Αναρτήσεις (ελατήρια-αντιστρεπτικές ράβδοι)
Oι επεμβάσεις και οι αλλαγές στα ελατήρια, στα αμορτισέρ και στις αντιστρεπτικές
αποτελούν το συνηθέστερο δρόμο για τη βελτίωση της οδικής συμπεριφοράς του αυτοκινήτου.
Ωστόσο, οι επιλογές απαιτούν προσοχή και, κυρίως, γνώση των παραμέτρων λειτουργίας, ώστε
το αποτέλεσμα να είναι ανάλογο των προσδοκιών.
κείμενο: Mιχάλης Zώτος
φωτογραφίες: αρχείο 4T
Συνεχίζοντας την ενότητα των αναφορών μας στη δυναμική συμπεριφορά του αυτοκινήτου και
στις παραμέτρους που την επηρεάζουν, θα εξετάσουμε το ρόλο που παίζουν και τα μυστικά που
κρύβονται πίσω από τα αμορτισέρ, τα ελατήρια και τις αντιστρεπτικές σε μια ανάρτηση.
Ξεκινώντας, αξίζει να υπενθυμίσουμε την άμεση σχέση που έχει το κέντρο περιστροφής με την
εκλογή των ελατηρίων και αντιστρεπτικών ράβδων. Είδαμε ότι η σχετική απόσταση μεταξύ του
κέντρου περιστροφής και του κέντρου μάζας επηρεάζει το πόσο το όχημα θα τείνει να
περιστραφεί (γείρει) σε μια στροφή. Ο σχεδιαστής αναρτήσεων καλείται, σε αυτό το στάδιο,
να διαλέξει τα μέρη εκείνα της ανάρτησης που θα αντισταθούν σε αυτή την τάση για
περιστροφή. Τα μέρη της ανάρτησης που επιδρούν άμεσα στην αντίσταση κατά της περιστροφής
είναι τα αμορτισέρ, τα ελατήρια και οι αντιστρεπτικές ράβδοι. Σε αυτό το άρθρο θα
αναφερθούμε μόνο στα ελατήρια και στις αντιστρεπτικές, δίνοντας περισσότερη έμφαση στη
σχέση τους με την οδική συμπεριφορά και λιγότερη στην άνεση.
Ελατήρια
Τα ελατήρια κατασκευάζονται από ειδικά κράματα ατσαλιού και με ειδικές θερμικές και
επιφανειακές κατεργασίες αυξάνονται τα όρια κόπωσής τους. Οι κατασκευαστές σε όλο τον
κόσμο είναι στην κυριολεξία χιλιάδες, όμως η μέθοδος κατασκευής είναι περίπου η ίδια: το
αρχικό υλικό σε μορφή ράβδου (κυκλική διατομή) θερμαίνεται και περιστρέφεται γύρω απο μια
μήτρα/καλούπι που θα του δώσει την απαιτούμενη μορφή.
Κάθε ελατήριο που φορτίζεται παραμορφώνεται ελαστικά, ασκώντας μια δύναμη αντίστασης που
είναι ανάλογη της συμπίεσής του. Αυτή η σταθερά αναλογίας είναι η λεγόμενη σταθερά του
ελατηρίου. Συνήθως απαντάται σε N/mm. Ένα ελατήριο με σταθερά 70 N/mm, για παράδειγμα, θα
συμπιεστεί κατά 1 χιλιοστό όταν ασκηθεί σε αυτό μια δύναμη 70 Newton (περίπου 7 κιλά). Η
δύναμη που θα ασκήσει το ελατήριο είναι, επομένως, συνάρτηση της μετατόπισης (αυτό πρέπει
να θυμόμαστε κάθε φορά που συζητάμε για ελατήρια και αμορτισέρ). Η βασική και ουσιαστική
διαφορά είναι ότι τα αμορτισέρ ασκούν δυνάμεις που είναι ανάλογες της ταχύτητας
μετατόπισης. Η κατανόηση των διαφορών αυτών θα φανεί ιδιαίτερα χρήσιμη, όταν θα αρχίσουμε
να αναφερόμαστε στο στήσιμο του αυτοκινήτου.
Η σταθερά του ελατηρίου (η σκληρότητά του στην καθομιλουμένη) εξαρτάται ―σε αναλογία― απο
το υλικό κατασκευής και τη διατομή της αρχικής ράβδου, ενώ μεταβάλλεται αντιστρόφως
ανάλογα με τον αριθμό των σπειρών και τη συνολική εξωτερική διάμετρο του ελατηρίου. Ένα
ελατήριο με μικρότερο αριθμό σπειρών ή εξωτερική διάμετρο θα είναι σκληρότερο.
Πολλοί κατασκευαστές στηρίζονται στις παραπάνω σχέσεις για να κατασκευάσουν ελατήρια με
μεταβαλλόμενες σταθερές, τα λεγόμενα προοδευτικά ελατήρια. Oι μέθοδοι κατασκευής είναι
ουσιαστικά τρεις:
1. Ο αριθμός των ενεργών σπειρών μεταβάλλεται με διαφορετική πυκνότητα περιέλιξης. Οι
αποστάσεις μεταξύ των σπειρών είναι διαφορετικές έτσι ώστε, καθώς το ελατήριο συμπιέζεται
και ο αριθμός των ενεργών σπειρών μειώνεται, η σταθερά του ελατηρίου αυξάνεται. Είναι η
πιο διαδεδομένη μέθοδος, έχει, όμως, το μειονέκτημα ότι η σκληρότητα μεταβάλλεται όχι
προοδευτικά, αλλά με διαβαθμίσεις.
2. Η αρχική ράβδος έχει διάμετρο σταδιακά μεταβαλλόμενη: η καλύτερη μέθοδος για
πραγματικά προοδευτικό ελατήριο.
3. Η μήτρα που χρησιμοποιείται για την περιέλιξη έχει διαφορετικές διαβαθμίσεις
προσδίδοντας έτσι διαφορετικές εσωτερικές/εξωτερικές διαμέτρους στο ελατήριο. H εφαρμογή
και τοποθέτηση τέτοιων ελατηρίων, όμως, είναι δύσκολη, καθώς ο χώρος που απαιτείται στην
ανάρτηση είναι μεγάλος.
Θα περίμενε κανείς ότι, με τόσες διαθέσιμες λύσεις, η εκλογή για το σχεδιαστή αναρτήσεων
θα ήταν απλή υπόθεση. Τα πράγματα, όμως, δεν είναι τόσο απλά.
Στους υπολογισμούς που θα κάνει ο σχεδιαστής πρέπει να λάβει υπόψιν του τη χρήση του
αυτοκινήτου, τα μέγιστα φορτία που το όχημα θα μεταφέρει, την ελάχιστη απόσταση των
μηχανικών μερών απο το έδαφος, την άνεση των επιβατών, την αντίσταση στην περιστροφή
(roll stiffness) και τις απαιτήσεις ως προς την οδική συμπεριφορά.
Ο μεγαλύτερος συμβιβασμός που καλείται να επιτευχθεί είναι ανάμεσα στην οδική συμπεριφορά
και στην άνεση των επιβατών.
Eίναι σίγουρο ότι δεν μπορούμε να εμβαθύνουμε στις λεπτομέρειες ενός τόσο περίπλοκου
θέματος στον περιορισμένο χώρο αυτού του άρθρου. Aς εξετάσουμε, όμως, το απλό μοντέλο
μιας ανάρτησης, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.
Το ελαστικό μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ένα σύστημα ελατηρίου και αποσβεστήρα καθώς, ως
ελαστικό, υπακούει στο νόμο του ελατηρίου και ασκεί μια δύναμη αντίδρασης ανάλογη με τη
συμπίεσή του, ενώ λόγω των εσωτερικών τριβών μπορεί να διαχέει ενέργεια, δρώντας έτσι ως
αποσβεστήρας/αμορτισέρ.
Έτσι, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ φερόμενης (αμάξωμα, επιβάτες, κ.λπ.) και μη φερόμενης
μάζας (τροχοί, φρένα, τμήματα της ανάρτησης) έχουν να κάνουν με δυνάμεις που είναι
ανάλογες είτε των μετατοπίσεων είτε των ταχυτήτων των μετατοπίσεων.
Οι εξισώσεις που περιγράφουν τις επιμέρους κινήσεις και τις δυνάμεις που αναπτύσσονται
βασίζονται σε εξισώσεις αρμονικών ταλαντώσεων που γίνονται σταδιακά πιο περίπλοκες, όταν
σε αυτές συμπεριλάβουμε φαινόμενα μη γραμμικά (ελαστικοί σύνδεσμοι, παραμορφώσεις
μεταλλικών μερών υπό φορτίο κ.λπ.)
Aπό τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι η απλή εκλογή ενός σκληρότερου ελατηρίου είναι
βέβαιο ότι θα διαταράξει τις λεπτές ισορροπίες που ο κατασκευαστής έχει καθορίσει, ύστερα
απο πολλές μελέτες και υπολογισμούς. Σε όλες ανεξαιρέτως τις περιπτώσεις, ένα σκληρότερο
ελατήριο από αυτό του κατασκευαστή ―χωρίς καμία άλλη αλλαγή― θα μειώσει την άνεση των
επιβατών και σε σπάνιες περιπτώσεις θα βελτιώσει πραγματικά την οδική συμπεριφορά.
Μια και η περαιτέρω εμβάθυνση είναι εκτός των ορίων αυτού του άρθρου, ας προσπαθήσουμε
τουλάχιστον να καταγράψουμε μερικές βασικές αρχές/αλήθειες σχετικά με τα ελατήρια:
? Η άνεση των επιβατών έχει να κάνει με τις υποκειμενικές αντιδράσεις τους στις δυνάμεις
και στις επιταχύνσεις που ασκούνται στο σώμα τους από το προφίλ του δρόμου μέσω της
ανάρτησης. H βελτιστοποίηση της άνεσης των επιβατών επιτυγχάνεται με τη μείωση της
συχνότητας ταλαντώσεων, άρα με μαλακότερα ελατήρια. Παρ? όλα αυτά, υπάρχει ένα κατώτατο
όριο στην εκλογή μαλακών ελατηρίων. Ένα μαλακό ελατήριο θα επιτρέψει μεγαλύτερη
μετατόπιση του τροχού για μια δεδομένη διέγερση και, συχνά, η ταχύτητα αυτής της
μετατόπισης είναι μεγαλύτερη, με αποτέλεσμα το αμορτισέρ να αναπτύσσει μεγάλες δυνάμεις
αντίδρασης οι οποίες μεταδίδονται στην καμπίνα των επιβατών και μειώνουν την άνεση.
? Για να υπάρχει μια λογική συνέπεια στις συγκρίσεις μεταξύ αυτοκινήτων και σταδίων
βελτίωσης, πρέπει πάντα να αναφερόμαστε όχι στη σταθερά του ελατηρίου αλλά στη σταθερά η
οποία ανάγεται στον τροχό (wheel rate). Λόγω των διαφορετικών συστημάτων ανάρτησης και
μοχλικών σχέσεων, η σκληρότητα που «βλέπει» ο τροχός σε κάθε περίπτωση είναι διαφορετική.
Για παράδειγμα, σε μια ανάρτηση τύπου McPherson, το ελατήριο εδράζεται εσωτερικά του
τροχού σε μια απόσταση που συνήθως ορίζει μια μοχλική σχέση 0,9 πρός 1. Αυτό σημαίνει ότι
η μετατόπιση του τροχού κατά ένα χιλιοστό σε βύθιση μεταφράζεται σε μετατόπιση μόνο 0,9
χιλιοστών στον άξονα κίνησης του ελατηρίου. Μια και οι δυνάμεις μεταβάλλονται ανάλογα,
ένα ελατήριο με σταθερά 70 N/mm θα έχει σταθερά μόλις 56,7 N/mm = 70/ 0,92 N/mm στον
τροχό (wheel rate).
Η έκφραση, λοιπόν, ότι το αυτοκίνητο Χ φοράει σκληρότερα ελατήρια από το αυτοκίνητο Ψ,
άρα έχει σκληρότερη ανάρτηση, δείχνει ημιμάθεια και οδηγεί σχεδόν πάντα σε λανθασμένα
συμπεράσματα.
? Σκληρότερα ελατήρια στην εμπρός ανάρτηση μπορούν να αυξήσουν την κατευθυντικότητα και
την αντίδραση του οχήματος στις εντολές του τιμονιού όσο το ελαστικό βρίσκεται στη
γραμμική περιοχή λειτουργίας. Πολύ σκληρά ελατήρια θα οδηγήσουν στη μεταφορά και στην
ανάπτυξη φορτίων στα ελαστικά με μεγάλη ταχύτητα. Όταν η ταχύτητα αυτή είναι μεγαλύτερη
από την ταχύτητα ανάπτυξης της γωνίας ολίσθησης, το ελαστικό δεν είναι έτοιμο να
«παραλάβει» κατακόρυφα φορτία και να αναπτύξει πλευρικά, με αποτέλεσμα την απώλεια
πρόσφυσης. Σε αυτή την παρατήρηση στηρίζεται το μεγαλύτερο μέρος της φιλοσοφίας περί
στησίματος αυτοκινήτων. Τα κατακόρυφα φορτία στα ελαστικά πρέπει να αναπτύσσονται
συγχρόνως με την ανάπτυξη της γωνίας ολίσθησης. Φορτία που αναπτύσσονται αργότερα οδηγούν
σε αργές αντιδράσεις, ενώ φορτία που αναπτύσσονται γρηγορότερα οδηγούν σε απώλεια
πρόσφυσης.
? Με πολύ σκληρά ελατήρια η απώλεια πρόσφυσης θα είναι πιο απρόβλεπτη και θα εμφανίζεται
χωρίς προειδοποίηση, όταν τα ελαστικά βρίσκονται εκτός της γραμμικής περιοχής λειτουργίας
τους.
? Σε περίπτωση που θέλουμε να αντικαταστήσουμε τα ελατήρια του κατασκευαστή θα πρέπει να
προσέξουμε ώστε τα νέα ελατήρια να δίνουν το ίδιο ύψος αμαξώματος από το έδαφος (ride
height) ανεξαιρέτως της σκληρότητάς τους. Σε αυτή την περίπτωση, αναφερόμαστε στο μήκος
του ελατηρίου υπό συγκεκριμένο φορτίο (compressed length at ride height) Μόνο τότε θα
είμαστε σίγουροι ότι συγκρίνουμε με όλες τις υπόλοιπες παραμέτρους σταθερές.
Αντιστρεπτικές Ράβδοι ? Antiroll Bars
Όπως προδίδει και το όνομα, ο κύριος λόγος ύπαρξης των αντιστρεπτικών ράβδων είναι η
μείωση της περιστροφής του οχήματος γύρω απο το διαμήκη άξονα (roll). Η αντιστρεπτική
ράβδος είναι, ουσιαστικά, ένα ελατήριο που απλώς δεν είναι τυλιγμένο γύρω από ένα
καλούπι. Ενώνει τμήματα της ανάρτησης του ίδιου άξονα με τα σημεία εφαρμογής όσο το
δυνατόν κοντύτερα στον τροχό (σχήμα 2).
Η κατακόρυφη κίνηση των τροχών αναπτύσσει ένα ζεύγος δυνάμεων στα άκρα της ράβδου που την
αναγκάζουν να περιστραφεί. Κατά την περιστροφή της ράβδου, φορτία αφαιρούνται από τον
εσωτερικό τροχό και προστίθενται στον εξωτερικό. Η σταθερά ή σκληρότητα της
αντιστρεπτικής δίνεται συνήθως σε μονάδες Nm/deg, δηλαδή πόση ροπή χρειάζεται για να
περιστρέψει τη ράβδο κατά 1 μοίρα.
Η εκλογή του μεγέθους της αντιστρεπτικής είναι άλλος ένας πονοκέφαλος για το μηχανικό
αναρτήσεων. Ευτυχώς, οι ακόλουθοι κανόνες κάνουν τη διαδικασία πιο εύκολη.
? H αντιστρεπτική ενώνει τους τροχούς του ίδιου άξονα, επομένως όσο μεγαλύτερη σκληρότητα
έχει τόσο μικρότερη είναι η ανεξαρτησία των τροχών στις κατακόρυφες κινήσεις τους.
? Κάθε κατακόρυφη κίνηση του τροχού προκαλεί μια περιστροφή/φόρτιση της αντιστρεπτικής
και, έτσι, μια αλλαγή στα κατακόρυφα φορτία του έτερου τροχού του ίδιου άξονα.
? Σε αναλογία με τα ελατήρια είναι απαραίτητο να ξέρουμε τη μοχλική σχέση μεταξύ
αντιστρεπτικής και κατακόρυφου άξονα κίνησης του τροχού ώστε να μπορούμε να ορίσουμε τη
σταθερά του τροχού λόγω της αντιστρεπτικής (wheel rate from antiroll bar). Και εδώ
βασικοί υπολογισμοί μπορούν να γίνουν εύκολα, αρκεί να μετατρέψουμε τα χιλιοστά της
κατακόρυφης κίνησης του τροχού σε περιστροφή της αντιστρεπτικής σε μοίρες και να
υπολογίσουμε τα φορτία που ασκούνται στον τροχό. Έτσι μπορούμε να περιγράψουμε τη σταθερά
του τροχού λόγω της αντιστρεπτικής σε N/mm .
? Στις περισσότερες περιπτώσεις πρέπει να διαλέγουμε τη μικρότερη αντιστρεπτική ράβδο
ώστε να διατηρούμε το μεγαλύτερο ποσοστό ανεξαρτησίας στους τροχούς. Ένας πολύ καλός
κανόνας προτρέπει να έχουμε τη σταθερά τροχού λόγω της αντιστρεπτικής μικρότερη απο το
50% της σταθεράς τροχού λόγω του ελατηρίου.
? Τα φορτία μεταφέρονται στους τροχούς με έναν καθορισμένο τρόπο: πρώτα, μέσω των
μηχανικών συνδέσμων της ανάρτησης, μετά μέσω των αμορτισέρ και των ελατηρίων και,
τελευταία, μέσω της αντιστρεπτικής ράβδου. Έτσι, για μετατροπές που σκοπό έχουν τη
βελτίωση στις άμεσες αντιδράσεις του οχήματος οι σχεδιαστές σπάνια καταφεύγουν στην
αντιστρεπτική ράβδο.
? Σύμφωνα με αυτά που ήδη έχουμε αναφέρει στα προηγούμενα άρθρα, σχετικά με τα ελαστικά
και τη σχέση πλευρικού φορτίου, γωνίας ολίσθησης και κατακόρυφου φορτίου, αξίζει να
θυμηθούμε ότι: το κράτημα που κερδίζουμε στον εξωτερικό τροχό λόγω αύξησης φορτίου είναι
μικρότερο απο το κράτημα που χάνουμε στον εσωτερικό τροχό λόγω ελάττωσης φορτίου. Eπειδή,
λοιπόν, λόγω της λειτουργίας της, η αντιστρεπτική ράβδος μεταφέρει φορτία απο τον
εσωτερικό στον εξωτερικό τροχό, μειώνει, τελικά, το συνολικό κράτημα στον άξονα του
αυτοκινήτου που επιδρά. Αυτή είναι η βασική αιτία και εξήγηση για την αύξηση της
υποστροφικής συμπεριφοράς με σκληρότερες αντιστρεπτικές εμπρός η την αύξηση της
υπερστροφικής συμπεριφοράς με σκληρότερες αντιστρεπτικές πίσω. Στην αναμενόμενη ερώτηση
γιατί τις χρειαζόμαστε, η απάντηση είναι εύκολη: Χωρίς τις αντιστρεπτικές, θα
αναγκαζόμαστε να ελέγξουμε την περιστροφή του αμαξώματος (roll) με πολύ σκληρά ελατήρια,
με αρνητικές επιδράσεις στην άνεση και στην πρόσφυση.
? Σε δρόμους με εγκάρσιες και κατακόρυφες ανωμαλίες τα φορτία στους τροχούς μεταβάλλονται
συνεχώς από τις φορτίσεις της αντιστρεπτικής. Μια και οι περιπτώσεις κατακόρυφης κίνησης
των τροχών στην πράξη είναι σχεδόν πάντα «εκτός φάσεως» (ο ένας τροχός κινείται σε βύθιση
και ο άλλος σε επαναφορά), τα κατακόρυφα φορτία μεταβάλλονται με τέτοιο τρόπο ώστε η
πρόσφυση να μειώνεται δραματικά κατά την επιτάχυνση. Στην επόμενη εξόρμηση, σε διαδρομές
με αρκετές ανωμαλίες, δοκιμάστε να αποσυνδέσετε τις αντιστρεπτικές ράβδους. Η βελτίωση
στην πρόσφυση κατά την επιτάχυνση θα είναι σημαντική. Προσοχή, όμως! Ξανασυνδέστε τις
αντιστρεπτικές, γιατί σε δρόμους με καλή πρόσφυση το αμάξωμα θα τείνει να γέρνει πολύ
στις στροφές και θα σας τρομάξει._ M. Z.
O Mιχάλης Zώτος είναι Mηχανολόγος Mηχανικός με μάστερ στην Tεχνολογία Oχημάτων. Έχει
εργαστεί στο τμήμα εξέλιξης αυτοκινήτων παραγωγής της Rover και της Ford, ενώ τα
τελευταία χρόνια εργάζεται στις αγωνιστικές ομάδες της Opel, της Subaru και της
Mitsubishi. Φέτος, επέστρεψε και πάλι στη Subaru ως υπεύθυνος για το αυτοκίνητο του Tόμι
Mάκινεν.