4. fejezet - Lengéscsillapítás

Menet közben az útegyenetlenségek által a kerekeknél gerjesztett periodikus lengő mozgás energiáját lengéscsillapító alakítja át hőenergiává. Ennek köszönhetően a kerékterhelés dinamikus változása gyorsabban lecseng, egyenletesebb lehet a gumiabroncs és a kerekek között az útfelület síkjában átvihető erő. Ezért a lengéscsillapító fontos szerepet tölt be a közlekedésbiztonság területén.

Ki- és berugózáskor egy azonos mértékű energiaátalakítás súrlódással is megvalósítható lenne. Régebben, az autózás kezdetén alkalmaztak is ilyen lengéscsillapítókat. Ezek csillapítása azonban nem sebességfüggő, és a másik hátránya az, hogy keményebbé teszi a rugókarakterisztikát. Nem felel meg a jelenlegi menetkényelmi szempontoknak.

A másik fontos szempont az, hogy az ellentétes mozgásirányokban (be-, és kirugózáskor) célszerű, ha különböző erősségű csillapítást valósítanak meg. Ez hidraulikus munkaközeggel, sebesség függő áramlási ellenállással, különböző hatású szelepekkel érhető el. Ezért tehát a gépjárműveknél elsősorban teleszkóp szerűen kialakított, hidraulikus lengéscsillapítókat alkalmaznak. Ezt a kerék és a felépítmény közé szerelik be, rugalmas rezgés-, és zajcsillapító elemmel (gumi betétekkel) kiegészítve. A futóműbe szerelt úgynevezett „hord rugót” és a lengéscsillapítót össze kell hangolni egymással.

A lengéscsillapító csőben a dugattyú alatti és feletti folyadék mennyisége a dugattyúrúd térfogatával eltér egymástól. Ennek kiegyenlítését egy rugalmas gázpárna bízzák, melyet a lengéscsillapító belsejében alakítanak ki. Kedvezőtlen azonban, ha működés közben a gáz és a folyadék buborékok formájában egymással keveredik, mert csökken a csillapítás és növekszik a kavitáció veszélye.

A gáz- és a folyadék terek szétválasztása szempontjából a következő lengéscsillapító változatokat különböztethetjük meg:

Mindkét változatnál túlnyomást is szoktak alkalmazni, ami tovább csökkenti a buborékképződés veszélyét és a kavitáció lehetőségét.

A lengéscsillapítóknál két tényező határozza meg a csillapítási karakterisztikát.

Ezen két csillapítási lehetőség egymással történő összehangolásával különböző lengéscsillapító karakterisztikák valósíthatók meg.

A berugózási és a kirugózási karakterisztika egymástól jelentősen eltérnek

Általánosságban elmondható, hogy hozzávetőleg 30-50%-a a berugózási, a kirugózásinak. Berugózásnál kisebb-, kirugózásnál nagyobb a csillapító erőt valósítanak meg a különböző hidraulikus szelepekkel.

Így ha az útegyenetlenség kiemelkedik a síkból, berugózáskor a kocsiszekrényt kisebb ütés éri, illetve mérsékeltebb lesz a kerék gyorsulása, csökkentett lesz a felépítmény gyorsulása is.

Ha pedig gödörbe fut a kerék, nem fog egészen az úthiba legalsó pontjáig elmozdulni, ahonnan ismét gyorsulhat visszafelé. A lengéscsillapító karakterisztikája egyrészt a menetkomfortot, másrészt pedig a kerékterhelés dinamikus változását befolyásolja és ezzel a biztonságos közlekedést.

Változtatható lengéscsillapító karakterisztika:

Amikor egy gépkocsinál fixen előre meghatározzák a csillapítási tényezőt, ez minden esetben kompromisszumot jelent a komfort és a menetbiztonság között.

Sokkal kedvezőbb a változtatható csillapítási karakterisztika. Ez megvalósítható egyszerű módon egy változó keresztmetszetű megkerülő csatornával a dugattyú löket függvényében. Évtizedekkel korábban alkalmaztak gombnyomásra változtatható csillapítású lengéscsillapítókat is, de a változtatás a vezetőre volt bízva. Sokkal hatékonyabb, ha a csillapítást az érzékelők jelei alapján automatikusan állítja be az elektronika. A memóriában tárolt referencia értékekkel összehasonlítja a mért értékeket és ez alapján adja ki a parancsokat a beavatkozó egységnek. Ez a beavatkozás már a vezetőtől függetlenül, automatikusan fog bekövetkezni.

A lengés lecsengésének gyorsasága alapján megkülönböztetünk egymástól:

- lágy lengéscsillapítót, melynél csak lassan csökken a lengés amplitúdója

- kemény lengéscsillapítót, melynél gyorsan csökken a lengés amplitúdója

A lágy csillapítás komfortos utazást biztosít. A kemény csillapítás inkább a közlekedésbiztonságot szolgála.

Csak az elektronikusan változtatható adaptív, a menetviszonyokhoz folyamatosan alkalmazkodó csillapítás oldhatja fel a menetkomfort és a biztonság közötti ellentmondást.

Gyakran alkalmazzák a szemi-aktív szabályozást, melynél a csillapítási tényező a gépkocsi sebességétől függ.

A szokásosnál keményebb csillapítás ugyan rontja a menetkomfortot, de biztonságosabb vele az autózás. Komfortosabban mindig csak a biztonság rovására lehet autózni. Az igényesebb gépkocsiknál ezt az ellentmondást aktív elektronikus rendszerrel oldják fel. Az érzékelők jelei alapján az elektronika felismeri a veszélyes menetállapotot és ilyenkor keményebb csillapítást valósít meg.

A kocsiszekrényen tapasztalható menetdinamikai jelenségek:

Ezek, az előzőekben összefoglalt nem kívánatos jelenségek automatikusan csökkenthetők, vagy akár teljesen kiküszöbölhetők elektronikus rendszerek alkalmazása révén, mely adaptív módon, automatikusan változtatja a csillapítási tényezőt.

A ZF Sachs elektronikusan szabályozott lengéscsillapító rendszerét 1997-ben mutatták be. Először az Audi A8-ba, ezt követően a Ferrari Maranello-ba építették be. A közelmúltban megjelent már a középosztályban is és 2004-től a kompakt osztályban is találkozhatunk vele. Például az Opel több típusában is alkalmazzák, mint extra tartozékot. Normál körülmények között növeli a komfortot, veszélyes helyzetekben pedig a biztonságot. Skyhook szabályzási algoritmusnak nevezik azt a programot, amelyet a ZF Sachs fejlesztett ki a lengéscsillapító karakterisztika beállítására.

A lengéscsillapítónak ezt a változatát elsősorban az alsó középosztályban alkalmazzák. A rövidítés a „continous damping control” angol elnevezésből származik, ami folyamatosan ellenőrzött lengéscsillapításnak nevezhető magyarul.

A CDC előnye a hagyományos lengéscsillapítóval szemben, hogy nem csak egy előre definiált csillapítási jelleggörbéje van, mely macskaköves úton, lassú menetben is ugyanazt a csillapítást adja, mint gyorsan haladva kanyarodáskor. A CDC minden menethelyzetben a legmegfelelőbb csillapítást állítja be. Ez elektronikusan szabályozható arányos működésű elektromágneses szeleppel válik lehetővé. Ez a lengéscsillapító csőben az olaj áramlását kisebb, vagy nagyobb értékre állítja be. Ha csökken az olaj áramlása a lengéscsillapító keményebb lesz, ha nagyobb lesz az olaj térfogatáram a lengéscsillapító lágyabb karakterisztikájú lesz.

Ilyen lengéscsillapító változatokat már évtizedek óta alkalmaznak, de világviszonylatban is újnak számít az olyan elektronikus futómű technika, mely intelligens kapcsolatban van a gépkocsi más elektronikus rendszereivel is. ZF Sachs az „Active Roll Stabilization” ARS, a CDC és a CDC_2e rendszereket gyártja és ajánlja az autógyáraknak.

Az utóbbit a BMW 7-es sorozatában alkalmazzák. Az elektronikusan szabályozható, arányos működésű szeleppel az olaj átáramlása folyamatosan állítható kirugózáskor és berugózáskor egyaránt. Ezen kívül a lengéscsillapító dugattyúját mindkét mozgásirányban kiegészítő szelepekkel is ellátták. Ez számos beállítási lehetőséget kínál.

A gépkocsi más elektronikus rendszereinek érzékelőitől származó adatokat, mint például a gépkocsi sebessége, a kormánykerék pillanatnyi helyzete, a hossz- és kereszt irányú gyorsulások, a futómű elektronika felhasználja a szabályozható stabilizátor és a lengéscsillapító beállításához is. Ilyen módon a kocsiszekrény elmozdulásait ez a program minimalizálja. Ezzel a gépkocsi dinamikai tulajdonságai javulnak, például kisebb lesz az oldal irányú dőlése és lényegesen jobb lesz a menetkomfort is.

Ez az elektronikusan szabályozott futómű csökkenti az útfelület felől jövő gerjesztéseket. Különösen előnyös, amikor úthibáktól érkeznek dinamikus hatások. Ilyenkor lágyabb csillapítást állít be az elektronika. Ezzel a komfort szempontjai érvényesülnek. Ez a karakterisztika hátrányos kanyarban, amikor a jármű önkormányzási tulajdonságát kell támogatni, éppen a kemény csillapítás válik szükségessé. Ez a két ellentétes kívánság jól teljesíthető a lengéscsillapítóba beépített arányos működésű szelep átállításával, amit az elektronika automatikusan végez.

A légrugóval szerelt gépkocsiknál alkalmazzák a PDC (Pneumatic Damping Control) lengéscsillapítókat. A csillapító erő egy hidraulikus szelep segítségével változtatható. A légrugó pillanatnyi nyomása a mindenkori tengelyterheléssel arányos. Ezt a nyomást használják fel a csillapítási karakterisztika beállítására egy fojtó furaton keresztül. A PDC szelepet közvetlenül a lengéscsillapítóra szerelik fel. Kis légrugó nyomásnál a PDC szelep nyitott kicsi lesz az áramlási ellenállás és a csillapítás is, mert a nyitott szelepen keresztül az olaj egy része meg tudja kerülni a dugattyúba szerelt szelepeket. Nagy légrugó nyomásnál záródik a PDC szelep és nagyobb lesz a csillapítás, mert a teljes olaj mennyiség átáramlik a dugattyú szelepein.

Az következő diagram a csillapító erőket ábrázolja a lengéscsillapító dugattyúsebessége függvényében a paraméterek pedig a különböző légrugó nyomások.

A Delphi által kifejlesztett lengéscsillapítókba magneto-rheologiai folyadékot töltenek, ennek megfelelően a MagnaRide™ elnevezést kapták. Az eddigi alkalmazások bizonyítják, hogy alkalmas arra, hogy javítsa a gépkocsik úttartását és vezetési tulajdonságait méghozzá úgy, hogy nem növeli bonyolult megoldásokkal a tömeget. A különleges lengéscsillapítóval megvalósított, elektronikusan szabályozott kerék-felfüggesztési rendszer hatékonyan megvalósítja a kompromisszumot a komfortos és a biztonságos futómű között. Olyan veszélyes helyzetekben segít hatékonyan, mint például az egyidejű kanyarodás és fékezés.

A MagneRide™ jelenleg a világon a legígéretesebb szabályozott kerék-felfüggesztési rendszer megvalósítását teszi lehetővé. Egyszerű szerkezeti kialakítású lengéscsillapítót alkalmaz, melynek karakterisztikáját a mágneses erőtér hatására a különleges, úgynevezett MR szintetikus szénhidrogén alapú folyadék révén tudja változtatni. Ez az anyag speciális, szénhidrogén alapú, szintetikus folyadék, mely 3-10 µm átmérőjű mágnesezhető részecskéket tartalmaz, de azok gyorsan és csak a mágneses erőtér működéséig mágnesezhetők. A folyadék stabilizálásához adalékokat kevernek.

A mágnesezhető részecskék a folyadékban egyenletesen, véletlenszerűen oszlanak el. Ilyenkor ki és berugózáskor a dugattyú elmozdulásakor a csillapító erő annak furataiban kialakuló hidraulikus fojtástól függ. Viszonylag kicsi az ellenállás, hasonló, a karakterisztika, mint a hagyományos lágy lengéscsillapítónál.

Ebből a szempontból a lágyvashoz hasonlóan viselkednek ezek a részecskék. A gerjesztő áram hatására az áramlási jellemzői megváltoztathatók anélkül, hogy más lenne a viszkozitása. Így tehát különböző lengéscsillapító karakterisztikák állíthatók be rendkívül gyorsan és zajhatásoktól mentesen. Különösen jól alkalmazható a futóművekre jellemző frekvencia tartományban.

A változtatható csillapítás lehetővé teszi a gépkocsi úttartási és vezetési jellemzőinek optimális értéken tartását. „szemi-aktív” kerék-felfüggesztési rendszer valósul meg, mozgó alkatrészek nélkül. Más változtatható karakterisztikájú lengéscsillapítóknál különböző elektromechanikus szelepeket építenek be, gyakran a lengéscsillapító külsejére, ami növeli a helyigényt, a tömeget és a sérülékenységet is.

A MagneRide™ lengéscsillapító 46 mm átmérőjű dugattyújába szerelt tekercs energia felvétele 20 W. Minimális a holt löket. A folyadék és a gáz a belső térben egymástól elkülönített.

Az elektronika nagy sebességgel kiértékeli a kerekek és a felépítmény elmozdulásait, figyelembe veszi a vezető kívánságait, és ezek alapján széles határok között folyamatosan változtatja a lengéscsillapítást. Az érzékelő jelei, illetve az ESP rendszertől kapott információk alapján, állítja be a dugattyúkba szerelt tekercs gerjesztő áramát. Ennél a rendszernél szoftveresen állítható a csillapítási tényező. A kanyarban egymástól függetlenül akár minden keréknél is más lehet a lengéscsillapítók keménysége. A MagneRide™ rendszer egyaránt beépíthető a prémium szegmens autóiba, a sport kategóriába, és a kisteherautókba is.

Elsőként 2002-ben a Cadillac Seville STS-be építették be, majd a Chevrolet Corvette-be. Az európai személygépkocsik közül az Audi TT Coupé, Audi R8, Ferrari 599 GTB Fiorano, Ferrari California alkalmazza.

A jelenlegi fejlesztések arra irányulnak, hogy a kemény karakterisztikát még keményebbé tegyék, illetve a lágy még lágyabb legyen. Törekszenek a kisebb reakcióidőre és a kisebb súrlódásra a lengéscsillapító mozgó részeinél. Precízebb és gyorsabb adatnyerést és kiértékelő algoritmust szeretnének megvalósítani. Egy új valós idejű csillapító erőt generáló modellel igyekeznek a reakcióidőt csökkenteni és így jobban kihasználni az alkalmazott, különleges folyadékban rejlő tulajdonságokat.

Az MR folyadékot alkalmazó motorfelfüggesztés is előnyös a rezonancia elkerülése és a rezgések továbbterjedésének megakadályozása szempontjából.