Eλαστικά
Kρατήστε επαφήΗ κατανόηση των αρχών και των παραμέτρων που επηρεάζουν τη συμπεριφορά των ελαστικών, της
μόνης διόδου επικοινωνίας του αυτοκινήτου με το δρόμο, αποτελεί μια γνώση απαραίτητη για
κάθε οδηγό, καθώς σχετίζεται άμεσα με την οδική συμπεριφορά και την ασφάλεια του
οχήματος.
Kείμενο: Mιχάλης Zώτος
Φωτογραφίες: αρχείο 4T
Aντί προλόγου
TA ελαστικά ανοίγουν τον κύκλο μιας σειράς τεχνικών αφιερωμάτων του περιοδικού μας στη
δυναμική των οχημάτων. Με τη βοήθεια λοιπόν του έμπειρου μηχανολόγου και καλού μας φίλου
Μιχάλη Ζώτου, ο οποίος είναι ο μόνος Έλληνας τεχνικός σε ομάδα του Π.Π.Ρ., θα βάλουμε στο
μικροσκόπιο μερικά από τα υποσυστήματα του αυτοκινήτου, με σκοπό την ανάλυση του τρόπου
αλλά και της σημασίας που έχει η λειτουργία τους στη συνολική συμπεριφορά του οχήματος.
Θα ξεκινήσουμε από τα ελαστικά και στη συνέχεια θα αναφερθούμε στη γεωμετρία της
ανάρτησης, στα ελατήρια και τα αμορτισέρ, στα ελεγχόμενα διαφορικά, αλλά και σε πιο
ειδικά θέματα που έχουν να κάνουν, για παράδειγμα, με τη διαδικασία των δοκιμών και την
εξέλιξη ενός αυτοκινήτου, και φυσικά θα ασχοληθούμε με ό,τι άλλο προκύψει από τις απορίες
και τις ερωτήσεις που θα δημιουργηθούν.
Τα άρθρα του αφιερώματος σε καμία περίπτωση δε θα αποτελούν τεχνικά εγχειρίδια, και αυτό
γιατί θα προσεγγίζουν τα θέματα περισσότερο ποιοτικά παρά ποσοτικά, ώστε να γίνονται
κατανοητά. Περισσότερα απτά παραδείγματα, δηλαδή, και λιγότερες εξισώσεις και αριθμοί. Δε
θα πρέπει να ξεχνάμε πως κανένα από τα θέματα που θα παρουσιαστούν δεν μπορεί να
εξαντληθεί μέσα σε λίγες σελίδες. Σκοπός, άλλωστε, είναι η κατανόηση των αρχών της
δυναμικής οχημάτων, των αρχών που εφαρμόζονται παντού, είτε πρόκειται για αυτοκίνητα
παραγωγής, αγώνων, φορτηγά είτε για? τρακτέρ. Καμιά έκπληξη λοιπόν, όταν η υποστροφή που
παρουσιάζεται σε ένα φορτηγό εξηγείται με τα ίδια επιχειρήματα που εξηγείται και η
υποστροφή ενός? WRC! Mόνο οι αριθμοί διαφέρουν.
Τυφλή υπακοή
Περίεργος ο τίτλος. Aυτές οι δύο λέξεις, όμως, πρέπει να μείνουν στο μυαλό μας. Τυφλή
υπακοή δείχνει ο οδηγός (μερικές φορές χωρίς να το ξέρει) στα μηνύματα που παίρνει από τα
ελαστικά του αυτοκινήτου του, αλλά αντίστοιχη υπακοή επιδεικνύουν και όλοι οι μηχανικοί
και σχεδιαστές αναρτήσεων στα ελαστικά ή, για να είμαστε πιο ακριβείς, στους κανόνες που
διέπουν τη συμπεριφορά τους. Καμιά αναφορά ή συζήτηση δεν μπορούμε να κάνουμε για
αναρτήσεις, γεωμετρίες και συστήματα μετάδοσης, εάν δεν γνωρίσουμε πρώτα καλά τα ελαστικά
και την πραγματική τους σημασία στη συμπεριφορά του αυτοκινήτου.
Aρχικά, θα εξετάσουμε τη συμπεριφορά των ελαστικών όταν το αυτοκίνητο κινείται επάνω σε
στροφή. Πρώτα όμως θα πρέπει να γίνουν κατανοητά κάποια μεγέθη που σχετίζονται με την
αρχή λειτουργίας των ελαστικών. Ένα από αυτά είναι και η γωνία ολίσθησης. Μην
πανικοβάλλεστε με αυτό τον όρο. Σκεφθείτε για λίγο ένα απλό παράδειγμα (σχήμα 1) με μια
γόμα σαν αυτές που χρησιμοποιούμε για να σβήνουμε. Πιέζοντας και συγχρόνως περιστρέφοντας
τη γόμα πάνω στο γραφείο, θα δούμε ότι το κομμάτι που είναι σε επαφή με την επιφάνεια του
γραφείου διατηρεί τον προσανατολισμό του ―«κοιτάει» μπροστά―, ενώ όσο απομακρυνόμαστε από
την επιφάνεια το υπόλοιπο υλικό υπόκειται σε μια περιστροφή. Τα πράγματα είναι λίγο πιο
περίπλοκα από αυτήν τη στατική κατάσταση όταν έχουμε να κάνουμε με ένα ελαστικό σε ένα
αυτοκίνητο που κινείται. Η βασική αρχή, όμως, παραμένει η ίδια και το ελαστικό προσπαθεί
να διατηρήσει τον προσανατολισμό του στο κομμάτι του που βρίσκεται σε επαφή με το δρόμο,
αφήνοντας, ωστόσο, το υπόλοιπο τμήμα του να περιστραφεί ανάλογα με τις εντολές που δίνει
το τιμόνι. Πρακτικά, κάθε φορά που στρίβουμε, ο τροχός «σημαδεύει» τη στροφή πάντα πιο
μέσα από εκεί που πραγματικά κατευθύνεται το αυτοκίνητο (σχήμα 2). Η γωνία αυτή μεταξύ
της πραγματικής κατεύθυνσης του αυτοκινήτου και της κατεύθυνσης των τροχών ονομάζεται
γωνία ολίσθησης. Eδώ επιβάλλεται άλλη μια διευκρίνιση: δε θα πρέπει να συγχέουμε σε αυτό
τον ορισμό την ολίσθηση με το γλίστρημα.
«Εάν, λοιπόν, το κομμάτι εκείνο που βρίσκεται σε επαφή με το δρόμο προσπαθεί να
διατηρήσει τον αρχικό προσανατολισμό του, γιατί στρίβουμε τελικά» θα αποτελούσε μια
βιαστική ερώτηση, εάν δε δίναμε τη δέουσα προσοχή στη λέξη «προσπαθεί». Tελικά, οι
δυνάμεις που αναπτύσσονται αναγκάζουν το ελαστικό να στρίψει. Από αυτό τον εξαναγκασμό
(δυνάμεις στο επίπεδο του δρόμου και δυνάμεις από την κρεμαγιέρα), το υλικό του ελαστικού
κινείται συνεχώς. Αυτή η κίνηση (εσωτερική τριβή) και οι τριβές στο επίπεδο του δρόμου
είναι οι κύριοι μηχανισμοί ανάπτυξης υψηλών θερμοκρασιών στο ελαστικό. Παρόλο που με
διάφορους μηχανισμούς μέρος της θερμότητας θα διοχετευθεί εκτός ελαστικού, σημαντικό
μέρος της ενέργειας αποθηκεύεται, με αποτέλεσμα τη διαρκή αύξηση της θερμοκρασίας. Eπειδή
η γωνία ολίσθησης, όπως περιγράφηκε πιο πάνω, είναι πάντα παρούσα, τελικά στρίβουμε το
τιμόνι πάντα περισσότερο απ? όσο θέλουμε.
Γιατί, τελικά, τόση επιμονή στην παραπάνω περιγραφή; Ο στόχος ήταν και παραμένει η
ποιοτική αναφορά στη δυναμική οχημάτων, και θα εκπλαγούμε όταν συνειδητοποιήσουμε πόσα
στηρίζονται σε αυτή την περιγραφή, πόσο γρήγορα ένα ελαστικό υπακούει, πόσο γρήγορα
αναπτύσσεται η γωνία ολίσθησης σε κάθε τροχό και πόσο διαφορετικά σε σχέση με τους άλλους
τροχούς (χρονικά και ποσοτικά). Ίσως λοιπόν αρχίσουμε να καταλαβαίνουμε ποιο είναι το
μυστικό και γιατί μερικά αυτοκίνητα αρέσουν περισσότερο από άλλα βάσει της οδικής τους
συμπεριφοράς.
Οι πλευρικές δυνάμεις, που διαμορφώνουν τελικά το κράτημα και οι οποίες αναπτύσσονται στο
κομμάτι του ελαστικού που βρίσκεται σε επαφή με το δρόμο, σχετίζονται άμεσα με τη γωνία
ολίσθησης (σχήμα 3). Για μικρές γωνίες ολίσθησης (περιοχή Α), η σχέση είναι γραμμική. Σε
αυτή την περιοχή μπορούμε να τολμήσουμε και να συσχετίσουμε τη γωνία ολίσθησης με τη
γωνία περιστροφής του τιμονιού. Αυτός ο συσχετισμός μπορεί να μην είναι απόλυτα ορθός,
αλλά ίσως βοηθήσει στην κατανόηση του τι συμβαίνει. Για μικρές γωνίες περιστροφής, οι
δυνάμεις που μπορεί να αναπτύξει ένα ελαστικό εξαρτώνται (όχι αποκλειστικά) από τη γωνία
ολίσθησης/περιστροφής του τιμονιού. Οι γωνίες για τις οποίες μιλάμε κυμαίνονται μεταξύ 0
και 10 μοιρών. Αφού λοιπόν οι σχέσεις στην περιοχή Α, που αντιπροσωπεύει το? 99% των
μετακινήσεών μας, διέπονται από αυτόν το γραμμικό νόμο, ξέρουμε πάντα τι να περιμένουμε.
Στους αγώνες και στη γρήγορη οδήγηση, όμως, τα πράγματα είναι διαφορετικά.
Μετά τη γραμμική περιοχή μπαίνουμε στην περιοχή «ετοιμότητας» (περιοχή Β). Εδώ τα
πράγματα δεν είναι τόσο ξεκάθαρα. Σε αυτή την περιοχή το ελαστικό αναπτύσσει μεν τη
μέγιστη πλευρική δύναμη, αλλά δεν ξέρουμε πότε ακριβώς. Στο σχήμα φαίνεται καθαρά ότι
στην κορυφή της καμπύλης έχουμε τη μέγιστη δύναμη (για τα περισσότερα ελαστικά, αυτή
βρίσκεται μεταξύ 10 και 15 μοιρών). Εκεί, για μικρές περιστροφές του τιμονιού γύρω από
την κορυφή οι δυνάμεις δε μεταβάλλονται σημαντικά. Σε αυτή την περιοχή έχουμε το μέγιστο
συντελεστή τριβής. Αυτό το σημείο καθορίζει και το όριο του ελαστικού, καθώς πέρα από
αυτό ο συντελεστής τριβής μειώνεται και προσεγγίζει το συντελεστή τριβής ολίσθησης, όπου
το ελαστικό ―και επομένως το αυτοκίνητο― αρχίζει πλέον να γλιστράει. Έτσι, εάν το
παρακάνουμε, μπαίνουμε στην περιοχή Γ, στην οποία η δυνατότητα του ελαστικού να μεταφέρει
πλευρικές δυνάμεις μειώνεται δραματικά. Tο αποτέλεσμα σε αυτή την περίπτωση είναι η
έξοδος από το δρόμο, εκτός και αν διορθώσουμε το λάθος και επιστρέψουμε στην περιοχή Β ή
ακόμα και στην περιοχή Α.
H παραπάνω περιγραφή είναι σίγουρα υπεραπλουστευμένη, μια και τα φαινόμενα μεταφοράς
βάρους, δυναμικής αλλαγής χαρακτηριστικών γεωμετρίας της ανάρτησης, κινηματικής σύγκλισης
και απόκλισης, καθώς και τα φαινόμενα ελαστικότητας των μηχανικών μερών δε λαμβάνονται
υπόψη. Υπάρχει λόγος για την απλουστευμένη περιγραφή. H επίδραση των φαινομένων που εδώ
παραλήφθηκαν μπορεί με επιτυχία να απεικονιστεί στον κύκλο πρόσφυσης που αναλύεται
παρακάτω.
Είδαμε μέχρι τώρα πώς η πλευρική δύναμη που μπορεί να μεταφέρει ένα ελαστικό σχετίζεται
με τη γωνία ολίσθησης. Καιρός να δούμε πώς σχετίζεται και με την κατανομή του βάρους σε
κάθε τροχό. Όπως περιμέναμε, η δυνατότητα μεταφοράς πλευρικών δυνάμεων, το κράτημα,
αυξάνεται με την αύξηση του κατακόρυφου φορτίου, μια σχέση που δεν είναι γραμμική. Kαθώς
το ελαστικό θα δέχεται όλο και περισσότερο φορτίο, θα κρατάει συνεχώς καλύτερα μέχρι ενα
σημείο, μετά το οποίο αρχίζει να παραμορφώνεται. Τα πράγματα γίνονται πιο περίπλοκα και
ενδιαφέροντα, αν αναλογιστούμε ότι έχουμε να κάνουμε με τέσσερις τροχούς και φορτία που
συνεχώς μεταβάλλονται. Kαθώς το αυτοκίνητο στρίβει, η αύξηση του κατακόρυφου φορτίου στον
εξωτερικό τροχό προκαλεί αύξηση της πλευρικής δύναμης που αναπτύσσει το ελαστικό, ενώ
ταυτόχρονα λόγω της ελάττωσης του κατακόρυφου φορτίου γίνεται ακριβώς το αντίθετο στον
εσωτερικό τροχό. Θα πρέπει να σημειωθεί, όμως, πως το κράτημα που κερδίζουμε στον
εξωτερικό τροχό είναι μικρότερο από το κράτημα που χάνουμε στον εσωτερικό τροχό. Υπεύθυνη
γι? αυτή την κατάσταση είναι η ικανότητα του ελαστικού να διατηρεί το σχήμα του υπό την
επιβολή πλευρικών φορτίων. Αυτή είναι σχεδόν ίδια στα περισσότερα ελαστικά και μειώνεται
με την αύξηση του κατακόρυφου φορτίου. Eπίσης, η καμπύλη της γωνίας ολίσθησης ποικίλλει
ανάλογα με το μέγεθος του κατακόρυφου φορτίου (σχήμα 4). Ένα άλλο σημαντικό
χαρακτηριστικό της συμπεριφοράς του ελαστικού είναι η μείωση του συντελεστή τριβής καθώς
αυξάνεται το κατακόρυφο φορτίο. Εδώ, η εξήγηση είναι λίγο πιο περίπλοκη, μια και έχει να
κάνει με τον τρόπο που το ελαστικό έρχεται σε επαφή με το οδόστρωμα και αναπτύσσει
δυνάμεις τριβής σε μικρότερη κλίμακα.
Εύλογα στο σημείο αυτό θα αρχίσουν τα ερωτήματα: τελικά, ποιος από τους παραπάνω
παράγοντες έχει μεγαλύτερη ισχύ; Oι πλευρικές δυνάμεις αυξάνονται με την αύξηση της
γωνίας ολίσθησης, με το κατακόρυφο φορτίο, αλλά ο συντελεστής τριβής μειώνεται, οπότε
τελικά τι γίνεται; H ακριβής απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα απαιτεί εξισώσεις που θα
κάνουν τα πράγματα ιδιαίτερα πολύπλοκα. Σε γενικές γραμμές, μεγαλύτερη σημασία έχουν τα
όσα αναφέρθηκαν για τα σχήματα 3 και 4.
Η? βαρετή ευθεία
Λιγότερο πολύπλοκα είναι τα πράγματα όταν κινούμαστε σε ευθεία. Tα ελαστικά, εκτός από
τις πλευρικές δυνάμεις, καλούνται να αναπτύξουν και διαμήκεις δυνάμεις (θετικές όταν
επιταχύνονται, αρνητικές όταν επιβραδύνονται). Κατ? αναλογία με τη γωνία ολίσθησης όταν
το αυτοκίνητο κινείται σε μια στροφή, μπορούμε να ορίσουμε ολίσθηση και στην ευθεία. Οι
διαμήκεις δυνάμεις που μπορεί να αναπτύξει ένα ελαστικό εξαρτώνται από αυτή την ολίσθηση.
Η ισορροπία είναι πολύ ευαίσθητη, μια και εάν υπερβούμε μια συγκεκριμένη τιμή, το
ελαστικό γλιστράει πλέον επάνω στην άσφαλτο και έχουμε σπινάρισμα ή μπλοκάρισμα του
τροχού ανάλογα με την περίπτωση. Ωστόσο, ένα ποσοστό ολίσθησης είναι απαραίτητο. Έτσι,
για παράδειγμα, η μέγιστη δύναμη επιβράδυνσης σε στεγνό οδόστρωμα επιτυγχάνεται σε
ποσοστό ολίσθησης μεταξύ 10%-20%. Και εδώ προσοχή χρειάζεται ο διαχωρισμός των εννοιών
ολίσθησης και γλιστρήματος. Mε απλά λόγια μπορούμε να πούμε ότι ολίσθηση είναι αυτό που
δε βλέπουμε, ενώ γλίστρημα είναι αυτό που καταλαβαίνουμε και? ακούμε (σπινάρισμα ή
μπλοκάρισμα).
Tο συμπέρασμα
Μετά τις ξεχωριστές αναφορές στη στροφή και την ευθεία, το εύλογο ερώτημα είναι τι
γίνεται στην πράξη όταν ένα αυτοκίνητο στρίβει και συγχρόνως επιταχύνει ή επιβραδύνει.
Πώς συμπεριφέρεται το ελαστικό σε αυτή την περίπτωση και σε ποιους νόμους υπακούει;
Το ελαστικό συμπεριφέρεται όπως και εμείς, όταν μας ζητηθεί να κάνουμε πολλά πράγματα
συγχρόνως: δυσανασχετεί. Aυτό φαίνεται πολύ καλά στον κύκλο πρόσφυσης (ή κύκλο του Kαμ)
του σχήματος 5, που αποτυπώνει τα όρια της επίδοσης του ελαστικού. Oι διαμήκεις και
πλευρικές δυνάμεις αποτελούν τις δύο συνιστώσες της συνολικής δύναμης, το μέγιστο της
οποίας ορίζεται από τον κύκλο πρόσφυσης. Έτσι, γίνεται εύκολα αντιληπτό το ότι εφόσον η
μέγιστη τιμή της συνισταμένης είναι δεδομένη και ίση με την ακτίνα του κύκλου πρόσφυσης,
η μέγιστη τιμή που μπορεί να πάρει καθεμία από τις συνιστώσες είναι η τιμή της
συνισταμένης. Όταν μηδενίζεται η πλευρική δύναμη (σε ευθεία), τότε η ικανότητα μεταφοράς
διαμήκους δύναμης είναι η μέγιστη. Όταν μηδενίζεται η διαμήκης δύναμη (χωρίς γκάζι ή
φρένο στη στροφή), τότε η ικανότητα μεταφοράς πλευρικής δύναμης μεγιστοποιείται. Για
παράδειγμα, εάν το αυτοκίνητο βρίσκεται σε στροφή και έχει αναπτύξει πλευρικές δυνάμεις,
αυτές θα μειωθούν εάν το αναγκάσουμε να φρενάρει ή να επιταχύνει. Θα πρέπει να
διευκρινίσουμε ότι ο θεωρητικός κύκλος πρόσφυσης είναι στην πραγματικότητα έλλειψη, καθώς
οι δυνάμεις επιβράδυνσης-επιτάχυνσης είναι κατά κανόνα μεγαλύτερες από τις πλάγιες.
Tην επόμενη φορά, λοιπόν, που θα ακούσουμε τα λάστιχά μας να στριγκλίζουν και θα νιώσουμε
το αυτοκίνητο να ξεφεύγει από την τροχιά του, ας θυμηθούμε όσα αναφέρθηκαν. Eίναι πολύ
βασικό να καταλάβουμε την αιτία των όποιων αντιδράσεων, για να μπορέσουμε να τις
αποφύγουμε ή με τους κατάλληλους χειρισμούς να τις εξουδετερώσουμε. Σε κάθε περίπτωση ο
οδηγός θα πρέπει να προσπαθεί να μη διαταράσσει τις ισορροπίες που γίνονται ιδιαίτερα
ευαίσθητες όσο πλησιάζει στα όρια._ M. X.
φωτό Zώτος
Mιχάλης Zώτος
O Έλληνας που γεννήθηκε το 1967 και μεγάλωσε στο Kορωπί είναι αυτήν τη στιγμή ο μόνος
συμπατριώτης μας που έχει την τύχη και τις ικανότητες να βρίσκεται σε μια αγωνιστική
ομάδα του WRC. Aπό τα παιδικά του χρόνια αγαπούσε τους αγώνες, σπούδασε Mηχανολόγος
Mηχανικός στο E.M.Π. και στη συνέχεια έκανε μάστερ στην Aγγλία, στην Tεχνολογία Oχημάτων.
Aμέσως μετά έπιασε δουλειά σε μια αγωνιστική ομάδα του Bρετανικού Πρωταθλήματος και
εργάστηκε στα τμήματα έρευνας και εξέλιξης για αυτοκίνητα παραγωγής της Rover και της
Ford, στους τομείς δυναμικής, κινητήρα και αναρτήσεων. Έπειτα συμμετείχε σε ένα μίνι
πρότζεκτ για την εξέλιξη της ανάρτησης του Ford Escort WRC, λίγο πριν αντικατασταθεί από
το Focus. Στη συνέχεια και για δύο χρόνια, έλαβε μέρος ως μηχανικός στο τμήμα έρευνας και
εξέλιξης του Pέιν Mάλοκ Λίμιτεντ για το Opel Astra kit car. Aμέσως μετά μεταπήδησε στην
Prodrive, όπου για ένα χρόνο εργάστηκε στο τμήμα πελατών και αργότερα στο τμήμα εξέλιξης
αναρτήσεων και αμορτισέρ για το Subaru Impreza WRC. Mάλιστα, η ανάρτηση που είχε το
αυτοκίνητο του Mάκινεν στο φετινό Mόντε είχε εξελιχθεί από τον ίδιο. Σήμερα ανήκει στην
ομάδα των τεχνικών της Marlboro Mitsubishi RalliArt.