Αιτίες και οι τρόποι με τους οποίους ένα αυτοκίνητο μπορεί να γίνει πιο υπερστροφικό ή πιο υποστροφικό. Εντάξει… εντάξει. Το ξέρω ότι το ξέρετε. Το βάρος.
Το βάρος είναι το πρώτο στοιχείο από το οποίο εξαρτάται η (υπέρ ή υπό) στροφική συμπεριφορά ενός οποιουδήποτε τροχοφόρου οχήματος στη Γη. Καλύτερο, όμως, είναι να πούμε ότι ο βασικότερος λόγος επηρεασμού της οδικής συμπεριφοράς ενός αυτοκινήτου είναι ο τρόπος, με τον οποίο το βάρος του οχήματος κατανέμεται ανάμεσα στον μπροστινό και τον πίσω άξονά του.
Αλλά, αυτός ο λόγος δεν είναι και ο μόνος. Το βάρος στις στροφές τείνει να μετατοπιστεί, ή ακόμα κι αν δεν μετατοπιστεί το βάρος, αυτό που σίγουρα τείνει να μετατοπιστεί είναι το σημείο εφαρμογής της δύναμής του. Η μετατόπιση αυτή γίνεται προς το εξωτερικό της στροφής και αφορά απόλυτα το σχεδιασμό του σασί. Γιατί εκτός από το βάρος του το ίδιο, έχει να κάνει και με τις διαστάσεις του, αλλά και, κυρίως, με τις αναρτήσεις.
Μεταβάλλοντας λοιπόν την κατανομή του βάρους ανάμεσα στα λάστιχα ενός αυτοκινήτου, μπορούμε να μεταβάλλουμε την οδική συμπεριφορά του κάνοντάς το πιο υπερστροφικό ή πιο υποστροφικό. Πώς γίνεται αυτό; Διαβάστε αυτό το κεφάλαιο και μη φοβάστε, θα το καταλάβετε αμέσως. Εδώ υπάρχουν αναγνώστες που έχουν αρχίσει να καταλαβαίνουν τι γίνεται, ακόμα και σε κεφάλαια όπως εκείνο με την ενεργό μετάδοση!
Τα φορτία της πρόσφυσης
Όσο πιο μεγάλο βάρος πέσει πάνω σΆ έναν τροχό, τόσο καλύτερη πρόσφυση του πέλματός του στην άσφαλτο θα δημιουργήσει. Θυμάστε καθόλου αυτά που είχαμε πει για την πρόσφυση; Ότι, δηλαδή, η πρόσφυση εμπεριέχει στη λειτουργία της ένα ελάχιστο ποσό ολίσθησης, ίσα ίσα όσο χρειάζεται για να μεταδίδεται η ροπή· και, όταν το ποσό αυτό μεγαλώσει, η πρόσφυση και η μετάδοση δυνάμεων πάνε περίπατο… Τα θυμάστε, έτσι;
Ένας βαρυφορτωμένος τροχός σε μια στροφή, μπορεί να αναπτύξει μεγάλη κεντρομόλο δύναμη. Δηλαδή, μπορεί να σπρώξει δυνατά το αυτοκίνητο προς το εσωτερικό της στροφής, και να έχει αντίστοιχα μικρή γωνία ολίσθησης, αρκεί οι απαιτήσεις μας απΆ αυτόν να μην ξεπεράσουν κάποια όρια, όπως είναι η παραμόρφωση του λάστιχου, η απώλεια καθετότητας του τροχού, η περιορισμένη λειτουργικότητα του ελατηρίου της ανάρτησης κ.τ.λ. Δηλαδή, όσο πιέζεται ο κάθε τροχός, τόσο αυξάνει την πρόσφυσή του, αλλά μέχρι ένα όριο. Μόλις το όριο αυτό ξεπεραστεί, ο τροχός αρχίζει να πηγαίνει με την πάντα. Το έχετε κάνει αυτό;
Γενικά, όταν σχεδιάσουμε (ή όταν φορτώσουμε) ένα αυτοκίνητο πιο βαρύ στο μπροστινό μέρος του, γίνεται υποστροφικό, και κάνοντάς το βαρύτερο πίσω, γίνεται υπερστροφικό.
Σήμερα τα περισσότερα αυτοκίνητα φέρνουν περισσότερο βάρος στους μπροστινούς τροχούς, παρά στους πίσω, άρα τείνουν να συμπεριφέρονται υποστροφικά. Στην πράξη, όμως, δεν συμπεριφέρονται τόσο υποστροφικά όσο θα δικαιολογούσε η μεγάλη ανισοκατανομή που υπάρχει. Πώς το καταφέρνουν αυτό;
Η μεταφορά του βάρους
Στο σχεδιασμό της οδικής συμπεριφοράς ενός αυτοκινήτου, εκτός από την κατανομή βάρους ανάμεσα στο μπροστινό ή το πίσω ζευγάρι τροχών, υπεισέρχεται και ο υπολογισμός της μεταφοράς βάρους στους τροχούς της εξωτερικής πλευράς, όταν το αυτοκίνητο στρίβει.
Με δεδομένη την κατανομή και το ύψος της τοποθέτησης των βαρών στο αμάξωμα, το ποσόν της μεταφοράς αυτού του βάρους είναι καθαρά θέμα που αφορά το σχεδιασμό των αναρτήσεων. (Αν και το θέμα γίνεται πολύ πιο πολύπλοκο όταν πρέπει να συνυπολογιστούν και τα φορτία ενός φρεναρίσματος ή μιας επιτάχυνσης, γιατί όταν αρχίζει το αυτοκίνητο να μπρουμυτίζει, παίρνουν φωτιά τα AutoCAD.)
Ας πούμε, λοιπόν, ότι σχεδιάζουμε ένα αυτοκίνητο και ότι φροντίζουμε να πέσει, στον καθένα από τους άξονές του, ένα δεδομένο ποσοστό του συνολικού βάρους. Το βάρος, λοιπόν, που αντιστοιχεί σε έναν άξονα (τον μπροστινό, ή τον πίσω) ασκείται σε δύο τροχούς, οι οποίοι όταν χρειαστεί, θα δημιουργήσουν (από κοινού) την απαιτούμενη κεντρομόλο δύναμη για να διαγραφεί μια καμπύλη πορεία.
Αν και όταν παρουσιαστεί κάποιο ξεπέρασμα του ορίου πρόσφυσης, αυτό θα είναι κοινό και θα αντιστοιχεί στην ικανότητα πρόσφυσης του εμβαδού των δύο πελμάτων. Αν όμως γίνει μια μετατόπιση του σημείου άσκησης του βάρους, έτσι ώστε να φορτιστεί περισσότερο ο ένας μόνο τροχός (ο εξωτερικός), τότε είναι πιθανό να ξεπεραστούν τα όρια της πρόσφυσής του νωρίτερα απΆ ό,τι όταν πατούσαν καλά και οι δύο τροχοί, επειδή τώρα η πρόσφυση του ίδιου βάρους έχει μόνο ένα πέλμα για να μεταφέρει τις δυνάμεις της.
Σκεφτείτε ότι όλα αυτά που λέμε αφορούν το καθένα από τα δύο μισά του ίδιου αυτοκινήτου, τα οποία θα μπορούν να συμπεριφερθούν διαφορετικά το ένα από το άλλο. Αρχίζετε να μπαίνετε στο νόημα;
Η κεντρομόλος δύναμη
Μην ξεχνάτε ότι το κυρίως σώμα του αυτοκινήτου πατάει πάνω σε ελατήρια τα οποία του επιτρέπουν να γέρνει στο πλάι, καθώς η αδράνεια της μάζας του τείνει να το βγάλει έξω από τη στροφή, ενώ η κεντρομόλος δύναμη από τα λάστιχά του θέλει να το κρατήσει στην (καμπυλωμένη) πορεία του.
Κατά συνέπεια η ελαστικότητα των αναρτήσεων και η «γεωμετρία» τους μπορούν να επηρεάσουν το βαθμό κλίσης και άρα το βαθμό και τον τρόπο διαμοιρασμού του βάρους σε κάθε περίπτωση. Μια στιγμή, όμως, γιατί μου φαίνεται ότι μιλάω πολύ για κεντρομόλους δυνάμεις και μάλλον πρέπει αυτά να τα εξηγήσω καλύτερα. Προσέξτε.
Φυγόκεντρος και κουραφέξαλα
Κατά τη διαγραφή μιας καμπύλης πορείας από οποιοδήποτε τροχοφόρο, ασκούνται σΆ αυτό διάφορες δυνάμεις τις οποίες σίγουρα θα τις ξέρετε αν προσέχατε στη φυσική στο σχολείο. Καταρχήν, κάθε όχημα που κινείται, τείνει, αν δεν ασκηθεί πάνω του καμία άλλη δύναμη, να κινηθεί ομαλά κι ευθύγραμμα. Για να μπορέσει να αλλάξει διεύθυνση το εν λόγω όχημα, πρέπει να ασκηθεί πάνω του μια δύναμη που λέγεται κεντρομόλος.
Η κεντρομόλος δύναμη, για να μπορέσει να κάνει τη δουλειά της, πρέπει να είναι τόσο πιο μεγάλη (δυνατή), όσο πιο γρήγορα τρέχει το όχημα. Η κεντρομόλος δύναμη δημιουργείται από τις εντολές που δίνει ο οδηγός στρίβοντας το τιμόνι, και το σημείο εφαρμογής της είναι η επιφάνεια του πέλματος των ελαστικών που ακουμπάει στο δρόμο.
Γυρνάμε το τιμόνι, στρέφονται οι ρόδες, κοντράρουν στο δρόμο, δημιουργούν κεντρομόλο, που τείνει να μας αλλάξει πορεία, προς τα δεξιά, ή προς τα αριστερά. Κάθε σώμα, όμως, πάνω στο οποίο ασκείται οποιαδήποτε δύναμη, οφείλει να της αντισταθεί. Αδράνεια.
Το αυτοκίνητο αντιστέκεται στην κεντρομόλο με την αδράνειά του. Αλλά η αδράνεια κάθε σώματος ασκείται στο κέντρο βάρους του σώματος. Η αδράνεια του αυτοκινήτου ασκείται στο κέντρο βάρους του αυτοκινήτου, το οποίο βρίσκεται αρκετά ψηλότερα από το επίπεδο της ασφάλτου. Επειδή λοιπόν η κεντρομόλος, που όσο πιο πολύ τρέχουμε τόσο πιο μεγάλη είναι, απέχει από το σημείο εφαρμογής της ίσης και αντίθετης αδράνειας, δημιουργείται ένα ζεύγος δυνάμεων που κάνει το αυτοκίνητο να γέρνει προς το εξωτερικό της στροφής.
Τα άλογα, οι δρομείς και οι μοτοσυκλετιστές γέρνουν επίτηδες προς το εσωτερικό της στροφής για να βάλουν το βάρος τους να αντισταθμίσει την τάση εκτροπής του ζεύγους της κεντρομόλου και της αδράνειας.
Η φυγόκεντρος δύναμη δεν υπάρχει. Απλούστατα εμείς οι άνθρωποι, για να δικαιολογήσουμε εκείνο τον χυμένο καφέ, που παρότι τον κρατάγαμε εμείς στο χέρι, πετάχτηκε μισό μέτρο πιο πέρα, στο άσπρο παντελόνι της κυρίας, λέμε πως τη ζημιά την έκανε η… φυγόκεντρος δύναμη! Γιατί, πού να κάθεσαι να εξηγείς την αλήθεια, ότι δηλαδή ο καφές έμεινε στη θέση του και ότι απλά το αυτοκίνητο με τους επιβάτες κινήθηκε από κάτω του.
Η φυγόκεντρη μεταφορά φορτίου
Αν θέλουμε να μπούμε λίγο βαθύτερα στον θεωρητικό προβληματισμό των «πώς» και των «γιατί» του σχεδιασμού των αναρτήσεων, θα πρέπει, νομίζω, να κάνουμε λόγο για τα κέντρα και τον άξονα του roll. Roll δεν είναι το απορρυπαντικό, αλλά η δυνατότητα περιστροφής ενός αυτοκινήτου γύρω από κάποιον διαμήκη άξονα (κύλιση), όταν ασκείται πάνω του το ζεύγος δυνάμεων της κεντρομόλου και της αδράνειας.
Λοιπόν, το κάθε αμάξωμα που πατάει σε ελατήρια, όταν στρίβει, γέρνει. Το πόσο γέρνει εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τη σκληρότητα των ελατηρίων, αλλά και από άλλα τμήματα του μηχανισμού των αναρτήσεων για τα οποία θα μιλήσουμε στη συνέχεια. Αυτή τη στιγμή, όμως, δεν μας ενδιαφέρει το πόσο γέρνει, αλλά το πώς.
Δηλαδή, για να το πούμε καλύτερα, αυτό που μας ενδιαφέρει είναι το πού ακριβώς βρίσκεται το (υποθετικό) σταθερό σημείο, γύρω από το οποίο ρολάρει το αναρτημένο σώμα του αυτοκινήτου και ποια είναι η θέση του σημείου αυτού ως προς το κέντρο βάρους του. (Γιατί όταν η απόστασή τους είναι μεγάλη, η… φυγόκεντρος τείνει να εκτρέψει ευκολότερα το αυτοκίνητο.)
Ο άξονας του roll και άλλα…
Για καλύτερη αντίληψη της τρισδιάστατης λειτουργίας του φαινομένου, θεωρούμε ότι κάθε αυτοκίνητο αποτελείται από δύο κομμάτια, ένα μπροστά κι ένα πίσω. Το καθένα από αυτά έχει το δικό του βάρος, άρα και το δικό του κέντρο βάρους, και στηρίζεται σε δύο τροχούς με αναρτήσεις, οι οποίες του επιτρέπουν να πάρει κλίσεις (roll) γύρω από ένα σταθερό σημείο.
Η απόσταση που απέχουν μεταξύ τους, το κέντρο βάρους και το κέντρο ρολαρίσματος του μπροστινού, ας πούμε, μέρους του αυτοκινήτου καθορίζουν και το διαμοιρασμό του μπροστινού βάρους, ανάμεσα στους δύο (μπροστινούς) τροχούς. Το ίδιο ισχύει και για το πίσω μέρος.
Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση αυτή, τόσο περισσότερο θα τείνει να ρολάρει το μέρος αυτό του αυτοκινήτου. Και όσο περισσότερο «τείνει να ρολάρει», τόσο περισσότερο βάρος θα φεύγει από τον εσωτερικό τροχό και θα μεταφέρεται στον εξωτερικό. Δηλαδή, τώρα την κεντρομόλο πρόσφυση θα την αναλαμβάνει μικρότερο εμβαδόν πιεσμένου πέλματος.
Ε, λοιπόν, το σχεδιαστικό μυστικό σε όλα αυτά βρίσκεται στο ότι η απόσταση που απέχει το κέντρο βάρους, του μπροστινού ή του πίσω τμήματος του αυτοκινήτου, από το αντίστοιχο μπροστινό ή πίσω κέντρο ρολαρίσματος, μπορεί να είναι διαφορετική και να υπαγορεύει, όπως θέλουμε, όλη τη μελλοντική οδική συμπεριφορά του.
Αν, για παράδειγμα, έχουμε ένα πολύ μπροστόβαρο αυτοκίνητο και θέλουμε να περιορίσουμε τη φυσική μεγάλη τάση υποστροφής του, κάνουμε το εξής απλό: σχεδιάζουμε τις αναρτήσεις του έτσι ώστε το μπροστινό κέντρο ρολαρίσματος να βρίσκεται αρκετά ψηλά και να απέχει λίγο από το μπροστινό κέντρο βάρους, και το πίσω κέντρο ρολαρίσματος το σχεδιάζουμε χαμηλότερα, έτσι ώστε να απέχει αρκετά από το πίσω κέντρο βάρους.
Τότε το αυτοκίνητο αυτό, όταν στρίβει, θα μεταφέρει μεγαλύτερα φορτία στον πίσω εξωτερικό τροχό και θα τείνει να τον «διώξει», αυξάνοντας την τάση υπερστροφής. Το μπροστινό μέρος, παρά τη φυσική τάση υποστροφής του, θα χάνει δυσκολότερα την πρόσφυσή του λόγω του ότι θα τη μοιράζει περίπου ίσα ανάμεσα σε δύο πέλματα τροχών.
Άξονας ρολαρίσματος είναι η νοητή ευθεία που ενώνει τα δύο κέντρα ρολαρίσματος του αυτοκινήτου, και λειτουργεί σαν μια νοητή πασχαλινή σούβλα γύρω από την οποία το σώμα του αυτοκινήτου μπορεί να ρολάρει, όταν του ασκηθεί κάποιο ζεύγος δυνάμεων εκτροπής.
Όταν ο άξονας ρολαρίσματος σχεδιαστεί έτσι που το μπροστινό άκρο του (δηλαδή η μπροστινή βάση της σούβλας) να βρίσκεται πιο ψηλά από το πίσω άκρο, τότε το αυτοκίνητο αυξάνει την τάση υπερστροφής. Κάτι τέτοιο συμβαίνει σε όλα σχεδόν τα μπροστόβαρα αυτοκίνητα, ενώ το αντίθετο, δηλαδή ένας άξονας ρολαρίσματος με το μπροστά μέρος χαμηλότερα από το πίσω, εφαρμόζεται σε κάθε πισώβαρο αυτοκίνητο, όπως είναι ο παλιός Σκαραβαίος και όλες οι ασφάλτινες Porsche, που απαιτούν δραστικά μέτρα μείωσης της υπερστροφής.
Μια και μιλήσαμε για Porsche, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η κεντρομόλος πρόσφυση του κάθε τροχού βρίσκεται σε αντιπαλότητα με τη «διαμήκη πρόσφυση», δηλαδή την πρόσφυση των επιταχύνσεων (και των επιβραδύνσεων). Όταν, σε ένα πισώβαρο και πισωκίνητο, πατήσουμε δυνατά το γκάζι σε στροφή, οι κινητήριοι τροχοί δεν θα μπορούν να κάνουν δύο δουλειές ταυτόχρονα και θα τείνουν να σπινάρουν, διώχνοντας έξω την ουρά. ΓιΆ αυτό στις πισώβαρες πισωκούνες τα πίσω λάστιχα σχεδιάζονται φαρδύτερα, όπως και στην F1.
Μια και ανέφερα την F1, πρέπει να πω και ότι αν ένα αυτοκίνητο δεν έχει καθόλου ανάρτηση, τότε, ως άξονας ρολαρίσματός του θεωρείται ο νοητός άξονας που συνδέει τα πέλματα των κάθε φορά εξωτερικών τροχών, εφόσον μόνο γύρω από αυτόν θα μπορεί το αυτοκίνητο να… τουμπάρει.
Το μοναδικό μέτρο που έχουμε, σΆ ένα τέτοιο αυτοκίνητο, ώστε να επέμβουμε σχεδιαστικά και να επηρεάσουμε τη στροφική συμπεριφορά του, είναι το πλάτος του, δηλαδή το μετατρόχιο του μπροστινού άξονα σε σχέση με το μετατρόχιο του πίσω άξονά του.
Η αντίσταση ενός αυτοκινήτου, με δεδομένο κέντρο βάρους, στην ανατροπή είναι ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης που χωρίζει τους εσωτερικούς από τους εξωτερικούς τροχούς. Όσο φαρδύτερο, τόσο πιο σταθερό. Η εγκάρσια επιτάχυνση την οποία μπορεί να σηκώσει ένα καθαρόαιμο αγωνιστικό αυτοκίνητο φτάνει τα 2 g, ενώ ένα τυπικό οικογενειακό coupe ανατρέπεται με περισσότερο από 1,3 g και ένα ψηλό SUV αρκείται στο 0,7 g, εκτός ίσως από το Hummer, το μετατρόχιο του οποίου δεν μου φαίνεται συνηθισμένο.
Τα κρυμμένα μυστικά
Με έναν τέτοιο περίπου όγκο δεδομένων καλείται ο σχεδιαστής των αναρτήσεων να συγκροτήσει ένα μηχανολογικό σύνολο, το οποίο θα μπορεί να μεταφέρει κόσμο με άνεση και ασφάλεια. Η άνεση υπηρετείται με την επιλογή σωστών ελατηρίων, αμορτισέρ και διάφορων ελαστικών εδράσεων, ενώ η ασφάλεια και η οδηγησιμότητα απαιτούν σύνθετους υπολογισμούς δυνάμεων, φορτίων, ταχυτήτων και γεωμετρικών διατάξεων και πάντα αρκετού ταλέντου και φαντασίας, τα οποία, δυστυχώς, συχνότατα παραμένουν στη σκιά των επιδόσεων του κινητήρα, ή της ομορφιάς του αμαξώματος.
Ο σχεδιασμός των εξαρτημάτων του σασί κρύβει το μυστικό της ανεξήγητης εμπορικής επιτυχίας (ή και αποτυχίας) πολλών από τα αυτοκίνητα που οδηγήσαμε και οδηγούμε. Το ατυχές του πράγματος είναι ότι οι επιδόσεις του σασί δεν φαίνονται στα προσπέκτους.
Πηγη: https://www.drive.gr/index.php?optio...2320&Itemid=39
