Oikeanlainen jousitus takaa tasaisemman kyydin

Teksti Arto Laamanen, Technology Manager, Hydac Oy

Ilman jousitusta moni liikkuva työkone olisi epämukava ja vaarallinen ajaa. Lisäksi EU-direktiivi määrittelee raja-arvot kuljettajaan kohdistuville tärinöille työpäivän aikana, joten konevalmistajat hyödyntävät erilaisia jousitusjärjestelmiä värähtelyjen ja tärinöiden vaimentamiseen sekä ajo-ominaisuuksien parantamiseksi.

Tärinädirektiiviä ei ole suoraan kohdistettu työkonevalmistajille, mutta välillisesti sitäkin enemmän. Jos työntekijä ei voi liian korkeiden tärinäarvojen takia tehdä täyttä työpäivää, kannustaa se työnantajaa hankkimaan vain sellaisia työkoneita, joilla direktiivin raja-arvot eivät ylity.

Työkoneiden värähtelyjä ja tärinöitä voidaan vähentää akselistojen tai ohjaamon jousituksella. Jousitusjärjestelmä voi olla mekaaninen, pneumaattinen tai hydropneumaattinen. Mekaaninen jousitus on yleisesti käytössä esimerkiksi henkilöautoissa, sillä se on melko yksinkertainen toteuttaa ja hankintahinta on edullinen. Kaikkiin työkoneisiin se ei kuitenkaan sovellu, sillä kuormitukset ovat työkoneissa suurempia ja ne vaihtelevat enemmän. Lisäksi tarvetta voi olla automaattiselle tasonsäädölle ja erilaisille ajomoodeille alustasta, kuormasta ja ajonopeudesta riippuen. Pneumaattinen jousitus mahdollistaa monipuolisen säädettävyyden, mutta suurten kuormitusten yhteydessä jousitussylinterit joudutaan mitoittamaan isokokoisiksi, koska painetasoa ei voi nostaa kovin korkeaksi. Jos halutaan kompakti jousitusjärjestelmä hyvällä säädettävyydellä, ensisijaiseksi vaihtoehdoksi nousee hydropneumaattinen jousitus. Korkeamman painetason ansiosta jousitusylinterien männän halkaisijat ovat maltillisia mahdollistaen asennuksen ahtaisiinkin paikkoihin.

Jos työntekijä ei voi liian korkeiden tärinäarvojen takia tehdä täyttä työpäivää, kannustaa se työnantajaa hankkimaan vain sellaisia työkoneita, joilla direktiivin raja-arvot eivät ylity.

Hydropneumaattinen jousitus

Olennaisena osana nykyaikaista jousitusjärjestelmän kehitystyötä ovat monipuolinen laskentaohjelmien ja simulointien hyödyntäminen. Lopullinen jousitusjärjestelmän virittely vaatii kuitenkin edelleen testaamista. Ajo-ominaisuudet puoltavat jäykkää jousitusta, kun taas ajomukavuuden puolesta pehmeämpi jousitus olisi parempi. Jousitus onkin usein kompromissi eri ominaisuuksien välillä, joten järjestelmän lopulliset asetusarvot vaativat vielä myös niin sanotun takapuolituntuman käyttöä koeajojen yhteydessä.

Jos mekaanisessa jousitusjärjestelmässä vääntö-, kierre- tai lehtijousen mitoitus on olennaisessa osassa, niin hydropneumaattisessa järjestelmässä vastaavassa roolissa on paineakku ja jousitussylinteri. Paineakun korkeapaineinen typpikaasu toimii jousena, johon hydrauliöljy välittää voiman jousitussylinteriltä. Paineakun koko pitää olla mitoitettuna siten, että saavutetaan jousitussylinterin haluttu maksimiheilahdusmatka. Lisäksi paineakun esitäyttöpaine pitää olla sellainen, että halutut ominaisuudet saavutetaan erilaisilla kuormituksilla eri lämpötiloissa. Paineakun ja sylinterin ohella tarvitaan vielä vähintään jonkinlainen kuristus tai virransäätöventtiili, jolla määritellään vaimennus.

Jos jousitusjärjestelmään halutaan lisää ominaisuuksia, voidaan passiivisen järjestelmän sijaan toteuttaa adaptiivinen, puoliaktiivinen tai aktiivinen jousitus. Ohjelmoitava aktiivinen jousitus tarjoaa monipuolisimmat ominaisuudet, mutta samalla se on monimutkaisin ja kallein toteuttaa. Se vaatii sähköisesti ohjattuja venttiileitä, asemamittauksen, säätimen ja kytkennän hydraulijärjestelmään. Eikä lisäkustannus rajoitu pelkästään hankintahintaan vaan aktiivinen jousitus vaikuttaa myös työkoneen energiankulutukseen. Polttomoottorikäyttöisissä työkoneissa tämä ei välttämättä näy merkittävästi polttoaineenkulutuksessa, mutta sähköajoneuvoissa kaikki ylimääräiset energiahäviöt halutaan herkemmin minimoida rajallisen akkukapasiteetin takia. Aktiivisenkin jousituksen energiankulutusta voi pienentää, jos järjestelmä toteutetaan oikein.

Hydropneumaattisella jousituksella saadaan parannettua kuljettajan työmukavuutta ja -turvallisuutta, kun värähtelyt ja työkoneen kallistelut voidaan minimoida. Jousitus myös pienentää renkaille kohdistuvaa kuormitusta ja vähentää työkoneen mekaniikan rasituksia, joten jousituksella ei pelkästään paranneta kuljettajan olosuhteita vaan sillä voi olla positiivinen vaikutusta myös työkoneen kunnossapitokustannuksiin ja elinikään.

Kaivosajoneuvon jousituksen päivitys

Iisalmelaisen Normet Oy:n kaivosajoneuvot toimivat haastavissa olosuhteissa maanalaisissa tunneleissa. Ajoväylät ovat kaikkea muuta kuin tasaiseksi siloteltua asfalttia, joten ajoneuvot ja kuljettajat altistuvat tärinöille ilman jousitusta.

Akselijousitusta on kehitetty Normetilla jo noin kymmenen vuoden ajan ja se on alkanut yleistyä kovaa vauhtia myös kaivoslaitteissa. Ensimmäisissä versioissa työkoneiden hydropneumaattisen jousituksen tasonsäätö oli toteutettu mekaanisena takaisinkytkentänä jousituksen säätöventtiilille. Tärinän seurauksena venttiilin luisti oli jatkuvassa edestakaisessa liikkeessä ajon aikana. ”Venttiili kului käytössä nopeasti ja järjestelmä hukkasi energiaa, joten meidän piti löytää jousitukseen parempi ratkaisu”, kertoo Normet Oy:n tuotelinjajohtaja Herkko Juntunen. Vanhan järjestelmän ongelmat eivät rajoittuneet vain toimintaan. Juntusen mukaan järjestelmän asentamiseen sekä hienosäätöön meni tuotantolinjalla runsaasti aikaa.

Uusi järjestelmä toteutettiin sähköisesti ohjatuilla venttiileillä, sähköisellä asemamittauksella ja säätökoodilla. ”Uuden järjestelmän myötä saatiin uusia ominaisuuksia jousitukseen ja tasonsäätökin toimii paremmin kuin ennen. Lisäksi tuotantolinjalla asennukseen kuluvaa aikaa on saatu lyhennettyä”, esittelee Juntunen yhteenvetona jousitusjärjestelmän kehitystyön tuloksista.

Ajoneuvon uudistettu jousitus on nyt sellainen, että se vaimentaa tehokkaasti renkailta tulevia tärinöitä ja kiihtyvyyksiä. Tämä vähentää rakenteiden väsymistä, mutta ennen kaikkea parantaa ajomukavuutta ja -turvallisuutta.

Jousitusjärjestelmien tuotekehitystä ja lopputestausta varten Normet rakennutti hiljattain tehtaalle oman jousitustestiradan, jolla voidaan simuloida kaikkein huonokuntoisimpiakin kaivosteitä.  ”Olemme havainneet radan erittäin hyödylliseksi jousituksen kehityksessä ja sen ansiosta kaikki valmistuvat laitteet saadaan nykyään testattua saman protokollan mukaan. Radassa on lisäksi lämmitys, jolla se saadaan pidettyä sulana talvellakin.”, kertoo Herkko Juntunen Normetin uusimmasta panostuksesta jousitusjärjestelmien kehitykseen liittyen.

Normetin uusi jousitustestirata  [kuva Normet]