Jak działa zawieszenie hydropneumatyczne

Zawieszenie Citroëna DS zyskało sławę jako niezwykle komfortowe a przy tym zapewniające dobre trzymanie się drogi. Jednym z haseł reklamowych było utrzymywanie stałego prześwitu i poziomowanie karoserii niezależnie od obciążenia czy warunków drogowych.

Rewolucyjność rozwiązania Citroëna polegała na zastąpieniu tradycyjnego układu sprężyna-amortyzator pojedynczą kolumną resorująco-tłumiącą, składającą się z siłownika hydraulicznego i sfer wypełnionych gazem pod ciśnieniem. Pomiędzy nimi znajdował się zawór dławiący odpowiadający za tłumienie, podobnie jak w klasycznym amortyzatorze hydraulicznym.

Najważniejszą cechą zawieszenia było jednak połączenie wszystkich kolumn za pomocą układu hydraulicznego, co dzięki wykorzystaniu pompy pozwoliło utrzymywać karoserię stale w poziomie (przynajmniej na parkingu).

Podobne rozwiązanie zostało opracowane przez BMC, gdzie nazwano je "Hydragas". Podobnie jak w Citroënie wykorzystano azot pod ciśnieniem i gumę, zamiast siłownika tłokowego wykorzystano jednak drugą gumową sferę wypełnioną cieczą w którą wnikał stożkowy penetrator. Geometria penetratora miała wpływ na charakterystykę zawieszenia.

BMC również połączyła koła za pomocą układu hydraulicznego. Wywodził się on z poprzedniego rozwiązania nazwanego "Hydrolastic" stosowanego np. w Mini. Był on jednak dużo prostszy, ponieważ łączył tylko koła po jednej stronie samochodu i nie posiadał pompy ani zaworów. Podobne działające rozwiązanie stosował Citroën w modelu 2CV. Kiedy przednie koło najechało na przeszkodę tył samochodu się podnosił i na odwrót. Dzięki temu samochód był "miękki" na wertepach i jednocześnie "twardy" na zakrętach.

Dzisiaj w wielu samochodach tzw. segmentu premium dostępne jest zawieszenie pneumatyczne, na rysunku akurat z Audi ale inaczej się tego za bardzo nie da rozwiązać.

Jak widzimy składa się z klasycznych amortyzatorów i miechów pneumatycznych. Miech jest zbudowany o tak:

Panuje powszechny pogląd, że zawieszenie hydropneumatyczne pozwala w zależności od warunków i preferencji kierowcy uzyskać różne właściwości, tzn, że za pomocą magicznego przycisku możemy zamienić nasz pojazd w komfortowy ultramiękki jacht drogowy by po chwili "zabetonować" zawieszenie i bić rekord Nürburgringu. Nie do końca prawda.

W układzie "Hydragas" nie było żadnej możliwości zdalnej kontroli, Citroën DS zapewniał właściwie tylko samopoziomowanie. Podobny efekt możemy uzyskać w "zawieszeniu z gwintem".

Z pominięciem układu hydraulicznego działanie bardzo podobne, z tym, że musimy sami kręcić kluczem. Praktycznie standard w tylnym zawieszeniu motocykli, pozwala wpływać na wysokość zawieszenia. Nic więcej.

Powód jest prosty - sprężyna, czy to metalowa, plastikowa (jak w Corvette) czy powietrzna ma stałą charakterystykę. W Citroenie czy BMC nic nie ingeruje w sferę, oznacza to, że jej ugięcie zależy tylko od obciążenia. Ugięcie zawieszenia w Citroënie rekompensowała dodatkowa objętość cieczy wtłoczonej do siłownika, ale dalej poruszamy się po jednej charakterystyce siła/ugięcie dla sprężyny gazowej.

W przypadku miechów pneumatycznych możemy co prawda wpływać na ilość powietrza w sprężynie, a więc również jej sztywność (więcej powietrza - sztywniejsza sprężyna), jednak wtłaczając dodatkowy gaz zwiększymy również prześwit. Do tego dochodzi problem ze sterowaniem układów pneumatycznych - ze względu na ściśliwość gazów ciężko jest precyzyjnie sterować ilością przepływającego powietrza.

Zapamiętajmy - dla danego obciążenia i wysokości jesteśmy skazani na daną sztywność sprężyny (niekoniecznie liniową), przy czym w rozwiązaniu ze sferami i hydrauliczną regulacją wysokości sztywność jest niezależna od prześwitu. W przypadku miechów i układu pneumatycznego sztywność zależy od wysokości i obciążenia.

We wszystkich powyższych rozwiązaniach za tłumienie odpowiada ciecz przepływająca przez zawory amortyzatora. O ile w przypadku BMC i Citroëna zawory te dławiły przepływ do i ze sfery gazowej to w przypadku miechów zawsze jest jeszcze "zwykły" amortyzator. Hydropneumatyczne zawieszenie Citroëna posiada jeszcze dodatkowy układ hydrauliczny i "zewnętrzne" zawory wpływające na przepływ oleju z siłowników.

W przeciwieństwie do sztywności sprężyn tłumienie amortyzatorów możemy dość łatwo regulować. Od dawna stosowanym rozwiązaniem (i nawet dość popularnym w motocyklach) jest regulowanie przekrojów w zaworkach (im mniejszy przekrój tym większe tłumienie, czyli potrzeba większej siły aby wsuwać tłoczysko z daną szybkością). Starsze rozwiązania pozwalały na wybór twardości, dzisiaj elektronika jest coraz szybsza a elementy mniejsze i lżejsze, więc można tego dokonywać w sposób ciągły.

Innym rozwiązaniem jest stosowanie cieczy, której lepkość możemy zmieniać. Przykładem są ciecze magnetoreologiczne, których lepkość zależy od pola magnetycznego. O ich dostępności świadczy fakt, że są dostępne już w samochodach kompaktowych (np. Opel Astra i MagneRide)

Układy hydropneumatyczne nie posiadają żadnych magicznych właściwości. Same elementy pneumatyczne podobnie jak klasyczne sprężyny skazane są na daną sztywność, chociaż łatwo uzyskać w nich uzyskać charakterystykę silnie nie liniową.

Amortyzatory działaniem również nie odbiegają od rozwiązań standardowych.

O sile tych układów decyduje cały układ łączący poszczególne koła, dzięki uniezależnieniu prześwitu od obciążenia można lepiej dopracować geometrię zawieszenia, która poradzi sobie przy "miększych" nastawach. Aktywne amortyzatory potrafią się "utwardzić" kiedy potrzeba poprawiając zachowanie samochodu w slalomie, ale jest to rozwiązanie dostępne i w "klasycznych" układach.

Słowem kluczem jest "aktywne" - wykorzystując komputer i czujniki można wpływać na charakterystykę tłumienia każdego koła czy jego położenie. Z ciekawostek - przy pracach nad aktywnym zawieszeniem opartym na patencie Citroëna, w którym karoseria miała być dynamicznie poziomowana (czyli brak przechyłów na zakrętach czy podczas przyspieszania i hamowania) okazało się, że pompa hydrauliczna musi mieć moc ponad 40 KM. Nie mało...