Oι γνωστοί «άγνωστοι»
Συνεχίζουμε την «περιήγησή» μας στις μικρές αλλά ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους πουκαθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την αποτελεσματικότητα και την επιτυχία ενός συστήματος
ανάρτησης.
Κείμενο: Μιχάλης Ζώτος
Φωτογραφίες: Αρχείο 4Τ
EXONTAΣ ολοκληρώσει την περιγραφή και την ανάλυση της στατικής και κινηματικής
σύγκλισης/απόκλισης, στην οποία υπόκειται κάθε σύστημα ανάρτησης, αυτήν τη φορά θα
εξετάσουμε ό,τι αφορά τη γωνία κάμπερ και τη γεωμετρία Ackermann του αυτοκινήτου.
Γωνία κάμπερ
Ως γωνία κάμπερ ορίζεται η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του επιπέδου του τροχού και του
κατακόρυφου επιπέδου σε εμπρόσθια όψη.
Στο σχήμα 1 η γωνία κάμπερ φαίνεται ως αρνητική. Ο κυριότερος στόχος ενός σχεδιαστή
αναρτήσεων είναι η βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας του ελαστικού. Μια από τις
παραμέτρους που ο σχεδιαστής προσπαθεί να διατηρήσει όσο το δυνατόν αμετάβλητα είναι η
επιφάνεια επαφής του ελαστικού με το οδόστρωμα. Η στατική και δυναμική γωνία κάμπερ βοηθά
στην ελαχιστοποίηση των διακυμάνσεων αυτής της επιφάνειας. Είναι εύκολο να φανταστούμε
από το παραπάνω σχήμα ότι όταν το αυτοκίνητο περιστραφεί γύρω από τον άξονα «Χ» (όταν
δηλαδή στρίβει και, επομένως, γέρνει), το ελαστικό που αρχικά βρίσκεται σε αρνητική γωνία
κάμπερ θα καταλήξει μέσα στη στροφή να βρίσκεται σχεδόν κάθετο προς το δρόμο. Με τον
τρόπο αυτό η επιφάνεια επαφής του ελαστικού με το δρόμο γίνεται η μέγιστη δυνατή,
επηρεάζοντας ανάλογα θετικά την ανάπτυξη δυνάμεων και επομένως το κράτημα.
Όταν ένα ελαστικό βρίσκεται υπό γωνία κάμπερ αναπτύσσει πλευρικές δυνάμεις στο επίπεδο
του δρόμου, όπως φαίνεται παραστατικά στο σχήμα. Οι δυνάμεις αυτές προστίθενται στις
πλευρικές δυνάμεις που αναπτύσσει ένα ελαστικό λόγω της γωνίας ολίσθησης, αυξάνοντας έτσι
τη μέγιστη τιμή αυτών των δυνάμεων. Θα ονομάσουμε αυτές τις δυνάμεις «πλευρικές δυνάμεις
λόγω κάμπερ» (στην αγγλική ορολογία ονομάζονται «camber thrust»).
Εμπρός τροχοί - Στατικό κάμπερ
Η στατική γωνία κάμπερ κυμαίνεται μεταξύ 0 και 0,5 μοιρών ―αρνητική― σε αυτοκίνητα
παραγωγής. Στα αγωνιστικά αυτοκίνητα ράλι, οι τιμές κυμαίνονται μεταξύ 0,5 και 3 μοιρών ―
αρνητική. Σε αγωνιστικά πίστας, η μέγιστη αρνητική τιμή φτάνει μέχρι και 5 μοίρες ―
ανάλογα με την περίπτωση.
Τιμές μεγαλύτερες από τις παραπάνω ―ανάλογα με την κάθε περίπτωση― θα οδηγήσουν σε
ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασιών και φθορά του ελαστικού. Κάθε ελαστικό κινείται κατά
το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του σε ευθεία, οπότε μεγάλες τιμές κάμπερ θα το αναγκάσουν
να «πατάει» στο δρόμο μόνο με την εσωτερική του πλευρά, η οποία θα παρουσιάσει και τη
μεγαλύτερη φθορά.
Με μια μικρή ανάλυση της γεωμετρίας από το σχήμα 1 θα δούμε ότι το μέγεθος των πλευρικών
δυνάμεων λόγω κάμπερ εξαρτάται από τη γωνία κάμπερ και το κατακόρυφο φορτίο. Εάν
οποιοδήποτε από τα παραπάνω αυξηθεί, θα αυξηθεί και η πλευρική δύναμη. Όταν, λοιπόν, ένα
όχημα κινείται σε δρόμο με κατακόρυφες ανωμαλίες, τότε προκαλούνται αυξομειώσεις στα
κατακόρυφα φορτία των τροχών. Έτσι, οι πλευρικές δυνάμεις λόγω κάμπερ των μπροστινών
τροχών δεν είναι σε ισορροπία (δεξιά-αριστερή), προκαλώντας μια ροπή περιστροφής γύρω από
τον κατακόρυφο άξονα «Ζ». Επομένως, ένα όχημα με μεγάλη γωνία κάμπερ θα είναι νευρικό σε
ανώμαλο δρόμο, και δεν εννοούμε μόνο σε χωματόδρομο, αλλά και σε άσφαλτο κακής ποιότητας.
Σε ομαλό δρόμο ή στην πίστα, οι πλευρικές δυνάμεις δε θα προκαλέσουν φαινόμενα όπως τα
παραπάνω, αλλά θα βελτιώσουν το συνολικό κράτημα, την αίσθηση του τιμονιού και την
αντίδραση του αυτοκινήτου σε μεταβολές της γωνίας του τιμονιού ― όσο οι τιμές παραμένουν
στα όρια που προαναφέραμε.
Κατά την απότομη επιβράδυνση σε μια στροφή (φρενάρισμα ή άφημα γκαζιού) το αρνητικό
κάμπερ μπορεί να οδηγήσει σε μια υπερστροφική συμπεριφορά. Ο λόγος είναι ότι ο εμπρός
εξωτερικός τροχός θα έχει τη μέγιστη πρόσφυση σε σχέση με τους άλλους τροχούς, καθώς θα
έχει τη μέγιστη επιφάνεια επαφής με το οδόστρωμα και επομένως τη μέγιστη πλευρική δύναμη
λόγω κάμπερ. Το άθροισμα των ροπών των δυνάμεων στο επίπεδο του δρόμου θα προκαλέσει μια
ροπή στρέψης γύρω από τον κατακόρυφο άξονα «Ζ». Σε αυτή την περίπτωση ο μηχανικός πρέπει
να βελτιώσει το κράτημα στους πίσω τροχούς, παρά να ελαττώσει το κράτημα εμπρός.
Πίσω τροχοί - Στατικό κάμπερ
Το κάμπερ που προσδίδεται στους πίσω τροχούς κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 1,0 και 2,0 μοιρών
― αρνητικό. Τιμές μέχρι και 3,0 μοίρες χρησιμοποιούνται σε αγωνιστικά αυτοκίνητα για
αγώνες ράλι, ενώ σε αγώνες πίστας συναντώνται και μεγαλύτερες τιμές. Ο λόγος που οι τιμές
του στατικού κάμπερ είναι μεγαλύτερες σε σχέση με τους εμπρός τροχούς είναι η ανάγκη ―στα
καθημερινά αυτοκίνητα― να υπάρχει μεγαλύτερο διαθέσιμο κράτημα πίσω, προσδίδοντας έτσι
μια υποστροφική συμπεριφορά, την οποία προτιμούν οι περισσότεροι οδηγοί και... οι
αντιδράσεις τους. Για τιμές μεγαλύτερες των παραπάνω ορίων, η έλλειψη ισορροπίας στις
πλευρικές δυνάμεις θα είναι πολύ αισθητή, κάνοντας το όχημα νευρικό σε ανώμαλο οδόστρωμα.
Στις περισσότερες περιπτώσεις η γωνιακή επιτάχυνση (yaw acceleration/ gain) που προκαλεί
την περιστροφή γύρω από τον άξονα «Ζ» θα μειωθεί με την αύξηση της στατικής γωνίας κάμπερ
στους πίσω τροχούς. Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι όσο το διαθέσιμο κράτημα πίσω
αυξάνει, τόσο μειώνεται η ικανότητα του αυτοκινήτου να στρίψει. Σε γενικές γραμμές,
πάντως, είναι προτιμότερο να βελτιστοποιούμε την αντίδραση του αυτοκινήτου στις εντολές
του τιμονιού μέσω αλλαγών στην πίσω γωνία κάμπερ παρά με αλλαγές στη σύγκλιση/απόκλιση.
Στην πρώτη περίπτωση, η επίδραση στο συνολικό κράτημα πίσω είναι μεγαλύτερη λόγω της
ύπαρξης των πλευρικών δυνάμεων κάμπερ.
Δυναμική αλλαγή κάμπερ
Σε αναλογία με την εξήγηση περί δυναμικών αλλαγών σύγκλισης/απόκλισης, τα περισσότερα
συστήματα αναρτήσεων μεταβάλλουν τη γωνία κάμπερ των τροχών με την κατακόρυφη κίνηση
αυτών. Σε αυτές τις περιπτώσεις, περισσότερο αρνητικό κάμπερ προσδίδεται στους τροχούς
που εκτελούν την κίνηση συμπίεσης. Το στατικό αρνητικό κάμπερ μειώνεται κατά την κίνηση
επαναφοράς. Μεταβολές μεγαλύτερες από 0,2 μοίρες ανά 10 mm κατακόρυφης μετατόπισης των
τροχών μεταβάλλουν σημαντικά την ισορροπία των πλευρικών δυνάμεων λόγω κάμπερ και
προκαλούν νευρικότητα του οχήματος σε δρόμο με ανωμαλίες. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές σε
ελαστικά με χαμηλό προφίλ (μικρότερο ή ίσο με 50).
Εάν η μεταβολή του κάμπερ είναι μεγαλύτερη στους μπροστινούς απ? ό,τι στους πίσω τροχούς,
η επιβράδυνση σε στροφή μπορεί να προκαλέσει υπερστροφή, καθώς το διαθέσιμο μπροστινό
κράτημα θα είναι μεγαλύτερο.
Η σταθερότητα και η κατευθυντικότητα του οχήματος (yaw stability) κατά την επιβράδυνση σε
στροφή εξαρτώνται σε μεγάλο ποσοστό από το διαθέσιμο πίσω κράτημα. Κατά τη βύθιση του
αυτοκινήτου εμπρός, η δυναμική αλλαγή κάμπερ πίσω θα μειώσει το αρνητικό κάμπερ και
επομένως ο τροχός θα έχει τη μέγιστη επιφάνεια πρόσφυσης με το οδόστρωμα.
Σε αυτοκίνητα με πίσω κίνηση η πρόσφυση κατά την επιτάχυνση μπορεί να μειωθεί
―ανεπαίσθητα―, εάν η δυναμική αλλαγή κάμπερ αυξήσει γρήγορα το στατικό αρνητικό κάμπερ,
καθώς θα μειωθεί η επιφάνεια πρόσφυσης. Σημαντικό ρόλο και εδώ παίζουν οι ελαστικότητες
των σημείων στήριξης, «συνεμπλόκ» και συνδέσμων της ανάρτησης, τα οποία αλλάζουν το
στατικό κάμπερ του αυτοκινήτου, όταν υπάρχουν μεγάλες πλευρικές επιταχύνσεις. Στα
αγωνιστικά αυτοκίνητα, αυτές οι αλλαγές, όπως συμβαίνει και με τη σύγκλιση/απόκλιση,
ελαχιστοποιούνται.
Γεωμετρία Ackermann
Η γεωμετρία Ackermann αναφέρεται στο σύστημα διεύθυνσης ενός αυτοκινήτου, και
συγκεκριμένα στις καμπύλες που διαγράφουν οι εμπρός τροχοί κατά τη διάρκεια της κίνησης
σε μια στροφή. Kαθώς οι καμπύλες αυτές είναι διαφορετικές μεταξύ τους, υπάρχουν
περιπτώσεις που η κίνηση των εμπρός τροχών αντιτίθεται η μία στην άλλη, καταπονώντας τα
μηχανικά μέρη και αυξάνοντας τις τριβές.
Στο σχήμα 2α φαίνονται οι τροχιές των τροχών σε μια καθορισμένη στροφή, όπου η γεωμετρία
Ackermann αναγκάζει τον εμπρός εσωτερικό τροχό να στρίψει περισσότερο από τον εξωτερικό,
«σημαδεύοντας» έτσι το «κοινό» κέντρο περιστροφής. Η μεγαλύτερη στροφή του εσωτερικού
τροχού τον αναγκάζει να κινηθεί με μεγαλύτερη γωνία ολίσθησης ως προς τον εξωτερικό.
Σύμφωνα με όσα έχουμε ήδη αναφέρει, παρόλο που η ικανότητα ανάπτυξης πλευρικής δύναμης
στον εσωτερικό τροχό μειώνεται λόγω ελάττωσης του κατακόρυφου φορτίου, μέρος αυτής
ανακτάται, καθώς ο τροχός κινείται με μεγαλύτερη γωνία ολίσθησης, συνεισφέροντας έτσι στο
συνολικό κράτημα εμπρός.
Όμως η ποικιλία των στροφών που ένα όχημα καλείται να αντιμετωπίσει αλλά και των
διαθέσιμων τροχιών που ο οδηγός μπορεί να διαλέξει για μια καθορισμένη στροφή είναι
τεράστια, επομένως είναι προφανές ότι η γεωμετρία αυτή δεν μπορεί να καλύψει όλες τις
περιπτώσεις. Μιλάμε, λοιπόν, για έναν αναπόφευκτο συμβιβασμό. Eπομένως, όσο οι ταχύτητες
και οι πλευρικές επιταχύνσεις αυξάνονται, τόσο οι απώλειες από τις τριβές που το
εσωτερικό ελαστικό αναπτύσσει (μιας και κινείται υπό γωνία ως προς την κατεύθυνση
κίνησης) αναγκάζουν τους σχεδιαστές να διαλέγουν παράλληλο ή ανάποδο Ackermann. Σε αυτή
την περίπτωση, ο εσωτερικός τροχός στρίβει το ίδιο ή και λιγότερο από τον εξωτερικό
(σχήματα 2β και 2γ), οπότε μιλάμε για γεωμετρίες Ackermann μεγαλύτερες από 100%.
Στο σχήμα 3 ορίζουμε ως 100% Ackermann τη διάταξη εκείνη της κρεμαγιέρας και των
ακρόμπαρων κατά την οποία οι προεκτάσεις από τον άξονα του «βασιλικού πίρου» (king pin
axis), μέσω των εξωτερικών σημείων των ακρόμπαρων, τέμνονται στον πίσω νοητό άξονα των
τροχών. Τα περισσότερα αυτοκίνητα παραγωγής (εμπρός κίνηση) σχεδιάζονται με γεωμετρίες
μεταξύ 50% και 80% Ackermann, αφού κινούνται στο μεγαλύτερο ποσοστό τους με μέτριες
ταχύτητες και πλευρικές επιταχύνσεις. Τιμές μεγαλύτερες από 80% τείνουν να προσδίδουν μια
νευρικότητα κατά την κίνηση στην ευθεία με υψηλές ταχύτητες. Αυτό ισχύει για αυτοκίνητα
παραγωγής και έχει ίσως να κάνει με αλληλοεπιδράσεις και μεταβολές των γωνιών ολίσθησης
μεταξύ των μπροστινών τροχών, παρόλο που οι γωνίες περιστροφής του τιμονιού στην ευθεία
είναι πολύ μικρές (μέχρι ±1 μοίρα).
Yπομονή
Tα μικρά μυστικά που κρύβονται πίσω από κάθε σύστημα ανάρτησης δεν τελειώνουν εδώ. Oι
πολλές παράμετροι και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζουν τη λειτουργία της ανάρτησης
σίγουρα απαιτούν αρκετή μελέτη για να γίνουν κατανοητά. Aυτές οι παράμετροι, όμως, είναι
απαραίτητες για να αντιληφθούμε το σύνθετο παζλ που ονομάζεται οδική συμπεριφορά.
Yπομονή, λοιπόν, μέχρι την επόμενη ενότητα, στην οποία θα ολοκληρώσουμε την αναφορά μας
σε αυτές με τη γωνία κάστερ και το offset του ελαστικού στο επίπεδο του δρόμου (scrub
radius, king pin inclination), ενώ θα αναλύσουμε και την πολύ ενδιαφέρουσα έννοια του
κέντρου περιστροφής (roll center), καθώς και τις επιδράσεις που έχει στην οδική
συμπεριφορά._ M. Z.