Konstrukce podvozků, díl 2.: Odpor k rychlosti

Minulý díl: Konstrukce podvozků – díl 1.: Proč?

Že průměrný podvozek osobního auta má pár tlumičů a nějakou tu pružinu, nikoho nepřekvapí. Každý také ví jak vypadají. Pružinku z propisky si zvládne představit kdekdo, tlumič je tajemná teleskopická trubice. Překvapivě mnoho lidí však nemá tušení, jak takový tlumič funguje nebo co přesně dělá pružina. S oběma pojmy se obyčejně pracuje na zcela intuitivní úrovní a průměrný člověk je vnímá jako jediný celek. Aniž bychom tak chtěli urážet něčí inteligenci, pojďme si zopakovat základy.

Co by kdyby
Co by se stalo, kdyby auto zůstalo ochuzeno o jeden z těchto vynálezů? U pružin je to docela jasné: drhlo by břichem o zem. Pružiny udržují světlou výšku auta, aniž by bránily kolům ve vertikálním pohybu kolem rovnovážné polohy. Jejich odpor roste lineárně, je přímo úměrný deformaci pružiny. Tuto skutečnost lze vyjádřit jednoduše vzorcem F = – k * x. Zde F reprezentuje sílu, kterou se pružina brání deformaci, x je velikost této deformace a hodnota k je definuje vlastnosti pružiny, určuje její charakteristiku (závislost síly na deformaci). V ideálním případě, s nímž si zprvu vystačíme, je k konstanta. Stlačit ideální pružinu o desetinu milimetru bude snadné, stlačení o centimetr si vyžádá stokrát větší sílu, atd. Torzní tyč nebo jednoduchá vinutá pružina se chovají právě tak. Obecně může k záviset na x (bude tedy F = – k(x) * x = f(x) ) – takovou obecnou pružinu nazveme progresivní.

Ve skutečnosti je výhodnější, pokud pružina klade počáteční deformaci jen minimální odpor, aby následně tuhla rychleji než lineárně. Zvládne pak překonat menší nerovnosti s grácií, aniž by ztrácela jistotu na velkých hrbolech. Progresivní pružiny také pomaleji zatěžují pneumatiky v zatáčkách – obyčejná lineární pružina na ně „skočí“. Poznamenejme ještě, že logiku posledních dvou odstavců můžeme otočit: pružiny přitlačují kola k zemi. To je nepatrně přitažené za vlasy, ale díky zákonu akce a reakce říkáme pořád to samé, jen méně intuitivně. Takto zvrácený pohled na svět může být užitečný při zkoumání pohybů kol za jízdy.​V rozporu s populárním přesvědčením to není pružina, co brzdí pohyb kola vzhůru po srážce s hrbolem. V první chvíli, kdy má kolo obrovskou kinetickou energii, se pružina jeho pohybu nedokáže bránit. Později sice začne klást značný odpor, ale ani to nemusí samo o sobě stačit. Energie kola je úměrná druhé mocnině jeho rychlosti a auto potřebuje způsob jak se s touto energií vypořádat. Používá k tomu tlumiče, jejichž odpor závisí pouze na vertikální rychlosti kola. Platí F = – c * v, kde F je odpor tlumiče, v rychlost pohybu pístu a c je charakteristika tlumiče. Stejně jako u pružin můžeme v idealizovaném případě prohlásit c za konstantu, ač v reálném světě také c závisí na v (F = – c(v) * v). Na rozdíl od pružin ovšem tento model nekoresponduje dobře s žádným skutečným tlumičem a slouží jen jako hrubá ilustrace.

Když se tedy kolo střetne s nerovností a vyrazí vzhůru, pružina mu brání jen málo, zato odpor tlumiče je v tu chvíli největší – kolo se totiž pohybuje rychle (tím rychleji, čím rychleji jede auto). Tlumič jednak přenáší energii kola na karoserii, jednak ji mění v teplo. Jak se pohyb kola zpomaluje, odpor tlumiče klesá. Roste však odpor pružiny, která je stále ještě stlačována. Ten nakonec kolo zastaví, v podstatě už bez pomoci tlumiče. Pružina pak celý závěs vrátí zpět do výchozí polohy. Je jasné, jak by se chovalo auto bez tlumičů. Jeho pružiny by už v relativně malých rychlostech nebyly schopné zabránit kolům ve vertikálním pohybu. Závěsy by na každém hrbolu bouchaly do dorazů. V úvahu přichází i druhý extrém s velmi tvrdými pružinami: ty by sice kola zastavily, ale v nižších rychlostech by z posádky vytřásly duši.

Tlumič plní v autě ještě jednu důležitou úlohu: brání pružinám oscilovat kolem rovnovážné polohy. Každý z vás se jistě setkal s nejjednodušším oscilátorem – tažnou vinutou pružinkou se závažím na konci. Pokud za závaží zatáhnete, bude se rytmicky pohybovat nahoru a dolů. A vydrží mu to pořádně dlouho. Vinutá pružina je totiž velmi efektivní akumulátor energie. Zatažením jí udělíte energii, která se uvolní v okamžiku, kdy závažíčko pustíte. Energie nahromaděná v pružině se promění nejprve na kinetickou energii závaží (dokud závaží zrychluje), a pak na energii potenciální. Přeměna je kompletní ve chvíli, kdy se pohyb systému zastaví v horní úvrati. V tu chvíli začne závaží klesat a jeho potenciální energie se změní nejdřív na kinetickou (zrychluje) a pak na potenciální energii pružiny (dolní úvrať). Celý cyklus se bude opakovat do konce světa (teoreticky), vložená energie nikam nezmizí, jen bude dokola měnit formy.

Pokud tento oscilátor postavíte na hlavu a nahradíte tažnou pružinu tlačnou (tedy tou z auta), získáte zjednodušený model zavěšení bez tlumiče. Celé auto je pak jen složitější instancí téhož – velkým závažím na čtyřech pružinách. Nerovnosti dodají tomuto systému energii, která se v něm bude hromadit bez možnosti úniku. Z několika dalších důvodů, na jejichž osvětlení nemáme prostor, povede růst energie k rychlému zvětšování výchylky oscilátoru. Závěs bude kmitat čím dál víc, až se zákonitě potká s jedním z dorazů. K tomu dojde spíš dřív než později. Prací tlumiče je tuto energii pohlcovat, tedy bránit pružinám v oscilaci.​Tlumič
Jak vlastně dělají tlumiče svou práci? Drtivá většina aut je osazená takzvanými kapalinovými tlumiči. Všechny fungují na stejném principu. Tlumič si můžete představit jako válcovou nádobu plnou oleje, v níž se pohybuje plochý píst s malými dírkami. Válec je pístem rozdělen na dvě komory. Ty mají dohromady konstantní (teoreticky) objem, ale objem každé z nich konstantní není – závisí na poloze pístu. Když se píst pohybuje, proudí olej dírkami z jedné komory do druhé. Čím rychleji se píst pohybuje, tím větší problém je protlačit malými otvory potřebné množství oleje. A tím větší je odpor tlumiče. Zbývá jen dodat samozřejmé: válec je připojen ke karoserii a píst přes tenkou tyčku k závěsu kola.

Kdesi nahoře jste se dočetli, že tlumiče jednak přenáší energii na karoserii, jednak ji mění v teplo. Poslední odstavce říkají něco trochu jiného. Veškerá energie, kterou tlumič v první fázi pustí ke karoserii, se totiž změní v energii kmitů. A tu následně pohlcují opět tlumiče. Drtivá většina energie od nerovností se tedy přemění v teplo. Odpovědět na otázku jak k přeměně dochází je složité, ne-li nemožné. V zásadě za ni mohou divoké tlakové poměry uvnitř tlumiče a turbulence při proudění velkých objemů oleje malými otvory.Můžeme vyslovit několik pozorování. Především že na tlumiče nemáte sahat, bývají horké. S tím souvisí další nároky na konstrukci tlumičů. Musí dobře odvádět teplo a neměly by s teplotou příliš měnit vlastnosti. S trochou rozmýšlení přijdete i na jinou věc: tlumiče by měly vzdorovat stlačování a natahování různými silami. Toho lze v našem případě dosáhnout snadno jednosměrnými zpětnými ventily. Z tohoto a dalších důvodů jsou kapalinové tlumiče dnes v podstatě jedinou používanou technologií (v autech). Zástavbou ještě složitějších ventilů u nich lze dosáhnout dalšího zlepšení vlastností – například výhodné závislosti c na v (zde F = – c(v) * v). Dražší tlumiče mohou být nastavitelné až ve čtyřech parametrech (pomalá/rychlá komprese a pomalý/rychlý odskok).

Kapalinové tlumiče vyhovují současným požadavkům automobilového průmyslu nejlépe, nejsou však jedinou známou technologií. Na počátku dvacátého století byly populární třecí tlumiče. Pro jednoduchost je můžeme modelovat opět dutým válcem s pístem uvnitř, jen bez oleje. Odpor vzniká třením pístu o stěnu. Takový tlumič se rychle opotřebovává, především ale jeho odpor v podstatě nezávisí na rychlosti pístu – je konstantní, respektive se s rychlostí snižuje. Účinnost třecích tlumičů navíc klesá, když se zahřejí. Jak už jsme si řekli, v autě je závislost odporu na rychlosti pístu klíčovou vlastností. Díky ní dokáže tlumič pracovat relativně efektivně v širokém rozsahu dopředných rychlostí auta. Třecí tlumiče snad vyhovovaly potřebám pomalého Fordu T, autu které jezdí přes sto kilometrů v hodině však nemohou stačit.Například Citroën 2CV měl do roku 1966 ještě jednodušší hmotové tlumiče. Jejich princip se, hloupě řečeno, opírá o skutečnost, že hmota jen nerada mění rychlost svého pohybu. Hmotový tlumič je oscilátor, v případě podvozku 2CV tvořený tříapůlkilovým závažím na pružině, umístěným ve válci přímo na závěsu kola. Když závěs kmitá nahoru a dolů, hýbe také hmotový tlumičem. Ale závaží uvnitř má tendenci zůstat na místě, takže prostřednictvím pružiny vlastně působí proti kmitům zavěšení. Celá magie spočívá v pečlivém naladění vlastní frekvence hmotového tlumiče tak, aby co nejlépe okrádal závěs o energii. Podrobnější vysvětlení pojmu vlastní frekvence si bohužel musíme nechat na jindy. Hmotové tlumiče se v automobilovém průmyslu používají běžně například v pohonných ústrojích. Jsou levné a efektivní, ale pro použití na podvozcích se nehodí. Neumí totiž zcela zastavit kmitání soustavy, jejíž jsou součástí. Jen ho výrazně omezují.

Ačkoli u aut se této skutečnosti naplno nevyužívá, pružiny obecně vykazují jistou úroveň hystereze. Jednoduše řečeno samotná pružina tlumí vlastní kmity tím, že ihned vrátí jen část vložené energie a zbytek uvolňuje postupně. Tento jev je výrazný zejména u listových per (viz dál), která se při menší dynamické zátěži (v nízkých rychlostech) teoreticky zcela obejdou bez tlumičů. Pomalá nákladní auta odpružená listovými pery proto tlumiče vůbec nemusí potřebovat. Rychlým osobním autům však pouhá hystereze nestačí.

Tolik tedy k úvodu do teorie, tlumičům a tlumení obecně. Pokračování článku, věnované pružinám, najdete na autowebu zítra.