Zawieszenie na drążku
Zawieszenie cięgłowe i zawieszenie popychaczowe to wyspecjalizowany typ zawieszenia samochodowego , który w dużej mierze opiera się na układzie dwuwahaczowym , zawierającym elementy powszechnie stosowanej kolumny MacPhersona .
W samochodach zawieszenie odnosi się do układu, dzięki któremu pojazd utrzymuje kontakt wszystkich kół z podłożem. Osiąga się to powszechnie poprzez zastosowanie amortyzatorów i sprężyn, zapewniających siły skierowane w dół na koła, aby przeciwdziałać wstrząsom uderzeniowym. Jednakże w układach zawieszenia z popychaczami kolumna ta jest montowana w poprzek podwozia, równolegle do podłoża, w przeciwieństwie do powszechnie stosowanego układu prostopadłego. Dlatego układy zawieszenia z popychaczami umożliwiają przeniesienie podstawowych podzespołów z bezpośredniego przepływu powietrza bliżej środka ciężkości i obniżenie środka ciężkości, zapewniając w ten sposób bardziej efektywny rozkład ciężaru i zarządzanie przechyłami nadwozia.
W rezultacie układy zawieszenia typu push-rod mogą zapewnić wyjątkową możliwość poprawy wydajności, aczkolwiek kosztem codziennych właściwości jezdnych, praktyczności i komfortu. Z tego powodu układy zawieszenia z popychaczami są najczęściej stosowane w samochodach nieporuszających się po drogach, specjalizując się raczej w ligach wyścigowych formuły , zwłaszcza Formule 1 , ale rzadko można je spotkać w samochodach produkcyjnych.
Historia
W latach sześćdziesiątych firma Brabham Automotive była największym na świecie producentem samochodów wyścigowych z otwartymi kołami, zdobywając rozgłos dzięki kilku zwycięstwom w mistrzostwach Formuły 2 i Formuły 3 . Przez całe lata sześćdziesiąte i osiemdziesiąte Brabham prowadził wysoce konkurencyjną rywalizację z Lotus i McLaren , co stworzyło potrzebę innowacji w mistrzostwach wyścigów formuły.
W 1979 roku inżynier Gordon Murray , pracujący pod kierownictwem Brabhama, zadebiutował na scenie Formuły 1 innowacyjnym systemem zawieszenia typu pull-rod, wdrażając projekt w samochodzie wyścigowym BT49 . Ten nowy projekt był rewolucyjny, ponieważ odejście od stosowanego wcześniej archaicznego zawieszenia hydropneumatycznego pozwoliło na znacznie niższy prześwit i wydajność aerodynamiczną BT49, zapewniając Brabhamowi zwycięstwo w mistrzostwach w ciągu czterech sezonów od 1979 do 1982.
W ciągu następnych dwóch dekad popularność zawieszenia z drążkiem kierowniczym w samochodach wyścigowych formuły wahała się, ale stale rosła, a napędzana była głównie innowacjami i optymalizacją przeprowadzaną przez zespoły, które nadal z niego korzystały. Jednakże nastąpił zauważalny spadek stosowania zawieszenia z drążkiem sterowym w wyścigach formuł od połowy lat 90. do początku XXI wieku ze względu na zmieniające się przepisy dotyczące wyścigów formuł dotyczące wysokości prześwitu i aerodynamiki, a także zmieniające się priorytety zespołów wyścigowych pod względem osiągów cele.
Dopiero w 2009 r. zawieszenie z drążkiem sterowym odrodziło się w wyścigach formuły, gdzie nowa zmiana w przepisach przewidywała, że przednie błotniki mogą być szersze, tylne błotniki muszą być węższe i wyższe, a dyfuzory muszą być bardziej ograniczone pod względem rozmiaru i kształt. W odpowiedzi na to dyrektor techniczny, inżynier i aerodynamik Red Bull Racing Adrian Newey zobaczyłem, że pojawiła się nowa nisza dla zawieszenia z cięgłem. W miarę jak dyfuzor samochodu wyścigowego RB5 przesunął się bardziej do tyłu, zdał sobie sprawę, że zawieszenie z cięgłem pomoże zoptymalizować przepływ powietrza pod pojazdem i do jego elementów aerodynamicznych. W rezultacie poprawiony RB5 używany w sezonie 2009 zapewnił podwójne zwycięstwo w Szanghaju , Abu Zabi i Grand Prix Wielkiej Brytanii .
System cięgieł został ponownie zastosowany w sezonie F1 2022 , po raz ostatni widziany w 2015 roku w Ferrari SF15-T , w przednich zawieszeniach Red Bull Racing RB18 i McLaren MCL36 .
Projekt
Zawieszenia z popychaczem i cięgłem są podobne, ale różnią się konstrukcją, a główną różnicą jest umiejscowienie wahacza sterującego tłumieniem wstrząsów w stosunku do górnego wahacza. W efekcie oznacza to, że zarówno systemy popychacza, jak i układu cięgła mają funkcjonalnie tę samą konstrukcję.
W układzie zawieszenia typu push-rod składa się z wahacza górnego i dolnego, podobnych konstrukcją do ramy z podwójnymi wahaczami, które zapewniają strukturalnie integralne połączenie piast kół z podwoziem. Ramiona te mogą obracać się do wewnątrz, w kierunku środka pojazdu, co oznacza, że gdy koła doświadczają wstrząsów z podłoża, poruszają się w górę i w dół.
Pomiędzy tymi dwoma wahaczami piasty kół są połączone ze sztywnym „popychaczem”. W tym przypadku, gdy koła poruszają się równoleżnikowo, drążek ten będzie naciskał w górę na oscylujący wahacz, tworząc ruch wahadłowy, który przenosi siły równoleżnikowe z podłoża na siły wzdłużne do wewnątrz, w stronę podwozia.
Na przeciwległym końcu wahacza znajduje się poprzecznie zamontowana cewka tłumiąca wstrząsy, podobna konstrukcją do kolumn MacPhersona powszechnie spotykanych w samochodach produkcyjnych. Dlatego też, gdy koła poruszają się w górę i w dół w stosunku do drogi, siły przenoszone są do wewnątrz, w kierunku solidnego podwozia skorupowego, a nie do góry, na pojazd. W związku z tym układy zawieszenia z popychaczami zapewniają znacznie większą stabilność przy dużych prędkościach, znacznie mniejsze przechyły nadwozia i znacznie niższy środek ciężkości pojazdu.
W przypadku zawieszenia z cięgłem jedyną różnicą jest orientacja wahaczy. W systemie popychacza wahacze są umieszczone w najwyższym punkcie zespołu. W związku z tym drążek znajduje się pod ciśnieniem, ponieważ przenosi siły ściskające w górę na wahacze. Jednakże w układzie z cięgłem wahacze znajdują się pomiędzy górnymi i dolnymi wahaczami, w środku zespołu. W związku z tym drążek jest naprężony, gdy przyciąga wahacze.
Dodatkowo mechanizm kierowniczy w układach zawieszenia typu popychacz znacznie różni się od układu kierowniczego w pojazdach konwencjonalnych. W konwencjonalnym układzie kierowniczym kierownica jest połączona z kolumną kierownicy, czyli formą przekładni zębatej typu „zębatka”, która przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy, który obraca przednie koła. Jednakże w układzie zawieszenia z popychaczami sterowanie odbywa się za pomocą przegubów kulowych znajdujących się na końcach wahaczy, które umożliwiają obracanie się piast kół i samochodu.
W wyniku tych czynników układ popychacza różni się od innych układów zawieszenia, ponieważ w przeciwieństwie do innych można go zaprojektować i zmontować z elementów znajdujących się bliżej lub dalej od środka ciężkości pojazdu. W rezultacie inżynierowie są w stanie zoptymalizować osiągi swojego pojazdu w tym obszarze, rezygnując z komfortu i praktyczności na rzecz aerodynamiki, prowadzenia i stabilności na torze.
Zalety
Główne zalety układu zawieszenia z cięgłami w samochodzie wyścigowym przeznaczonym na tor obejmują przede wszystkim możliwość przesunięcia elementów zawieszenia bliżej podłoża, obniżenia podwozia pojazdu i obniżenia środka ciężkości w celu poprawy wydajności w pokonywanie zakrętów, przechyły nadwozia i stabilność przy dużych prędkościach.
Aby samochód wyścigowy był zoptymalizowany pod kątem wyścigów formuły lub innych, głównymi obszarami zainteresowania inżynierów jest to, jak łatwo pojazd jest w stanie przyspieszyć i osiągnąć prędkość maksymalną, jak skutecznie pojazd jest w stanie pokonywać i kierować powietrze wokół siebie oraz jak skutecznie nadwozie samochodu jest w stanie skierować to powietrze do elementów aerodynamicznych, aby poprawić zachowanie pojazdu na zakrętach. [ niewiarygodne źródło? ]
W ligach wyścigowych formuły przepisy często stanowią, że samochody wyścigowe muszą wykorzystywać silniki o małej pojemności skokowej i mocy z lekkim podwoziem, aby przenieść punkt ciężkości wyścigu z inżynierii na możliwości prowadzenia pojazdu. W wyniku stosowania tych mniejszych silników wyspecjalizowane samochody wyścigowe są zwykle bardziej wrażliwe na działające na nie siły, a niewielki wzrost wielkości tego oporu, masy i sił tarcia może mieć znacznie większy wpływ na obciążenie pracą i wydajność silnika. [ niewiarygodne źródło? ] Zawieszenie cięgłowe, umożliwiające odsunięcie podzespołów od najważniejszych kanałów powietrza, może zatem zmniejszyć obciążenie mniejszych silników i poprawić przyspieszenie w całym zakresie mocy.
Kolejną istotną korzyścią wynikającą z zastosowania zawieszenia z cięgłami przy projektowaniu samochodu do wyścigów formuły jest usprawnienie komponentów, aby nie tylko zmniejszyć opór, ale także poprawić siłę docisku. Opór jako całość jest istotnym obszarem zainteresowania każdego rodzaju samochodu wyścigowego, ponieważ opór odgrywa bezpośrednią rolę w określaniu ogólnych osiągów pojazdu, nie tylko zmniejszając przyspieszenie i prędkość maksymalną, ale także tworząc turbulencje i niestabilność. W konwencjonalnym układzie zawieszenia amortyzatory i inne podobne elementy są umieszczone pod pojazdem, zakłócając otaczające je powietrze i zmniejszając skuteczność przemieszczania powietrza wokół pojazdu, powodując znaczny opór. Jednakże zawieszenie cięgłowe odsuwa cały zespół zawieszenia od spodu pojazdu, znacznie poprawiając efektywność przepływu powietrza, istotnego kanału powietrznego. Im wydajniej powietrze przepływa nad i wokół nadwozia pojazdu, tym skuteczniej jest ono kierowane do rozdzielaczy, dyfuzorów i błotników samochodu w celu wytworzenia docisku. [ niewiarygodne źródło? ] Wraz ze wzrostem siły docisku samochód mocniej wtapia się w tor, co poprawia przyczepność opon, a co za tym idzie, pokonywanie zakrętów i stabilność.
Wreszcie, podczas projektowania specjalistycznego samochodu wyścigowego kolejnym ważnym obszarem zainteresowania jest zdolność pokonywania zakrętów, ponieważ im szybciej samochód jest w stanie utrzymać przyczepność w zakrętach, tym mniej czasu spędza na hamowaniu i przyspieszaniu. Podczas pokonywania zakrętów dwoma największymi czynnikami ograniczającymi są siła docisku i przechyły nadwozia. Przechylenie nadwozia ma miejsce, gdy dośrodkowe siły bezwładności występujące podczas pokonywania zakrętów przeciążają amortyzatory po zewnętrznej stronie pojazdu, powodując „pochylenie się” nadwozia lub przechylenie go na bok. [ niewiarygodne źródło? ] W konwencjonalnych konstrukcjach zawieszenia amortyzatory rozciągają się prostopadle do nadwozia, co zwiększa zdolność przechylania się nadwozia, ponieważ siły działają bezpośrednio w górę na cewki. Jednakże w konstrukcjach zawieszenia z drążkiem ściągającym wahacze i amortyzatory zamontowane poprzecznie i w jednej linii z nadwoziem zamiast tego przekładają te siły wzdłużnie, pozostawiając mniej miejsca na przechyły nadwozia i znacznie poprawiając przyczepność na zakrętach. Pozwala to również na znaczne obniżenie środka ciężkości pojazdu, spełniając w ten sposób oba kluczowe elementy zdolności do pokonywania zakrętów przy dużych prędkościach.
Z tych powodów zawieszenie z popychaczem jest powszechne i szeroko stosowane w ligach wyścigowych skupionych na torze, ponieważ jego zalety rozciągają się na wiele aspektów ogólnych osiągów pojazdu.
Niedogodności
Główne wady układu zawieszenia z popychaczem mają związek z całkowitym kosztem, praktycznością i zwrotnością w codziennym użytkowaniu samochodów produkcyjnych.
Samochody produkowane na drogach, w przeciwieństwie do rasowych samochodów wyścigowych, kładą szczególny nacisk na komfort, użyteczność i praktyczność w życiu codziennym. Z tego powodu zawieszenie popychaczowe rzadko jest stosowane w samochodach produkcyjnych ze względu na wiele wad i kompromisów.
Jedną z głównych wad zawieszenia z popychaczem jest koszt. W pojazdach produkowanych seryjnie najważniejsze jest, aby firma zachowała rentowność, dlatego najczęściej stosuje się najbardziej opłacalne konstrukcje. Ze względu na swoją prostotę systemy takie jak resory piórowe czy kolumna MacPhersona mogą być stosunkowo tanie w projektowaniu i integracji z pojazdem, a ich szeroka użyteczność sprawia, że są one popularnym wyborem w tego typu samochodach. Jednakże zawieszenie popychaczowe składa się z wielu ruchomych części współpracujących ze sobą w złożonym systemie, co skutkuje nie tylko znacznie wyższymi kosztami, ale także większym ryzykiem uszkodzenia.
Jeśli chodzi o użyteczność w codziennym użytkowaniu, zawieszenie z popychaczami jest bardzo skuteczne na utrzymanym i gładkim torze, ale w niewielkim stopniu łagodzi uderzenia i siły występujące podczas jazdy po aktywnych drogach, co powoduje nierówną i niewygodną jazdę. Wynika to głównie z nieefektywności stosowania poprzecznie zamontowanego amortyzatora w celu złagodzenia sił pionowych. [ niewiarygodne źródło? ]
Układy zawieszenia z cięgłem często zawierają dużą ramę wystającą poza korpus podwozia, co znacznie utrudnia ocenę wymiarów pojazdu o takiej konfiguracji, co utrudnia manewrowanie w ruchu ulicznym.
W rezultacie zawieszenie z cięgłem poza wyspecjalizowanymi samochodami wyścigowymi jest często postrzegane jako niepraktyczne i nie nadające się do codziennego użytku, a zastosowanie zawieszenia z cięgłem w samochodach drogowych jest rzadko spotykane poza niektórymi egzotycznymi supersamochodami, takimi jak koncepcja Lamborghini Murciélago .