Systém odpruženia je neoddeliteľnou súčasťou každého automobilu. Zabezpečuje pružné spojenie medzi karosériou a nápravou a v závislosti od konštrukcie a nastavenia, umožňuje komfortnú a bezpečnú jazdu pre posádku vozidla. V prípade použitia listových alebo vinutých pružín a skrutnej tyče, vzniká perovanie elastickou deformáciou pružinovej ocele (napr. chróm-vanádiovej pružinovej ocele) pod medzou ťažnosti. Charakteristika pružiny prebieha lineárne. Konštrukčnými opatreniami môže mať aj progresívny priebeh.
.
Základné požiadavky na systém pruženia vozidla
- zachytávať a tlmiť zvislé sily vznikajúce pri prejazde nerovností na vozovke
- zabezpečovať neustály kontakt kolies s vozovkou a tiež zabezpečovať pokiaľ možno rovnomerné a stále zaťaženie kolies
- zamedzovať prenosu tvrdých rázov od kolies do karosérie, t.j. brániť prenosu otrasov priamo na karosériu
- prenášať a tlmiť pozdĺžnu (posuvnú) silu pri rozjazde a brzdení
- zachytávať a tlmiť priečne (klopné) sily a momenty pri prejazde zákrutou
Rozdelenie pruženia z konštrukčného hľadiska
- pružiaci element je listová pružina
- pružiaci element je vinutá pružina
- odpruženie nápravy pomocou skrutnej (torznej) tyče
- pruženie zabezpečuje gumený element
- pneumatické pruženie
- hydropneumatické pruženie
- hydroelastické pruženie
Keďže väčšina automobilov je vybavená oceľovými pružinami, môže sa táto skupina rozdeliť do nasledovných podkategórii:
- listové pružiny
- skrutné (torzné) tyčové pružiny
- skrutkovité pružiny
- stabilizátory
Listová pružina
Listové pružiny sú tvorené jedným alebo niekoľkými listami (plátmi) z pružnej ocele alebo zriedkavo aj z plastu. Listové pružiny sa v prípade osobných automobilov používajú len zriedka a ich využitie je hlavne v nákladných automobiloch a dodávkach.
Listové pružiny môžeme rozdeliť:
- podľa tvaru na: štvrť-eliptické, pol-eliptické (najčastejšie), trištvrte-eliptické a celo-eliptické
- podľa usporiadania na: priečne, pozdĺžne a šikmé
- podľa umiestnenia na: predné alebo zadné
Listová pružina sa obyčajne skladá zo zväzku oceľových listov (plátov) poskladaných na sebe. Všetky pláty majú rovnakú šírku, avšak rôznu dĺžku. Najdlhší plát označovaný aj za hlavný plát je na jednom alebo oboch koncoch vybavený záchytným okom. V strede sú tieto oceľové pláty obyčajne stiahnuté strmeňom. Najčastejší spôsob uchytenia je pozdĺžne, kedy je najdlhší plát umiestnený najvyššie. Jeden koniec plátu je obyčajne uchytený o karosériu pevne (otočne) na čape a druhý koniec posuvne, čím sa umožní perovanie. Pri perovaní sa mení dĺžka plátu, nezaťažený plát je prehnutý, pri zaťažení sa narovná. Stred, teda miesto kde sú pláty stiahnuté strmeňom, je pripevnený k náprave. Pre zníženie vnútorného trenia medzi jednotlivými plátmi sa používajú plastové vložky, alebo sú jednotlivé pláty opracované brúsením nahladko a sú mazané syntetickým mazivom (najčastejšie grafitová vazelína).
Vinuté (skrutkovité) pružiny
Skrutkovité pružiny sa používajú prevažne v osobných automobilov ako tzv. tlačné pružiny s kruhovým prierezom drôtu. Môžu byť valcové alebo súdkové, vinuté s rovnakým stúpaním alebo progresívne. Oproti listovým pružinám zaberajú menej miesta, sú konštrukčne jednoduché a nevyžadujú žiadnu údržbu. Keďže skrutkovité pružiny nemôžu prenášať vodiace sily kolies, je nutné konštrukčné riešenie nápravy, kde sa hnacie, brzdové a bočné sily prenášajú inými časťami zavesenia kolies napr. priečnymi a pozdĺžnymi vodiacimi ramenami alebo zavesením typu McPherson.
Vinuté pružiny môžeme rozdeliť:
- podľa polohy na: zvislé (najčastejšie), vodorovné z šikmé.
- podľa púzdra na: zapuzdrené (kryté) alebo nekryté.
Normálne majú skrutkovité pružiny lineárnu charakteristiku. Vinuté pružiny s mäkkou charakteristikou sa líšia od pružín s tvrdou charakteristikou menším priemerom drôtov, väčším vnútorným priemerom pružín a väčším vinutím.
U vinutých pružín je možné ľahkou konštrukčnou úpravou dosiahnuť zmeny progresivity pruženia. Tým sa dosiahne, že malé nerovnosti budú náležite utlmené, naopak pri väčšom prepružení bude kladený väčší odpor, celkovo sa tak dosiahne lepších jazdných vlastnosti vozidla a tiež komfortu pruženia. Podobne je to aj v prípade naloženia vozidla. Aby bolo možné väčšie naloženie a zároveň dostatočný komfort v nenaloženom vozidle, musí sa používať vinutých pružín s progresívnou charakteristikou. Tej sa dosiahne: rozdielnym stúpaním vinutia, rozdielnou veľkosťou vnútorného priemeru (napr. kužeľovitý alebo zoštíhlený tvar pružiny) a rozdielnym priemerom drôtov.
Špeciálnou skupinou skrutkovitých pružín sú súdkové vinuté pružiny. Tie majú oproti klasickej valcovej skrutkovitej pružine tú výhodu, že sa vinutie pružiny pri jazde a stlačení nemôže dotýkať, pretože každé vinutie sa špirálovito ponorí do väčšieho vinutia. To umožňuje menšiu stavebnú výšku pružín, bez nutnosti obmedzenia dráhy pruženia pri vozidlách s veľkou nosnosťou. V tomto type pružín je možné spojiť všetky 3 vyššie uvedené možnosti dosiahnutia progresívnych charakteristík.
Skrutné (torzné) tyče
Pri skrutnej tyčovej pružine sa tyč z pružinovej ocele (ich povrch je brúsený, alebo spevnený guľôčkovaním) namáha krutom pákou, pomocou ktorej je uchytené koleso vozidla. Táto oceľová tyč má na oboch koncoch vrúbkovanie. Táto časť sa volá upínacia hlava. Pootočením upínacej hlavy kde sa nachádza vrúbkovanie (ozubenie), je možné zmeniť predpätie a nastaviť ho rovnomerne pre všetky kolesá. Jeden koniec tyče je upevnený na rameno kolesa a druhý ku karosérii vozidla, kde je možnosť lepšej regulácie natočenia skrutnej tyče. Tyč teda nesie hmotnosť príslušnej časti vozidla a prenáša ju na koleso. Torzná tyč môže mať kruhový prierez, môže byť štvorhranná alebo tvorená aj zväzkom oceľových pásov. Môžu byť usporiadané pozdĺžne alebo priečne. Pri pozdĺžnom usporiadaní sú možné väčšie dĺžky a teda väčšie uhly v krute. Pružina má vtedy mäkšiu charakteristiku a umožňuje dlhšiu dráhu pruženia. Skrutné tyče sa nemôžu namáhať v ohybe, sú často uložené v rúrke, ktorá ich chráni proti ohnutiu a súčasne slúži ako ochrana.
V prípade unavenia torznej tyče je možné predpätie upraviť pootočením pomocou uloženia. Ak je však tyč prasknutá, platí to isté ako pri listovej a vinutej pružine.
Medzi torzné tyče patrí aj stabilizátor. Je to skrutný prvok, ktorý prispieva k zlepšeniu jazdných vlastností vozidla. Väčšinou sa používa vo forme kruhovej skrutnej tyče. Stredná časť stabilizátora je na karosérii umiestnená otočne, obe páky sú umiestnené pomocou gumených prvkov na závesoch (priečnych ramenách) kolies.
Pri nadvihnutí kolesa na jednej strane vzniká ohnutie (skrútenie) tyče – stabilizátora, čím vzniká sila na zdvihnutie aj druhého kolesa. Pri jazde v zákrute tak stabilizátor pôsobí proti nadmernému bočnému nakláňaniu karosérie.
Gumové pružiny
Prírodné alebo umelé gumy sú veľmi elastické a majú dobrú schopnosť tlmenia vibrácii a kmitov. Ako tlmiace elementy sú konštrukčne jednoduché a lacné. Gumové pružiny sa vyrábajú v mnohých druhoch, na samotné odpruženie karosérii automobilov sa však nepoužívajú. Ich využitie je hlavne ako tlmiacich elementov na zachytenie vibračných pohybov s vysokou frekvenciou a na tlmenie hluku. Takisto sa využívajú v zavesení náprav, napr. priečne závesné rameno. Guma ako tlmiaci element sa využíva aj v tzv. hydroložisku na maximálne potlačenie vibrácii rôznych frekvencií prechádzajúcich z motora na karosériu. Skladá sa z elastickej nosnej pružiny z prírodného kaučuku, ktorá preberá mechanické spojenie medzi motorom a karosériou a hydraulickej časti, ktorá sa skladá z pracovnej a vyrovnávacej komory. Tá je naplnená hydraulickou kvapalinou.
Gumové pružiny nevyžadujú žiadnu špeciálnu údržbu, ich klasická údržba spočíva len v ochrane pred znečistením mazivami a palivami. V prípade poškodenia sa gumové pružiace a tlmiace elementy vymenia.
Pneumatické pruženie
V prípade pneumatického pruženia (plynovej pružiny) sa využíva elastické správanie stlačeného plynu (vzduch alebo dusík) v nádobe. Na svoju činnosť potrebuje zariadenie pre vytváranie tlaku, najčastejšie sa používa v autobusoch a nákladných automobiloch, ktoré už majú toto zariadenie pre brzdový systém (občas systém využíva aj v osobných vozidlách napr. VW Touareg). Výhodou takéhoto pruženia je, že vzduchová pružina má progresívnu charakteristiku, a teda so zmenou tlaku vzduchu sa dráha pružiny prispôsobí zaťaženiu. Okrem toho je ešte možnosť nastaviť výšku vozidla na nakladanie alebo jazdu v teréne. Takisto sa dá elektronicky udržiavať konštantná úroveň svetlej výšky vpredu aj vzadu. U osobných automobilov je umožnené navyše zdvíhanie a klesanie karosérie v závislosti na rýchlosti, takisto sa dá eliminovať nakláňanie pri jazde v zákrutách vďaka regulačnej technike. Vozidlá so vzduchovým pružením sú vybavené kompresorom, vzduchovými nádobami, regulačnou technikou a vzduchovými mechmi (v tvare valca alebo vlnovca). Pred jazdou je nutné nafúkať kompresorom vzduch do sústavy, mechy upevnené medzi nápravou a rámom vozidla sa naplnia stlačeným vzduchom a vzduchové pruženie je aktívne a pripravené plniť svoju funkciu.
Vzduch má len veľmi malé vlastné tlmenie. Preto sa musia používať navyše tlmiče vibrácií alebo sa používa pružiaca jednotka, ktorá sa skladá z kombinácie pryžového machu a dvoj-rúrkového plynového tlmiča. Vzduchové pružiny nemôžu prenášať žiadne sily kolesa, preto sa umiestňujú medzi vodiace ramená a nápravy, alebo medzi združenú riadiacu nápravu a karosériu.
Hydropneumatické pruženie
Ako už názov napovedá, jedná sa o kombináciu vzduchového pruženia s hydraulickým systémom, presláveným hlavne značkou Citroen. Systém pôsobí ako pruženie a tlmič v jednom. Sústava sa skladá s hydraulického čerpadla, regulácie, rozvodných trubiek a samotných pružiacich jednotiek. Pružiaca jednotka je valec s tlakovou nádobou, nádoba je rozdelená gumovou membránou na dve časti a tej v hornej je stlačený dusík. Perovanie umožňuje stlačený plyn. V pretlakovej guli sa načerpaním alebo vypúšťaním hydraulickej kvapaliny (oleja) viac či menej stláča nemenné množstvo plynu (väčšinou dusíka). Pod membránou je totiž valec naplnený hydraulickou kvapalinou a prítokom tejto kvapaliny sa zväčšuje svetlá výška vozidla (piest uložený vo valci je kvapalinou vytlačovaný). Plyn a olej oddeľuje membrána a majú rovnaký tlak. Ten vytvára vysokotlakové čerpadlo a pohybuje sa okolo 180 MPa. Ventily medzi pracovným valcom a pretlakovou guľou škrtia tok oleja v oboch smeroch a pôsobia ako tlmič vibrácií. Všetky perovacie prvky sú spolu spojené rozvodnou sieťou. Piestnica hydraulického valca je upevnená na priečnom ramene zavesenia kolies. Pretlaková guľa býva z priestorových dôvodov umiestnená naboku od pracovného valca alebo úplne oddelene, napr. pri hornom závese tlmiča.
Na obrázku vidno plyno-kvapalinovú jednotku vozidla Citroën
1 – oceľová guľa naplnená plynom, ktorý je stláčaný cez membránu kvapalinou
2 – kvapalina, prenášajúci sily od kolies
3 – valec z ľahkej zliatiny
4 – piest, tlakovú kvapalinu
5 – pružiace plynová náplň
6 – gumová membrána
Systém obsahuje ručne ovládaný ventil pre reguláciu úrovne, ktorým sa môže meniť svetlosť karosérie, napríklad pre ťažké úseky na ceste alebo pri výmene kolesa. Automatické vyrovnanie úrovne pre všetky spôsoby naloženia sa vykonáva tyčovým ústrojenstvom, ktoré je pevne spojené s pozdĺžnym ramenom a pôsobí na piest regulátora svetlej výšky. Napríklad, pri značnom naložení kufra klesne zadná časť vozidla, vo valci klesne piestnica, zároveň sa cez pozdĺžne rameno a tyčové ústrojenstvo presunie piest v regulátore výšky, čím sa uvoľní prítok tlakového oleja. Piestnica vo valci stúpa, je vytlačovaná tak dlho, kým sa nedosiahne pôvodnej úrovne a prítok oleja v regulátore výšky nie je opäť uzavretý. Väčšie naloženie vedie k zvýšeniu tlaku oleja vo valci a tiež rovnaké zvýšenie tlaku dusíkovej náplne. Pruženie je teda logicky tvrdšie. Aj z tohto dôvodu sa montuje tretia pretlaková guľa na každú nápravu, čím sa zväčšuje objem plynu a tým aj pruženia, čím sa stáva jazda aj naloženého vozidla komfortnejšia.
Aktívna stabilizácia podvozku AFS
Hydropneumatický systém pruženia dokáže po pridaní ďalších aktívnych prvkov ďalej výrazne meniť charakter správania sa vozidla za plnej prevádzky. Prvou lastovičkou s týmto systémom bol Citroen Xantia Activa. Takto upravený systém je schopný aktívne zabraňovať bočnému naklápanie karosérie pri jazde v zákrutách alebo plynule meniť komfort pruženia medzi mäkkým a tvrdým, nezávisle na zvolenom spôsobe odpruženia (komfortné alebo športové). Medzi ďalšie aktívne prvky systému patrí: priečny stabilizátor s pracovným valcom pre prednú a zadnú nápravu, korektor naklápania, magnetický ventil, pretlaková vyrovnávacia guľa (AFS) s integrovaným regulátorom tvrdosti a elektronická riadiaca jednotka.
Na eliminovanie bočného náklonu karosérie pri jazde v zákrutách je potrebný variabilný stabilizátor, ktorého naladenie je potrebné rýchlo meniť z mäkkého na tvrdé a naopak. Zmena je potrebná z dôvodu, že tuhý stabilizátor síce zlepšuje polohu v zákrute, ale komfort jazdy sa tým zhoršuje. Naopak mäkký stabilizátor umožňuje vysoký komfort jazdy, ale neprispieva k eliminácii náklonov karosérie a tým aj bezpečnosti v zákrutách.
Pri systéme aktívnej stabilizácie podvozku sa používa relatívne tuho nastavený stabilizátor, ktorý je upevnený cez pracovný valec na pravom pozdĺžnom ramene zadnej nápravy. Na prednej náprave je stabilizátor umiestnený cez pracovný valec na pravom zavesení kolesa. Oba diagonálne umiestnené pracovné valce sú spolu spojené hydraulicky cez magnetický ventil. Keď sa zníži tlak, tak vyjdú piestnice oboch pracovných valcov, pôsobenie na obe nápravy je ale rozdielne. Zatiaľ čo karoséria sa vpredu vľavo nadvihne, vzadu vľavo klesne alebo naopak podľa toho, či sa prechádza pravotočivou alebo ľavotočivou zákrutou.
Prechod k tvrdšiemu pruženiu prebieha plynule pomocou snímačov. Tie dodávajú riadiacej jednotke informácie o uhle a rýchlosti natočenia volantu, rýchlosti a polohe stlačenia plynového pedálu, hodnote brzdného tlaku, rýchlosti pohybu karosérie a samozrejme aj rýchlosti jazdy. Keď napr. vozidlo prudko zabrzdí, tak dodáva snímač riadiacej jednotke pokles prednej časti vozidla. Tiež sa sníma informácia zo snímača brzdného tlaku a na základe toho systém zariadi aby stabilizátor stvrdol a pôsobil proti poklesu.
Hydroelastické pruženie
Jedná sa o veľmi zriedkavý systém a pružiaca jednotka je zložená z pryžového segmentu a nádoby na hydraulickú kvapalinu. Pružiace jednotky majú spoločné tlakové vedenie, avšak ľavá a pravá strana nie su vzájomne prepojené. Prepojená je predná a zadná časť príslušnej strany. Pri prepružení predného kolesa sa zdvihne zadná časť vozidla na rovnakej strane, pri prepružení zadného kolesa sa dvíha predná časť vozidla na tej istej strane.