gora

Nasze Publikacje
Auto Moto Serwis 1/2008

Artykuł zastrzeżony prawem autorskim - kopiowanie w całości bez zgody autora zabronione

 

Zawieszenie McPherson
 

Jednym z ciekawszych rozwiązań zawieszenia przedniego (także powszechnie stosowanych) w samochodach osobowych jest zawieszenie kolumnowe typu McPerson.

Zawieszeniem nazywamy układ elementów łączących konstrukcję nośną (ramę lub nadwozie samonośne) z kołami pojazdu. Zadaniem zawieszenia jest łagodzenie przenoszonych na nadwozie samochodu wstrząsów, które są wzbudzane toczeniem się kół po nierównościach drogi. Zawieszenie oddziela koła od nadwozia pojazdu wprowadzając wiele elementów pośredniczących, które sprawiają, że poprawia się komfort i bezpieczeństwo ruchu samochodu.

Zawieszenie składa się z trzech grup elementów:

  • Elementy wodzące (prowadzące) – oddzielające koła od masy nadwozia samochodu tj. wahacze, które mają decydujący wpływ na zachowanie się pojazdu, np. podczas pokonywania zakrętów.

  • Elementy sprężyste – wprowadzające sztywność zawieszenia tj.: resory piórowe, sprężyny śrubowe, drążki skrętne, drążki reakcyjne, stabilizatory przechyłów oraz gumowe ograniczniki ruchu. Działanie w/w elementów sprowadza się do magazynowania dostarczonej energii (np. energii drgań) i oddawania jej w odpowiedniej chwili.

  • Elementy tłumiące – znacznie ograniczają lub eliminują drgania kół i nadwozia, wpływają na bezpieczeństwo szczególnie podczas hamowania, ograniczając ruch drgający kół i zwiększając ich przyczepność. Elementem tłumiącym jest amortyzator hydrauliczny (lub hydrauliczno – gazowy).

Doskonałym wynalazcą niezależnego zawieszenia przedniego (także tylnego) był Earle McPherson, który urodził się w 1891 roku w Stanach Zjednoczonych. Po uzyskaniu dyplomu inżyniera był doradcą ds. technicznych i głównym inżynierem  w takich firmach jak: General Motors (1934r.), Chevrolet i Ford. Opatentował swój wynalazek w 1949 roku. Idea projektu McPhersona polegała na dużym uproszczeniu budowy zawieszenia. Jeden podzespół funkcjonuje przy prowadzeniu, resorowaniu jak i tłumieniu drgań koła jezdnego.

Rys.1  Zawieszenie przednie McPherson
1 - amortyzator;
2 - ramię zwrotnicy;
 3 - półoś napędowa;
4 - wspornik przegubowego zamocowania dolnego wahacza (przykręcony do poprzeczki nadwozia
5 - wahacz dolny
6 - oś przegubu wahacza dolnego
7 - przegub kulowy wahacza
8 - zwrotnica
9 - elastyczne zamocowanie kolumny do nadwozia
10 - górna półka sprężyny
11 - tłoczysko amortyzatora
12 - sprężyna zawieszenia

Wynalazca zaproponował w swojej konstrukcji, by zwrotnica była od dołu przykręcona do pojedynczego wahacza poprzecznego (rys. 1.0),(później pojawiły się wahacze trójkątne), a od góry do długiego amortyzatora teleskopowego osadzonego wahliwie wysoko w nadkolu. Elementem sprężystym w w/w zawieszeniu jest sprężyna śrubowa współosiowa z amortyzatorem.

 

Rys. 2  Kolumna zawieszenia przedniego - część górna

Górna część amortyzatora (rys. 2.0) jest osadzona w podporze kolumny, która jest zamocowana dwiema lub trzema nakrętkami M8(11) do nadkola nadwozia. Trzpień amortyzatora (12) przechodzi przez łożysko (6) osadzone w gumowej poduszce (7). Ponadto ta część amortyzatora jest osłonięta osłoną z tworzywa sztucznego (3) której krawędź jest osadzona w rowku zderzaka progresywnego (4) wykonany ze spienionego poliuretanu dodatkowo tłumi ugięcie amortyzatora.

Rys. 3  Przekrój wzdłużny piasty i zwrotnicy koła przedniego - część dolna
1 - wahacz
2 - sworzeń kulisty wahacza
3 - zwrotnica
4 - tarcza hamulcowa
5 - piasta koła
6 - nakrętka centralna ( mocująca piastę koła )
7 - półoś napędowa
8 - łożysko kulkowe skośne
9 - śruba mocująca obejmę amortyzatora
10 - amortyzator


Rozwiązanie takie jest konieczne , ponieważ podczas skręcania kół amortyzator połączony w dolnej części ze zwrotnicą (rys. 3.0) wykonuje ruch obrotowy. Sprężystość gumowej poduszki(7)(rys 2) kompensuje odkształcenia występujące podczas działania zawieszenia, tłumi i izoluje drgania o dużej częstotliwości.

Zalety zawieszenia:

  • idealnie pasuje do nadwozia samonośnego (zapewnia sprężystość i dobre tłumienie drgań)
  • ma zwartą i prostą budowę, nie zajmuje wiele miejsca (mniejsze wymiary geometryczne)
  • ma mniejszą masę w stosunku do zawieszeń dwuwahaczowych (ok. 30%)
  • tańsze w produkcji i nieskomplikowane kinematycznie.
  • zapewnia równoległe prowadzenie kół mimo dużego skoku zawieszenia.
  • ujemny promień zataczania r jest korzystny z punktu widzenia stateczności i kierowalności pojazdu (rys. 4.0)
  • zapewnia stabilność podczas hamowania

Wady zawieszenia

  • kolumny McPhersona przenoszą na karoserię drgania i hałas, pochodzące od układu kierowniczego (np. spowodowane niewyważeniem kół)
  • w gnieździe tłoczyska amortyzatora (rys. 2.0) występuje niekorzystne tarcie.
  • ograniczona możliwość montażu szerszych opon oraz łańcuchów śnieżnych. W/w wadę wyeliminowano np. w samochodzie Audi stosując ujemny promień zataczania r (rys. 4.0)
  • konieczność stosowania tłoczyska amortyzatora o stosunkowo dużej średnicy (ok. 20 mm).
  • jest konstrukcją dość delikatną i łatwo ją uszkodzić na dziurawych drogach

 

Rys. 4  Lewe przednie koło zawieszenia Audi o ujemnym promieniu zataczania r = -18 mm

Należy także pamiętać o prawidłowej identyfikacji zawieszenia McPhersona tj.:

  • ma kolumnę amortyzatora od góry zamocowaną w nadkolu, a na dole połączoną z tylko jednym wahaczem.
  • elementem prowadzącym koło może być tylko wahacz trójkątny, albo wahacz pojedynczy z drążkiem reakcyjnym, albo wahacz pojedynczy z stabilizatorem przechyłów, pełniącym w tym przypadku rolę również drążka reakcyjnego.
  • Ponadto zawieszenie McPhersona może mieć jako element resorujący drążek skrętny lub sprężyny śrubowe (zawieszenie hydropneumatyczne)

     

McPhersonem nie będzie więc zawieszenie przednie wielowahaczowe (rys. 5.0) Hondy Civic, w którym każde koło jest prowadzone przez dwa wahacze poprzeczne (dolny i górny). Połączenie sprężyny śrubowej i amortyzatora stanowi kolumnę zawieszenia.

Rys. 5  Zawieszenie przednie samochodu Honda Civic
1 - kolumna zawieszenia
2 - zwrotnica
3 - wahacz poprzeczny dolny
4 - stabilizator poprzeczny (przechyłów)
5 - końcówka drążka kierowniczego
6 - wahacz poprzeczny górny

Ponadto w wielu książkach dotyczących napraw pojazdów samochodowych spotyka się określenie: zawieszenie przednie niezależne typu pseudo-McPherson.

W/w zawieszenie to rozwiązanie z kompletnym trójkątnym wahaczem przenoszącym siły w dolnej części układu. Pan McPherson wymyślił je w innej formie (brak w patencie określenia - wahacz trójkątny), który w efekcie nie ma istotnego znaczenia. Właściwa jednak przyczyna ochoczego przywoływania nazwy – pseudo McPherson leży gdzie indziej. Otóż każda firma która stosuje opatentowane rozwiązanie zwane zawieszeniem McPherson , powinna płacić Fordowi (McPherson był pracownikiem Forda) tantiemy (umowne opłaty licencyjne za korzystanie z patentu właściciela).

Sposobem by tego uniknąć było wykazanie, że jej zawieszenie jest inne. I stąd owe „pseudo” wykorzystujące fakt, że istnieje różnica w konstrukcji dolnego wahacza.

Reasumując powyższe nazwa „pseudo” wynika z uwarunkowań finansowych i licencyjnych, a nie technicznych.

Nie ma też znaczenia, czy zawieszenie realizuje funkcję skręcania kół, oraz czy dotyczy osi napędzanej czy nie napędzanej. 

Na rysunkach 6 do  9 przedstawiono najczęściej spotykane rozwiązania przedniego zawieszenia  typu McPherson. We wszystkich tych rozwiązaniach niezmienne jest mocowanie kolumny McPhersona tj.: od góry w nadkolu pojazdu (rys. 2), a od dołu do zwrotnicy koła (rys. 3) Różnice w poszczególnych konstrukcjach polegają na umiejscowieniu drążka kierowniczego, mocowaniu stabilizatora, zastosowaniu różnych odmian wahaczy poprzecznych  i wprowadzeniu łącznika (stabilizator + kolumna McPhersona).

Oznakowanie elementów na rysunkach:
 

1-       kolumna McPhersona

2-       zwrotnica

3-       przegub z osłoną gumową i półosią

4-       drążek kierowniczy

5-       wahacz poprzeczny

6-       stabilizator

7-       łącznik łączący stabilizator z kolumną McPhersona

8-       płetwa przymocowana do kolumny McPhersona łącząca drążek kierowniczy

Rys. 6   –  przedstawiono pojedynczy wahacz poprzeczny, do którego przymocowano stabilizator np. starsze roczniki (np. Ford Escort)

 

Rys. 7   przedstawiono wahacz poprzeczny wytłoczony z blachy stalowej, do którego przymocowano stabilizator (np. Skoda Felicia, Seat Toledo)

 

Rys. 8     wahacz poprzeczny (jw.) lecz zastosowano w tym rozwiązaniu łącznik (7) łączący stabilizator z obudową kolumny McPhersona (np.: Volkswagen Polo, Opel Vectra C)

 

Rys. 9     Wahacz poprzeczny (jw.), do którego przymocowano stabilizator. Płetwa przymocowana do kolumny McPhersona łączy drążki kierownicze (np. Daewoo Lanos, niektóre Ople).


Uwaga:  Na rysunkach (7, 8, 9) przedstawiono wahacz poprzeczny (5) obrócony w płaszczyźnie mocowania sworznia kulistego aby uwzględnić jego rzeczywisty kształt.

Należy nadmienić, że na początku lat osiemdziesiątych ponad 70% samochodów wytwarzanych w Europie, USA i Japonii miało przednie zawieszenie McPherson.
Uwzględniając wiele zalet tego zawieszenia uważam, że jeszcze przez długie lata ten genialny wynalazek będzie szeroko stosowany.
 

 

Opracowanie mgr inż. Edward Rymaszewski
Zespół Szkół Samochodowych w Bydgoszczy

początek strony