Inertiavaimentimien käyttö autojen iskunvaimennuksessa

Abstract

Ajoneuvon jousitus on järjestelmä, joka mahdollistaa turvallisen ja miellyttävän ajokokemuksen myös epätasaisilla tienpinnoilla. Tyypillisesti jousituksen suunnittelu vaatii kuitenkin kompromissin tekoa auton hallittavuuden ja matkustajien ajomukavuuden välillä. Tämän kirjallisuuskatsauksen tarkoitus on tutkia inertiavaimentimena tunnetun värähtelynhallintakomponentin potentiaalia lievittää ajo-ominaisuuksien välistä kompromissia sekä parantaa jousituksen suorituskykyä käyttämättä kalliita ja monimutkaisia aktiivijärjestelmiä. Tutkielma on jaettu kolmeen aihetta käsittelevään osaan. Ensimmäisessä osassa tutustutaan auton jousituksen toimintaan sekä tutkitaan perinteisen toteutuksen suorituskykyä rajoittavia tekijöitä. Tutkielman toisessa osassa lukijalle esitellään inertiavaimentimen toimintaperiaatteet ja erilaiset rakennevaihtoehdot. Luvussa myös analysoidaan inertiavaimentimen soveltuvuutta tyypillisen nestevaimentimen tueksi erilaisia kytkentäkonfiguraatioita käyttäen. Kolmannessa osassa puolestaan vertaillaan erilaisten inertiavaimenninjärjestelmien ja perinteisen jousituksen välisiä suorituskykyeroja sekä pohditaan laitteen käyttöönoton kannattavuutta tuotantoautoissa. Vertailtaviksi suorituskykyparametreiksi valittiin auton hallittavuus sekä ajomukavuus. Ajomukavuutta mitattiin koriin kohdistuvien kiihtyvyyksien avulla, kun taas hallittavuutta arvioitiin dynaamisen rengaskuorman vaihtelua seuraten. Lisäksi huomioon otettiin myös vaimennukseen käytetyn liikkeen amplitudi. Vertailu suoritettiin ensin teoreettisesti auton neljäsosasimulaation avulla ideaalisen laitteen suorituskyvyn selvittämiseksi, minkä jälkeen tuloksia verrattiin vastaaviin käytännön kokeisiin. Teoreettisen analyysin avulla havaittiin optimaalisen kytkentäkonfiguraation sekä laitteen parametrien olevan riippuvaisia järjestelmän käyttötarkoituksesta, minkä vuoksi kaikkiin ajoneuvoihin soveltuvaa yksittäisratkaisua ei myöskään inertiavaimenninjärjestelmien tapauksessa ole olemassa. Parhaiten laitteen todettiin suoriutuvan jäykkiä jousia hyödyntävissä käyttötapauksissa, kuten urheiluautoissa. Laitteen lisäämisellä simuloituun jousitukseen havaittiin olevan mahdollista parantaa ajomukavuutta 15 % heikentämättä pitovoimaa. Rengaspitoa puolestaan kyettiin parantamaan 13 % heikentämättä ajomukavuutta. Jousituksen liikkeen pituuden ollessa rajattu lyhyeksi suorituskykyetu pienenee mutta säilyy kuitenkin aina perinteistä järjestelmää parempana. Käytännön suorituskykyä analysoidessa havaittiin inertiavaimentimen tarjoaman suorituskykyedun olevan teoreettista potentiaalia pienempi. Tämä johtuu pääosin reaalilaitteiden sisäisistä kitkavoimista sekä materiaalien elastisista muodonmuutoksista. Näiden tekijöiden arvioitiin pienentävän suorituskykyetua 1–3 prosenttiyksikköä. Käytännön kokeissa inertiavaimenninta hyödyntävän järjestelmän todettiin kuitenkin silti kykenevän parantamaan samanaikaisesti ajomukavuutta, rengaspitoa sekä vaadittavaa iskunpituutta. Havaituista suorituskykyeduista huolimatta laitteen käyttöönottoon todettiin liittyvän niin paljon käytännön haasteita, että sen esiintyminen lähitulevaisuuden tuotantoautoissa vaikuttaa epätodennäköiseltä. Maksimisuorituskykyä tavoittelevissa kilpa-autoissa voidaan laitteen käyttö sen sijaan nähdä myös jatkossa kannattavana.