Fjäderförspänning är något som är otroligt lätt att missförstå. Och det finns faktiskt flera skäl till att folk får fel uppfattning om den. Det är svårt att klandra någon. Den heter ju trots allt ”förspänning”. Ja, vad ska man tro? Namnet är nästan en fälla i sig. …Förstår du vad jag menar?
Häromdagen letade jag efter information och hittade en artikel där det vanliga missförståndet om förspänning dök upp igen. Det intressanta var att resonemanget verkade väldigt logiskt vid första anblicken. När jag läste den tänkte jag: ”Den här personen har verkligen lagt ned mycket tid på att sätta sig in i ämnet.”
Artikeln förklarade att fjäderkonstanten, strikt talat, inte alltid är exakt densamma från början till slutet av fjäderrörelsen. Två fjädrar med samma angivna fjäderkonstant kan alltså skilja sig lite beroende på tillverkare eller konstruktion. Till exempel kan fjädrar med öppen respektive sluten ände ha olika egenskaper i början av rörelsen. Mot slutet kan fjäderkonstanten också variera lite beroende på konstruktionen, när varven närmar sig full kompression.
Mm, det låter rimligt. Så långt är allt rätt.
”När man lägger till förspänning använder fjädern mer av sitt arbetsområde, vilket förändrar hur mycket fjädringsväg som finns tillgänglig. Därför förändras bilens beteende!”
Oj… Allt gick så bra fram till den punkten. Hur hamnade vi här?
Den som kan skriva så här är nog väldigt smart. Just därför tror jag att författaren skulle märka att något inte riktigt går ihop, bara genom att stanna upp och fundera på vad förspänning faktiskt innebär. Det är förmodligen ordet ”förspänning” som skapar förvirringen.
Tänk efter: föreställ dig en fjäder med fjäderkonstanten 10 N/mm där fjädervarven ligger helt mot varandra efter 150 mm kompression. Om du lägger på 50 mm förspänning, betyder det då att fjädern nu bottnar vid 1 000 N?
Nej. För att trycka ihop en fjäder på 10 N/mm med 150 mm behövs fortfarande 1 500 N. Fjädern börjar inte bottna redan vid 1 000 N bara för att du har lagt på 50 mm förspänning, vilket motsvarar en kraft på 500 N.
Och om förspänningen är 10 mm, komprimeras fjädern då 110 mm? Om den är 20 mm, komprimeras den 120 mm? Så fungerar inte fjädrar. Prova att trycka ihop fjädern inuti en kulspetspenna med fingrarna. Hur mycket fjädern än har tryckts ihop i förväg är det kraften som verkar på den just då som avgör hur mycket den komprimeras.
Uttryckt på ett annat sätt innebär förspänning i grunden att stötdämparen hindrar fjädern från att sträcka ut sig. Avståndet mellan dämparens övre fäste och det nedre fjädersätet görs kortare än fjäderns fria längd, så att fjädern inte kan sträcka ut sig till sin fulla längd.
Det betyder däremot inte att det på något sätt finns någon extra kraft lagrad i fjädern. Stötdämparen håller den bara på plats. Om du tar en dämpare med mycket förspänning och kapar dämparstången med en vinkelslip kommer fjädern plötsligt att sträcka ut sig till sin fria längd med en rejäl smäll. Den som har plockat isär en originaldämpare kan säkert föreställa sig det. Det är dämparen som håller fjädern ihoptryckt så mycket som förspänningen motsvarar.
Men tänk om någon med övermänsklig styrka greppar båda ändarna av dämparen och trycker ihop den för hand? Om dämparen trycks ihop mer än den sträcka som motsvarar förspänningen, behöver kolvstången inte längre hålla emot förspänningskraften. Kapar du stången då kommer fjädern inte att skjuta ut, eftersom dina händer nu håller den ihoptryckt.
Oavsett om förspänningen är 20 eller 50 mm: när kraften från dina händer överstiger förspänningskraften har förspänningen i sig ingen som helst inverkan på fjädern.
När dämparen sitter monterad i bilen är det bilens vikt som komprimerar den. Så länge bilen inte lyfts från marken med domkraft är dämparen normalt ihoptryckt mer än förspänningen. I det läget påverkar förspänningen inte själva fjädern.
Men när man justerar förspänningen förändras ju något, eller hur? Det som förändras är inte fjäderns rörelselängd. Det är dämparens läge i förhållande till karossen. Det är nog svårt att förstå enbart med ord, så låt oss titta på en illustration.
När man säger ”öka förspänningen” menar man oftast att vrida på dämparens nedre fjädersäte medan bilen är upphissad. När bilen står upphissad är situationen lite speciell: hjulen hänger fritt i luften och hjulupphängningen är helt utfjädrad. Men när du kör bilen svävar däcken väl inte fritt i luften?
…Vänta, är du WRC-förare? Förlåt, jag visste inte att du tillbringar halva tiden i luften. Okej, okej, tillbaka till ämnet.
Låt oss se vad som faktiskt händer när vi ökar förspänningen under normala körförhållanden, med bilens fulla vikt på hjulupphängningen. Titta på animationen. För att göra det enklare att förstå är karossen fixerad i luften och marken flyttas i stället.
Titta nu på vad som händer inuti dämparen om vi gör den genomskinlig.
Ser du vad som händer? Föreställ dig en kamera fast monterad i hjulhuset. Först tar du en bild efter att ha ställt in 1 mm förspänning och sänkt ned bilen från domkraften. Sedan lyfter du bilen igen, lägger till ytterligare 1 mm förspänning, sänker ned den och tar en ny bild från samma position. Upprepa det tio gånger och sätt ihop bilderna till en animation. Det är ungefär det du ser här.
Avståndet mellan det övre fästet och dämparhuset ökar. Därmed ändras kolvens läge inne i dämparhuset – och därmed också hur mycket slaglängd som finns kvar för infjädring respektive utfjädring. Sett från marken flyttas också det nedre fjädersätet uppåt, vilket höjer bilens markfrigång.
Det är allt. Det enda som förändras är markfrigången och slaglängdsfördelningen, eftersom vi bara flyttar dämparhusets läge.
Det viktiga är att vridning av det nedre fjädersätet inte faktiskt ”komprimerar fjädern”. När bilen är upplyft kan det se ut så, men då verkar inte bilens vikt på hjulupphängningen. När bilen står normalt med hela vikten på fjädringen förändrar ökad förspänning bara markfrigången och slaglängdsfördelningen.
En sak gör ämnet förvirrande: ibland beskriver man ändrad slaglängdsfördelning som att ”man ändrar vilken del av fjädern man använder”. Det är inte direkt fel. Faktum är att det inte alls är fel. Men uttrycket kan lätt leda till missförstånd. Det är en liten fälla.
En ingenjör från Team Le Mans, ett team som tävlat framgångsrikt i bland annat Super Formula och Super GT, förklarade förspänning så här (källa: Damper Lecture No. 101):
———————————–
Påverkar förspänning massa–fjädersystemet?
Så länge fjädern varken når full utfjädring eller bottnar förändrar förspänningen ingenting med själva fjädern. Fjädern svänger bara kring den punkt där den balanserar bilens vikt. Fjädern blir varken styvare eller mjukare. Det är bara den del av fjädern som används som förändras.
———————————–
Ser du vad han säger? ”Det är bara den del av fjädern som används som förändras.” Det är nog här många blir förvirrade och tänker: ”Om jag lägger på 10 mm förspänning, trycks fjädern då ihop ytterligare 10 mm? Och om jag lägger på 20 mm, blir det ytterligare 20 mm?” Men det är inte det som menas.
Intressant nog förklarar samma artikel det så här längre fram:
———————————–
Inte ens när systemet belastas i en 7-postrigg förändras något. Till och med folk från racingvärlden kommer ibland till 7-postriggen och frågar: ”Jag funderar på att lägga på lite förspänning. Vad tycker ni?” Vi svarar: ”Du kan ändra den om du vill, men så länge fjädern inte når full utfjädring förändras ingenting på riggen.” Förspänning är inget annat än en justering av markfrigången som förändrar slagfördelningen.
———————————–
Precis. Det är hela poängen. En 7-postrigg är en testmaskin – en avancerad vägsimulator som används för att återskapa och analysera bilens beteende under kontrollerade förhållanden. Förspänning är helt enkelt en ”justering av markfrigången som förändrar slagfördelningen”. Inget mer.
Om vi ska vara riktigt noggranna behöver förspänning inte nödvändigtvis ha något med markfrigång att göra. I grunden handlar det bara om att justera dämparens slaglängdsfördelning. Att förspänning vanligtvis förknippas med ändrad markfrigång beror på att det nedre fjädersätet är det enklaste sättet att justera den.
Man skulle till exempel kunna ta bort dämparen, ta ut en 10 mm tjock distans under det övre fästet och montera tillbaka dämparen utan att flytta det nedre fjädersätet. Då hade man lagt till 10 mm förspänning utan att ändra markfrigången. I grunden är förspänning alltså bara ett sätt att justera slaglängdsfördelningen.
I verkligheten kan ändrad slaglängdsfördelning påverka hur mycket genomslagsgummit komprimeras. Och om markfrigången ändras påverkas även saker som toe-vinkeln och rollcentrumets läge. Därför är det lätt att tänka: ”Oj, bilen förändrades så mycket när jag justerade förspänningen! Det måste verkligen göra stor skillnad att hålla fjädern ihoptryckt i förväg!”
Om markfrigången ändras kan bilens beteende förstås förändras mycket. Ändrad hjulinställning eller ändrat rollcentrum påverkar naturligtvis väghållningen. Men det är inte en direkt effekt av förspänningen i sig. Fjädern beter sig inte annorlunda bara för att den tryckts ihop i förväg.
Om du tror att en ökning av förspänningen gör att fjädern rör sig ytterligare en sträcka som motsvarar förspänningen kan du en dag få problem när du ställer in en bil med mycket liten marginal till fjäderbottning. Bilens faktiska beteende kommer inte att motsvara dina förväntningar.
Vad förspänning egentligen handlar om är inte att ”trycka ihop fjädern i förväg”, utan att ”ändra slaglängdsfördelningen” eller ”hindra fjädern från att sträcka ut sig”. Det är vad förspänning gör.
Men namnet är ju ändå ”förspänning”. Så helt ärligt är det svårt att klandra någon för att missförstå. Det var precis det jag menade i början när jag frågade: ”Förstår du vad jag menar?”
Det finns nog inte så mycket att göra åt saken, men jag har alltid tyckt att själva namnet nästan är en fälla som gör begreppet svårare att förstå än det behöver vara.