OBD och diagnosinstrument 267 Ö verskatta inte diagnossystemet 268
7 Fjädring och hjul
I detta kapitel beskrivs grundprinciperna för hur fordons fjädringssystem är byggda och hur de fungerar.
Det vi här i läromedlet valt att kalla aktiva och halvaktiva fjädringssystem har olika namn och beteckningar hos olika biltillverkare.
Aktiva fjädringssystem styrs av en styrenhet som styr både fjädrar och stötdämpare så att fjädringen får olika egenskaper beroende på vad som är lämpligast just för tillfället.
I halvaktiva fjädringssystem styrs ventiler i stötdämparna av en styrenhet så att oljeflödet i dämparna styrs om. Genom detta kan dämpningen göras mjukare eller styvare. Även dämpningen i olika riktningar kan styras.
Fjädringssystem som inte kan förändra fjädringens egenskaper kan kallas passiva fjädringssystem
Hjuldimension, däcktyper och hjulbalans är viktigt för trafiksäkerhet och åkkomfort. I avsnittet beskrivs fälgar, däcktyper, montering av däck på fälg, hjulbalansering m.m..
7.1 Fjädring
En bra fjädring måste ge efter för vägens ojämnheter. Samtidigt ska hjulen ha kontakt med vägen utan att studsa. Friktionen mellan däck och vägbana är en förutsättning för att kunna styra och bromsa fordonet. Studsar hjulet riskerar föraren att tappa kontrollen över fordonet.
Fjädrarna ska mjukt ta upp hjulens rörelser genom att tryckas ihop, lagra energi. Denna lagrade energi strävar efter att räta ut fjädern igen. Utan stötdämpare skulle fordonet gunga upp och ner.
Fjädrad vikt
Fjäderelement
O ädrad vikt
Utöver fjädrarna så bidrar även däcken till fjädringen. Hur mycket däcken fjädrar beror till stor del på deras profilförhållande.
Fjäderelement
Man pratar om fjädrad och ofjädrad vikt. Enkelt uttryckt kan man säga att:
• Fjädrad vikt är det som vilar på fordonetfordonets fjädrar
• Ofjädrad vikt är det som inte vilar på fjädrarna, t.ex. hjul, bromsskivor m.m.
Varför är det viktigt att skilja på fjädrad och ofjädrad vikt? Ju lägre den ofjädrade vikten är desto bättre kan fjädringen fungera.
Fordon fjädras med tre typer av material:
• stål, fjäderstål
• kompositmaterial
• gas, luft
De vanligaste fjädertyperna på personbilar är skruvfjädrar och torsionsfjädrar. Även bladfjädrar används, men då på biltyper som pickup och lätta transportfordon. Dessa fjädertyper är nästan alltid tillverkade av stål.
Gasfjädring, luftfjädring, bygger på att gaser kan komprimeras och sedan expandera. Luft i ett slutet utrymme är en utmärkt fjäder. Luftfjädring används på bussar och lastbilar, men även på vissa personbilar.
Bladfjäder
Fjädrad vikt
O ädrad vikt
Fjädrad vikt är den vikt som vilar på fjädrarna.
Bladfjädrar används ofta när fordonet har stela axlar. Bladfjädern är då monterad längs med fordonet. Fjäderns ändar är fästa i ramen eller chassit. Axeln är fastsatt mitt på fjädern. Fjädern fungerar då som både hjulupphängning och fjädring.
äder
En variant på bladfjädern är tvärmonterad. Fjäderns mitt är skruvad i fordonets chassi och ändarna fästa vid hjulen. Fjädern fungerar då inte som hjulupphängning utan bara fjädring.
Framaxel
Bladfjädrar används främst på lite tyngre fordon som pick-up, mindre bussar och lastbilar.
Blad äder av kompositmaterial
Krängningshämmare
Bladfjädrar kan användas både på framaxlar och bakaxlar på lastbilar.
Blad äder
Bakaxel
Tvärmonterad bladfjäder av kompositmaterial. Bild: Volvo Cars.
Blad äder
Karossfäste
Hjulaxel
Blad
Huvudblad
Klämma
Karossfäste
Länk
Skruvfjäder
Denna fjädertyp kallas ibland felaktigt för spiralfjäder. Skruvfjädern är den fjäder som är vanligast på personbilar och andra lätta fordon. Denna fjäder tar effektivt upp stötar i höjdled, men kan inte som bladfjädern hjälpa till med hjulets upphängning. Skruvfjädern kräver en hjulupphängning som tar upp alla krafter mellan kaross och hjul.
Torsionsfjäder
Att arbeta med sammanpressade fjädrar innebär en stor risk. Släpps en sammanpressad fjäder loss okontrollerat kan den skada dig eller en person i närheten allvarligt. Följ alltid verkstadsinformationen när du arbetar med fjädrar.
En stel bakaxel för bakhjulsdrift med skruvfjädrar.
Vrid- eller torsionsfjädern har sin ena ände fäst i fordonets chassi eller ram och den andra änden i hjulupphängningen på ett sådant sätt att fjädern vrids när hjulet fjädrar. Tar du en plastlinjal och vrider den så känner du hur den fjädrar. På samma sätt fungerar en torsionsfjäder, men den är gjord av fjäderstål.
Vridning
Fjäderstav
En hjulupphängning med torsionsfjädring. Plastlinjalen fjädrar när den vrids.
Torsionsfjädern används också som krängningshämmare. En stav av fjäderstål är monterad på tvären under fordonet och dess böjda ändar är fästa i hjulupphängningen. Denna fjäder motverkar att karossen kränger alltför mycket vid hård kurvtagning.
Gasfjädring, luftfjädring
Även om andra gaser kan användas i den här typen av fjädring är luft den vanligaste. Luftfjädring har länge använts på bussar och numera är luftfjädring vanligt även på lastbilar. Eftersom luft kan pressas samman, komprimeras, är det ett utmärkt fjäderelement. Ju mer luften pressas samman desto hårdare blir fjädringen.
Principbild av luftfjädrad bakaxel till lastbil.
Fastlåst
Stötdämpare
Bakaxel
Luftkudde
Aktiva fjädringssystem
Fördelarna med luftfjädring är flera. Fordonet kan höjas och sänkas efter behov genom att luft släpps ur respektive trycks in i systemet. Har exempelvis en lastbil en automatisk nivåreglering har den alltid har samma höjd oberoende av hur tungt den lastas.
LuftkuddeNivåventil
Lastbilsfjädring med nivåreglering.
På personbilar kan aktiva och adaptiva fjädringssystem anpassa bilens fjädring kontinuerligt till olika vägförhållanden, hastigheter m.m. För att göra detta möjligt krävs att fjädrars och stötdämpares egenskaper kan förändras och styras av styrenheter som tar emot information från många av bilens sensorer. En bil kan vara utrustad med både aktivt och halvaktivt system. Föraren kan också manuellt välja flera inställningar som exempelvis behaglig åkkomfort, sportig körning m.m.
Varje hjul har ett eget fjäderdon. För att kontinuerligt kunna förändra funktion i varje fjäderdon används huvudsakligen två metoder:
• Att med en kompressor och olika ventiler öka eller minska gasens volym, tryck, i fjäderdonet.
• Att förändra lufttrycket i fjäderdonet med hjälp av hydraulik, så kallade gashydrauliska system.
Yttre tätskikt
Vävlager 1
Vävlager 2
Inre tätskikt
Reglerventil Bälg
Hydraulvätska Gas
Vätska
Varje hjul har ett eget fjäderdon. När hjulet pressas uppåt följer kolven med och pressar på vätskan som trycker membranet uppåt och komprimerar gasen.
Detta är ett exempel på ett fjäderdon sammanbyggt med stötdämparen. Luften är omsluten av en bälg. Med hjälp av en reglerventil kan stötdämparens dämpkraft ökas eller minskas.
Stötdämpare
Stötdämparna kan vara placerade på olika ställen, direkt mellan en hjulaxel och kaross, inne i skruvfjädrar eller sammanbyggda med fjäderdon. Stötdämparna motverkar att karossen gungar. Fordonets fjädrar och däck har till uppgift att fjädra fordonet och stötdämparna ser till att bromsa fjädrarnas rörelse så att hjulen inte studsar mot vägbanan.
Fjädrad vikt
Rörelse utan dämpning
O ädrad vikt
Fjädrad vikt
Rörelse med dämpning
Om fjädring och stötdämpare fungerar bra tillsammans ska karossen röra sig i en rak linje.
Hydraulisk teleskopstötdämpare
Den vanligaste typen av dämpare är teleskopstötdämparen.
Stötdämparens nedre del, som är fastsatt i hjulupphängningen, består av en cylinder. I denna cylinder finns en kolv vars kolvstång är fastsatt i karossen. När fordonet gungar på fjädrarna pumpas kolven upp och ner i cylindern.
I cylindern över och under kolven finns en vätska. Nedtill i cylindern finns en förbindelse till en omgivande mantel som fungerar som en vätskebehållare. Den kallas ofta förrådsmantel.
När kolven rör sig tvingas vätskan genom kanaler mellan kolvens under- och översida. Ventiler tvingar vätskan olika vägar vid hoptryckning och utdragning. Rörelseenergin omvandlas till värme när vätskan pressas genom dämparens ventiler och kyls bort till den omgivande luften.
Stötdämparen kan vara enkelverkande, dämpa endast vid uppfjädring eller dubbelverkande, dämpa i båda riktningarna. Vid stötdämparnas infästningar till kaross och hjulupphängning sitter gummibussningar.
Gastryckdämpare
När fordon körs med hög hastighet på dåliga vägar tvingas stötdämparna att arbeta hårt. Om vätskan blir alltför varm kan små gasblåsor bildas i vätskan, vilket minskar dämpverkan och gör fordonet gungigt. I gastrycksdämpare sätts vätskan under tryck av en komprimerad gas. Det högre trycket höjer vätskans kokpunkt, vilket motverkar att det bildas gasblåsor.
Vätska och gas hålls åtskilda med en fri kolv, en tät mellanvägg som kan glida inuti cylindern. Gastrycksdämpare är effektiva och hållbara, men något dyrare än de vanliga hydrauliska dämparna.
O ädrad vikt
Kolvstång
Kolv
Förrådsmantel
Cylinder
Hydraulisk stötdämpare vid fjädringsrörelse. På vänstra bilden dras kolven uppåt och vätskan trycks genom ventiler i kolven till kolvens undersida. På högra bilden pressas dämparen samman och vätskan trycks upp över kolven.
Olja
Ventiler
Olja
Rörlig kolv
Gas
I gastrycksdämparen motverkas bildningen av gasblåsor genom att vätskan sätts under tryck, vilket höjer vätskans kokpunkt.
10 El- och hybridfordon
Övergången till eldrift av fordon vid vägtransporter är en mycket stor omställning som pågått i flera år och antas öka kraftigt. Inledningsvis var det mest personbilar och lätta fordon som drevs med elektricitet. Idag erbjuder flera tillverkare av bussar, lastbilar och olika typer av maskiner eldrivna modeller. I detta kapitel beskrivs några komponenter som ingår i fordon som, helt eller delvis, använder elektricitet för framdrivning. Vidare beskrivs olika typer av el- och hybridfordon, samt laddning av fordonen med högspänning.
I kapitel 4 i boken Fordon & transport – Grunderna beskrivs elsäkert arbete i fordon.
10.1 Spänningstyper och -nivåer
Batterier i fordon med enbart förbränningsmotorer är vanligen 12-voltsbatterier. I tunga fordon används ofta två seriekopplade 12-voltsbatterier så att systemspänningen blir 24 volt. De kallas ibland startbatterier, men de används i princip i alla bilens olika system. Batterier med 12 volt spänning kallar vi här lågvoltsbatterier och de system de ingår i kallas lågvoltssystem.
I mildhybrider används oftast ett 48-voltssystem som kombineras med 12-voltssystemet. Orsaken till att man använder 48-voltssystem är att de medger ett högre effektuttag. För att driva och ladda el- och hybridfordon används en betydligt högre spänning, ofta mellan 250 och 800 volt. Därför kallar vi de batterier som driver fordon för högvoltsbatterier, HV-batterier. De system de ingår i kallas högvoltssystem. En alternativ beteckning kan vara t.ex. ”drivbatterier”. I eldrivna fordon finns oftast både låg- och högvoltssystem.
Likspänning, likström, betecknas DC, direct current. Växelspänning, växelström betecknas AC, alternating current. Likspänning ger upphov till likström och växelspänning till växelström. En likström rör sig alltid i en riktning. En växelström växlar riktning. Hur många gånger i sekunden den växlar riktning mäts som dess frekvens
Batterier, ackumulatorer, kan endast laddas med likspänning, likström och lämna likspänning, likström. Elmaskinen som används för att driva elfordon drivs av växelspänning, AC, och när den vid bromsning fungerar som generator lämnar den växelspänning. Elmaskiner kallas därför ibland för motorgenerator.
Därför behövs en komponent som kan omvandla batteriets likspänning till växelspänning men också omvandla växelspänning till likspänning. Den här komponenten består av kraftelektronikkretsar som både kan likrikta och växelrikta spänning. Den komponent som både likriktar och växelriktar kallas av flera biltillverkare inverter
Inverter
När ny teknik förs in i en bransch kan det ta ett tag innan man enas om vilka ord som ska användas för vad. Dessutom används ofta engelska ord eftersom fordonsbranschen är internationell.
Ordet inverter används som nämnts ofta för en komponent som både likriktar och växelriktar spänning. För enkelhetens skull använder vi samma ord i läromedlet på flera ställen. Men det är tekniskt sett inte helt korrekt.
• Växelriktare, inverter, omvandlar DC till AC.
• Likriktare, rectifier, omvandlar AC till DC.
Strömriktning
Växelriktare Inverter
AC
Växelriktare Rectifer
DC DC
Likspänning kan omvandlas till växelspänning och tillbaka till likspänning.
Växelriktare / Likriktare
DC Rectiverter
AC
Strömriktning
Eftersom likriktare och växelriktare byggs samman till en kombinerad enhet, en komponent, så finns ett behov för en ny beteckning som beskriver båda funktionerna. Sätter man samman orden inverter och rectifier får man ordet rectiverter.
Converter
Eftersom elfordon också har lågspänningsystem måste el- och hybridfordon ha en spänningsomvandlare, en komponent som kan sänka och höja spänning. Den här komponenten kallas spänningsconverter eller bara converter.
• Converter, step up, höjer spänningen.
• Converter, step down, sänker spänningen.
10.2 Typer av el- och hybridfordon
Det finns två huvudgrupper av eldrivna bilar:
• Elbilar
• Hybridbilar
Elbilar har ingen annan drivmotor än elmotorer. Hybridbilar har både en eller flera elmotorer samt en förbränningsmotor.
Hybridteknik i bilar innebär att det finns både en förbränningsmotor och en elmaskin.
Beroende på hur elmaskinen kombineras med förbränningsmotorn skiljer man mellan tre typer av hybridtekniker.
• Mikrohybrider
• Mildhybrider
• Fullhybrider
Elbilar
BEV, Battery Electric Vehicle. Drivning enbart med elmaskin.
Laddas med enbart extern spänningskälla Med bränsleceller
Hybridbilar
HEV, Hybrid electric vehicle. Drivning med förbränningsmotor och elmaskin.
Som beroende på elektri ering kan delas in i:
Mikrohybrider Mildhybrider Fullhybrider
Beroende på laddningsmetoder kan fullhybrider delas in i:
Hybridbilar Högvoltsbatteriet laddas enbart av den egna elmaskinen
Laddhybridbilar Högvoltsbatteriet laddas dels av den egna elmaskinen, dels av en extern spänningskälla
Beroende på hur drivlinan är byggd kan fullhybrider även delas upp i:
Seriedrift
Parallelldrift
Kombination av serie- och parallelldrift
Uttrycket hybrid kommer från det latinska ordet hybrida och betyder korsning eller blandning. I tekniska sammanhang betecknar en hybrid ett system där två olika tekniker kombineras med varandra. För närvarande menar man med hybridteknik en kombination av en förbränningsmotor och en elmaskin. Elmaskiner kan användas som generatorer för att alstra elektrisk energi vid bromsning och som elmotor för drivning av bilen. Den kan också användas som startmotor för förbränningsmotorn.
Elbilar
Elbilar drivs enbart av en eller flera elmaskiner i motsats till hybridbilar, som kombinerar eldriften med en förbränningsmotor. En elbils räckvidd beror alltså helt på hur mycket energi som kan lagras i batteriet samt hur stor effekt som krävs för att driva bilen.
Elbilar kan vara utrustade med bränsleceller som laddar batteriet, vilket ökar elbilens räckvidd. Bränsleceller drivs med vätgas som tankas i speciella tryckbehållare. Det finns än så länge få tankställen med vätgas i Sverige. Nedan visas exempel på komponenter som kan ingå i en eldriven bils drivlina:
• OBC ombordladdare. Likriktar 230 eller 400 volts växelspänning från elnätet till likspänning som levereras till högvoltsbatteriet.
• HV-batteri, högvoltsbatteri.
• LV-batteri, lågvoltsbatteri, vanligen 12 volt.
• BMS, Battery Management System, är en styrenhet som övervakar HVsystemet. BMS övervakar laddning och urladdning av HV-batteriet, batteritemperatur, säkerhetsfunktioner m.m.
• Isolationsövervakning och isolationsprovning av HV-systemet.
• Inverter, en enhet som både växelriktar och likriktar elektrisk spänning. Ofta ingår även frekvensomformning av matningsspänningen till elmaskinen.
• Converter,en enhet som sänker HV-spänningen så att LV-batteriet kan laddas
• Elmaskin som driver bilen och även fungerar som generator vid motorbroms, regenerering.
• PDM, power distribution modul, är en fördelningsmodul i HV-systemet.
• Kyl- och värmesystem för HV-systemets olika delar.
• Klimatsystem för kupén. Ofta drivs AC-kompressorn av HV-spänning. Även PTC-värmare för luft och vätska matas via HV-systemet.
Exempel på komponenter som kan ingå i en eldriven bils HV-system.
Mikrohybrid
Begreppet mikrohybrid används alltmer sällan. Delar av tekniken finns i nästan alla nya bilar. I mikrohybriders drivaggregat används startmotorn för start-stopp-funktion. Förbränningsmotorn stoppas och startas automatiskt exempelvis vid trafikljus. En del av rörelseenergin vid inbromsningar kan återvinnas av den vanliga generatorn och laddar LV-batteriet. I elsystemet används enbart 12 volt. Mikrohybrider använder ingen elmaskin för att driva bilen.
Lågvoltsbatteri
Förbränningsmotor Rekuperation
Mikrohybrider har enbart ett lågvoltssystem på 12 V.
Mildhybrid
Mildhybrider med 48-voltssystem har blivit allt vanligare. Genom att använda litiumjonbatterier i 48-voltssystemet kan ett större energiinnehåll lagras jämfört med ett 12-voltsbatteri. 48 volt ligger under gränsen för farlig likspänning, som är 60 volt. En engelsk benämning för mildhybrider är MHEV, mild hybrid electrical vehicle
Orsaken till att man använder 48-voltssystem är att de medger ett högre effektuttag än 12-voltssystem. Utvecklad effekt beräknas som spänning multiplicerat med ström. Man kan alltså nå högre effekt med den högre spänningen, men med samma strömstyrka.
Elmaskinen fungerar som ett stöd för förbränningsmotorn, ICE
Internal Combustion Engine. Den får hjälp av elmaskinen vid de varvtal där förbränningsmotorn inte fungerar optimalt. Detta brukar benämnas elektrisk boost. Bränsleförbrukningen kan i vissa driftslägen sänkas jämfört med en bil med endast färbränningsmotor. Det sker genom rekuperation och elmaskinens stöd till förbränningsmotorn
Fullhybrid
Total drive ekt
Elmaskin DC/DC
Lågvoltsbatteri 12 V Converter 12 V/48 V
Lågvoltsbatteri 48 V
Laddning och urladdning
AC/DC
DC/AC
Mildhybrider har två batterier med olika spänningsnivå.
Ett fullhybrid-system har en starkare elmaskin jämfört med de tidigare beskrivna systemen. Även här kombineras eldrift och en förbränningsmotor.
Med detta koncept är det möjligt att använda enbart eldrift. Så snart det finns orsak och förutsättningar stödjer elmaskinen förbränningsmotorn så att bränsleförbrukningen sänks. När bilen körs i låg hastighet görs det oftast enbart med eldrift om laddningsnivån i högvoltsbatteriet tillåter. Förbränningsmotorn har start-stopp-funktion. Beroende på om full-hybriden är en serieeller parallellhybrid laddas högvoltsbatteriet på olika sätt. Men i båda varianterna används regenerativ broms. De båda drivsystemen, förbränningsmotorn och elmaskinen, kan separeras från varandra med en frikoppling. Förbränningsmotorn startas bara när den verkligen behövs.
Beroende på hur de olika typerna av motorer kan kopplas till drivningen talar man om två grundtekniker, seriehybrider och parallellhybrider. En tredje variant är en kombination av dessa tekniker.
Seriehybrid
Total drive ekt
Lågvoltsbatteri
DC/DComvandlare
Koppling
Växellåda
Rekuperation
Laddning och urladdning
Högvoltsbatteri
Rekuperation
Fullhybrider kan köras enbart på el och använder rekuperation.
Förbränningsmotorn är inte mekaniskt kopplad till drivhjulen utan driver enbart en generator. Spänningen från generatorn driver den eller de elmaskiner fordonet har, samt laddar högvoltsbatteriet. Det finns ingen mekanisk koppling mellan förbränningsmotorn och drivhjulen.
Parallellhybrid
Förbränningsmotorn är mekaniskt kopplad till både fordonets mekaniska kraftöverföring samt till elmaskinen. Drivhjulen kan drivas mekaniskt antingen av enbart förbränningsmotorn eller enbart av elmaskinen, men även av båda samtidigt.
Det är enkelt att bygga in en extra motor för fyrhjulsdrift. En steglös växellåda ser till att förbränningsmotorn ger rätt kraft och hastighet när den driver framhjulen.
Elmaskin
Elmaskin
Tillvänster visas en seriehybrid och till höger en parallellhybrid. Båda är i detta fall laddhybrider.
Kombinationshybrid
En variant är en kombination av serie- och parallellhybrid. Denna kallas även kraftdelad serieparallellhybrid. Toyota Prius har denna teknik.
Den första modellen av Toyota Prius kom redan 1997. Tekniken är alltså väl beprövad och har, enligt Toyota, visat sig vara driftsäker. Toyota har valt en bensindriven motor i kombination med elmotorn.
När elhybriders HV-batteri kan laddas direkt från elnätet kallas de laddhybrider eller plug-in-hybrider. En laddhybrid kan alltså köras enbart på eldrift utan att förbränningsmotorn behöver startas så länge det finns tillräckligt med energi i HVbatteriet. Men till skillnad från en ren elbil har man en förbränningsmotor som kan driva bilen och ladda HV-batteriet om det inte finns en laddpunkt inom räckhåll.
Koppling
Laddning och urladdning
Rekuperation Högvolts-
Bild: Toyota.
Bild: iStock.
EM2 EM1
FORDON & TRANSPORT FORDONET
Fordon & Transport – Fordonet är en komplett grundbok för fordons- och transportprogrammets tekniska del under första året.
Tillsammans med boken Fordon & Transport – Grunderna täcker läromedlet
ämnet Fordon och transport, nivå 1 och 2. Övningsböckerna Fordon & transport – Praktiska och Teoretiska övningar kan användas som komplement till böckerna.
