Projekt Toyota Hilux: Zmieniamy zawieszenie i jako pierwsi w Polsce zaczynamy test ARB Airbag Kit

Zanim jednak przejdziemy do naszego projektu, wyjaśnię, o co chodzi z resorami w samochodach, gdzie leży ich podstawowy problem w codziennym użytkowaniu i dlaczego modyfikacja pickupa jest nieco bardziej skomplikowana niż klasycznej terenówki na sprężynach.

Samochody terenowe korzystają obecnie z dwóch rodzajów resorów - sprężyn śrubowych lub resorów piórowych. Kompromisową koncepcją w użytkowych pickupach jest połącznie sprężyn z przodu z resorami z tyłu. W praktyce jest to kompromis pomiędzy komfortem a ładownością.

Kompromis to nie zawsze dobre rozwiązanie, co pokazują właśnie auta użytkowe do 3,5 tony, czyli zarówno samochody dostawcze, jak i pickupy. Przystosowane do jazdy w każdych warunkach i użytkowane w bliżej nieokreślony sposób.

W praktyce, choć nierzadko mają ponad tonę ładowności, to nie przewiduje się wożenia takich ładunków cały czas. Biorąc pod uwagę, że po zawiezieniu towaru auto wraca na pusto, zawieszenie jest przygotowane zarówno do zabrania maksymalnego obciążenia i jego transportowania, jak i do wygodnego powrotu bez ładunku. W praktyce więc samochód służy do jednego i do drugiego, ale nie pełni żadnej z tych funkcji dobrze. Jest więc albo przeciążony, kiedy wykorzystamy pełną ładowność, albo niedociążony, kiedy jedziemy bez ładunku.

Klasyczny resor piórowy przenosi obciążenie na kolejne pióra. Mówimy tu zarówno o obciążeniu statycznym, czyli ładunku na aucie, jak i dynamicznym, wynikającym z pracy zawieszenia w czasie jazdy, bo najechanie na wybój to też obciążenie dla zawieszenia.

Przy niewielkim obciążeniu przyjmuje je najdłuższe pióro, a im to obciążenie staje się większe, tym pierwsze najdłuższe pióro mocniej wywiera nacisk na kolejne, coraz krótsze pióra. Pomiędzy nimi występuje tarcie, które po części wpływa także na tłumienie drgań. To w pewnym stopniu zaleta resoru i przewaga nad sprężyną, ale tylko w bardzo lekkich konstrukcjach, jak na przykład niewielka przyczepka, która nie potrzebuje amortyzatora.

Na samym dole resoru czasami (w pickupach prawie zawsze) znajduje się pióro lub pióra pomocnicze, które nieco odstają od pozostałych. Jest to pióro lub pióra, które pracują dopiero przy bliskim maksymalnemu obciążeniu, często są wygięte w przeciwną stronę lub ustawione poziomo. Kiedy te elementy pomocnicze mają stały kontakt z pozostałymi, to mówimy już o dużym obciążeniu statycznym, bliskim maksymalnemu lub maksymalnym.

W praktyce do tego dochodzi nawet przy obciążeniu rzędu 60-70 proc. ładowności pojazdu, co oznacza, że resor seryjny pracuje na piórze pomocniczym zanim dojdzie do maksymalnego obciążenia statycznego. Jak więc pokazuje praktyka, fabryczne auto zachowuje się jak przeładowane zanim jeszcze faktycznie do tego dojdzie. Co oznacza, że wykorzystania maksymalnej ładowności konstruktor nie przewidział lub przewidział ją okazjonalnie. Zwiększyć ładowność można dokładając kolejne pióra, ale wtedy bez ładunku samochód staje się niekomfortowy.

Nacisk na pióra resoru postępuje od zewnątrz w kierunku ich mocowania do osi – warto to zapamiętać. Czyli im większe obciążenie, tym bardziej resor pracuje na środku – to m.in. dlatego kolejne pióra są krótsze. Im większe obciążenie, tym resor mniej chętnie się ugina, bo robi to coraz większa liczba piór, ale pod niedużym obciążeniem dość sprężyście pracują końce najdłuższego pióra, dzięki czemu jest znośnie komfortowo. Nie byłoby, gdyby wszystkie pióra resoru miały tę samą długość.

Przez tarcie zachodzące pomiędzy piórami, zawieszenie działa z dość niską szybkością ugięcia (nazwijmy to sprężystością zawieszenia), co w praktyce przekłada się na nienadążanie pracy zawieszenia za dużą liczbą nierówności. O ile reakcja zawieszenia na pojedynczy, nawet duży wybój jest zadowalająca, nawet jeśli koło oderwie się na chwilę od podłoża, o tyle jazda po serii wybojów przełoży się na częsty brak kontaktu kół z nawierzchnią w resorze nieobciążonym. To charakterystyczne dla niedociążonych pick-upów podskakiwanie tyłu. Optymalną charakterystykę resory fabryczne mają przy ok. 200-300 kg obciążenia na tylnej osi, czyli na pace.

Samochody terenowe już w latach 90. dość szybko przechodziły na zawieszenie na sprężynach śrubowych. Charakteryzuje się ono dla odmiany dużą szybkością ugięcia i większą sprężystością, co poprawia właściwości jezdne zarówno na drodze, jak i w terenie. Resory pozostawiono w pojazdach użytkowych, przystosowanych do transportu ciężkich ładunków. W praktyce obecnie występują niemal wyłącznie w pick-upach (na tylnej osi). Wynika to z faktu, iż resory znacznie lepiej radzą sobie z dużymi obciążeniami, natomiast sprężyny już niekoniecznie.

Konstrukcja resora składającego się z piór w dość prosty sposób realizuje zadanie, jakim jest przenoszenie dużych obciążeń. Można to zrobić na dwa sposoby - wybrać grubsze pióra lub zastosować więcej piór. Każde kolejne pióro pozwala na zwiększenie obciążenia, ale powoduje utratę komfortu, również przez dodanie masy. Grube pióra gorzej reagują na nierówności, więc są jeszcze mniej komfortowe, lecz doskonale radzą sobie z przenoszeniem obciążeń, nawet jeśli ich liczba jest mniejsza.

Ze sprężyną jest ten sam problem. Aby zwiększyć ładowność pojazdu, trzeba zastosować sztywniejsze sprężyny o większej grubości zwoju, a czasami nawet je wydłużyć. Niestety ze względu na brak tarcia między zwojami i wspólnego nacisku na kolejne zwoje (jak ma to miejsce w piórach resoru) sprężyna gorzej znosi duże obciążenia, więc musi być bardziej sztywna by dorównać nośnością resorowi.

Zarówno w przypadku resoru, jak i sprężyny zwiększenie ładowności odbywa się kosztem komfortu jazdy i sprężystości zawieszenia, ale w praktyce, jeśli pojazd typu pick-up ma mieć określoną ładowność i będzie ona większa niż 500-700 kg, to resory okażą się lepszym kompromisem pomiędzy ładownością a komfortem jazdy bez ładunku. To dlatego powszechniej się je stosuje.

Przyjrzyjmy się pick-upom oferowanym na rynku obecnie lub jeszcze do niedawna. Przykładem pokazującym do czego nadają się sprężyny są takie auta jak Ford Ranger Raptor czy Jeep Gladiator, których ładowność wynosi odpowiednio 650 kg i 500 kg, ale za to są bardzo komfortowe. Dla porównania, typowo użytkowe pickupy jak Toyota Hilux czy Isuzu D-Max mają – przynajmniej na papierze – ładowność około tony lub powyżej, ale już zdecydowanie gorszy komfort resorowania.

Taką ładowność miał też Mercedes Klasy X ze sprężynami z tyłu, ale był zdecydowanie najmniej komfortowy przy takim rozwiązaniu. To dlatego, że trzeba było zastosować bardzo sztywne sprężyny. Choć przez specyfikę pracy zawieszenia sprężynowego, prowadził się lepiej od wszystkich pickupów na resorach. To dlatego, że w sprężynie nie dochodzi do tarcia pomiędzy zwojami jak pomiędzy piórami resoru, więc radzi sobie ona lepiej z dynamicznym obciążeniem, zwłaszcza zmieniającym się (np. zmiana kierunku jazdy), pracą na drobnych nierównościach. Co oznacza lepszy kontakt kół z drogą.

Konkluzja jest następująca – jeśli pickup nie służy do przenoszenia dużych obciążeń, może mieć sprężyny, które dadzą dobre właściwości jezdne na pusto i wysoki komfort jazdy. Jeśli zaś pick-up ma służyć do pracy i wozić ciężkie ładunki, powinien mieć albo twarde sprężyny, albo resory. Znane z rynku pickupy przystosowane do dużych obciążeń najlepiej jeżdżą właśnie z obciążeniem, choć oczywiście do pewnej granicy, a terenowo-rekreacyjne, jak Gladiator czy Ranger Raptor, najlepiej jeżdżą bez obciążenia. Wydawać by się mogło, że nie ma złotego środka, są tylko kompromisy.

Idealnym rozwiązaniem byłby resor, ale pracujący jak sprężyna, a więc resor bez wad resoru, ale z jego zaletami. I jak się okazuje, już coś takiego wymyślono. Jest to resor paraboliczny.

Ideą resoru parabolicznego jest naśladowanie charakterystyki pracy sprężyny oraz uzyskanie progresywnej pracy, zależnie od obciążenia dynamicznego. Co do zasady, resor paraboliczny ma być bardziej komfortowy od klasycznego, dlatego względem niego ma dwie zasadnicze różnice:

1. Pióra (najczęściej tylko dwa) są od siebie oddzielone i przylegają jedynie do podkładek pomiędzy piórami, więc nie ma charakterystycznego dla resoru tarcia pomiędzy piórami.
2. Pióra resoru mają zmienną grubość - na zewnątrz są cieńsze, a im bliżej środka resoru, tym są grubsze, dzięki czemu uzyskano progresję działania już dla pojedynczego pióra.

Te dwie charakterystyczne dla resorów parabolicznych cechy sprawiają, że pracuje on zupełnie inaczej niż klasyczny resor i w sposób zbliżony do sprężyny. Przede wszystkim, dzięki mniejszej grubości piór na ich końcach oraz braku tarcia pomiędzy piórami przy niedużych obciążeniach dynamicznych resor przyjemnie "wybiera" nierówności, jak sprężyna.

Pamiętajmy, że resor pracuje od zewnątrz do wewnątrz. Większe obciążenia w resorze parabolicznym "przyjmuje" grubszy środek piór. Siłą dla ugięcia resoru zwiększa się wraz ze wzrostem obciążenia nie poprzez nacisk na kolejne pióra jak w klasycznym resorze, lecz ze względu na większą grubość piór pośrodku. To dlatego (choć również z powodu stosowanych materiałów) resory paraboliczne mają mniej piór niż odpowiadające im klasyczne, a więc są znacząco lżejsze. Nawet dwukrotnie względem swoich odpowiedników klasycznych.

Resor paraboliczny jest świetnym rozwiązaniem akcesoryjnym, które można zastosować w samochodzie bez modyfikacji jego konstrukcji i w każdej chwili wrócić do fabrycznego rozwiązania. Pamiętajmy, że ingerencja w konstrukcję pojazdu jest przynajmniej dyskusyjna, a koniec końców zabroniona. Wymiana resorów na sprężyny jest oczywiście technicznie możliwa, ale zgodna z prawem tylko wtedy, kiedy na taką modyfikację jest homologacja.

Ford zastosował w Rangerze Raptorze sprężyny, ale to inny model niż zwykły Ranger. SsangYong oferuje pickupa Musso na sprężynach lub resorach do wyboru, ale to dwie oddzielne homologacje.

Inna sprawa to koszty takiej modyfikacji, które - nawet nie uwzględniając legalności - są wysokie i wymagają wielu nieodwracalnych zmian. Wymiana resorów standardowych na zestaw parabolicznych to po prostu zmiana resoru na resor z częściami do jego zamontowania. Nie zmieniamy konstrukcji, lecz część w pojeździe. Wszystko pasuje plug-in-play, a taki zestaw jest stosunkowo niedrogi. Uzyskujemy jednocześnie wyższe zawieszenie (tzw. lift) i wyższy komfort jazdy.

Takie rozwiązanie wybraliśmy do naszej Toyoty Hilux, którą budujemy wspólnie z Toyotą i Steelerem. Auto już jeździ na resorach parabolicznych i zachowuje się zupełnie inaczej niż standardowe, ale o wrażeniach napiszę w oddzielnym artykule. Jednak pamiętajmy, że nasz Hilux ma być pick-upem do wszystkiego, więc to nie wszystko.

Użytkownicy samochodów terenowych często modyfikując zawieszenie skupiają się na tzw. lifcie, który zwiększa jego możliwości terenowe. Rzadziej biorą pod uwagę obciążenie, które jest kluczowe dla zachowania zawieszenia. Obciążenie auta zmienia jego wysokość i nierzadko po tzw. lifcie i zapakowaniu się na wyjazd czy do pracy, auto wraca do swojej pierwotnej wysokości lub staje się niższe. Wpływa to negatywnie nie tylko na właściwości terenowe, ale też na jezdne na drogach utwardzonych.

Wybierając resor do samochodu (niekoniecznie paraboliczny), należy uwzględnić jego stałe obciążenie, czyli to, z jakim obciążeniem będziemy go używali najczęściej. Jeśli pick-up jest wyposażony w zabudowę i akcesoria, których nie demontujemy przez cały rok, to należy uwzględnić tę dodatkową masę i wybrać resory pod to obciążenie. To samo dotyczy na przykład zabudów specjalistycznych, które są używane przez różnego rodzaju służby. Jeśli wozimy pickupem narzędzia, bo służy nam on do pracy, to uwzględniamy masę tych narzędzi.

Wybór zawieszenia pod obciążenie wydaje się dość prosty, ale pod warunkiem, że to obciążenie będzie rzeczywiście stałe. Jeśli auto służy do pracy lub turystyki, waży dodatkowe 300 lub 500 kg, to wybieramy resor pod dodatkowe 300 lub 500 kg. Co jeśli to obciążenie zdejmiemy? Wtedy dopiero można poczuć, czym jest brak komfortu i łatwiej zrozumieć, dlaczego w seryjnych samochodach konstruktor idzie na kompromis w doborze resoru. Pojazd z resorami pod dodatkowe obciążenie bez tego obciążenia staje się nieznośnie niekomfortowy.

W naszej Toyocie Hilux nie będziemy cały czas jeździć z dużym stałym obciążeniem, tylko będzie się ono zmieniać. Jednak pickupa wybraliśmy nie po to, by wozić nim głównie powietrze. Dlatego wspólnie ze Steelerem zdecydowaliśmy się na resory do 300 kg obciążenia stałego, aby móc bez wyrzeczeń użytkować auto zgodnie z jego przeznaczeniem, bo pamiętajmy, że to auto użytkowe. No i zgodnie z naszą ideą projektu ma być do wszystkiego, a nie do wszystkiego i niczego.

Jest to posunięcie dość ryzykowne, bo odradzano mi montaż resorów pod stałe obciążenie ze względu na niższy komfort jazdy. Jeśli auto nie jest stale obciążone, firma Steeler zaleca montaż resorów bez dodatkowego obciążenia stałego. Podjęliśmy jednak to ryzyko. Uwierzyliśmy w ideę i konstrukcję resoru parabolicznego, który pomimo dodatkowego obciążenia powinien być nadal komfortowy. Jeśli okaże się, że resory są za sztywne i mało komfortowe, mamy zapewnienie, że możemy wymienić je na takie bez stałego obciążenia.

Firma Old Man Emu, której resory założyliśmy, obliguje jednak do zamontowania poduszek pneumatycznych. Zestaw ARB Airbag Kit to zestaw pneumatycznych poduszek pozwalających na dodatkowe obciążenie do 600 kg przy zachowaniu stałej wysokości pojazdu. Poduszki pozwalają więc na okazjonalne zwiększenie obciążenia, nie tylko wtedy, kiedy chcemy przewieźć worki z betonem czy żwir na budowę, ale także wtedy, kiedy raz na jakiś czas wybierzemy się autem na wyprawę z załadowaną paką i namiotem dachowym lub zamontujemy na niej ważącą pół tony kapsułę wyprawową.

Steeler wykonał na naszym aucie pierwszy taki montaż w Polsce i jest to jeden z pierwszych takich Hiluxów z resorami parabolicznymi Old Man Emu w Europie i na świecie. Teoretycznie nasze auto może wozić do 900 kg na pace bez negatywnych konsekwencji (utrata liftu czy geometrii terenowej) i do 300 kg bez pompowania poduszek powietrznych utrzymując dwucalowy lift. Tyle teorii, natomiast już niebawem napiszę o praktyce.