Trucks
Branża samochodów ciężarowych jest raczej konserwatywna, jeśli chodzi o nowe technologie. Dlatego zaskoczenie było spore, gdy Volvo Trucks zaprezentowało pierwsze niezależne zawieszenie przednie – IFS – dla samochodu ciężarowego.
Inżynier Jan Zachrisson wyjaśnia, dlaczego wprowadzenie IFS na rynek, jesienią 2012 r., odbiło się tak szerokim echem: – Zasadniczo, elementy współczesnych zawieszeń wciąż bazują na technologii stosowanej w XVIII wieku w pojazdach zaprzęgowych. Rozdzielenie kół w przednim zawieszaniu, tak aby mogły działać niezależnie od siebie, stanowi rewolucję w konstrukcji samochodów ciężarowych.
Zanim Jan Zachrisson rozpoczął prace nad IFS, uczestniczył w modernizacji istniejącego pneumatycznego zawieszenia przedniego dla potrzeb nowej serii Volvo FH. Ze swojej pracy dla Volvo Buses wyniósł także doświadczenie dotyczące zawieszeń niezależnych, które w branży autobusowej są stosowane od blisko 30 lat.
– Współczesne mechaniczne i pneumatyczne zawieszenia przednie są na tyle udanymi konstrukcjami, że nie ma zbyt wielu możliwości ich dalszego doskonalenia. Wraz z wprowadzeniem na rynek IFS, piszemy pierwsze rozdziały zupełnie nowej książki i zmieniamy odczucia kierowców towarzyszące jeździe samochodem ciężarowym.
Wraz z wprowadzeniem na rynek IFS, piszemy pierwsze rozdziały zupełnie nowej książki i zmieniamy odczucia kierowców towarzyszące jeździe samochodem ciężarowym.
Pierwszy zarys owego dzieła Volvo Trucks przedstawiło ponad 10 lat temu. Wówczas opracowano pierwsze szkice nowego układu, jednak prace rozwojowe ruszyły na dobre dopiero w 2008 r. 15-osobowym zespołem projektowym, który w ciągu pięciu lat dopracował tę nową technologię, kierował Bror Lundgren.
– Otrzymaliśmy zadanie opracowania zawieszenia, które sprawi, że samochody ciężarowe Volvo będą bezkonkurencyjne pod względem właściwości jezdnych i komfortu. Ponieważ część pracy już została wykonana, dysponowaliśmy solidną platformą, na której mogliśmy bazować, jednak najważniejszy etap – przejście od koncepcji do projektu przemysłowego – wciąż był przed nami – wyjaśnia Bror Lundgren.
To nie przypadek, że na lidera projektu rozwojowego IFS w Volvo Trucks wybrano właśnie Brora Lundgrena, z jego doświadczeniem w dziedzinie zawieszeń niezależnych w samochodach osobowych.
Podstawowa idea jest taka sama zarówno w samochodzie osobowym, jak i ciężarowym – niezależnie zawieszenie kół zwiększa stabilność i przewidywalność reakcji pojazdu na drodze.
Jednak pod względem konstrukcyjnym są to zupełnie różne klasy układów. Największym wyzwaniem dla inżynierów Volvo Trucks były przestrzeń i sztywność.
W samochodzie osobowym wymaganą sztywność zawieszenia zapewnia rama przestrzenna, do której jest zamocowana oś. W samochodzie ciężarowym rozwiązanie takie jest niemożliwe do zastosowania, z dwóch powodów. Po pierwsze, silnik znajduje się w tym samym obszarze, co zawieszenie. Po drugie, rama, do której zawieszenie jest mocowane, jest położona znacznie wyżej nad jezdnią. W rezultacie, naturalna sztywność podwozia samochodu osobowego nie może zostać odtworzona w samochodzie ciężarowym.
Rozwiązaniem problemu jest układ, którego ruchome elementy zawieszenia są mocowane do dwóch goleni umieszczonych poniżej silnika.
– Niedopuszczalne są jakiekolwiek przemieszczenia poprzeczne, więc wiele uwagi poświęciliśmy zapewnieniu jak największej sztywności goleni IFS – wyjaśnia Bror Lundgren.
– Gdy przeprowadziliśmy badania stanowiskowe, okazało się że konstrukcja zachowuje się tak, jak powinna. To był ogromny sukces.
Badania stanowiskowe obejmują serię ważnych testów. Są prowadzone w dziale badawczo-rozwojowym Volvo Trucks w Goeteborgu, w Szwecji. W całym laboratorium unosi się delikatny zapach oleju i słychać popiskiwanie siłowników hydraulicznych połączonych z gigantyczną wstrząsarką.
– Nazywamy ją Tyranozaurem. To największe na świecie stanowisko do wymuszania drgań. Jego całkowita masa przekracza 1200 ton – mówi pracujący w laboratorium inżynier testów Emil Skoog.
Układ złożony z wielu siłowników wprowadza oś w zmiennookresowe drgania, wystawiając zawieszenie IFS na działanie ogromnych sił. Sygnały sterujące siłownikami zostały zaprogramowane w oparciu o dane numeryczne pozyskane za pomocą pojazdu testowego na torze doświadczalnym Volvo Trucks w Hällered, koło Goeteborga.
– Na torze pojazd testowy został poddany wielu wymagającym próbom drogowym. Jego oś wyposażono w szereg czujników rejestrujących siły i przemieszczenia występujące podczas jazdy – wyjaśnia Bror Lundgren.
Żeby zyskać pewność co do wytrzymałości badanej konstrukcji, wstrząsarka obciąża ją siłami znacznie większymi niż te, które mogą występować w rzeczywistej eksploatacji.
Po odpowiednim przetworzeniu tych danych na sygnały sterujące wstrząsarką potrafimy odtworzyć warunki toru testowego na stanowisku badawczym. Symulowane są tylko te fragmenty toru, na których pojazd jest wystawiony na działanie największych obciążeń. Tym samym, poprzez wyeliminowanie zbędnych przejazdów i przestojów, można optymalizować czas badań.
– Żeby zyskać pewność co do wytrzymałości badanej konstrukcji, wstrząsarka obciąża ją siłami znacznie większymi niż te, które mogą występować w rzeczywistej eksploatacji – kontynuuje Bror Lundgren.
Podczas trwających 10 tygodni testów oś jest poddawana kilkuset cyklom obciążenia. Spoglądając na oś testową zamocowaną we wstrząsarce, Bror Lundgren podkreśla znaczenie tych wszystkich badań:
– Ponosimy odpowiedzialność przed klientami i dlatego w kółko powtarzamy testy, aż zyskamy absolutną pewność, że układ jest gotowy do wdrożenia do produkcji. Ponadto, ponieważ w przyszłości zamierzamy wykorzystywać tę nową technologię, trzeba dokładnie sprawdzić jej działanie. Musimy dokumentować zdobywaną wiedzę.
Rezultatem pięciu lat prac rozwojowych jest pierwsze na świecie seryjnie produkowane zawieszenie IFS dla samochodów ciężarowych o dużej ładowności. Ale jakie są największe zalety tej nowej technologii?
– Zapewnia wprost rewolucyjne właściwości jezdne. W porównaniu z konwencjonalnym zawieszeniem przednim, kierowca ma całkowicie odmienne doznania, jeżeli chodzi o komfort, oraz odczuwa zupełnie inny poziom bezpieczeństwa i stateczności pojazdu – mówi Jan Zachrisson.
Z opinią tą zgadza się Bror Lundgren, odwołując się do przykładu dwóch piłek plażowych:
– Oś z konwencjonalnym zawieszeniem mechanicznym lub pneumatycznym można porównać do sytuacji, w której siedzisz na piłce plażowej i żeby utrzymać równowagę, musisz bezustannie balansować ciałem. W przypadku IFS jest tak, jakbyś siedział wewnątrz piłki, co oznacza że masz znacznie większą kontrolę nad swoim położeniem. Czujesz się więc bezpieczniej.
W porównaniu z konwencjonalnym zawieszeniem przednim, kierowca ma całkowicie odmienne doznania, jeżeli chodzi o komfort, oraz odczuwa zupełnie inny poziom bezpieczeństwa i stateczności pojazdu.
Decydującym czynnikiem kształtującym znakomite właściwości jezdne jest znacznie skuteczniejsze sprzężenie zwrotne w układzie kierowniczym, osiągnięte poprzez zintegrowanie nowego zawieszenia z innym unikatowym w branży samochodów ciężarowych rozwiązaniem – zębatkową przekładnią kierowniczą.
Emil Skoog uruchamia wstrząsarkę, rozpoczynając całodzienną serię testów. Siłowniki zaczynają się poruszać, a badana oś trzęsie się w górę i w dół. „Ożywa” także posadowiony na poduszce pneumatycznej fundament stanowiska badawczego. Jego przypominające falowanie ruchy są łatwo wyczuwalne.
– W porównaniu z konwencjonalną przekładnią kierowniczą, przekładnia zębatkowa ma większą sztywność, co zapewnia bardziej bezpośrednie reakcje. Krótszy czas pomiędzy decyzją kierowcy i jej wykonaniem jeszcze bardziej zwiększa poczucie kontroli i bezpieczeństwa – dodaje Jan Zachrisson.
Bror Lundgren jest przekonany, że wprowadzenie IFS oznacza otwarcie nowego rozdziału w historii inżynierii układów zawieszeń samochodów ciężarowych.
– Zdołaliśmy przedefiniować wrażenia towarzyszące jeździe samochodem ciężarowym. Jan Zachrisson sugeruje, że napisaliśmy pierwszy rozdział ksiązki pod tytułem „IFS”. Ja twierdzę, że ta książka będzie zawierała jeszcze wiele kolejnych rozdziałów.
Wyzwaniem dla konstruktorów było opracowanie zespołu złożonego z ruchomych elementów, który zachowywałby się jak jednoczęściowy podzespół. Oto ich dzieło.
1. Zębatkowa przekładnia kierownicza
Ruchy koła kierownicy są przekazywane do zębatkowej przekładni kierowniczej ze wspomaganiem. Stamtąd są za pośrednictwem drążków poprzecznych i przegubów kulowych przenoszone na ramiona poszczególnych zwrotnic. Wychylające się ramię zwrotnicy oddziałuje na czop zwrotnicy, w wyniku czego koło zmienia swój kierunek toczenia.
2. Amortyzatory
Wstrząsy są tłumione w amortyzatorach zamocowanych u dołu do wsporników na zwrotnicy, a u góry do ramy podwozia.
3. Zwrotnica
Górne i dolne wahacze, amortyzatory, czopy zwrotnicy, miechy pneumatyczne i drążki kierownicze – wszystkie te elementy są połączone ze zwrotnicą. Aby wytrzymać wysokie naprężenia, zwrotnica ma formę jednoczęściowego elementu, wykonanego z materiału o dużej wytrzymałości. Konstrukcyjnie ustalone kąty wyprzedzenia i pochylenia osi sworznia zwrotnicy gwarantują znakomitą precyzję prowadzenia i redukują do minimum zużycie opon.
4. Goleń
Górne i dolne wahacze są zamocowane do żeliwnych goleni spajających całe zawieszenie. Golenie są zamocowane do ramy podwozia.
5. Wahacze podwójne
Koła przednie są zamocowane do zwrotnic, z których każda jest niezależnie połączona z podwoziem za pomocą dwóch wahaczy: górnego i dolnego. Pomiędzy zwrotnicą i golenią znajduje się miech pneumatyczny, przenoszący nacisk pionowy i łagodzący wstrząsy wywoływane nierównościami drogi podczas jazdy.