Tému hydro-pneumatické pruženie automobilov, som si vybral na základe môjho záujmu o danú problematiku. Táto práca pomôže žiakom lepšie pochopiť princíp a samotnú funkčnosť hydro-pneumatického pruženia v automobiloch. Cieľom mojej práce je vysvetliť a objasniť princíp fungovania hydro-pneumatického pruženia. Pomocou teoretickej časti sa snažím vysvetliť princíp jednotlivých systémov Hydractive, ich výhody a nevýhody a ich konštrukčné riešenie. Pomocou modelu chcem ukázať jeho hlavné časti, a ako daný systém prakticky funguje. Hlavným zdrojom informácií bol pre mňa internet, odborné publikácie a servisné manuály značky Citroen a články na francúzskych fórach, zaoberajúcich sa problematikou pruženia. V práci sa stručne venujem rôznym typom pruženia automobilu a bližšie sa venujem hydro-pneumatickému pruženiu a jeho systémom.
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 pod medzou ťažnosti. Charakteristika pružiny prebieha lineárne. Konštrukčnými opatreniami môže mať aj progresívny priebeh.
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.
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).
Obr. 1 Listová pružina
Skrutkovité pružiny sa používajú prevažne v osobných automobiloch 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.
Obr.2 Vinutá pružina
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.
Obr.3 Skrutná tyč
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.
Obr.4 Gumová pružina
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.
Obr. 5 pneumatické pruženie
Hydro-pneumatické pruženie firmy Citroën, obr. č. 6, spĺňa základné požiadavky na ideálne pruženie:
Obr. č. 6 Princíp hydro-pneumatického pruženia firmy Citroën
1 – plyn, 2 – kvapalina, 3 – piest
Automobil Citroën DS, ktorý ako prvý obsahoval tento typ pruženia, bol predstavený v r. 1955. Jeho pruženie, mechanizmy, riadenie, brzdy, spojka a aerodynamika boli oproti konkurencii unikátne nielen v detailoch, ale aj v hlavných princípoch.
Hydro-pneumatické pružiny obsahujú inertný plyn – dusík vo funkcii pružiaceho média. Pri zaťažení piest plyn polytropicky stláča, pričom narastá jeho tlak a zmenšuje sa objem. Tlmiaci efekt sa dosahuje núteným pretekaním kvapaliny cez dvojcestný škrtiaci ventil medzi hydraulickým valcom a guľovým zásobníkom plynu. Výsledkom je veľmi dobré tlmenie minimalizujúce nežiaduce kmitanie. K dobrému tlmeniu prispieva aj skutočnosť, že kompresia plynu je spojená tiež so stratami (polytropické zmeny, nie adiabatické), ktoré prispievajú k tlmiacemu účinku v kvapaline.
Toto zlepšuje kontakt kolies s podkladom, má dobrý vplyv na prenos hnacej alebo brzdnej sily, najmä pri jazde po snehu alebo mokrom podklade.
Brzdový aj pružiaci systém využívajú rovnakú hydraulickú kvapalinu. Hydropneumatické pruženie môže plniť stabilizačnú funkciu aj pri prejazde nerovnosťami. Ak napríklad predné kolesá vbehnú do priehlbiny a súčasne zadné na vyvýšeninu, automobil má tendenciu nakloniť sa okolo priečnej osi dopredu. Ak sú však všetky kolesá prepojené hydraulicky, môže vozidlo prekonať takýto nerovný povrch veľmi efektívne – zatlačenie zadnej nápravy dodá kvapalinu do prednej nápravy. Zadná náprava sa stláča a predná odďaľuje, čím sa zníži miera náklonu a vozidlo sa snaží udržať vodorovnú polohu.
Za čiastočnú nevýhodu možno považovať možnosť prenosu zvuku prvkami hydraulického systému, čím sa hydropneumatické pruženie môže v určitých prípadoch prejavovať ako mierne hlučnejšie. Vhodné odizolovanie nadstavby vozidla však môže tieto prejavy eliminovať.
Hydropneumatický systém pruženia je často kritizovaný ako komplikovaný a náchylný na zlyhanie, podľa skúseností z praxe to však nie je úplná pravda. Systém je pri dodržaní predpísanej údržby veľmi spoľahlivý. Systém hydropneumatického pruženia vozidla Citroën BX je znázornený na obr. č. 7.
Obr. č. 7 Schéma hydropneumatického pruženia vozidla Citroën BX
1 – pruženie zadnej nápravy, 2 – zadná brzda, 3 – predná brzda, 4 – pruženie prednej nápravy,
5 – korektor výšky, 6 – brzdový ventil, 7 – bezpečnostný ventil, 8 – nádrž, 9 – hlavný akumulátor a regulátor tlaku, 10 – zdroj, 11 – predné pruženie, 12 – zadné pruženie,
13 –predné brzdy, 14 – zadné brzdy, 15 – pracovná spiatočná vetva, 16 – odvod netesností
Aktívne pruženie Hydractive I,obr. č. 8 bolo aplikované vo vozidle Citroën XM. Na rozdiel od jednoduchších riešení aplikovaných v DS, GS, GSA, CX, BX má systém Hydractive I dva módy funkčnosti – mäkký a tvrdý.
Z mäkkého do tvrdého módu je možné prechádzať manuálne, alebo módy prepína počítač po vyhodnotení situácie, ak je to potrebné napríklad pre zaistenie bezpečnosti alebo stability. Napríklad pri zrýchľovaní alebo brzdení, pri zrýchlení nad 3 m.s-2 a rýchlosti vyššej ako 30 km.h-1, je pruženie automaticky prepnuté do tvrdého módu.
Obr. č. 8 Schéma hydropneumatického pruženia Citroën Hydractive I
1 – ovládací blok pruženia, 2 – pruženie nápravy, 3 – elektroventil, 4 – korektor výšky,
5 – ovládanie od počítača, 6 – spätná vetva, 7 – dusík, 8 – olej, 9 – pohyblivé časti
Hydractive II, obr. č. 9, je novšie riešenie, uvedené v r. 1993. Jeho cieľom je vyriešiť najväčší nedostatok systému Hydractive I, ktorým je tvrdý mód až príliš nekomfortný.
Tento systém má normálny mód (komfortný) a športový. Pri športovom móde počítač automaticky prepína medzi mäkkým komfortným a tvrdým módom. Moderné vozidlá sú vybavené systémom zabraňujúcim poklesu pri zaparkovaní. Počítač používa v podstate zhodné snímače ako sú v Hydractive I. Na meranie rýchlosti sa využíva Hallova sonda v prevodovke, ktorá vytvorí asi 5 pulzov na meter prejdenej dráhy.
Obr. č. 9 Schéma hydropneumatického pruženia Citroën Hydractive II
1 – ovládací blok pruženia, 2 – pruženie nápravy, 3 – korektor výšky, 4 – ovládanie počítačom,
5 – napájanie od bezpečnostného ventila, 6 – spätná vetva, 7 – dusík, 8 – olej, 9 – pohyblivé časti
Bol použitý v Citroëne C5, oproti predchádzajúcim verziám výrazne zjednodušený, tým získal vysokú spoľahlivosť, nenáročnosť a predĺžený servisný interval až 10 rokov alebo 200 000 km.
Systém využíva čidlá ako pri hydractive II. Oproti modelu II má množstvo vylepšení napríklad
Bol použitý v Citroëne C5 a C6 (v modeli 2.2 HDi). Oproti systému hIII mal k dispozícií ďalšie dve gule ktoré pripájal podľa režimu comfort, sport. Dosahoval tým väčší komfort a viac charakteristík ako klasický HIII.
4.5 Systém HYDRACTIVE III+ AMVAR
Bol použitý iba v Citroëne C6 (okrem 2.2 HDi). Zjednodušene pre každé koleso sú 2 gule pruženia, pripájajú sa podľa hlavnej charakteristiky comfort a sport. Systém AMVAR obmedzuje prietok hydraulického oleja, dokáže to v reálnom čase (7 milisekúnd). Citroën C6 tak má pre každé koleso nezávisle 16 charakteristík tuhosti a dokáže ich meniť 400x za sekundu.
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.
Fotografia modelu po demontáži z vozidla
Pružiacu jednotku demontoval z auta Citroen C5. Na fotografii môžeme vidieť tlmič a banku na dusík a olej.
Fotografie zhotovené počas rezania modelu:
Model som rezal pomocou frézy a uhlovej brúsky.
Fotografie modelu zhotovené pri maľovaní:
Fotografia modelu po jeho dokončení a zmontovaní:
Cieľom mojej práce bolo vyhotoviť model hydro-pneumatického pruženia vozidiel a tak vytvoriť vhodnú učebnú pomôcku pre žiakov školy. Verím, že moja práca a model k nej priložený budú vhodnou a praktickou učebnou pomôckou.
