og gir sterke, enkle lastveier. Den er fortsatt aktuell i varebiler, pickuper og terrengbiler der nyttelast, tilhenger, artikulasjon og holdbarhet kan veie tyngre enn ulempene med ufjæret masse og isolasjon.
Bladfjærer kan både bære karosseriet og plassere akselen langsgående, noe som reduserer antallet lenker. Mer avanserte aksler bruker separate armer, Panhard-stag eller Watt-lenke, mens spiral- eller luftfjærer bærer lasten.
Fordi differensialen og mye av drivlinjen beveger seg med en stiv drivaksel, kan den ufjærede massen være høy. De Dion holder differensialen på karosserisiden og reduserer ulempen samtidig som sidekoblingen mellom hjulene beholdes.
Geometri er ikke kalibrering
To elbiler med samme oppgitte konstruksjon kan oppføre seg forskjellig på grunn av:
- utvekslingsforhold for fjærer og dempere;
- statisk kjørehøyde og brukbar inn- og utfjæringsvei;
- foringsstivhet, retningsavhengighet og friksjon;
- stivhet i underramme og karosserifester;
- stabilisatorstivhet og ettergivelighet i festene;
- hjuloffset, dekkskonstruksjon, trykk og ufjæret masse;
- mål og toleranser for hjulstilling;
- programvare for styring, bremsing og aktivt understell.
Derfor er suspension springs, suspension dampers og active suspension egne deler av serien.
Hva kjøpere og eiere bør kontrollere
Bruk konstruksjonsnavnet som utgangspunkt. Finn den nøyaktige for- og bakakselen, om bakhjulsstyring eller aktiv spissing endrer den, og om tilvalgspakker erstatter fjærer, dempere eller begge.
Hjulstillingen må vurderes ved angitt høyde og last. Senking, heving eller annen hjuloffset kan endre camber, spissing, bump steer, rullesenter, drivakselvinkler og gjenværende bevegelsesvei. Gummiforede lenker kan også måtte strammes i foreskrevet konstruksjonsposisjon; stramming ved full utfjæring kan forspenne foringene i normal høyde.
Vurder resultatet på veien: styrepresisjon over ujevnheter, stabilitet ved bremsing, hodekast ved vekslende påvirkning, dekkstøy, støtisolasjon og måten karosseriet faller til ro. Arkitekturen skaper muligheter. Geometri, ettergivelighet og kalibrering avgjør hvor mye som når føreren.