Aναρτήσεις (A'Mέρος)
Λεπτές ισορροπίεςΜια εύθραυστη ισορροπία μεταξύ των επιμέρους αλλά και των ουσιαστικών παραγόντων κρύβεται
πίσω από τον πλουραλισμό της αρχιτεκτονικής των συστημάτων ανάρτησης, τα οποία καλούνται
να αντιμετωπίσουν τους φυσικούς νόμους κάτω από το πρίσμα της ασφαλούς οδικής
συμπεριφοράς.
Kείμενο: Mιχάλης Zώτος
Φωτογραφίες: αρχείο 4T
ΣYNEXIZONTAΣ την ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς των αυτοκινήτων και των διάφορων
υποσυστημάτων τους, αυτήν τη φορά θα εξετάσουμε τη στατική και κινηματική συμπεριφορά των
αναρτήσεων. Θα αναφερθούμε στη γεωμετρία τους και στις επιδράσεις που αυτή έχει στην
οδική συμπεριφορά του αυτοκινήτου. Στόχος είναι η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας τους,
ώστε ως οδηγοί να γνωρίσουμε καλύτερα το «εργαλείο» που χρησιμοποιούμε κάθε μέρα. Η
αναφορά στις δυναμικές αλλαγές της γεωμετρίας της ανάρτησης προϋποθέτει μια σύντομη
γνωριμία με τις επιμέρους κινήσεις του αυτοκινήτου.
Φαντασία
Αυτή, περισσότερο από οτιδήποτε άλλο, χρειάζεται όποιος μελετά τη δυναμική των οχημάτων.
Ο λόγος είναι απλός. Οι κινήσεις ενός αυτοκινήτου και οι αλλαγές που συμβαίνουν στη
γεωμετρία και στα φορτία που ασκούνται στα ελαστικά, στο αμάξωμα και στα διάφορα μηχανικά
μέρη είναι σύνθετες και περίπλοκες. Απαιτείται, λοιπόν, περίσσεια φαντασίας για την
κατανόηση και ανάλυσή τους.
Η κίνηση του αυτοκινήτου στο δρόμο είναι συνδυασμός επιμέρους κινήσεων κατά το διαμήκη,
εγκάρσιο και κατακόρυφο άξονα (σχήμα 1):
α. Κίνηση κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα Ζ. Είναι με απλά λόγια η πάνω κάτω κίνηση του
αμαξώματος. Προκαλεί συμπίεση-αποσυμπίεση των ελατηρίων και ενεργοποίηση των αμορτισέρ.
Θα αναφερόμαστε σε αυτή την κίνηση με τους όρους συμπίεση και επαναφορά
(compression/bump-rebound).
β. Στροφή γύρω από τον κατακόρυφο άξονα Ζ. Πρόκειται ουσιαστικά για την περιστροφή που
εκτελεί το αυτοκίνητο γύρω από τον κατακόρυφο άξονα σε κάθε αλλαγή πορείας. Στην αγγλική
βιβλιογραφία συναντάται ως yaw. Θα την αναφέρουμε ως στροφή γύρω από τον άξονα Ζ.
γ. Κίνηση γύρω από τον εγκάρσιο άξονα Ψ. Είναι η κίνηση του αυτοκινήτου στην ευθεία κατά
την επιβράδυνση και την επιτάχυνση. Στην αγγλική βιβλιογραφία συναντάται ως dive και
squat, αντίστοιχα. Θα τις αναφέρουμε ως βύθιση εμπρός και βύθιση πίσω.
δ. Κίνηση γύρω από το διαμήκη άξονα Χ. Την κίνηση αυτή αντιλαμβανόμαστε σε μια επίπεδη
στροφή, όπου το αυτοκίνητο γέρνει προς το εξωτερικό της στροφής. Η λέξη που
χρησιμοποιείται στα αγγλικά είναι roll.
Για να δώσουμε έμφαση στη σύνθετη κίνηση ενός αυτοκινήτου, μπορούμε να κάνουμε μια
ανάλυση στο ακόλουθο παράδειγμα. Ας «παγώσουμε» τη θέση ενός αυτοκινήτου που βρίσκεται σε
μια κατηφορική δεξιά στροφή, όπου έχουμε μόλις φρενάρει (κακώς? αλλά δεν πειράζει), με
τους μπροστινούς τροχούς να έχουν «ανέβει» σε ένα εγκάρσιο σαμαράκι. Η θέση του
αυτοκινήτου είναι το αποτέλεσμα των εξής επιμέρους κινήσεων: οι μπροστινοί τροχοί που
βρίσκονται στην εγκάρσια ανωμαλία συμπιέζουν ελατήρια και αμορτισέρ (κίνηση κατά μήκος
του άξονα Ζ), λόγω του φρεναρίσματος στην κατηφορική στροφή έχουμε βύθιση εμπρός-ανύψωση
πίσω (κίνηση γύρω από τον άξονα Ψ) και, τέλος, το αυτοκίνητο στρίβει σε δεξιά στροφή,
οπότε γέρνει προς τα αριστερά (κίνηση γύρω από τον άξονα Χ). Εάν αναλογιστούμε ότι σε
όλες αυτές τις επιμέρους κινήσεις τα φορτία στους τροχούς αλλά και η γεωμετρία
μεταβάλλονται, είναι εύκολο να αντιληφθούμε πόσο σύνθετη είναι η ανάλυση της συμπεριφοράς
ενός αυτοκινήτου.
Στατική γεωμετρία ανάρτησης
Αναφερόμενοι στη στατική γεωμετρία της ανάρτησης, θα πρέπει να κατανοήσουμε τις διάφορες
παραμέτρους που εμπεριέχει, ώστε να αντιληφθούμε πώς οι ρυθμίσεις αυτών των παραμέτρων
μπορούν να επηρεάσουν τη συμπεριφορά του αυτοκινήτου. Ας ξεκινήσουμε με τη στατική
σύγκλιση και απόκλιση, ο ορισμός των οποίων δίνεται παραστατικά στο σχήμα 2. Πρόκειται
για τη γωνία που σχηματίζεται μεταξύ των τροχών και της ευθείας του αυτοκινήτου. Όπως
ίσως διαισθανόμαστε, μεγάλες τιμές σύγκλισης ή απόκλισης αναγκάζουν τα ελαστικά να
κινούνται υπό γωνία ως προς την κατεύθυνση κίνησης. Το αποτέλεσμα είναι αύξηση των τριβών
και επιταχυνόμενη φθορά των ελαστικών.
Ας δούμε αναλυτικά ποιες είναι οι επιδράσεις στη δυναμική του αυτοκινήτου. Όλα
στηρίζονται στη γωνία ολίσθησης. Όταν ρυθμίζουμε την ευθυγράμμιση (δηλαδή τη
σύγκλιση-απόκλιση) του αυτοκινήτου, ουσιαστικά προφορτίζουμε τα ελαστικά με κάποια γωνία
ολίσθησης. Έτσι, το ελαστικό μπορεί να αναπτύξει γρήγορα πλευρικές δυνάμεις (μέσα στη
γραμμική περιοχή). Οι τιμές που δίνουμε σε αυτή την αρχική γωνία είναι πολύ μικρές. Για
το μεγαλύτερο ποσοστό των αυτοκινήτων δρόμου και αγώνων, οι ρυθμίσεις κυμαίνονται μεταξύ
±0,4 μοιρών. Οι επιδράσεις αυτών των γωνιών στην οδική συμπεριφορά είναι ιδιαίτερα
σημαντικές.
Υπερβολικές τιμές στατικής σύγκλισης ή απόκλισης στους μπροστινούς τροχούς ―εκτός των
ορίων που αναφέραμε― προκαλούν συχνά μια καθυστέρηση στην απόκριση του αυτοκινήτου για
μικρές περιστροφές του τιμονιού γύρω από το κέντρο. Για μεγαλύτερη περιστροφή του
τιμονιού, η απόκριση είναι γρηγορότερη, με αποτέλεσμα μια μη γραμμική συμπεριφορά. Οι
δυνάμεις αντίδρασης που ο οδηγός αισθάνεται μέσω του τιμονιού δεν αναπτύσσονται γραμμικά.
Ο οδηγός συχνά αναγκάζεται να «ψάχνει» τη σωστή γωνία που πρέπει να περιστρέψει το
τιμόνι, όταν καλείται να διορθώσει μικρές αλλαγές κατεύθυνσης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός
ότι οι μπροστινοί τροχοί αρχικά αναπτύσσουν αντίθετες γωνίες ολίσθησης και ουσιαστικά
«πολεμούν» μεταξύ τους, χωρίς να δίνουν σαφή εντολή στο αυτοκίνητο για το πού πρέπει να
στρίψει. Όταν η γωνία περιστροφής του τιμονιού αυξηθεί και τα πράγματα ξεκαθαρίσουν, η
αντίδραση είναι πιο γρήγορη και τις περισσότερες φορές απότομη. Γενικότερα, η μπροστινή
σύγκλιση-απόκλιση επηρεάζει περισσότερο την απόκριση του αυτοκινήτου στην αρχή της
διαδικασίας της στροφής και λιγότερο κατά τη διάρκειά της. Η στατική σύγκλιση-απόκλιση
επηρεάζει το πόσο εύκολα θα επιστρέψει το τιμόνι στην αρχική του θέση έπειτα από μια
στροφή. Επομένως, οι τιμές της είναι μικρότερες στα καθημερινά αυτοκίνητα, όπου
επιθυμούμε η επιστροφή του τιμονιού στην αρχική του θέση να είναι ομαλή, δίνοντας
παράλληλα περισσότερες πληροφορίες στον οδηγό για το πότε οι τροχοί «κοιτούν» την ευθεία.
Kαθώς οι τροχοί προφορτίζονται με γωνίες ολίσθησης, πλευρικές δυνάμεις αναπτύσσονται
ακόμα και εάν το αυτοκίνητο κινείται στην ευθεία. Σε ομαλό οδόστρωμα, οι δυνάμεις αυτές
αλληλοαναιρούνται. Σε ανώμαλο οδόστρωμα, όμως, οι πλευρικές δυνάμεις δε βρίσκονται σε
ισορροπία, με αποτέλεσμα να δημιουργούν ροπές που ο οδηγός αντιλαμβάνεται ως δυνάμεις που
τείνουν να στρίψουν το τιμόνι. Η πλειονότητα των αυτοκινήτων παραγωγής και των
αγωνιστικών (κυρίως σε αγώνες ράλι) ρυθμίζονται είτε με παράλληλους εμπρός τροχούς είτε
με απόκλιση μέχρι 0,3 μοίρες. Η σύγκλιση και η απόκλιση, όμως, δεν παραμένουν σταθερές
στις στατικές τους τιμές, αλλά μεταβάλλονται δυναμικά, δηλαδή ανάλογα με τις κινήσεις των
τροχών του αυτοκινήτου.
Οι τροχοί συνδέονται με το σώμα του αυτοκινήτου (σασί) με ψαλίδια, ράβδους ή γόνατα
MακΦέρσον, ανάλογα με τη φιλοσοφία της συγκεκριμένης ανάρτησης. Ας ονομάσουμε όλους
αυτούς τους διαφορετικούς τρόπους σύνδεσης «μηχανικούς συνδέσμους». Στις περισσότερες
περιπτώσεις, ο σύνδεσμος ενώνει δύο σημεία, ένα στο σώμα του αυτοκινήτου και ένα στον
τροχό (μέσω της πλήμνης). Το σημείο σύνδεσης στον τροχό εκτελεί κινήσεις που αποτελούν
μέρος μιας κυκλικής τροχιάς με κέντρο το σταθερό σημείο στο σασί και ακτίνα ίση με την
απόσταση μεταξύ των δύο σημείων.
Στην περίπτωση της δυναμικής αλλαγής σύγκλισης-απόκλισης (kinematic steer), το σημείο που
διαγράφει κυκλική τροχιά είναι εκεί που το ακρόμπαρο εδράζεται στην πλήμνη. Όταν ο τροχός
κινείται πάνω κάτω κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα Ζ, η κυκλική τροχιά που διαγράφει το
εξωτερικό σημείο του ακρόμπαρου αναγκάζει τον τροχό να στραφεί. Εάν ο τροχός θα συγκλίνει
ή θα αποκλίνει κατά την κίνηση συμπίεσης ή επαναφοράς, εξαρτάται από τη σχετική θέση των
δύο σημείων (ως προς το ύψος) αλλά και από το εάν η κρεμαγιέρα ―η οποία, στη συγκεκριμένη
περίπτωση, λειτουργεί σαν μοχλός― βρίσκεται πίσω ή εμπρός από το νοητό άξονα των τροχών.
Η κίνηση είναι απλή, αλλά η απεικόνιση σε δύο διαστάσεις δύσκολη. Στο σχήμα 3
περιγράφεται η κίνηση σε ένα επίπεδο. Φανταστείτε ότι παρακολουθείτε έναν τροχό που
βρίσκεται σε κίνηση συμπίεσης. Το εξωτερικό σημείο του ακρόμπαρου θα κινηθεί προς τα πάνω
και προς τα μέσα (κυκλική τροχιά). Εάν η κρεμαγιέρα βρίσκεται εμπρός από τον άξονα των
τροχών, θα αναγκάσει τον τροχό να συγκλίνει. Oι επιδράσεις στην οδική συμπεριφορά από την
κινηματική σύγκλιση-απόκλιση είναι το ίδιο σημαντικές με αυτές που οφείλονται στις
στατικές ρυθμίσεις.
Ο οδηγός ―χωρίς πάντα να καταλαβαίνει το γιατί― αντιδρά στα μηνύματα που το αυτοκίνητο ως
σύστημα του παρέχει. Αυτά που αισθάνεται είναι κυρίως φορτία στο τιμόνι (τράβηγμα του
τιμονιού) και οι μεταβολές τους. Η πλειονότητα των αυτοκινήτων παραγωγής παρουσιάζει
απόκλιση κατά τη συμπίεση της τάξης των 0,06 μοιρών ανά 10 χιλιοστά κατακόρυφης κίνησης
του τροχού. Μερικά οχήματα ελεύθερου χρόνου (4x4) παρουσιάζουν αποκλίσεις μέχρι και 0,1
μοίρα ανά 10 χιλιοστά. Η επιλογή για απόκλιση δίνεται από την ανάγκη για ευστάθεια του
οχήματος, όταν ο δρόμος έχει πολλές ανωμαλίες. Η φυσική αντίδραση, για παράδειγμα, ενός
οχήματος που «χτυπάει» με τον εμπρός αριστερό τροχό ένα εμπόδιο είναι να κινηθεί προς τα
δεξιά, κίνηση την οποία θα εμποδίσει η κινηματική απόκλιση.
Για τιμές μεγαλύτερες όμως από αυτές που αναφέραμε, η αντίδραση του αυτοκινήτου στις
εντολές του τιμονιού γίνεται πολύ αργά και η ακρίβεια γύρω από την κεντρική θέση του
τιμονιού είναι πολύ μικρή. Ένας γενικός κανόνας είναι ότι μια συγκεκριμένη γεωμετρία που
δίνει απόκλιση κατά τη συμπίεση θα δίνει σύγκλιση κατά την επαναφορά. Αυτό είναι πολύ
σημαντικό σε αυτοκίνητα με εμπρός κίνηση. Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, η ροπή που
μεταδίδεται στους μπροστινούς τροχούς τείνει να συγκλίνει τους τροχούς. Εάν αυτή
προστεθεί στη δυναμική σύγκλιση που συμβαίνει λόγω της κίνησης επαναφοράς, το αποτέλεσμα
θα είναι μεγάλες τιμές σύγκλισης που θα τείνουν να κάνουν το όχημα πολύ νευρικό σε
ανώμαλο δρόμο, μειώνοντας ταυτόχρονα την ακρίβεια του τιμονιού. Σε αγωνιστικά αυτοκίνητα
πίστας, οι διαδρομές των αναρτήσεων είναι πολύ μικρές, οπότε αντίστοιχα μικρή είναι και η
κινηματική σύγκλιση-απόκλιση. Aκόμα και τότε, όμως, η σωστή ρύθμισή τους είναι πολύ
σημαντική. Στο όριο της πρόσφυσης, οι επιδράσεις είναι εξίσου σημαντικές: όταν ένα
ελαστικό βρίσκεται στο όριο πρόσφυσης, μια γεωμετρία που θα προσδίδει σύγκλιση κατά τη
συμπίεση θα το αναγκάσει να λειτουργήσει με μεγαλύτερες γωνίες ολίσθησης και τότε θα
αρχίσει να γλιστρά με άμεση και απότομη απώλεια της πρόσφυσης ειδικά σε συνθήκες
περιορισμένης ολίσθησης. Συμπερασματικά, μπορούμε να πούμε ότι κινηματική απόκλιση κατά
τη συμπίεση και ελάχιστη κινηματική σύγκλιση κατά την επαναφορά δίνουν την απαραίτητη
ευστάθεια στις περισσότερες επιφάνειες δρόμων και βελτιώνουν την ακρίβεια του τιμονιού.
Aς δούμε λίγο, όμως, τι ρόλο παίζει η σύγκλιση-απόκλιση των πίσω τροχών. Η στατική
σύγκλιση-απόκλιση στους πίσω τροχούς είναι από τα σημαντικότερα στοιχεία στη δυναμική
συμπεριφορά του οχήματος. Εδώ, το μυστικό είναι να μη δούμε μεμονωμένα τους πίσω τροχούς,
αλλά να αναλύσουμε τη συμπεριφορά τους σε σχέση με τις αντιδράσεις των μπροστινών. Οι
πίσω τροχοί συνήθως ρυθμίζονται για να δίνουν μια στατική σύγκλιση μέχρι 0,35 μοίρες ανά
πλευρά. Μια και οι πίσω τροχοί δε συνδέονται άμεσα με το τιμόνι, τείνουν να αντιδρούν
στις εντολές του τιμονιού με μια μικρή καθυστέρηση. Με τη στατική σύγκλιση προφορτίζουμε
τα ελαστικά με μια γωνία ολίσθησης, ώστε να επιταχύνουμε την ανάπτυξη πλευρικών δυνάμεων
και να μειώσουμε αυτή την καθυστέρηση. Εάν οι τιμές υπερβούν το παραπάνω όριο, οι
πλευρικές δυνάμεις που αναπτύσσονται είναι ―αρχικά― μεγαλύτερες στους πίσω τροχούς, με
αποτέλεσμα το αυτοκίνητο να αντιστέκεται στην περιστροφή (yaw gain damping). Είναι μια
από τις πιθανότερες αιτίες για το συνηθισμένο πρόβλημα «το αυτοκίνητο δεν αντιδρά όταν
του ζητάω να στρίψει ― δε στρίβει αμέσως».
Λιγότερο συχνές είναι οι περιπτώσεις και τα προβλήματα με πολύ μικρές τιμές γωνίες
σύγκλισης. Eδώ, η αρχική αντίδραση θα είναι πολύ γρήγορη: το αυτοκίνητο θα στρίβει άμεσα
και απότομα. Τιμές μεγαλύτερες από 0,35 μοίρες σύγκλιση ανά πλευρά θα προκαλέσουν, σε
δρόμους με κατακόρυφες και εγκάρσιες ανωμαλίες, μια? νευρικότητα που θα ξεκινά από το
πίσω μέρος του αυτοκινήτου. Υπεύθυνη, εδώ, είναι η έλλειψη ισορροπίας μεταξύ των
πλευρικών δυνάμεων, η οποία προκαλεί μικρές τάσεις περιστροφής γύρω από τον κατακόρυφο
άξονα Ζ. Επιπλέον, μεγάλες τιμές σύγκλισης συχνά προκαλούν πιο έντονη και απότομη απώλεια
πρόσφυσης στο όριο, καθώς το ελαστικό φθάνει εύκολα στην περιοχή όπου χάνει την πρόσφυσή
του.
H κινηματική στροφή των πίσω τροχών επηρεάζει κυρίως την αντίδραση του αυτοκινήτου κατά
τις περιστροφές γύρω από τον κατακόρυφο άξονα Ζ. Συνήθως, χρησιμοποιείται κινηματική
σύγκλιση. Η εμπειρία δείχνει ότι τιμές μεταξύ 0,025 και 0,05 μοίρες ανά 10 χιλιοστά
κατακόρυφης κίνησης του τροχού θα δώσουν την ομαλότερη συμπεριφορά στο όριο της
πρόσφυσης, περιορίζοντας την υποστροφή στα επιθυμητά επίπεδα. Τιμές μεγαλύτερες των
παραπάνω θα επηρεάσουν αρνητικά την αντίδραση του αυτοκινήτου στις εντολές του τιμονιού,
μια και θα εμποδίσουν το αυτοκίνητο να περιστραφεί γύρω από τον άξονα Ζ, δηλαδή να
στρίψει.
Η κινηματική απόκλιση που ―αναπόφευκτα― θα έχει η ανάρτηση κατά την επαναφορά πρέπει να
ελαχιστοποιείται ειδικά στα πρώτα 30 χιλιοστά κίνησης του τροχού. Αυτό θα εμποδίσει
ανεπιθύμητες μεταβολές της γωνίας ολίσθησης κατά την επιβράδυνση (με τα φρένα ή με τον
κινητήρα), όταν το κατακόρυφο φορτίο των πίσω τροχών θα έχει μειωθεί αισθητά κοντά στο
όριο πρόσφυσης.
Όταν η γεωμετρία δεν επιτρέπει την ελαχιστοποίηση της κινηματικής απόκλισης κατά την
επαναφορά, πολλοί κατασκευαστές καταφεύγουν σε ειδικούς ελαστικούς συνδέσμους στην
ανάρτηση που προσδίδουν μια σύγκλιση κατά την επαναφορά. Σε αυτήν τη φιλοσοφία των
ελαστικών συνδέσμων στηρίζονται πολλές αναρτήσεις «παθητικής τετραδιεύθυνσης». Στα
αυτοκίνητα παραγωγής, η ελαστικότητα των μηχανικών συνδέσμων και βάσεων προσδίδει
επιπλέον γωνίες ολίσθησης. Αυτά τα φαινόμενα ελαχιστοποιούνται στα αγωνιστικά αυτοκίνητα,
όπου οι ελαστικοί σύνδεσμοι είναι πιο άκαμπτοι.
Λεπτομέρειες ουσίας
Η σύγκλιση-απόκλιση αποτελεί μια από τις κύριες παραμέτρους της γεωμετρίας. Σε ένα
επιτυχημένο στήσιμο αυτοκινήτου, οι κινηματικές μεταβολές μεταξύ των εμπρός και πίσω
τροχών βρίσκονται σε αρμονία. Είναι, επομένως, καθήκον και υποχρέωση κάθε οδηγού να
ελέγχει συχνά την ευθυγράμμιση του αυτοκινήτου του, ώστε οι τιμές να είναι εντός των
ορίων που ο κατασκευαστής έχει θέσει, που έχουν μελετηθεί, ώστε να δίνουν το καλύτερο
αποτέλεσμα σε κανονικές συνθήκες. Από εκεί και πέρα, σίγουρα υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης
ανάλογα και με τις απαιτήσεις του κάθε οδηγού. Θα πρέπει πάντα να θυμόμαστε, όμως, ότι η
βελτιστοποίηση της οδικής συμπεριφοράς περιλαμβάνει ανάλυση σε βάθος και αλλαγές πολλών
παραμέτρων που επηρεάζουν η μια την άλλη, όπως θα διαπιστώσουμε και στη συνέχεια των
αφιερωμάτων στη δυναμική των οχημάτων._ M. Z.