Süspansiyon Temel Bilgileri — Yaylardan ve Amortisörlerden Geometriye ve Aktif Kontrole

0. Bu makalenin açıkladığı konular

• Her bir yay ve amortisörün hangi işlevleri yerine getirdiği ve çeyrek araç modelinin bunları nasıl tanımladığı.

• Sürüş konforu ve yol tutuş stabilitesinin neden birbirine karşıt olduğu ve sertliğin nasıl seçildiği.

• MacPherson tipi, çift salıncaklı ve çok bağlantılı süspansiyonun yapısal farklılıkları ve güçlü yönleri.

• MagneRide, ZF CDC ve Porsche Active Ride ile aktif/uyarlanabilir amortisörün günümüzdeki durumu.

• Frenleme sırasında ağırlık transferi (ön daldırma) ve süspansiyon arasındaki ilişki.

1. Özetle: Süspansiyon nedir?

Süspansiyon, lastiği yol yüzeyine bastırırken yoldan gövdeye iletilen şokları yumuşatan mekanizmadır. Yay, gövdenin ağırlığını destekler ve dikey hareketin enerjisini geçici olarak depolar, amortisör ise bu salınımı ısı olarak dağıtarak dengelenmesini sağlar. Geometri (kol düzeni), lastiğin açısının ve konumunun hareket ettiği yolu belirler ve viraj alırken ve hızlanma/frenleme sırasında aracın duruşunun nasıl değiştiğini yönetir. Son yıllarda, bunun üzerine elektronik kontrol de eklenmiş olup, duruma bağlı olarak sönümleme kuvvetini veya sürüş yüksekliğini aktif olarak değiştiren sistemler daha yaygın hale gelmiştir.

2. Yay ve Amortisör: Çeyrek Araç Modeli

Şekil 1 — Çeyrek araç modeli (tek tekerlek için eşdeğer bir model). Yol girişi, lastik sertliği k_t'den yaylanmamış kütle m_u'ya, ardından yay k_s ve sönümleyici c'den yaylı kütle m_s'ye geçer.

En basit iki serbestlik dereceli çeyrek araç modelinin hareket denklemleri şu şekilde yazılabilir:

Yaylı kütleyi tek bir serbestlik derecesi olarak yaklaşık olarak ele alırsak, doğal frekans ve sönümleme oranı şu şekilde yazılabilir:

\zeta<1 (az sönümlü) ile Yakınsama sırasında salınım yapar; \zeta=1'te (kritik sönümlü) salınım yapmadan en kısa sürede yakınsar; ve \zeta>1'da (aşırı sönümlü) yakınsama daha yavaştır. Bir binek otomobilin yaylı kütlesi genellikle az sönümlü bölgede bulunur ve \zeta genellikle sürüş konforu ile işlerin ne kadar hızlı dengelendiği arasında bir denge sağlamak için 0,2-0,4 civarında ayarlanır. Yaylanmayan taraf, lastik sertliği k_t tarafından domine edilir ve yaylı taraftan çok daha yüksek bir frekansta rezonansa girer; bu da lastik ve yürüyen aksamın kütlesinin ince yol düzensizliklerini emdiği, yay ve amortisörün ise dalgalanmalar gibi daha büyük girdileri ele aldığı bir iş bölümü sağlar.

3. Sürüş Konforu ve Yol Tutuş Kararlılığı Arasındaki Denge

Şekil 2 — Kavramsal bir diyagram, ölçülmüş veri değil. Süspansiyonu sertleştirmek, gövdenin duruş değişikliklerini (yuvarlanma, eğilme) bastırır ve yol tutuş stabilitesini iyileştirme eğilimindedir, ancak yol girdisini emmek zorlaşır ve sürüş konforu kötüleşme eğilimindedir.

Yayı veya amortisörü sertleştirmek, viraj alırken gövde yuvarlanmasını ve hızlanma/frenleme sırasında eğilmeyi azaltır, lastik temasını stabilize eder ve yol tutuş stabilitesini iyileştirir. Öte yandan, yol düzensizliklerini gövdeye daha doğrudan ileterek sürüş konforunu kötüleştirir. Daha yumuşak bir süspansiyon kullanmak sürüş konforunu iyileştirir, ancak duruş değişiklikleri daha büyük olur, lastik yükü varyasyonunu artırır ve limitlerdeki davranışı okumayı zorlaştırır. Bir seri üretim otomobilin ayarlanması, bu iki eksenli denge üzerinde nerede durulacağına dair bir seçimdir — spor modeller yol tutuş stabilitesine, lüks sedanlar ve minivanlar ise sürüş konforuna yönelir. Bölüm 5'te ele alınan adaptif sönümleme, sürüş koşullarına bağlı olarak bu sabit dengeyi değiştiren bir teknoloji olarak tanımlanabilir.

4. Süspansiyon Tipleri: Geometrideki Farklılıklar

Şekil 3 — Basitleştirilmiş bir şema (tam geometri değil, yapısal düşüncenin kavramsal bir diyagramı). MacPherson süspansiyonunda, süspansiyonun kendisi yay/amortisör yuvası ve direksiyon ekseni olarak da görev yapar. Çift salıncaklı süspansiyonda, üst ve alt olmak üzere iki bağımsız kol, mafsalın hareketini kontrol eder. Çoklu bağlantılı bir düzende, hareket serbestlik derecelerini ince bir şekilde kontrol etmek için üç ila beş bağlantı ayrı ayrı yerleştirilir.

MacPherson süspansiyonu: Yay ve amortisörü birlikte barındıran tek bir süspansiyon, tekerlek mafsalının üst kısmını doğrudan destekler ve alt kısmı tek bir alt kolla konumlandırır. Az sayıda parçaya sahip olduğu için hafif, kompakt ve düşük maliyetli olması kolaydır, bu nedenle önden çekişli küçük ve orta boy araçlarda yaygın olarak kullanılır. Orta boy otomobiller. Dezavantajı, amortisörün kuvveti amortisör kulesi aracılığıyla üst gövdeye iletmesi ve bu nedenle orada yüksek sertliğe ihtiyaç duyulmasıdır.

Çift salıncaklı: Bağımsız üst ve alt kollar (salıncaklar) mafsalı destekler ve yay ile amortisör kollardan ayrı olarak monte edilir. Kol uzunluğu ve montaj açısı bağımsız olarak tasarlanabildiğinden, kamber değişimi ve yuvarlanma merkezi yüksekliği, istenildiği gibi viraj alırken hassas bir şekilde kontrol edilebilir; bu nedenle spor otomobillerde, lüks otomobillerde ve yarış araçlarında tercih edilir. Dezavantajı ise daha fazla parça ve daha fazla alan gerektirmesidir.

Çok bağlantılı: Üst/alt ayrımı yerine, bu format, çoğunlukla arka süspansiyon için kullanılan, ayrı açılarda ve uzunluklarda üç ila beş bağlantı yerleştirir. Her bağlantı için bir serbestlik derecesi olduğundan, toe ve kamber açısı değişiklikleri viraj alma, frenleme ve hızlanma için ayrı ayrı ayarlanabilir; bu da hem sürüş konforunu hem de yol tutuş stabilitesini geometri tarafından daha da ileriye taşımayı kolaylaştırır. Üç format arasında tasarım ve üretim maliyetleri nispeten yüksek olma eğilimindedir.

5. Aktif ve Uyarlanabilir Sönümleme

Sabit yay/amortisör özellikleri, Bölüm 4'teki ödünleşmeden kaçamaz, ancak sürüş sırasında bunu değiştiren elektronik kontrol yaygınlaşmıştır.

Uyarlanabilir sönümleme, yalnızca amortisörün sönümleme özelliğini gerçek zamanlı olarak değiştirir. GM'nin Manyetik Sürüş Kontrolü (MagneRide), amortisörü manyetik (manyetorheolojik) bir sıvı ile doldurur ve bir bobinden gönderilen akımla sıvının viskozitesini değiştirerek, mekanik bir valf olmadan sönümleme kuvvetini değiştirir - geliştirici Delphi'nin bir marka adı olarak, ilk olarak 2002 Cadillac Seville STS'de ortaya çıktığı söyleniyor. ZF'nin Sürekli Sönümleme Kontrolü (CDC), her tekerleğin sensör verilerinden hedef bir sönümleme kuvveti hesaplar ve resmi materyallere göre saniyede 100 defaya kadar sönümleme kuvvetini ayarlayabilir.

Aktif süspansiyon daha da ileri gider, sadece amortisörü değil, gövdenin duruşunu da aktif olarak oluşturur. Mercedes-Benz'in Aktif Gövde Kontrolü (ABC)'nin ilk olarak 2002 Cadillac Seville STS'de ortaya çıktığı söyleniyor. 1999 Cenevre Otomobil Fuarı'nda CL-Class'a takılan ve hidrolik kullanarak gövde duruşunu aktif olarak kontrol eden bir sistem olan Porsche Active Ride'ın halefi E-Active Body Control, her tekerleği ayrı ayrı kontrol etmek için 48V güç kaynağı kullanıyor. Resmi kılavuza göre, yol yüzeyini okuyarak duruş değişikliğini bastıran bir Yol Yüzeyi Tarama fonksiyonu ile birlikte çalışıyor. Porsche Active Ride, her amortisöre kendi özel elektro-hidrolik pompasını takıyor ve geri tepme ve sıkıştırma tarafı kuvvetini bağımsız olarak üretmek için gücü doğrudan aracın yüksek voltajlı aküsünden alıyor ve resmi materyallere göre 13 Hz'e kadar tepki veriyor.

Motor sporlarında kökleri olan bir teknoloji olarak, Multimatic'in DSSV (Dinamik Süspansiyon Makara Valfi) amortisörü var. Şim yığını valfi yerine makara valfi kullanmak, düşük hız ve yüksek hız, geri tepme ve sıkıştırma özelliklerinin bağımsız olarak ayarlanmasına olanak tanıyor, üniteler arası varyasyonu azaltıyor ve şirkete göre bu teknoloji, F1'de tanıtılmasına kadar uzanıyor. 2002. Resmi bir Chevrolet blog yazısı, DSSV teknolojisinin Corvette dahil olmak üzere seri üretim otomobillere entegre edildiğini belirtiyor.

6. Frenleme ve Araç Dinamiği ile İlişkisi

Frenleme veya hızlanma sırasında, gövde ön-arka ağırlık transferi yaşar. Ağırlık merkezinin yüksekliğini h, dingil mesafesini L, kütleyi m ve boylamasına ivmeyi a_x olarak alırsak, ön ve arka akslar arasında aktarılan ağırlık yaklaşık olarak şu şekilde hesaplanabilir:

Sert frenleme sırasında, ağırlık ön tekerleklere doğru kayar (burun dalışı) ve ön yay sıkışırken arka kısım yükselmeye meyillidir. Hızlanma sırasında ise bunun tersi olur - arka kısım sıkışır, bu da çömelme anlamına gelir. Benzer şekilde, viraj alırken yanal ağırlık transferi, iz genişliğini t ve yanal ivmeyi şu şekilde alırsak: a_y, yaklaşık olarak şu şekilde ifade edilebilir:

Bu yanal ağırlık transferi ne kadar büyük olursa, dış lastikte o kadar fazla yük birikirken iç lastikten yük azalır ve dört lastiğin tamamındaki toplam yol tutuşu düşme eğiliminde olur. Çift salıncaklı ve çok bağlantılı sistemlerde, frenleme sırasında önün dalmasını veya hızlanma sırasında arkanın çökmesini önlemek için kol montaj açıları bazen tasarlanır — "dalmayı önleyici" ve "çökmeyi önleyici" geometri — Bölüm 4'te açıklanan bağlantı düzeni özgürlüğünün devreye girdiği başka bir alan. Frenleme mekanizmasının kendisi (hidrolik devre, ABS/ESC, rejeneratif karıştırma) için Frenleme Sistemleri Temel Bilgileri bölümüne bakın. Ayrıca, bir batarya paketinin ağırlığı bir EV'de yaylı kütleye katkıda bulunurken, tekerlek içi motor düzeni yaylanmayan kütleye katkıda bulunduğundan, m_s ve Bölüm 2'deki çeyrek araç modelindeki m_u de aktarma organı düzeniyle birlikte hareket eder. EV ağırlık dağılımı için EV Güç Aktarma Sistemi Rehberi'ne de bakınız.

7. Konfigürasyonların Karşılaştırılması

8. Zorlu Koşullar ve Güvenlik

Eğer bir amortisör Yay aşınır ve yağ sızdırmaya başlar veya sönümleme kuvvetini kaybederse, salınımı kontrol etmek yalnızca yaya kalır; bu da dengelenme hızını yavaşlatır ve frenleme sırasında yol tutuşunu ve temas yüzeyi stabilitesini kötüleştirir. Burçlardaki veya bilyalı mafsallardaki aşınma, kol konumlandırmasının hassasiyetini bozarak düz bir çizgide sapmaya, gürültüye ve düzensiz lastik aşınmasına neden olur. Tümsek üzerinden geçerken direksiyonda anlık bir çekme hissi olan "tümsek yönlendirmesi", bağlantıların tasarım açısı ve hareket aralığından veya aşınmadan kaynaklanan boşluktan kaynaklanabilir. Süspansiyonu mekanik hareket sınırına (tümsek durdurucuya) kadar büyük bir girdi ittiğinde, daha fazla darbe gövde tarafından emilir; bu nedenle, sürüş yüksekliği veya lastik boyutu stoktan önemli ölçüde değiştirilirse, strok miktarı ve boşluk kontrol edilmelidir. Servis yaparken, temel prensipler, yay üzerinde hala yük varken çalışmamak, yay kompresörü gibi özel aletler kullanmak ve aktif süspansiyon veya elektrikli adaptif amortisörlerin yüksek voltajlı ve yüksek basınçlı hidrolik kablolaması için servis kılavuzunun prosedürlerini ve koruyucu ekipmanlarını takip etmektir.

9. Pratik Seçenekler

• Şehir içi, çoğunlukla şehir içi sürüş: Daha yumuşak, konfora yönelik bir ayar veya her ikisini de dengelemek için adaptif sönümlemeye sahip bir model tercih edin.

• Sportif sürüş, dağ yolları: Daha sert veya değişken bir amortisörle eşleştirilmiş çift salıncaklı gibi yüksek serbestlik dereceli bir geometriye bakın.

• Engebeli yollar, çok değişken yükler: Sürüş yüksekliğini ve amortisör özelliklerini yüke ve yol yüzeyine göre ayarlayabilen hava/hidrolik aktif süspansiyon genellikle avantajlıdır.

• Mevcut bir araçta amortisör değiştirme veya sürüş yüksekliğini ayarlama: Özellikleri stok halinden önemli ölçüde değiştiriyorsanız, strok miktarını, tampona karşı boşluğu ve geometri değişikliklerini (kamber, toe) birlikte değerlendirin.

10. Özet (üç satırda gözden geçirme)

Süspansiyon, yayın yükü desteklediği ve amortisörün titreşimi ısı olarak dağıtarak dengelediği bir mekanizmadır ve çeyrek araç modelinin \omega_n ve \zeta şemaları, davranışını genel hatlarıyla açıklamaktadır. amortisörler.

MacPherson tipi süspansiyon, çift salıncaklı süspansiyon ve çok bağlantılı süspansiyon, kollarının ne kadar serbest hareket edebildiğine bağlı olarak farklılık gösterir; bu da sürüş konforu/yol tutuş stabilitesi dengesinin ne kadar zorlanabileceğini değiştirir. MagneRide ve Porsche Active Ride gibi adaptif/aktif kontrol, sürüş koşullarına bağlı olarak bu dengeyi değiştiren bir teknolojidir ve frenleme ve hızlanma sırasında ağırlık transferiyle de yakından ilişkilidir.

Referanslar

• MagneRide resmi sitesi
• Mercedes-Benz E-Active Body Control resmi kılavuzu
• Porsche Haber Odası — Porsche Aktif Sürüş
• ZF — Sürekli Sönümleme Kontrolü (CDC)
• Multimatic — DSSV Sönümleme Teknolojisi
• Chevrolet — Multimatic DSSV Teknolojisi
• SAE International