Masy nieresorowane - jak wpływają na komfort jazdy?

Na pytanie, co wpływa na komfort podróżowania, większość bez wahania odpowie, że zawieszenie. Oczywiście nie jest to błędna odpowiedź, ale praca zawieszenia jest niejako reakcją na siły wywołane masami nieresorowanymi.

Na początku warto wyjaśnić, czym tak naprawdę jest zawieszenie w dużym uogólnieniu, bez wdawania się w szczegóły. Najprościej mówiąc, zawieszenie jest zespołem elementów sprężystych oraz części bezpośrednio współpracujących z nimi, które łączą koła, a konkretnie ich osie, z nadwoziem samochodu tudzież jego ramą w zależności od konstrukcji pojazdu.

Głównym zadaniem zawieszenia jest tłumienie drgań pochodzących od kół, które toczą się po nierównościach nawierzchni. Dzięki temu wszelkie wstrząsy podczas jazdy są łagodzone, zanim dotrą do nadwozia, dzięki czemu zwiększa się komfort podróżowania pasażerów.

Upraszczając, zawieszenie jest zespołem elementów, które znajdują się pomiędzy nadwoziem (lub ramą) a kołami samochodu. Z tego uproszczenia wynika też podział mas w pojeździe na dwie grupy: masy resorowane i masy nieresorowane.

Pierwsze z nich to właśnie nadwozie i wszystko to, co jest w nim zawarte, czyli np. silnik, całe wnętrze itd. Są to masy, których drgania są znacznie zmniejszone dzięki zastosowaniu zawieszenia. Z kolei masami nieresorowanymi nazywa się wszystkie te elementy, których drgania są bezpośrednio wymuszone nierównościami nawierzchni, czyli np. koła, zwrotnice, tarcze hamulcowe, półosie, mosty napędowe itd.

Pomimo powszechnego stosowania tych terminów należy jednak mieć na uwadze fakt, że określenie mas nieresorowanych nie jest zupełnie ścisłe. Ich drgania nie są bowiem dokładnym odzwierciedleniem nierówności drogi, ponieważ te są już w małym stopniu tłumione dzięki pracy opony. Sprężystość opony powoduje jej ugięcia, a co za tym idzie - wstępne tłumienie wstrząsów.

Z ciekawostek dodam, że nieruchome koło (obute oczywiście w oponę) odznacza się nawet do 22 proc. wyższą sprężystością niż koło toczące się. Dopiero podczas dłuższej jazdy, kiedy to temperatura opony rośnie, a w konsekwencji także ciśnienie, następuje poprawa sprężystości opony. Mimo że sprężystość opony wpływa w pewnym stopniu na komfort podróżowania, to jej zdolność tłumienia jest znacznie mniej istotna w porównaniu z zawieszeniem.

Znając definicje mas resorowanych i nieresorowanych, można przejść do najistotniejszego – w jaki sposób wartość masy nieresorowanej wpływa na zawieszenie, a co za tym idzie - na wstrząsy przedostające się do nadwozia, a w efekcie komfort podróżowania. Otóż gdy przejeżdża się przez jakąkolwiek nierówność, koło i reszta elementów masy nieresorowanej wprawiane są w ruch pionowy.

Przemieszczenie tej masy prowadzi do ugięcia się zawieszenia, co powoduje pracę elementów sprężystych – zwiększenie ich napięcia. Odpowiedzią na zwiększoną siłę napięcia elementów zawieszenia jest przemieszczenie się masy resorowanej. Ten ruch odbywa się jednak płynnie, w przeciwieństwie do gwałtownych przemieszczeń mas nieresorowanych, co jest zasługą oczywiście pracy zawieszenia.

Jasno więc widać, że jeśli wartość masy nieresorowanej będzie duża, to większa będzie również siła, jaką ona wywoła podczas pokonywania przeszkody. Większa siła spowoduje większe napięcie elementów sprężystych, co przełoży się na większe przemieszczenie masy resorowanej – nadwozia i pozostałych części do niego należących.

Wiadomo więc już, dlaczego istotne jest minimalizowanie mas nieresorowanych. W przeciętnym samochodzie osobowym wartość masy nieresorowanej stanowi ok. 10-15 proc. całkowitej masy pojazdu. Aby lepiej to zobrazować, posłużę się konkretnymi wartościami. Masa elementów nieresorowanych związanych z jednym kołem jezdnym wynosi zwykle od 35 do nawet 50 kg.

Według badań przeprowadzonych na Politechnice Poznańskiej* największy udział w całkowitej masie nieresorowanej mają felga, opona oraz tarcza hamulcowa (łącznie ponad 50 proc.). Przykładowe wartości mas nieresorowanych związanych z jednym kołem jezdnym podane są w powyższej tabeli. Aby uzyskać całkowitą wartość masy nieresorowanej, należy je naturalnie pomnożyć przez cztery.

Masę nieresorowaną można także obliczyć, korzystając z prostych wzorów przedstawionych poniżej oraz współczynników. Powstały one na podstawie wielu analiz wyników eksperymentalnych. Część współczynników może być oczywiście nieco inna w zależności od zastosowanego zawieszenia, ale jak wynika z moich doświadczeń, szacunki z poniższych obliczeń zwykle nie odbiegają mocno od wartości rzeczywistych. Wartości współczynników w zależności od rodzaju zawieszenia można znaleźć w książce "Dynamika samochodu – drgania" Manfreda Mitschke.

W przypadku osi przednich współczynniki zawierają się w przedziale od 0,1 do 0,2, ale przeważają zdecydowanie wartości 0,12. Dla osi tylnych można zastosować współczynniki 0,13 lub 0,14, a w przypadku tylnego sztywnego mostu można użyć wartości 0,22. Masę pojazdu przypadającą na poszczególną oś łatwo wyliczyć, znając rozkład masy własnej pojazdu przód/tył. Należy pamiętać, że otrzymane wartości ze wzorów dotyczą masy nieresorowanej elementów jednego koła jezdnego.

Znając wartości masy całkowitej pojazdu oraz masy nieresorowanej, możemy obliczyć ich stosunek względem siebie. W większości współczesnych samochodów stosunek masy resorowanej do nieresorowanej wynosi od 6 do 8, czasami nawet 9. W przypadku stosowania sztywnego mostu wartość ta może być równa nawet 4. Oczywiście im wyższa liczba, tym lepiej dla komfortu podróżujących.

*Wartości mas nieresorowanych podane w artykule pochodzą z publikacji Grzegorza Śląskiego oraz Pawła Grześkowiaka, która zawiera wyniki badań przeprowadzonych na Politechnice Poznańskiej.