O obniżaniu zawieszenia słów kilka i dlaczego gleba to nie zawsze jest dobry pomysł

Pierwszą rzeczą jaka rzuca nam się w oczy patrząc na samochody wyścigowe (poza malowaniem i pakietem aerodynamicznym) jest zwykle niewielki prześwit. Właściwa felga i obniżone zawieszenie potrafią całkowicie odmienić samochód od strony wizualnej. Jednak o ile ekstremalnie obniżone samochody, pod którymi „szczur się nie przeciśnie” mają prawo się podobać, tak nieprzemyślane modyfikacje zawieszenia to bardzo łatwy sposób na zepsucie zarówno walorów użytkowych, jak i jezdnych samochodu.

Pomijając aspekt wizualny, zawieszenie w samochodzie odpowiada przede wszystkim za utrzymywanie koła przy nawierzchni, spełniając przy okazji określone cele dynamiczne i kinematyczne. Te pierwsze są dość intuicyjne i oczywiste do zrozumienia. Mówimy o tłumieniu nierówności i kontroli ruchów masy resorowanej, czyli łopatologicznie rzecz ujmując, przechyłów nadwozia – zarówno pod wpływem przeciążeń wywołanych dynamiczną jazdą, jak i pokonywaniem przeszkód. Cele kinematyczne polegają na zachowaniu pożądanych kątów opon względem nawierzchni i względem siebie, przy okazji pomagając w spełnianiu celów dynamicznych poprzez zmianę rozkładu sił na podzespołach zawieszenia.

Diabeł tkwi w szczegółach

W samochodach możemy spotkać wiele różnych typów zawieszenia: układy wielowahaczowe, kolumny MacPhersona, belki skrętne, osie pływające… Zarówno same typy jak i ich poszczególne warianty można wymieniać bez końca. Jedna rzecz jest jednak ważna zawsze – z pominięciem skrajnych przypadków, ustawienia i projekt zawieszenia będą miały większy wpływ na zachowanie samochodu od uniwersalnych zalet i wad danej rodziny rozwiązań.

Świetną ilustracją może być przykład BMW M3 E30, które pomimo wykorzystywania prymitywnych wahaczy skośnych półwleczonych, było w stanie konkurować na torach wyścigowych z Mercedesem 190E W201, wyposażonym w dużo nowocześniejszy i bardziej zaawansowany układ tylnego zawieszenia wielowahaczowego. Jest to o tyle ważne, że prawidłowy projekt i ustawienie zawieszenia wymaga ogromnego nakładu czasu oraz wiedzy, co wprost przekłada się na wysokie koszty. Zwłaszcza, że nawet kilkuprocentowe różnice w sztywności i geometrii zawieszenia potrafią znacząco zmienić zachowanie samochodu w najbardziej wymagających sytuacjach, a każda decyzja oznacza pewien kompromis.

Po co w ogóle stosować obniżone zawieszenie?

Gdy zdecydujemy się jednak na zaburzenie wypracowanego przez producenta kompromisu i założeń, trzeba się najpierw zastanowić w jakim celu obniżamy samochód. W motorsporcie obniża się samochód maksymalnie jak się tylko da ze względu na aerodynamikę i transfer ciężaru (przy czym „jak się tylko da” oznacza spełnianie przepisów i zachowanie odpowiedniego zakresu ruchu koła, a nie wciśnięcie felgi w nadkole). W samochodzie drogowym skupimy się tylko na drugim zagadnieniu – aerodynamika jest oczywiście ważna, ale jej czułość na prześwit będzie dużo mniejsza niż w przypadku zaawansowanych pakietów stosowanych w samochodach wyścigowych.

Kiedy samochód jest poddawany przyspieszeniu, siła bezwładności pragnąca utrzymać masę pojazdu na zadanym wcześniej torze ruchu jest skierowana przeciwnie do siły generowanej przez oponę. Powoduje to „opieranie się” samochodu na kołach po przeciwnej stronie do zwrotu wektora przyspieszenia, co nazywamy transferem ciężaru. Opony i transfer ciężaru to temat-rzeka, ale nam wystarczy uproszczenie zjawiska do prostej zależności: im więcej ciężaru z danej osi oprze się na zewnętrznych koła w zakręcie, tym mniejsza będzie łączna przyczepność opon na tej osi. Transfer ciężaru na boki to zjawisko czysto negatywne które chcemy ograniczać. Możemy je uprościć do „dźwigni” między punktami oparcia (oponami), a siłą bezwładności przyłożoną w środku masy. Stąd biorą się 3 sposoby na zmniejszenie transferu: zwiększenie ramienia podparcia (czyli rozstawu kół), zmniejszenie wartości siły bezwładności przy tym samym przyspieszeniu bocznym (zmniejszenie masy pojazdu) i zmniejszenie długości ramienia siły bezwładności (obniżenie środka ciężkości).

Przyczyna problemów, czyli kinematyczna puszka pandory

Jak można wywnioskować ze wstępu, obniżenie środka ciężkości samochodu odbywa się pewnym kosztem. Jest on prosty do zrozumienia – kinematyka jest projektowania do działania z określonymi punktami początkowymi. Można by założyć, że obniżając zawieszenie poprzez zamontowanie krótszych sprężyn nie powinniśmy zbyt mocno niczego zepsuć, bo koła dalej będą podążać nadanymi przez producenta kierunkami.

Niestety rzeczywistość jest nieco mniej przyjemna. Im większy zakres ruchu koła, tym trudniej utrzymać jest odpowiednią charakterystykę zmian jego kątów. Wymaga to zwiększenia wymiarów zawieszenia i/lub zastosowania bardziej złożonego układu. Oba rozwiązania powodują wzrost kosztów i utratę miejsca, którego przy projektowaniu samochodów zawsze brakuje. Zrozumiałe jest więc, że często dochodzi do optymalizacji kinematyki pod fabryczną wysokość zawieszenia, uznając że do skrajnych pozycji koło będzie dochodzić tylko chwilowo i podczas pokonywania większych nierówności.

Łohoho, przechyły i przechyły

Jadąc dynamicznie samochodem drogowym, łatwo można zauważyć przechyły nadwozia. Jest to niepożądane zjawisko, ponieważ spory ruch kół prowadzi do sporych zmian kątów zawieszenia i w efekcie sił generowanych przez opony. Sprawia to, że samochód wydaje się mniej przewidywalny i wolniejszy w reakcjach, a bujanie się przestrzeni pasażerskiej z pewnością nie pomaga. Mimo że te ruchy nadwozia spowodowane są transferem ciężaru i bezwładnością masy resorowanej, wbrew pozorom obniżenie zawieszenia nie zawsze prowadzi do ograniczenia przechyłów. Czasami nawet może doprowadzić do ich zwiększenia. Winnemu całemu zajściu jest kinematyka, a dokładniej chwilowe środki obrotu. Są to umowne punkty, wokół których obraca się masa nadwozie samochodu podczas przechyłu bocznego. W przypadku zdecydowanej większości samochodów drogowych, obniżenie zawieszenia spowoduje również obniżenie chwilowych środków obrotu. Jeśli te punkty ulegną większemu przemieszczeniu niż środek masy resorowanej, oznaczać to będzie zwiększenie się momentu przechylającego nadwozie samochodu.

Kucanie i nurkowanie, czyli walki z ruchem nadwozia ciąg dalszy

Innym zauważalnym ruchem nadwozia jest jego pochylanie się przy hamowaniu (nurkowanie) i przyspieszaniu (kucanie). Podobnie jak w przypadku przechyłów bocznych, nadwozie obraca się wokół chwilowych środków obrotu. W tym przypadku jednak, kinematyka wspiera sprężyny i amortyzatory w ograniczaniu ruchów samochodu. Mówimy o tzw. “anti-feature’ach” zawieszenia. W skrócie: prowadząc w odpowiedni sposób punkty zawieszenia można sprawić, że będzie ono stawiać opór siłom bezwładności (dotyczy to tylko ruchu masy resorowanej, nacisk wywierany na opony nie zmienia się). W ten sposób zmniejszamy przechyły samochodu bez potrzeby usztywniania zawieszenia. I tak jak większość parametrów zawieszenia, jego zdolność do ograniczania przechyłów zmienia się wraz z pozycją kół. Tak więc obniżając samochód możemy wejść w zakres działania zawieszenia, w którym stracimy sporą część tych cech.

Pilnowanie kątów to sprawa kluczowa

Kolejnym problemem związanym z obniżaniem zawieszenia jest kwestia kątów, pod którymi opona styka się z nawierzchnią. Jest to niezwykle ważna kwestia, bo zbieżność i pochylenie mają znaczący wpływ zarówno na zużycie i wartości sił, jakie opona może wygenerować. Im większa różnica między wysokością środków obrotu zawieszenia, a wysokością środka koła, tym szybciej będą zachodzić zmiany pochylenia kół. Zjawisko to może być oczywiście pożądane w zakrętach, gdy pochylenie koła rekompensuje zarówno przechył nadwozia jak i „podwijanie się” opony. Na prostej jednak niemal zawsze będzie problemem, zmniejszając stabilność samochodu podczas ugięcia zawieszenia, co wpływa negatywnie na prowadzenie podczas jazdy po nierównych drogach czy obniża stabilność podczas hamowania i przyspieszania w linii prostej.

Zmiany zbieżności wynikają z różnic między torem ruchu końca drążka kierowniczego, a zwrotnicy. Na osi niekierowanej może być to zabieg celowy mający na celu lepsze kontrolowanie charakterystyki samochodu, np. podczas gwałtownego hamowania. Na osi skrętnej jest to jednak zjawisko niepożądane i określa się je nazwą „bump steer”. W największym skrócie, przez wspomniane różnice torów ruchu, podczas pochylenia się samochodu lub przejeżdżania po nierównościach koła zmieniają kąt skrętu pomimo utrzymywania stałej pozycji kierownicy.

Wszystko zdrowo, ale z umiarem

Czuję również potrzebę wspomnienia o oczywistości – przy obniżaniu zawieszenia musimy pamiętać o zachowaniu możliwości jego pracy. Gdy sprężyny regularnie zatrzymują się na odbojnikach, szorujemy oponą o nadkole czy podwoziem lub zderzakami o asfalt, zawieszenie przestaje spełniać swoją podstawową rolę, jaką jest zapewnienie oponie kontaktu z nawierzchnią. W takich sytuacjach ryzykujemy poważnym uszkodzeniem samochodu bez żadnych wymiernych korzyści. W samochodach wyścigowych inżynierowie mogą sobie pozwolić na okazjonalne krzesanie iskier, ze względu na zupełnie odmienny cykl życia maszyny wyczynowej. Zapobieganie takim sytuacjom poprzez drastyczne usztywnienie zawieszenia (poza szansą na wystąpienie niepożądanej charakterystyki prowadzenia) może spowodować „podskakiwanie” samochodu i chwilowe utraty kontaktu między oponą a nawierzchnią, co również jest zjawiskiem nieakceptowalnym.

Obniżanie zawieszenia – jak zapobiegać problemom?

Czy należy więc unikać obniżania samochodu? Nie, po prostu trzeba to robić z głową. Idąc po kolei: obniżając samochód należy upewnić się, że opona nie będzie miała kolizji z nadwoziem, a przy pokonywaniu nierówności nie zostawimy wydechu ani zderzaka na drodze. Montując krótsze sprężyny trzeba mieć na uwadze ich sztywność. Przy zmianie sztywności sprężyn, warto zainteresować się inwestycją w nowe amortyzatory. Zbyt miękki amortyzator nie będzie sobie radził z ograniczeniem ruchu sztywniejszego zawieszenia, co przełoży się na niechciane drgania nadwozia. Dodatkowo bardziej zaawansowany model z oddzielną kalibracją kompresji i dekompresji z różnymi prędkościami, może jednocześnie poprawić osiągi i komfort, poprzez lepszą kontrolę ruchów kół.

Dokonując poważnego obniżenia samochodu, trzeba będzie zwykle rozwiązać problemy kinematyki. W przypadku wielu popularnych modeli, nie będzie to na szczęście wymagało drogiego i czasochłonnego projektowania i fabrykowania własnych podzespołów, bo na rynku istnieje sporo pakietów części pozwalających na korektę środków obrotu. Oczywiście trzeba się nieco zdoktoryzować w zakresie dostępnych opcji, bo bez sprawdzenia części łatwo wtopić pieniądze w rozwiązania nieoferujące wymiernych korzyści. Dodatkowo wraz z usztywnianiem zawieszenia trzeba się przyjrzeć usztywnianiu struktury nośnej. Gnące się nadwozie to bardzo łatwy sposób na pozbycie się wszystkich zalet sztywniejszego zawieszenia i przyspieszenie zużywania się całego samochodu.

Kwestia strojenia, czyli jak zmusić całość do współpracy

Gdy już dokonamy modyfikacji samochodu, trzeba wszystko ustawić tak, aby wyciągnąć maksimum z włożonych w projekt pieniędzy i czasu. Dlatego też warto wybierać części pozwalające na ich regulację. Parametry niektórych ustawień (np. sztywność sprężyn), musimy zdefiniować już na etapie planowania modyfikacji. Przy elementach regulowanych, punktem wyjścia powinny być zalecenia producenta – w instrukcjach części dedykowanych do konkretnych zwykle znajdziemy tabelki z sugerowanymi ustawieniami. Po każdej modyfikacji zawieszenia powinniśmy zmierzyć zbieżność i pochylenie kół (najlepiej korzystając z usług warsztatu z aparaturą pomiarową) i dokonać zmian w razie takiej potrzeby.

Oczywiście różnica między „wystarczająco dobrym”, a świetnym zestrojeniem zawieszenia kryje się w dziesiątkach godzin spędzonych na torze, obliczeniach i symulacjach. Można skorzystać z pomocy ekspertów, którzy zajmują się takimi rzeczami zawodowo, mają dostęp do bardziej zaawansowanych narzędzi i przede wszystkim ogromne doświadczenie, jednak dopóki nie planujemy próbowania swoich sił w poważniejszym motorsporcie, będzie to zwykle rozwiązanie nieco zbyt dużego kalibru. Poza tym, moim zdaniem warto się orientować samemu w tym, jak zmiany ustawień wpłyną na prowadzenie samochodu. Oczywiście wiąże się to z poświęceniem czasu na zdobycie wiedzy, ustaleniem procedury testowej, poszukiwaniem problemów oraz kombinowaniem metodą prób i błędów. Zdobywa się w ten sposób doświadczenie oraz lepsze zrozumienie samochodu, a posiadanie maszyny dostosowanej do własnych preferencji z pewnością ma pewien dodatkowy urok.