Przemysł motoryzacyjny, jak każda inna dziedzina zorientowana na rozwój, często opracowuje innowacyjne technologie, które mogą radykalnie zmienić nasze pojęcie o świecie. Za przykład może tutaj posłużyć tzw. sprężyna powietrzna. Choć jej początki sięgają XIX wieku, to dopiero w latach 50. XX wieku wynalazek ten zaczął się naprawdę upowszechniać, stając się nieodzownym elementem samochodów. W poniższym artykule przybliżymy historię sprężyny powietrznej, jej budowę oraz różnice pomiędzy nią a innymi typami sprężyn.

Historia zawieszenia pneumatycznego

Pierwszą koncepcję podwozia z zawieszeniem pneumatycznym opracował brytyjski inżynier Archibald Sharp. W styczniu 1901 r. zgłosił kilka patentów na sprężyny powietrzne głównie z przeznaczeniem do stosowania w rowerach.

Pomysł przeszedł kilka ulepszeń i w 1909 r. firma Air Springs Ltd. rozpoczęła produkcję motocykla A.S.L., wyposażonego w sprężyny powietrzne zarówno na przednim, jak i tylnym kole. Projekt nie przyjął się ze względu na różne trudności techniczne, a produkcję ostatecznie wstrzymano w 1914 r.

Niemal równocześnie z Sharpem, 22 stycznia 1901 roku, Amerykanin William W. Humphreys opatentował pomysł na „pneumatyczną sprężynę do pojazdów”. Wynalazek ten przez dłuższy czas nie wszedł do produkcji masowej w Stanach Zjednoczonych.

Czas świetności sprężyn powietrznych nastał w Ameryce wraz z wybuchem pierwszej wojny światowej. Okazało się, że rozwiązanie pneumatyczne jest świetnym sposobem regulacji zawieszenia zarówno w samolotach, jak i samochodach ciężarowych, ponieważ uniezależnia on wysokość nadwozia od obciążenia.

Po wojnie podwozia z zawieszeniem pneumatycznym stały się wszechobecne. Rozwiązanie zbliżone do dzisiejszej technologii opracował Mercedes w 1962 r., kiedy to platforma Mercedes-Benz W112 została wyposażona w zawieszenie pneumatyczne w modelach 300SE.

Kolejny krok do przodu w technologii pneumatyki podwozia nastąpił w 1986 r., kiedy na rynku ukazała się Toyota Soarer z pierwszym sterowanym elektronicznie, półaktywnym zawieszeniem pneumatycznym (stała sprężyna, zmienna siła tłumienia).

Sprężyna powietrzna i powiązany z nią system

Sprężyna powietrzna to nic innego jak elastyczny zbiornik powietrza. W zależności od zastosowania, składa się ona z tłoka i pokrywy/kołnierza. Materiał ich wykonania bywa bardzo zróżnicowany, od tworzywa sztucznego przez materiały poliamidowe, aż po stal.

W większości przypadków mamy do czynienia również z wyposażoną w elementy uszczelniające gumową membraną, która tworzy elastyczną ściankę podatną na ściskanie/rozprężanie. Sama membrana składa się z kilku elementów.

W zależności od pojazdu, w którym jest stosowana, w jednej sprężynie powietrznej może znajdować się kilka różnych warstw gumowej folii. Stosowane materiały są bardzo zróżnicowane, w ofercie znajduje się wiele rodzajów gumy od EPDM po neopren.

Jakkolwiek oczywiste by się to wydawało, gumowa membrana nie jest zwykłą gumą. W gumowej folii osadzone są również warstwy (zwykle co najmniej 2) włókien osadzonych. Odpowiadają one za absorpcję obciążeń. Włókna tkaniny tworzą z osią sprężyny powietrznej kąt, który decyduje o średnicy sprężyny przy danym ciśnieniu roboczym.

Materiał włókien tkaniny to zazwyczaj tworzywo sztuczne (poliamid, aramid itp.), więc membrana nie jest podatna na korozję.

Nie oznacza to oczywiście, że komponent jest niezniszczalny. W przypadku pęknięcia membrany, sprężyna powietrzna staje się praktycznie bezużyteczna i musi zostać wymieniona.

Sprężyny powietrzne występują w kilku wariantach i stąd mogą posiadać różne właściwości.

Właściwości techniczne pierścieniowej sprężyny powietrznej są stałe lub zależą wyłącznie od ciśnienia powietrza wewnątrz. Jak widać na rysunku, te sprężyny powietrzne są połączone za pomocą przewodów z urządzeniami, które mogą zmieniać objętość lub ciśnienie powietrza w sprężynie powietrznej, na przykład w celu regulacji wysokości.

Wykładzina gumowa w sprężynie powietrznej z membraną stanowi jedynie uszczelnienie: w przypadku medium powietrznego nie można zastosować pierścienia tłokowego. Jednak konstrukcja tłoka również może wpływać na charakterystykę: cylindryczny tłok zmienia kształt na stożkowaty u dołu, co zwiększa jego powierzchnię „skuteczną” (gumowa uszczelka stopniowo dopasowuje się do stożka).

Istnieją jednak poduszki, w których powietrze nie jest jedynym medium.

Mowa tutaj m.in. o sprężynie hydropneumatycznej, która składa się z dwóch głównych części: siłownika hydraulicznego i komory powietrznej z membraną, połączonych przewodem. Zaletą tej konstrukcji jest to, że cylinder roboczy, ze względu na swoje niewielkie rozmiary, może być łatwo umieszczony obok koła, które ma zabezpieczać.

Jeśli chodzi o sprężyny powietrzne w ogóle, to wykorzystują one wzrost siły towarzyszący coraz wyższemu stopniowi sprężenia powietrza.

Wszystkie sprężyny powietrzne muszą być również doładowywane medium technologicznym, a to wymaga obecności sprężarki, agregatu ciśnienia, elektroniki sterującej i przewodów. W konsekwencji cały układ jest duży, toporny i energochłonny.

W przypadku samochodów ciężarowych, szczególnie tych wyposażonych w hamulce pneumatyczne problem jest mniej poważny z racji łatwego zaopatrzenia w powietrze, ale w przypadku pojazdów osobowych już sama masa i koszt tego układu oznaczają, że jest on opłacalny tylko w bardziej luksusowych samochodach.

Zalety i wady sprężyn powietrznych stosowanych w samochodach

Powyżej wskazaliśmy już niektóre wady, takie jak waga, cena – a tutaj musimy wspomnieć również o konserwacji, ponieważ wymiana sprężyn powietrznych jest kłopotliwa nawet w przypadku samochodów osobowych, a awarie podczas użytkowania zdarzają się stosunkowo często.

Nie zapominajmy jednak o korzyściach. Jak wspomniano, układy zawieszenia pneumatycznego są w stanie zmienić wysokość nadwozia poprzez zwiększenie ciśnienia, niezależnie od obciążenia. Jest to oczywiście znacząca korzyść dla pojazdów ciężarowych, choć i w przypadku samochodów osobowych możliwość dowolnej zmiany prześwitu pojazdu nie jest bez znaczenia.

W porównaniu z zawieszeniem wyposażonym w zwykłe sprężyny, większy jest komfort jazdy, niemożliwy do osiągnięcia w konwencjonalnych rozwiązaniach, a dzięki inteligentnemu układowi kierowniczemu mniejsze są również przechyły nadwozia.