Početna › Motorna vozila › Ovjes

Ovjes

Vozilo kao oscilatorni sistem: ovješene i neovješene mase, krutost opruga i guma, sopstvene frekvencije, prigušenje, statički ugib te vrste ovjesa i način izbora njegovih parametara.

Sadržaj
  1. Zadaci ovjesa
  2. Model četvrtine vozila
  3. Sopstvena frekvencija i udobnost
  4. Krutost na točku i prenosni odnos
  5. Statički ugib i opterećenje
  6. Prigušenje
  7. Neovješena masa
  8. Galopiranje i „flat ride“
  9. Vrste ovjesa
  10. Riješen primjer
  11. Tipične vrijednosti
  12. Literatura

1. Zadaci ovjesa

Ovjes povezuje točkove s karoserijom i ima dva međusobno suprotstavljena zadatka:

Mekan ovjes je udoban, ali vozilo se više naginje, propinje i „pliva“. Krut ovjes drži put, ali prenosi udare. Projektovanje ovjesa je traženje kompromisa između ta dva zahtjeva, za konkretnu namjenu vozila.

2. Model četvrtine vozila

ms — ovješena masa mu — točak kw c kt — guma neravnina puta zr zs zu
Model četvrtine vozila: ovješena masa ms (dio karoserije koji pripada jednom točku), neovješena masa mu (točak, kočnica, dio osovine), krutost ovjesa kw, prigušenje c i krutost gume kt.

Za idejni proračun vozilo se dijeli na četiri nezavisna dijela, po jedan za svaki točak. Ovješena masa po točku je dio karoserije s teretom koji pripada tom točku:

$$m_s = \frac{G_{os}/g - m_{u,os}}{2}$$

gdje je Gos opterećenje osovine, a mu,os neovješena masa cijele osovine (točkovi, glavčine, kočnice, kod krute osovine i sama osovina). Jednačine kretanja dvije mase su

$$m_s\ddot z_s + c(\dot z_s - \dot z_u) + k_w(z_s - z_u) = 0$$ $$m_u\ddot z_u - c(\dot z_s - \dot z_u) - k_w(z_s - z_u) + k_t(z_u - z_r) = 0$$

Sistem ima dvije sopstvene frekvencije: nisku, kod koje oscilira karoserija, i visoku, kod koje oscilira točak. Pošto su veoma razmaknute, mogu se računati odvojeno.

3. Sopstvena frekvencija i udobnost

Opruga ovjesa i guma vezane su redno, pa je ukupna krutost koju „osjeća“ karoserija (krutost vožnje, engl. ride rate)

$$k_r = \frac{k_w\, k_t}{k_w + k_t}$$

Sopstvena frekvencija ovješene mase je tada

$$f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k_r}{m_s}}$$

Ova frekvencija je osnovni parametar udobnosti. Čovjek najbolje podnosi vertikalne oscilacije sa frekvencijom bliskom frekvenciji hoda, oko 1–1,5 Hz. Ispod 1 Hz javlja se osjećaj „plivanja“ i mučnina, a iznad 2 Hz vožnja postaje tvrda. Ljudsko tijelo je posebno osjetljivo na vertikalne vibracije u području 4–8 Hz, gdje se nalaze rezonancije unutrašnjih organa.

Projektni postupak ide obrnutim redom: bira se željena frekvencija, pa se iz nje računa potrebna krutost:

$$k_r = (2\pi f)^2\, m_s, \qquad k_w = \frac{k_r\, k_t}{k_t - k_r}$$

4. Krutost na točku i prenosni odnos

Opruga obično nije postavljena tačno iznad točka, nego na polugu (rame ovjesa) bliže osloncu. Ako se pri pomjeranju točka za Δz opruga sabije za i·Δz, gdje je i prenosni odnos (engl. motion ratio), onda je krutost svedena na točak

$$k_w = i^2\, k_{opr}, \qquad k_{opr} = \frac{k_w}{i^2}$$

Prenosni odnos ulazi na kvadrat: jednom zbog kraka sile, drugi put zbog kraka pomjeranja. Opruga postavljena na sredinu poluge (i = 0,5) mora zato biti četiri puta kruća od krutosti koja se želi na točku. Isto važi za amortizer.

oslonacabΔz (točak)i·Δz (opruga)i = a / bkw  = i² · kopr 
Opruga je na rame ovjesa postavljena na rastojanju a od oslonca, a točak na rastojanju b. Kad se točak pomjeri za Δz, opruga se sabije za i·Δz, pa je krutost svedena na točak i²·kopr.

5. Statički ugib i opterećenje

Statički ugib je sabijanje ovjesa i gume pod težinom vozila:

$$\delta_{st} = \frac{m_s\, g}{k_r}$$

Za linearnu oprugu između ugiba i frekvencije postoji jednostavna veza koja ne zavisi od mase:

$$f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g}{\delta_{st}}} \approx \frac{0{,}5}{\sqrt{\delta_{st}\,[\text{m}]}}$$

Frekvencija od 1 Hz zahtijeva statički ugib od oko 250 mm, a 1,5 Hz oko 110 mm. Zato meki ovjes treba velik hod.

Kod vozila s velikom razlikom praznog i punog stanja nastaje problem. Ako se linearna opruga dimenzioniše za puno vozilo, prazno vozilo ima mnogo veću frekvenciju:

$$\frac{f_{prazno}}{f_{puno}} = \sqrt{\frac{m_{s,puno}}{m_{s,prazno}}}$$

Kod kamiona čiji teret višestruko premašuje vlastitu masu na zadnjoj osovini, prazno vozilo ima tvrd, „skakutav“ ovjes. Rješenja su progresivne opruge (dvostepeni lisnati gibanj, gumeni odbojnici) ili zračni ovjes, kod kojeg se pritisak, a time i krutost, prilagođava opterećenju, pa frekvencija ostaje gotovo stalna.

6. Prigušenje

Bez prigušenja bi karoserija nakon svake neravnine dugo oscilovala. Amortizer pretvara energiju oscilovanja u toplotu. Mjera prigušenja je relativno prigušenje (stepen prigušenja):

$$\zeta = \frac{c}{c_{kr}}, \qquad c_{kr} = 2\sqrt{k_w\, m_s}$$

Kritično prigušenje (ζ = 1) vraća sistem u ravnotežu najbrže, bez prebačaja, ali bi vožnja bila tvrda. Putnička vozila obično imaju ζ ≈ 0,2–0,4, a sportska i teretna nešto više. Potrebna konstanta prigušenja na točku i na amortizeru je

$$c_w = 2\,\zeta\sqrt{k_w\, m_s}, \qquad c_{am} = \frac{c_w}{i^2}$$
f / f0 |zs  / zr |00,511,4123012345ζ = 0,1ζ = 0,3ζ = 0,7iznad √2·f0  ovjes izoluje
Odnos amplitude karoserije i amplitude neravnine u zavisnosti od frekvencije pobude (model s jednom masom). Oko sopstvene frekvencije f0 karoserija rezonuje, a jače prigušenje smanjuje rezonanciju. Iznad √2·f0 ovjes ublažava neravnine, ali jače prigušenje tu izolaciju pogoršava. To je osnovni kompromis podešavanja amortizera.

Stvarni amortizeri su nelinearni i nesimetrični: u hodu povratka (izvlačenje) prigušuju jače nego u hodu sabijanja, obično u odnosu oko 2:1 do 3:1. Tako udar neravnine manje prelazi na karoseriju, a oscilacija se ipak brzo smiri.

7. Neovješena masa

Točak sa svojim masama osciluje između opruge ovjesa i gume, s frekvencijom

$$f_u = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k_w + k_t}{m_u}}$$

gdje je mu neovješena masa jednog točka. Ta frekvencija je obično 10–15 Hz, dovoljno iznad frekvencije karoserije da se dvije oscilacije ne miješaju.

Što je neovješena masa manja u odnosu na ovješenu, točak bolje prati neravnine, a promjena normalne sile je manja. Zato se teži lakim naplacima (aluminijskim), lakim kočnicama i nezavisnom ovjesu umjesto krute osovine. Kod električnih vozila s motorima u točkovima povećana neovješena masa je jedan od glavnih izazova.

8. Galopiranje i „flat ride“

Kad vozilo pređe preko neravnine, zadnji točkovi je udare kasnije od prednjih, za vrijeme L/v. Kad bi prednji i zadnji ovjes imali istu frekvenciju, karoserija bi se nakon neravnine propinjala (galopirala) naprijed-nazad. Ako je zadnji ovjes nešto kruće podešen (obično 10–20 % veća frekvencija), zadnji dio „sustigne“ prednji, pa se karoserija vraća ravno. To pravilo, poznato kao flat ride, potiče od Maurica Olleyja iz 1930-ih i i danas je polazna tačka pri podešavanju putničkih vozila.

t [s]z00,511,52prednji kraj, 1,2 Hzzadnji kraj, 1,35 Hz (kasni L/v = 0,19 s)zadnji „sustiže“ prednjineravnina
Odziv prednjeg i zadnjeg kraja na istu neravninu pri 50 km/h. Zadnji točak udari neravninu kasnije, ali s većom frekvencijom oscilacija pozadi oba kraja brzo dođu u fazu, pa se karoserija vraća ravno, bez galopiranja.

9. Vrste ovjesa

VrstaOdlikePrimjena
Kruta osovina s lisnatim gibnjevimajednostavna, izdržljiva, gibanj ujedno vodi osovinu; velika neovješena masateretna vozila, terenska vozila, pick-up
Kruta osovina sa zračnim mijehovimastalna visina i frekvencija bez obzira na teretkamioni, autobusi, prikolice
McPhersonamortizer je ujedno vodeći element; jednostavan i jeftin, mali prostorprednja osovina većine putničkih vozila
Dvostruka poprečna ramenadobra kontrola nagiba točka pri hodu ovjesasportska i luksuzna vozila, terenska vozila
Višespojni (multi-link)nezavisno podešavanje kinematike i elastičnostizadnja osovina srednje i više klase
Spregnuta (torziona) gredapoluzavisna, kompaktna i jeftinazadnja osovina manjih vozila s prednjim pogonom

Stabilizator (torziona šipka koja povezuje lijevi i desni točak osovine) ne utiče na krutost kad oba točka idu zajedno gore-dolje. Povećava samo krutost pri naginjanju u krivini. Raspodjela krutosti stabilizatora između prednje i zadnje osovine jedan je od glavnih načina podešavanja podupravljanja (vidi poglavlje Stabilnost i upravljivost).

10. Riješen primjer

Zadatak. Prednji ovjes putničkog vozila: opterećenje osovine puno 928 kg, prazno 750 kg, neovješena masa osovine 80 kg, krutost gume 220 kN/m, prenosni odnos ovjesa 0,95, željena frekvencija punog vozila 1,2 Hz, ζ = 0,3.

a) Ovješena masa po točku

\(m_s = (928 - 80)/2 = 424\ \text{kg}\) puno, \(m_{s0} = (750 - 80)/2 = 335\ \text{kg}\) prazno

b) Potrebna krutost

\(k_r = (2\pi\cdot 1{,}2)^2\cdot 424 = 24\,100\ \text{N/m}\)

\(k_w = \dfrac{24\,100\cdot 220\,000}{220\,000 - 24\,100} = 27\,070\ \text{N/m} = 27{,}1\ \text{kN/m}\)

\(k_{opr} = 27\,070/0{,}95^2 = 30\,000\ \text{N/m} = 30{,}0\ \text{kN/m}\)

c) Statički ugib i frekvencija praznog vozila

\(\delta_{st} = 424\cdot 9{,}81/24\,100 = 0{,}173\ \text{m} = 173\ \text{mm}\)

\(f_0 = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{24\,100/335} = 1{,}35\ \text{Hz}\). Razlika je mala, pa linearna opruga odgovara.

d) Amortizer

\(c_w = 2\cdot 0{,}3\sqrt{27\,070\cdot 424} = 2033\ \text{Ns/m}, \qquad c_{am} = 2033/0{,}95^2 = 2250\ \text{Ns/m}\)

e) Frekvencija točka (neovješena masa jednog točka 40 kg)

\(f_u = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{27\,070 + 220\,000}{40}} = 12{,}5\ \text{Hz}\), dobro odvojeno od 1,2 Hz.

Zadnji ovjes istog vozila podešen je na 1,35 Hz, što je 12,5 % više od prednjeg, u skladu s pravilom flat ride.

Otvori kalkulator ovjesa →

Kalkulator za primjer kamiona od 18 t pokazuje tipičan problem teretnih vozila: zadnji lisnati ovjes, podešen na 1,8 Hz pod punim teretom, prazan ima preko 5 Hz, pa je praktično krut. To je jak argument za zračni ovjes.

11. Tipične vrijednosti

VoziloFrekvencija karoserije [Hz]ζ
Luksuzno putničko0,9–1,20,2–0,3
Standardno putničko1,1–1,40,25–0,35
Sportsko1,5–2,00,3–0,5
Kamion, autobus sa zračnim ovjesom1,0–1,50,2–0,3
Kamion s lisnatim gibnjevima, puno1,5–2,20,2–0,3
VeličinaPutničko voziloKamion
Krutost gume (radijalna)180–300 kN/m800–1200 kN/m
Neovješena masa po točku30–60 kg300–700 kg
Frekvencija točka10–15 Hz8–12 Hz

12. Literatura