Uvod u sistem za oslanjanje motornih vozila

Sistem za oslanjanje povezuje točkove sa nosećom konstrukcijom vozila i omogućava njihovo kontrolisano kretanje u odnosu na karoseriju ili ram. Njegov zadatak nije samo da ublaži udare pri prelasku preko neravnina, već i da omogući da pneumatici što pouzdanije ostanu u dodiru sa podlogom i da se sile kočenja, ubrzavanja i bočne sile prenose na vozilo na predvidiv način.

Kada točak naiđe na rupu ili izbočinu, on mora da se pomeri kako bi pratio oblik puta, dok se karoserija pomera znatno manje. Istovremeno, sistem za oslanjanje mora da kontroliše putanju i položaj točka. Ako bi se točak pomerao nekontrolisano, vozilo bi bilo manje udobno, teže za upravljanje, a pneumatici bi se mogli neravnomerno habati.

U ovoj lekciji razmotrićemo:

• ulogu i osnovne delove sistema za oslanjanje;
• zavisno, nezavisno i polunezavisno oslanjanje;
• probleme koji nastaju kada točak naiđe na prepreku;
• zahteve koje sistem za vođenje točkova treba da ispuni.

1. Uloga sistema za oslanjanje

Sistem za oslanjanje ima nekoliko međusobno povezanih zadataka:

• Ublažavanje udara i vibracija: smanjuje prenošenje neravnina sa puta na karoseriju i putnike.
• Održavanje kontakta pneumatika sa podlogom: omogućava da točak prati neravnine, što je važno za kočenje, ubrzavanje i skretanje.
• Vođenje točka: određuje putanju točka i ograničava neželjena pomeranja u uzdužnom i poprečnom pravcu.
• Stabilnost i upravljivost: pomaže da vozilo zadrži predvidivo ponašanje pri skretanju, kočenju i prelasku preko neravnina.
• Prenos sila: prenosi sile između pneumatika i noseće konstrukcije vozila.
• Ograničavanje naginjanja karoserije: opruge, geometrija oslanjanja i stabilizator utiču na naginjanje vozila pri skretanju.

Udobnost i stabilnost moraju da budu usklađene. Veoma mekano oslanjanje može dobro da ublažava neravnine, ali da dozvoli veće pomeranje karoserije. Veoma tvrdo oslanjanje može poboljšati kontrolu nekih kretanja, ali da prenosi više udara na putnike. Konstruktor zato bira kompromis prema nameni vozila, opterećenju, brzini i uslovima vožnje.

2. Osnovni delovi sistema za oslanjanje

Izvedba se razlikuje od vozila do vozila, ali sistem najčešće obuhvata sledeće elemente:

Opruge

Opruge elastično povezuju točak i karoseriju. One se sabijaju ili istežu kada točak prelazi preko neravnine i na taj način ublažavaju naglu promenu položaja. U zavisnosti od konstrukcije koriste se zavojne opruge, lisnate opruge, torzione šipke ili vazdušni elementi.

Amortizeri

Amortizeri prigušuju oscilacije opruga. Bez odgovarajućeg prigušenja, posle prelaska preko prepreke karoserija i točak nastavili bi da osciluju. Amortizer ne služi prvenstveno kao elastični oslonac koji nosi masu vozila; njegova osnovna uloga je da kontroliše brzinu sabijanja i istezanja sistema.

Ruke, poluge i vođice

Ruke i poluge povezuju sklop točka sa karoserijom ili ramom i određuju njegovu putanju. Njihova dužina, položaj i zglobovi utiču na to koliko se točak tokom hoda pomera bočno, uzdužno i koliko menja nagib ili pravac.

Zglobovi i elastični oslonci

Kuglasti zglobovi i gumeno-metalni zglobovi omogućavaju potrebno zakretanje i pomeranje pojedinih elemenata. Istovremeno prenose sile i ublažavaju deo buke i vibracija. Istrošeni zglobovi ili deformisani oslonci mogu da izazovu lupanje i promenu geometrije točkova.

Stabilizator, graničnici i noseći elementi

• Stabilizator povezuje levu i desnu stranu oslanjanja tako da se pri različitom hodu točkova suprotstavlja prevelikom naginjanju karoserije.
• Graničnici hoda ograničavaju preveliko sabijanje ili istezanje sistema i štite delove od udara u krajnjem položaju.
• Noseći elementi i pomoćni ram prenose opterećenja na karoseriju ili šasiju.
• Osovina ili kruta greda kod zavisnog oslanjanja mehanički povezuje levi i desni točak na istoj osovini.

3. Podela sistema za oslanjanje

Prema načinu na koji su levi i desni točak iste osovine povezani, najčešće se razlikuju zavisno, nezavisno i polunezavisno oslanjanje. Podela prema konstrukciji opruga — na primer zavojne, lisnate ili vazdušne — predstavlja drugu vrstu podele i ne treba je mešati sa podelom prema međusobnom kretanju točkova.

3.1. Zavisno oslanjanje

Kod zavisnog oslanjanja levi i desni točak povezani su krutom osovinom ili gredom. Zbog te veze, kretanje jednog točka utiče na položaj i orijentaciju zajedničkog sklopa, pa se promena položaja jednog točka ne može posmatrati potpuno odvojeno od drugog.

Ovakva konstrukcija može biti robusna i pogodna za velika opterećenja. Često se koristi na teretnim vozilima, prikolicama i na pojedinim zadnjim osovinama. Nedostaci mogu biti veća masa delova koji se pomeraju zajedno sa točkovima i prenošenje dela poremećaja sa jednog točka na drugi.

3.2. Nezavisno oslanjanje

Kod nezavisnog oslanjanja svaki točak ima sopstvenu putanju u odnosu na karoseriju. Kada jedan točak pređe preko prepreke, drugi točak iste osovine ne mora da se pomeri za isti iznos. To olakšava održavanje kontakta oba pneumatika sa podlogom i može poboljšati udobnost i upravljivost.

Nezavisno oslanjanje obično koristi sistem poluga i zglobova, kao što su MacPherson, dvostruke poprečne viljuške ili višestruke poluge. Međutim, nezavisno kretanje ne znači da geometrija točka ostaje nepromenjena: tokom hoda točka i dalje mogu da se menjaju nagib, trag i ugao usmerenosti točka. Konstrukcijom poluga nastoji se da te promene budu prihvatljive.

3.3. Polunezavisno oslanjanje

Kod polunezavisnog oslanjanja točkovi mogu da se pomeraju jedan u odnosu na drugi, ali su povezani elastičnim elementom koji prenosi deo opterećenja i utiče na njihovo kretanje. Čest primer je zadnja osovina sa torzionom gredom. Ona zauzima položaj između jednostavne krute osovine i potpuno nezavisnog oslanjanja po pitanju međusobnog uticaja točkova.

4. Šta se dešava kada točak naiđe na prepreku?

Zamislimo da se vozilo kreće pravo i da desni točak naiđe na izbočinu na putu. Točak počinje da se kreće naviše u odnosu na karoseriju. Opruga se sabija, amortizer prigušuje oscilovanje, a poluge i zglobovi vode točak kroz putanju koju im dozvoljava njihova geometrija.

Poželjno je da točak može da prati profil puta bez velikog i naglog pomeranja karoserije, uz što bolji kontakt pneumatika sa podlogom. U praksi nije moguće ukloniti svako neželjeno pomeranje: elementi oslanjanja se zakreću po kružnim ili složenijim putanjama, elastični oslonci se deformišu, a geometrija točka može da se promeni. Zadatak konstruktora je da te promene kontroliše i svede na prihvatljivu meru.

5. Problemi pri vođenju točka

Da bi se razumela važnost geometrije oslanjanja, korisno je zamisliti idealan slučaj: točak se pomera dovoljno da pređe preko neravnine, a pritom ne pravi velike neželjene promene svog položaja i pravca. U stvarnosti, oblik poluga i način povezivanja delova mogu da izazovu pomeranja u više pravaca. Najvažniji pojmovi su objašnjeni u nastavku.

5.1. Bočno pomeranje točka i promena traga

Dok se točak pomera naviše, njegove poluge mogu da ga pomere i malo ulevo ili udesno u odnosu na karoseriju. Takvo bočno pomeranje menja položaj mesta na kojem pneumatik dodiruje put. Kada se posmatra rastojanje između levog i desnog točka iste osovine, govori se o promeni traga točkova.

Važno je razlikovati ova dva izraza: bočno pomeranje opisuje kretanje pojedinačnog točka, a trag je poprečno rastojanje između točkova iste osovine, definisano prema mernom načinu koji se koristi. Ako se trag znatno menja tokom hoda, pneumatik može da klizi bočno po podlozi, a u sistemu se mogu javiti dodatne sile i habanje.

5.2. Promena nagiba točka

Nagib točka (camber) predstavlja ugao točka u odnosu na uspravni položaj, posmatrano spreda vozila. Ako se točak naginje ka vozilu ili od vozila dok prelazi preko prepreke, menja se način na koji naleže pneumatik na podlogu. Velike ili nepovoljne promene nagiba mogu da smanje ravnomernost oslanjanja pneumatika na put i da doprinesu neravnomernom habanju.

Kod zavisnog oslanjanja nagib točka u velikoj meri prati položaj zajedničke osovine. Ako se osovina zakrene kada jedan točak naiđe na prepreku, menja se položaj i drugog točka u odnosu na podlogu. Kod nezavisnog oslanjanja nagib zavisi od geometrije poluga i može da se menja nezavisno na levoj i desnoj strani. Zato se poluge konstruišu tako da se nagib tokom uobičajenog hoda menja kontrolisano.

5.3. Pomeranje točka u uzdužnoj ravni

Pri sabijanju oslanjanja točak se ne mora kretati samo vertikalno. Zavisno od putanje poluga, može se pomeriti i unapred ili unazad u odnosu na karoseriju. To se naziva uzdužno pomeranje točka ili povlačenje točka unazad/unapred, u zavisnosti od smerа kretanja.

Manje, projektovano uzdužno pomeranje može biti prihvatljivo, pa čak i namerno iskorišćeno da ublaži udar. Preveliko ili naglo pomeranje, međutim, može da izazove dodatne sile u oslanjanju, promene geometrije upravljanja i osećaj nestabilnosti. Zato ruke, uzdužne vođice i zglobovi moraju da ograniče putanju točka na predviđeni način.

5.4. Promena pravca točka — konvergencija i divergencija

Posmatrano odozgo, prednji delovi točkova mogu biti blago okrenuti jedan prema drugom ili jedan od drugog. Ovaj odnos naziva se konvergencija (toe-in) odnosno divergencija (toe-out). Ako se pravac točka menja dok se oslanjanje sabija ili isteže, vozilo može da dobije neželjenu tendenciju skretanja, poznatu kao promena usmerenosti točka usled hoda oslanjanja.

Ova pojava se razlikuje od nagiba točka: nagib se posmatra spreda, dok se konvergencija ili divergencija posmatra odozgo. Neodgovarajuća promena usmerenosti može da utiče na stabilnost vozila i habanje pneumatika.

5.5. Uticaj na drugi točak i karoseriju

Kod zavisnog oslanjanja pomeranje jednog točka utiče na zajedničku osovinu, pa može da promeni položaj drugog točka i da izazove veće naginjanje karoserije. Kod nezavisnog oslanjanja uticaj jednog točka na drugi obično je manji, ali nije nužno potpuno odsutan: stabilizator i elastične veze mogu prenositi deo opterećenja između leve i desne strane.

6. Kako zavisno oslanjanje rešava ove probleme?

Kod zavisnog oslanjanja oba točka su povezana zajedničkom gredom. Kada jedan točak naiđe na izbočinu, taj kraj osovine se podiže, pa se cela greda zakreće u odnosu na vozilo. Zbog toga položaj drugog točka nije potpuno nezavisan od prvog.

Zajednička osovina može da zadrži međusobni položaj točkova u odnosu na samu gredu i pruža čvrstu konstrukciju koja dobro podnosi velika opterećenja. Uzdužne ruke ili lisnate opruge mogu da vode osovinu u uzdužnom pravcu, dok odgovarajuće poprečne vođice, zavisno od konstrukcije, ograničavaju njeno bočno pomeranje.

Prednosti i ograničenja zavisnog oslanjanja mogu se sažeti ovako:

• Prednosti: robusnost, konstrukcijska jednostavnost kod mnogih izvedbi i pogodnost za velika opterećenja.
• Ograničenja: pomeranje jednog točka utiče na zajedničku osovinu i drugi točak; velika masa osovine može otežati praćenje brzih neravnina.
• Kontrola geometrije: položaj osovine i točkova zavisi od konstrukcije vođica, opruga i zglobova. Kruta veza ne znači da je geometrija točkova nepromenljiva u odnosu na put.

7. Kako nezavisno oslanjanje rešava ove probleme?

Kod nezavisnog oslanjanja točak je preko svojih poluga i zglobova povezan sa karoserijom. Kada desni točak naiđe na prepreku, može da se podigne bez obaveznog podizanja levog točka iste osovine. Na taj način drugi pneumatik lakše zadržava svoj položaj prema podlozi, a udar se manje direktno prenosi na drugu stranu vozila.

Ipak, dok se točak kreće po putanji koju određuju poluge, može doći do promene nagiba, traga i usmerenosti. Na primer, ako se poluga zakreće oko unutrašnjeg zgloba, njen spoljašnji kraj opisuje luk. Zbog toga glavčina ne ide nužno po savršeno vertikalnoj liniji. Konstruktori biraju raspored i dužinu poluga tako da promene budu što povoljnije u predviđenom području hoda.

• Prednosti: točkovi mogu bolje da prate različite neravnine; često se ostvaruju veća udobnost i bolja kontrola točka.
• Ograničenja: sistem obično ima više zglobova i poluga, pa može biti složeniji i skuplji; geometrija se menja tokom hoda i mora se pažljivo projektovati.
• Kontrola geometrije: oblik poluga i položaj zglobova biraju se tako da bočno i uzdužno pomeranje, nagib i promena usmerenosti ostanu u prihvatljivim granicama.

8. Šta sistem za vođenje točkova treba da zadovolji?

Bez obzira na izabranu konstrukciju, sistem za vođenje točkova treba da obezbedi kontrolisano kretanje točka i pouzdan prenos sila. U idealizovanom slučaju točak bi pri nailasku na prepreku pratio neravninu pretežno vertikalno, bez velikih neželjenih pomeranja u drugim pravcima. Pošto stvarna geometrija ima ograničenja, cilj je da neželjene promene budu male ili da budu unapred predviđene i povoljne za ponašanje vozila.

1. Da omogući dovoljan vertikalni hod. Točak mora da se podigne i spusti kako bi pratio neravnine puta, bez udaranja elemenata u krajnje položaje tokom normalne vožnje.
2. Da ograniči neželjeno bočno pomeranje i promenu traga. Tokom hoda ne treba da dolazi do prekomernog pomeranja pneumatika popreko po podlozi.
3. Da kontroliše nagib točka. Nagib u odnosu na put treba da ostane u opsegu koji obezbeđuje odgovarajući kontakt pneumatika i prihvatljivo habanje.
4. Da ograniči nepoželjno uzdužno pomeranje. Točak treba da bude vođen tako da udari i kočne ili pogonske sile ne izazivaju velike, nepredvidive promene njegovog položaja.
5. Da kontroliše konvergenciju i divergenciju. Promene pravca točka tokom hoda ne smeju da izazivaju nepoželjno samostalno skretanje ili značajno habanje pneumatika.
6. Da održava kontakt pneumatika sa podlogom. Točak treba što pouzdanije da prenosi uzdužne i bočne sile, naročito pri kočenju, ubrzavanju i skretanju.
7. Da obezbedi udobnost, stabilnost i trajnost. Delovi moraju da podnose promenljiva opterećenja, dok opruge i amortizeri kontrolišu udare i oscilacije karoserije.

Nije uvek moguće potpuno ukloniti svaku promenu položaja točka. Važno je da konstrukcija obezbedi prihvatljiv kompromis i da se točak pomera predvidivo. Na primer, mala promena nagiba može biti korisna u nekim uslovima, dok velika ili nepravilna promena traga ili usmerenosti može biti nepoželjna.

9. Najvažnije razlike — pregled

• Zavisno oslanjanje: točkovi su mehanički povezani zajedničkom osovinom; pomeranje jednog utiče na položaj zajedničkog sklopa.
• Nezavisno oslanjanje: svaki točak ima sopstvenu putanju; kretanje jednog ne zahteva jednako kretanje drugog.
• Polunezavisno oslanjanje: točkovi mogu da se pomeraju relativno jedan prema drugom, ali ih elastična veza i dalje međusobno povezuje.
• Nagib točka: ugao točka posmatran spreda.
• Konvergencija/divergencija: usmerenost točka posmatrana odozgo.
• Promena traga: promena poprečnog rastojanja između točkova iste osovine; nije isto što i samo bočno pomeranje jednog točka.
• Uzdužno pomeranje: pomeranje točka unapred ili unazad tokom hoda oslanjanja.

11. Povezane lekcije i dodatni resursi

Za povezivanje sistema za oslanjanje sa ostalim sklopovima i ponašanjem vozila, korisno je ponoviti i sledeće teme:

• Otpori kretanju vozila — otpor uspona i ubrzanja
• Obrtni moment motora
• Delovi kočionog sistema

Dodatni izvori za šire proučavanje:

• Automotive Handbook — poglavlje o sistemu za oslanjanje (PDF, obrazovni priručnik)
• Suspension Geometry — pregled geometrije i kretanja točka (ScienceDirect Topics, engleski)

Napomena: Izvedba i ponašanje sistema za oslanjanje zavise od konkretnog vozila. Prikazi u ovoj lekciji služe za objašnjenje osnovnih principa i ne predstavljaju tehnički crtež određene konstrukcije.