Vrste automobilskih ovjesa – AutopressHR

Ovjesi su stari gotovo koliko i kotač, a neke vrste automobilskih ovjesa razvijene su prvo za kočije i vagone. Ovjes automobila je sklop koji omogućuje relativno nezavisno pomicanje kotača vozila i šasije vozila. To odvajanje gibanja omogućuje amortizaciju neravnina ceste, tj. zadržavanje kontakta vozila s cestom. Ovjes na sebe preuzima sile koje djeluju na kotače i pretvara ih u elastične deformacije opruga, hidraulički rad amortizera (na koncu u trenje, tj. toplinu), negdje se koriste i protuutezi koji prigušuju vibracije (npr. neki Citroëni 2CV), a neki F1 sustavi koriste i male zamašnjake (J-damper ili inerter).

No, i ostatak konstrukcije ovjesa mora osiguravati održavanje željene geometrije kotača. Osim same konstrukcije i geometrije komponenti, u proračun ponašanja ovjesa ulazi sve od izbora materijala do temperature plina kojim je ispunjena guma/pneumatik na kotaču. Cilj razvoja ovjesa je osigurati najpovoljnija svojstva za zamišljenu namjenu, a budući da sve ovisi o specijalizaciji, ciljanom cjenovnom razredu, cijeni razvoja, cijeni održavanja itd., rezultati na svakodnevni cestovnim automobilima obično su kompromis između svih tih faktora. Usporedimo zato najčešće tipove ovjesa na najčešćim tipovima automobila na cestama danas: putnički automobili s prednjim pogonom.

MacPhersonova opružna noga
Ugradnja ovog tipa ovjesa počela je krajem 1940-ih, temeljena na ranijim dizajnima. Učestalost mu je rasla s razvojem postrantih automobila s prednjim pogonom i samonosećim karoserijama; MacPhersonov ovjes se uglavnom ugrađuje kao prednji ovjes jer je relativno kompaktan i pogodan za uparivanje s upravljačkim mehanizmom. Temelji se na vilici koja zadaje lokaciju kotača po uzdužnim i bočnim osima, nad kojom stoje amortizer i spiralna opruga. Relativno je jednostavan i jeftin za proizvodnju, ostavlja više mjesta pod karoserijom za projektiranje deformabilnih zona šasije i ima malo pokretnih dijelova i selena, ali osjetljiv na nepovoljnu promjenu geometrije kotača (pozicije kotača u odnosu na podlogu, tj. cestu) pri prelasku preko neravnina na cesti i pri skretanju.

Efekt povlačenja automobila na jednu stranu pri jačem ubrzavanju (eng. torque steer) javlja se kod jačih modela s prednjim pogonom s ovim tipom ovjesa, ali to je vezano i uz poluosovine nejednakih duljina. Neki automobili visokih dinamičkih svojstava koriste varijante MacPherson ovjesa, npr. Porsche 911 od otprilike početka 1990-ih. I na putničke automobile se ugrađuju razni prilagođeni tipovi tog ovjesa; npr. Opel, Ford i Honda imaju svoje verzije koje dodatnim zglobovima razdvajaju komponente hoda po osima i artikulaciju potrebnu za skretanje. Tako su umanjena negativna dinamička svojstva, ali uz dodatnu masu.

Dvostruka poprečna ramena
Tzv. duple vilice su se na automobilima počele koristiti od 1930ih. Na ovom su tipu ovjesa rad trokutastih vilica (poprečnih ramena) i rad spiralne opruge s amortizerom uglavnom odvojeni. Gibanje gornje i donje vilice omogućuje preciznu kinematičku kontrolu hoda kotača montiranog negdje na vertikalnoj osi između vilica. Kod trkaćih automobila pri kojima gepek ili prostranost kabine nije bitna, amortizeri se s ovom konfiguracijom mogu preseliti unutar karoserije; tako se snižava neovješena masa, ostvaruje niži profil karoserije i locira masa bliže centru i dnu vozila. Kotač na ovom ovjesu bolje prati cestu, i geometrija mu se manje mijenja zbog izbočina, rupa i skretanja, a time se i gume pravilnije troše (tj. rub gume).

Zbog kompleksnosti mogu biti skuplji za održavanje (npr. poznati su loši seleni na inače izvrsnom ovjesu Alfe 156), a budući da zauzimaju mjesta pod haubom, neki modeli koji su ih koristili u novijim generacijama koriste MacPhersonov ovjes (npr. Honda Civic od 7. generacije). Danas se uglavnom ugrađuju kao prednji ovjes.

Torzijska i polukruta osovina
Ovi ovjesi uglavnom se ugrađuju na manje i jeftinije aute jer su relativno jednostavni i ne zahtjevaju puno prostora kao npr. multilink. Danas se uglavnom ugrađuju kao stražnji ovjesi i time se oslobađa više prostora za gepek. Kao i kod drugih vrsta ovjesa, i torzijskih postoji više često korištenih varijanti, ali temelje se na elastičnosti uzdužnog savijanja šipke. Torzijska šipka je jednim krajem fiksirana na šasiju, a na drugom se nalazi sklop koji nosi kotač; vertikalnim hodom kotača šipka se svija po svojoj uzdužnoj osi.

Polukruta osovina je varijanta takvog ovjesa koji koristi torzijsku šipku po poprečnoj osi automobila, i ruke ili vilice po uzdužnoj osi automobila prema kotačima, koji su obično još ovješeni i spiralnim oprugama. Mana većine polukrutih osovina u odnosu na ostale ovdje navedene ovjese je što to nisu potpuno neovisni ovjesi: ponašanje jednog kotača utječe na ponašanje drugog, npr. prelazak lijevog kotača preko neravnine i mijenjanje geometrije (npr. nagiba) kotača, preko ovjesa djeluje na kompresiju ovjesa i mijenjanje geometrije desnog kotača. Ta se povezanost, ovisno o varijanti ovjesa, može odvijati u većoj ili manjoj mjeri, ili samo po specifičnom osima (smjerovima kretanja kotača).

Multilink
Na cestovnim automobilima se koristi od 1960-ih, a danas se uglavnom ugrađuje kao stražnji ovjes. Po geometriji je sličan dvostrukim poprečnim ramenima, ali koristi više spona, od čega dolazi i ime. Kompleksniji je, ali te su spone artikulirane i omogućuju i udobnu vožnju i dobru kontrolu kotača kroz hod ovjesa, uzdužne sile (akceleracija i deceleracija) i bočne sile (npr. naginjanje pri skretanju).

Slično nudi i ovjes s dvostrukim poprečnim ramenima, ali multilink je lakše uštimavati os po os (ili ravninu po ravninu, a treba imati na umu da se kotač giba u prostoru po sve tri osi), s tim da je za to potrebna kompleksni proračun sila ovisnih o opterećenju, geometriji, elastičnim svojstvima materijala itd. Neke varijacije ovjesa s dvostrukim poprečnim ramenima specifične geometrije i s dodatnim sponama možemo smatrati i multilink ovjesima.

Hidropneumatski ovjes
Citroën je na modelima DS (1955. – 1975.) i SM (1970. – 1975.) popularizirao hidropneumatski ovjes. Negdje se javlja izraz oleopneumatski budući da se u njima koristi ulje, ali hidropneumatski nije netočan izraz jer se hidraulika odnosi na tekućine uopće, ne samo na vodu. Kod oba ta automobila primjenjene su inovativne tehnike proizvodnje i materijali (npr. stakloplastika za krov u DSu ili ugljičnim vlaknima ojačana plastika za jedan tip felgi na SMu), i oba koriste hidropneumatski ovjes (sferične komore s uljem i stlačenim plinom).

Hidraulika u tim modelima upravlja i drugim sustavima: zakretanjem i niveliranjem prednjih farova, distribucijom kočne sile po osovinama, automatiziranog mjenjača (DS) i varijabilnog servo volana (SM). SM koristi Maseratijev V6 motor (90°), brisače koji mjere struju potrebnu za pokretanje elektromotora i sukladno tome prilagođuju interval, i disk kočnice (prednji diskovi montirani na poluosovinama; isto rješenje koristi i DS, ali uz stražnje bubanj kočnice). Sportske cestovne primjene su rjeđe (npr. MG F), ali postoje; McLaren 12C ne koristi fizičke spojnice lijeve i desne strane ovjesa (anti-roll bar) nego hidraulikom nezavisno pojačava tvrdoću amortizacije pri pojedinom kotaču kako bi kontrolirao naginjanje šasije po poprečnoj i uzdužnoj osi.

Prilagodljivi aktivni ovjes
Za cestovne automobile prvi aktivni ovjes ponudila je Toyota godine 1989. Aktivni ovjes prilagođava svoje ponašanje (npr. tvrdoću) sukladno površini po kojoj se vozilo kreće. Takav prilagodljivi ovjes danas nudi nekoliko proizvođača, a vjerojatno će se u razvoj takvih sustava uključiti više tvrtki koje su uključene u IT stranu razvoja (autonomnih) automobila. Npr., Mercedes i Maybach modeli koriste varijantu sustava koja skuplja podatke o cestovnoj površini ispred automobila (npr. GPS podaci o strminama i zavojima, ili pak laseri i kamere za detektiranje nepravilnosti poput rupa ili kvrgi) i sukladno tome regulira tvrdoću ovjesa, a i bočno naginjanje automobila u zavoju (poput nagibnog vlaka).

Aktivni ovjesi su u raznim varijantama bili u ponudi u automobilima sigurno od 1950-ih, ali jedan od zanimljivijih nije prešao u serijsku proizvodnju (makar se se ponovo javio interes): Boseov sustav koristi elektromagnetske aktuatore/motore umjesto amortizera i opruga, a prototipi su instalirani i testirani u Lexusima. Ovjes je odlično kontrolirao bočno zanošenje karoserije i stabilizirao automobil pri vožnji neravnom površinom. Funkcionira na principu sličnom poništavanju valova, upravljajući vertikalnim gibanjem kotača (stvaranje protufaze i destruktivne interferencije/anihilacije valova).

Prilagođavanje visine i samoizravnavajući ovjes
Neki automobili koriste ovjes koji po želji vozača, ili pak automatski prilagođuje visinu vozila od tla (mehaničkim sponama, hidropneumatikom, računalnim nadzorom). Za vožnju izvan asfalta automobil se može podići od tla kako bi se smanjila šansa da se elementi podnice oštete, a pri brzinama za autoput se može spustiti kako bi se povećala stabilnost i smanjio otpor zraka.

Takvi ovjesi mogu se i izravnavati sukladno opterećenju vozila, npr. ako je gepek natovaren, stražnji ovjes se podigne kako se nos automobila ne bi propinjao i tako narušio ugođenost prednjeg ovjesa, smanjio kontakt prednjih kotača s cestom i efikasnost kočenja. U gibanje ovjesa se uračunavaju i kontrola propinjanja i sjedanja pri ubrzavanju i kočenju (anti-dive i anti-squat geometrija).

Zračni ovjes
Brojni luksuzni automobili koriste zračni ovjes, pri čemu kompresor i sustav ventila reguliraju količinu zraka u zračnim jastucima koji mijenjaju klasične amortizere. No, češće se koriste za teža teretna i putnička vozila poput vlakova i autobusa. Specifični “psssss” zvuk koji kamioni nekad ispuste dolazi od rasteretnih ventila pri niveliranju zračnog ovjesa.

Elektromagnetski kontrolirani ovjes
Amortizer služi prigušenju oscilacija opruge, a obično su ispunjeni uljem i/ili plinom. Sustavi ovjesa s elektromagnetskim amortizerima koriste elektromagnetsko-reološki princip rada, a za primjer možemo uzeti sustav korišten i u Audiju TT.

Elektromagnetski kontrolirani amortizer je ispunjen uljem koje sadrži sitne čestice željeza (promjera 3-10 mikrometara, sitnije od prosječne kapljice vode koja tvori maglu). U cilindru amortizera je kanal s integriranom zavojnicom. Kada se kroz zavojnicu pusti električna struja, stvara se magnetsko polje duž kojega se orijentiraju spomenute željezne čestice i tako usporavaju, tj. otežavaju prolazak ulja kroz kanal, a efekt je skraćivanje hoda i povećanje tvrdoće amortizacije.

Materijali za ovjes
Honda NSX (predstavljena 1989., prodavana 1990. – 2005.) je automobil s aluminijskim panelima i strukturnim elementima. VTEC V6 motor bio je montiran u sredini, kabina je bila oblikovana i smještena po uzoru na lovačke avione, a korišteni su i kovani dijelovi upravljačkog sustava, što je uz fino uštimani ovjes (dvostruka poprečna ramena) donijelo odličnu upravljivost. Aluminij je korišten i za komponente ovjesa, što značajno smanjuje neovješenu masu.

Snižavanje mase neovješenih komponenti, tj. dijelova automobila koji nisu amortizirani ovjesom/koji nisu iznad ovjesa (npr. kotači) poboljšava dinamička svojstva automobila jer imaju manju inerciju i lakše je kontrolirati praćenje ceste, tj. lakše je umanjiti poskakivanje kotača zbog neravnina ceste.

Kako poboljšati ovjes na svom automobilu
Na automobilima o kakvima je ovdje riječ, suvremeni B, C i D segment (uključujući i crossovere temeljene na platformama tih klasa), obično se ne mijenja tip ovjesa nego se mijenjaju spiralne opruge i amortizeri. Moguće je dati izraditi oprugu, ali nešto je sigurnija kupovina tvorničkih predviđenih za jači tip istog modela automobila, ili pak kupovina od provjerenog proizvođača zamjenskih i specijaliziranih dijelova; svojstva poput tvrdoće i visine bi kod njih trebala biti dobro proračunata.

Mogu se ugraditi i tzv. gevinde (naziv dolazi od mogućnosti štimanja visine sklopa amortizera i opruge preko navoja kojim se sklop produži ili skrati). Takve zamjenske, a i neke tvornički ugrađene spiralne opruge su pri vrhu gušće pa se tako uračunava i nelinearno povećanje sile potrebne za kompresiju opruge pod opterećenjem; to je svojstvo teže osigurati kod torzijske opruge, a spiralna je za cestovne automobile najčešće povoljnija u svakom pogledu od lisnate.

Ne smiju se birati niti preniske opruge ili postavke oprugi, jer se mijenja geometrija kotača, tj. dobiva se izraženi nagib zbog kojega se smanjuje kontaktna površina gume na asfaltu, što je izraženije na MacPherson ovjesu nego na dvostrukim poprečnim ramenima. S biranjem tvrđih postavki može se očekivati direktnije upravljanje, predvidivi transfer težine pri naginjanjima zbog skretanja ili kočenja, čak i mrvicu brže vrijeme ubrzanjavanja (npr. 0-100 km/h, jer se manje energije potroši na hod ovjesa).

Često se čuje upozorenje da zbog više vibracija prenesenih na ostatak automobila, tvrđi ovjes brže uništava ostale vezane komponente, što nije u potpunosti netočno, ali se odnosi na specifične slučajeve i uvjete korištenja. Ako su druge komponente automobila (poput guma, felgi, selena, muldi…) kvalitetne, u dobrom stanju, pravilno održavane, i ako se ne vozi pod ekstremnim opterećenjima (npr. utrka ili po lošem terenu), ugradnja umjereno tvrđeg ovjesa ne bi trebala primjetno skratiti trajnost automobila.

Uz navedeno, mogu se mijenjati i seleni, elastični blokovi koji dolaze između metalnih dijelova karoserije i ovjesa. Moguće je i da će automobil biti bučniji s tvrđim ovjesom jer se tako više vibracija prenosi na karoseriju i kabinu. No, treba se informirati prije odabira jer o postavkama ovjesa ovisi i geometrija skretanja, a neki automobili imaju proračunatu deformaciju tvornički ugrađenog selenskog bloka kako bi osigurali zakretanje stražnjih kotača u određenim uvjetima.

Uopće, automobili su sve više tvornički ugođeni kao cjeline, bez obzira radi li se o sportskim postavkama ili postavkama za udobnost: ciljanje potrošačke publike nekad prevagne nad čistim inženjerstvom pa se može dogoditi da se treba mijenjati pola auta da bi nove postavke dobile smisao: tako ugradnja gevindi možda mora biti praćena remapiranjem sustava upravljanja motorom, osjetljivosti elektroničkog servo volana, izmjenom selena, felgi, guma…