Konstrukce podvozků, díl 3.: Odpor k deformaci

V první části článku jsme si osvětlili základní pojmy. Vysvětlili jsme si také, proč se používá jediný typ tlumiče. Jak je to s pružinami?

Pružina
Na rozdíl od tlumičů, který pracují téměř výhradně na jednom principu, rozlišujeme celou řadu typů pružin. Pracují na několika základních principech: energie se ukládá ve stlačeném plynu (vzduch, dusík), nebo v pružně deformované pevné látce. Ve druhém případě může jít navíc o deformaci tlakem (pryž), případně ohybem a krutem (ocel, dřevo, sklolaminát, karbon apod.).

Začněme pružinami namáhanými krutem: torzní tyčí a vinutou pružinou. Vykazují minimální hysterezi a jejich vlastnosti jsou snadno předvídatelné. Torzní tyče a jednoduché válcové pružiny mají téměř perfektně lineární charakteristiku. Přinejmenším u vinutých pružin je ovšem možné dosáhnout i jiných závislostí než jen lineární, a to velmi snadno. Proto jsou právě torzní pružiny (zejména ty vinuté) zdaleka nejpoužívanějším typem.​​Torzní tyč je na jednom konci pevně spojena s karoserií, jejím druhým koncem kroutí závěs kola. Tyč se brání zkrutu momentem, který je přímo úměrný úhlu zkrutu. Nenechte se zmást momentem tam, kde jsme obecně pracovali se silou – příslušné rameno zavěšení je vlastně pákou. Pokud moment vydělíme délkou ramene, dostaneme sílu působící na jeho konci (M = F * r, F = M / r). Kromě zmíněné předvídatelnosti jsou torzní tyče také velmi spolehlivé. Je totiž snadné ochránit je před kombinovaným namáháním (např. krutem a ohybem zároveň), které obecně výrazně zvyšuje nároky na pevnost dílů. Torzní tyče patří mezi pružinami k nejlacinějším a jsou v autě umístěny horizontálně. Bývají instalovány až u podvozku, takže navzdory své délce v podstatě nezasahují do vnitřního prostoru.

Tyto vlastnosti zajistily torzní tyči na dlouhá léta přední pozice mezi pružinami. Torzními tyčemi byla odpružená zadní náprava Peugeotu 205, nebo vozů Tatra od Hanse Ledwinky. Odtud si našly cestu do Volkswagenu Beetle (Ferdinand Porsche opisoval) a později do Porsche 356 a 911, která je používala až do roku 1989. Torzní tyče se pravidelně objevují na podvozcích nákladních aut Tatra a jsou populární také u výrobců obrněných vozidel včetně tanků. To asi nejlépe svědčí o jejich trvanlivosti.

Přesto mají torzní tyče jednu zásadní nevýhodu, kvůli které v posledních desetiletích z osobních aut mizí. Ladiči stále víc přichází na chuť progresi, kterou zkrutná tyč neumí zajistit. Vyrobit progresivní torzní tyč je snad teoreticky možné, ale drahé. Výrobci nechtějí investovat peníze, když mají k dispozici jiná vhodná řešení. Konstatování, že torzní tyče mizí z osobních aut, není přesné. Nejméně jednu má totiž v podstatě každý kloudný podvozek – zkrutný stabilizátor není nic jiného než torzní tyč.

K samotnému odpružení aut se však stále častěji používají vinuté pružiny. Ty nejsou ničím jiným než stočenou torzní tyčí (drátem) a mají všechnu její předvídatelnost. Tlak na pružinu v axiálním směru vyvolává kroucení drátu, délka pomyslné páky je v tomto případě rovna polovině průměru celé pružiny. Tuhost vinuté pružiny proto závisí nejen na materiálu drátu, jeho průměru a délce (počtu závitů), ale také na průměru pružiny. Jeho změnou po délce pružiny lze dosáhnout kýžené progresivity a stejný efekt má také pozvolná změna stoupání (menší stoupání znamená větší počet závitů, tedy delší drát a menší odpor). Pomineme-li problémy se stabilitou (s vybočováním), je možné stočit libovolně dlouhou pružinu a dosáhnout tak bezkonkurenčního zdvihu pérování.Vinuté pružiny mají řadu nevýhod, vyvažujících jejich snadnou programovatelnost a dlouhý chod. Jsou poměrně křehké a choulostivé. Vinuté pružiny je obtížné zajistit proti vybočení, zejména větší náraz může způsobit chvilkové změny tvaru. Kombinované namáhání krutem a ohybem pak pružinu často zlomí. Terénní závodní speciály (Dakar, Baja) proto nezřídka používají místo jediné pružiny dvě na každé kolo. U osobních aut nepředstavuje nižší odolnost problém, jenže u nich je zas důležitý vnitřní prostor, z něhož vinuté pružiny rády ukrajují. Obvykle se montují vertikálně, takže zasahují do kabiny nebo motorového prostoru.

Z pružin namáhaných na ohyb se v autech používají výhradně listová pera. Běžný smrtelník častěji vídá vrstvená půleliptická pera, používaná na všem od vlaků po off-roady s tuhými nápravami. Jde možná o nejstarší stále používanou pružinu, listová pera dobře sloužila už před stovkami let na kočárech. Tato skutečnost ukazuje na jejich první velkou výhodu: jednoduchost. Do dnešních dnů však listové pero přežilo kvůli své obrovské odolnosti. Dokáže přijatelně fungovat i v případě selhání několika plátů. Postupným zkracováním plátů od nejvyšší vrstvy k nejnižší lze dosáhnout výrazné progresivity pera. Tu užijí především stroje, zatěžované nálady o váze násobků vlastní hmotnosti.

Všimněte si, že žádná ze jmenovaných výhod není pro osobní auto důležitá. Listová pera nicméně mohou mít jistou relevanci i pro náš svět. Zvládnou i velké zdvihy, i když jsou pak dlouhá a zaberou spoustu místa. Dobře odolávají vybočení – dvojice podélných listových per dokáže sama zajistit vedení tuhé nápravy ve všech směrech. Přesnost takového vedení je špatná, ale jednoduchému odolnému off-roadu stačí. Pokud se chce konstruktér obejít navíc i bez tlumičů, může kovové pláty proložit například dřevěnými. Vnitřní tlumení pera, způsobené třením plátů o sebe, bezpečně zamezí kmitání. Přesnější nastavení vlastností je však krajně obtížné.

Vícevrstvá listová pera mají řadu nevýhod, které je diskvalifikují ze soutěže o vhodnou pružinu. Kromě vysoké neodpružené hmotnosti a špatně řiditelných vlastností jsou velmi náročná na údržbu. Zatímco vinutá pružina vydrží pracovat léta, aniž by změnila vlastnosti (pokud se nezlomí), mezi listy pera se dostávají nečistoty. Ty zvyšují vnitřní tření, které vede k rychlému opotřebení plátů. Proměnlivá hystereze navíc ovlivňuje jízdní vlastnosti auta. Listová pera je proto třeba pravidelně rozebírat, čistit a mazat.V posledních letech se však výrobci vrací k myšlence jednoduchého listového pera, namontovaného příčně pod nápravou. Dlouhodobě se jí drží například General Motors u Corvette. Navzdory klamnému zdání zpátečnictví Američané dobře vědí co dělají. Jejich pero je sklolaminátové a neváží ani polovinu toho, co by vážila dvojice vinutých pružin. Výhoda nižší odpružené i neodpružené hmotnosti je zjevná. Pero je navíc namontované až na podvozku, takže snižuje těžiště a nezasahuje do prostoru uvnitř auta.

Pero Corvette nevede kola jako u některých starších designů, zastává pouze funkci pružiny. Neumí sice nabídnout zdvih vinuté pružiny, ale stále je plně postačující pro běžné rodinné auto, neřku-li nízký sportovní stroj. Laminátové pero může mít proměnlivý průřez, s trochou snahy mu proto lze vnutit libovolnou charakteristiku a tedy tolik skloňovanou progresivitu. Při přechodu od čtvrté k páté generaci Corvette navíc kohosi napadlo, že pokud se pero ke karoserii nepřipevní uprostřed jako dosud, ale řekněme ve svých třetinách, při ohnutí jednoho konce nahoru dojde k průhybu střední části dolů. To způsobí zvednutí druhého konce pera vzhůru. Listové pero tedy částečně supluje stabilizátor. Corvette sice má další pár zkrutných stabilizátorů, ale jsou tenčí a tedy lehčí než by musely být v případě použití vinutých pružin.

I jednoduché listové pero je stále odolnější než pružina stočená z křehkého drátu. Chevrolet se chlubí čistým štítem, údajně nikdy nevyměňoval prasklé laminátové pero. Přesto má tato koncepce několik nevýhod, ospravedlnitelných u Corvette snáz než u laciného hatchbacku. Předně je oproti vinutým pružinám výrazně dražší na vývoj i výrobu. Zatímco pružinu stačí jednoduše stočit podle dobře známých pravidel, vývoj pera zahrnuje hodiny a hodiny testování. Vinutá pružina je v podstatě spotřební zboží, jediný odzkoušený typ může dobře posloužit na desítkách aut, kdežto příčné listové pero bude pasovat jedině na auto se stejným rozchodem kol a stejně postaveným zavěšením. Odolnost pera vůči namáhání je jedna věc, ale přinejmenším teoreticky existuje riziko jeho mechanického poškození. Laminátové pero hůř snáší tepelné namáhání od výfuku nebo diferenciálu, přitom je však nutně namontované pod podvozkem nedaleko obou těchto součástí. Nezanedbatelný je také vliv na image, většina hospodských odborníků si při spojení listové pero ťuká na čelo.

Dalším starým a přesto živým konceptem je vzduchové odpružení. Kožené měchy naplněné vzduchem se rovněž používaly už na kočárech, později si našly cestu do autobusů a v autě je v moderní podobě poprvé použily General Motors roku 1958. Většímu rozšíření vzduchového odpružení dodnes brání vysoká hmotnost systému, který potřebuje kompresor a dlouhé metry tlakového vedení. S ní úzce souvisí vysoké výrobní náklady. Gumové vaky z nejrůznějších důvodů tvrdnou, nebo se naopak rozpadají pod náporem chemických vlivů okolí. Jsou zranitelné také mechanicky, a vysoké náklady na preventivní údržbu oblibě vzduchového odpružení nepomáhají.Jenže pružicí charakteristika vaku naplněného stlačeným vzduchem je přímo vynikající. Snadno stlačitelný plyn zpočátku neklade deformaci téměř žádný odpor, načež začne progresivně tuhnout, teoreticky nad všechny meze. Vzduchové odpružení umí dokonale zamaskovat menší nerovnosti, zároveň je však krajně obtížné stlačit naplněný vak až na doraz. Díky kompresoru, který systém neustále udržuje pod daným tlakem, lze za jízdy plynule regulovat tuhost odpružení například v závislosti na rychlosti. Správně nastavené vzduchové odpružení umí skloubit prvotřídní komfort s dobrými jízdními vlastnostmi, proto jej používají i Mercedes nebo Rokos-Royce.

Málo používaným, přesto známým řešením je použití pryžových bloků. Ty disponují vrozenou progresivitou. Stejně jako vzduchové vaky špatně odolávají chemickým vlivům, ale jsou levné a jejich výměna zabere chvilku. Samotná pryž nedokáže zajistit velké zdvihy, takže je vhodná spíš pro menší pomalá auta. Alec Issigonis své Mini postavil právě na chytře navržené gumové bloky a udělal s ním kariéru. Ačkoli na místo hlavních pružin se pryž neprosadila, podvozky aut jí přetékají. Gumové jsou jednak dorazy, alias nouzové pružiny pro případ, že by těm standardním došel dech. Pryži totiž nedělají problém ani velké rázy. Ramena a pomocné rámy bývají pospojovány přes pryžová pouzdra, která filtrují vibrace. Mezi divoce poskakujícími koly a vaším pohodlným sedadlem tak pracuje celá armáda pružných pryžových bločků.

Dva v jednom
Historie poznala několik systémů, spojujících funkci pružin a tlumičů do jediného celku. První z hydropneumatických podvozků přivedl na svět Citroën, a to roku 1954. Tehdy jej Francouzi zkusmo namontovali na stárnoucí Traction Avant, aby o rok později předvedli model DS, první auto postavené od počátku na hydropneumatickém podvozku. Jistě najdete řadu aut s podobně řešeným odpružením. Třeba Rolls-Royce Silver Shadow měl podvozek dodaný přímo Citroënem. Další systémy, používané Mercedesem nebo skupinou British Leyland, si z Francie půjčily pouze nápad. V Německu zkoušeli dovést hydropneumatické odpružení k dokonalosti, aby se později vrátili ke vzduchu. Britské automobilky sledovaly se svým hydroelastickým podvozkem a pozdějším Hydragasem jednoduchost a nízké náklady (úspěšně).

Citroën však zůstává jediným originálem. Jeho systém má nad každým kolem dutou ocelovou kouli, kterou horizontálně v půli dělí gumová membrána. Horní komora je naplněná stlačeným dusíkem. Dolní komoru, plnou minerálního oleje, spojuje ventil s teleskopickou trubicí ovládanou závěsem kola. Když se kolo pohybuje vzhůru, tlačí olej přes ventil do koule (tlumení), čímž stlačuje plyn v její horní polovině (pružení). Dusík má všechny dobré vlastnosti vzduchu, jmenované o pár odstavců výš. Všechny čtyři jednotky jsou navíc navzájem propojené systémem potrubí, jehož součástí je i několik tlakových zásobníků.

Díky tomu umí systém rychle regulovat světlou výšku i tuhost podvozku. Pokud jedno z kol dostane ránu, část oleje odcestuje potrubím do tlumiče na druhé straně auta a způsobí jeho nadzvednutí. Auto se na nerovnostech nekymácí, zvedá vždy celý předek nebo celý zadek, což je pohodlnější. Má to ovšem jednu nevýhodu, jak potvrdí kdokoli, kdo zažil jízdu Citroënem v zatáčce „po dvou“. Propojení umocňuje boční náklony v zatáčkách, kde pracuje proti zkrutným stabilizátorům. Vliv na jízdní vlastnosti by neměl být tak výrazný, jak nasvědčují subjektivní pocity, ale luxusní citroëny vždy shlížely na zatáčení spatra. Jiným řešením je propojit jednotky na stejné straně auta, jak to dělal British Leyand. V zatáčkách tento nápad funguje výborně, ale zesiluje potápění přídě při brzdění a její zvedání při akceleraci.

Nevýhodou hydropneumatického odpružení je jeho složitost, a tedy relativně vysoká hmotnost a cena. Tu dále zvyšují nároky na přesnost, například u čerpadel. Ačkoli pravidelná údržba by měla být jednoduchá, větších zásahů je schopen pouze školený personál dobře vybaveného servisu. Citroën navíc nikdy nevyřešil potíže s pronikáním prachu do systému. Francouzi se dušují skvělými jízdními vlastnostmi svých aut, skutečnost je však jiná. Prvotřídní komfort nelze hydropneumatickým citroënům upřít, ke své škodě jsou však možná příliš plavné. Plavou vždy a všude. Nikdo z nás se s Citroënem nepřevrhl ani s ním neodplul do příkopu, takže naše subjektivní pocity musí být alespoň trochu přehnané, ale něco na nich jistě bude.

Tolik tedy vyčerpávající výčet způsobů propojení závěsů kol s karoserií, používaných u osobních aut. Jako vždy si článek nenárokuje úplnost nebo přesnost. Většina uvedených vzorců a modelů zjednodušuje skutečnost na nejvyšší možnou míru tak, aby byla snadno pochopitelná. Příště si podobným způsobem rozebereme samotné závěsy kol.

autoweb.cz