Know How: Ανάρτηση Part XI

Μα γιατί την θέλουμε..;

Η αντιστρεπτική ράβδος είναι αναπόσπαστο μέρος ενός τεραστίου αριθμού αυτοκινήτων και της αρχιτεκτονικής της σχεδίασής της ανάρτησής τους. Ο σκοπός της είναι ένας και σαφέστατος: η μείωση της μεταφοράς φορτίου (δηλαδή του μισητού body roll, τις αιτίες του οποίου υπεραναλύσαμε στην αρχή της σειράς μας) εκατέρωθεν του διαμήκους άξονα του αυτοκινήτου, με άλλα λόγια, πιο λαϊκά, σκοπός της είναι ο περιορισμός του «πόσο γέρνει το εργαλείο αριστερά-δεξιά». «Πηγή» δυνάμεων που τείνει να γείρει το αυτοκίνητο μπορεί να είναι είτε οι δυνάμεις πρόσφυσης κατά το στρίψιμο είτε οι ανωμαλίες του οδοστρώματος, αλλά σε κάθε περίπτωση ο βασικός μηχανισμός λειτουργίας της αντιστρεπτικής είναι ένας: ενώνουμε τους δύο τροχούς του ίδιου άξονα μέσω μίας ράβδου κατάλληλα διαμορφωμένης από πλευράς μοχλισμού. Αυτό που τελικά πετυχαίνουμε είναι η αύξηση της σκληρότητας της ανάρτησης γύρω από τον διαμήκη άξονα (roll), χρησιμοποιώντας κατ’ όνομα «αντίσταση στη στρέψη»: η αντιστρεπτική ράβδος είναι ακριβώς αυτό, είναι λοιπόν πολύ κοντά σε κατασκευή και λειτουργία στις ράβδους στρέψης που είδαμε μιλώντας για τα διαφορετικά είδη των ελατηρίων. Εδώ και 100 χρόνια η αντιστρεπτική μας βοηθάει να μην γονατίζουμε, ρε παιδάκι μου!

 

Στα ενδότερα

Όταν με κάποιο τρόπο συνδέσουμε μηχανικά με μία ράβδο τις δύο πλευρές ενός άξονα, τότε πρακτικά υπό φορτίο η μία πλευρά (αυτή που ανασηκώνεται, η εσωτερική στη στροφή δηλαδή) προσπαθεί να «σηκώσει» και την άλλη (αυτή που «κάθεται», δηλαδή η εξωτερική πλευρά), ενώ ταυτόχρονα και αντίστροφα η άλλη πλευρά προσπαθεί να «κατεβάσει» την άλλη. Η συνολική επίδραση αυτής της …πάλης είναι η μηχανική προσπάθεια εξισορρόπησης των δύο πλευρών του εμπρός ή πίσω άξονα σε ένα όσο πιο κοινό και flat ύψος ανάρτησης είναι δυνατόν. Οι τροχοί του ίδιου άξονα πλέον βέβαια δεν είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τους, χάνεται δηλαδή η ανεξαρτησία κίνησης μεταξύ τους, κάτι που όπως θα δούμε παρακάτω δεν είναι μόνο χαρά και γέλιο… Το πώς ακριβώς συνδέεται η μία πλευρά του ίδιου άξονα με την άλλη μέσω της αντιστρεπτικής δεν είναι δεδομένο: ανάλογα με την αρχιτεκτονική και τη γεωμετρία κάθε τύπου ανάρτησης και χωροταξίας του μοντέλου μας, η σύνδεση και η έδραση στα γόνατα ή τους συνδέσμους της ανάρτησης διαφέρει ανά περίπτωση. Σημαντικό σε κάθε περίπτωση είναι να καταλάβουμε ότι η αντιστρεπτική φορτίζεται αποκλειστικά όταν υπάρχουν πλευρικά φορτία: όταν ισιώσουμε το τιμόνι ξανά στην ευθεία, η αντιστρεπτική …παύει να λειτουργεί.

Πώς όμως είναι η διαμόρφωση κατασκευαστικά και γεωμετρικά μίας κλασικής αντιστρεπτικής ράβδου..;

Είπαμε ότι ουσιαστικά έχουμε να κάνουμε με ένα ελατήριο-ράβδο στρέψης: στα «κοινά θνητά» αυτοκίνητά μας, η αντιστρεπτική διαμορφώνεται από κυλινδρικής διατομής ατσάλινη μπάρα, την οποία φέρνουμε να πάρει ένα σχήμα πολύ ανοικτού «U». Έχουμε δηλαδή το κεντρικό-γραμμικό μέρος της ράβδου που διασχίζει κατά πλάτος το αυτοκίνητο κάτω από το πάτωμα, το οποίο συνδέεται με το πλαίσιο σε δύο σταθερά σημεία, ένα αριστερά και ένα δεξιά. Από αυτό το σημείο έδρασης και μετά και σε καθεμία από τις δύο πλευρές της ράβδου, αυτή «στρίβει» προς την ανάρτηση, δημιουργώντας δύο προβόλους, όπου και συνδέεται τελικά σε καθεμία από τις δύο άκρες της με την αριστερά και δεξιά ανάρτηση. Οι σταθερές βάσεις της αντιστρεπτικής σε συνδυασμό με τις δύο ελεύθερα κινούμενες άκρες της στην ανάρτηση σχηματίζουν υπομόχλιο μέσω των προαναφερθέντων προβόλων της μπάρας: το αποτέλεσμα δυναμικά είναι ότι από τη στιγμή που ένας τροχός αρχίσει και κινείται κατακόρυφα σε σχέση με τον άλλο του ίδιου άξονα, η αντιστρεπτική υποβάλλεται σε δυνάμεις στρέψης, δηλαδή σε διατμητικές τάσεις περιφερειακά της διατομής της.

Πιο συγκεκριμένα για να βάλουμε όλα όσα έχουμε αναφέρει ξεχωριστά ως τώρα σε μία σειρά, η αλληλεπίδραση των δυνάμεων σε βήματα έχει ως εξής: με το που στρίψουμε το αυτοκίνητο π.χ. προς τα αριστερά τότε λόγω δυνάμεων αδράνειας, η δεξιά πλευρά του άξονά μας φορτίζεται, δηλαδή αρχίζει και «κάθεται». Σε αυτό το σημείο η αντιστρεπτική «μπαίνει» στο παιχνίδι και έτσι αρχίζουν και μεταφέρονται κατά μήκος της δυνάμεις από τη φορτισμένη δεξιά ανάρτηση στην άκρη του δεξιού της προβόλου μέσω του ελαστικού συνδέσμου (σινεμπλόκ) έδρασής της. Από τον δεξιό της πρόβολο τώρα η ροπή κάμψης από την ανάρτηση μετατρέπεται σε στρεπτική ροπή στο δεξί μέρος του κεντρικού-γραμμικού μέρους της ράβδου, ακριβώς στο σημείο της έδρασης της ράβδου στη δεξιά μεριά του πλαισίου. Η στρέψη αυτή τώρα «διασχίζει» διαδρομή εγκάρσια και κατά πλάτος του οχήματος (κατά μήκος του κεντρικού τμήματος της αντιστρεπτικής δηλαδή), με αποτέλεσμα οι δυνάμεις στρέψης να φτάνουν απέναντι στο άλλο άκρο της ράβδου, δηλαδή στην αριστερή έδραση της ράβδου με το πλαίσιο. Από εκεί η στρέψη μέσω της έδρασης αυτής ξαναμετατρέπεται σε αντίθετης φοράς καμπτική ροπή, αυτή τη φορά επί του αριστερού προβόλου της ράβδου και κατ’ επέκταση επί του γονάτου/συνδέσμου της ανάρτησης της αριστερής πλευράς του οχήματος. Τελικά αυτή η τελευταία κατακόρυφη τάση προσπαθεί να «τραβήξει» την ανάρτηση της αριστερής πλευράς του αυτοκίνητου (στο εσωτερικό της στροφής) προς τα κάτω, δηλαδή να μειώσει την έκτασή της εκείνη τη στιγμή.

Αν θέλουμε να το περιγράψουμε πιο αυστηρά χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά τους πιο αυστηρούς όρους της φυσικής και της δυναμικής του οχήματος που αναλύσαμε στις πρώτες μας συνέχειες, τότε σε μία στροφή η φερόμενη μάζα του αμαξώματος ασκεί εγκάρσιες δυνάμεις πάνω στο κέντρο βάρους του άξονα του οχήματος, ανάλογες με το μέτρο της εκάστοτε εγκάρσιας-πλευρικής επιτάχυνσης (τα αγαπητά μας «g»), οι οποίες είναι offset με τον άξονα περιστροφής (roll axis) του άξονα, δηλαδή έχουμε τη δημιουργία ροπής που τείνει να γείρει το αμάξωμα προς την μία πλευρά. Η κίνηση αυτή του αμαξώματος βρίσκει αντίσταση από τη συνολική σκληρότητα της ανάρτησης, η οποία με τη σειρά της είναι συνάρτηση της σκληρότητας των ελατηρίων, όπως ήδη την είδαμε το καλοκαίρι και της σκληρότητας της αντιστρεπτικής.

Πώς μας κάνει λοιπόν τη ζωή πιο εύκολη η ύπαρξη της αντιστρεπτικής σε συνδυασμό με τα ελατήριά μας; Η αντιστρεπτική έρχεται λοιπόν και μας επιτρέπει να μειώσουμε το συνολικό roll του άξονα αυξάνοντας τη συνολική αντίσταση του άξονα στο roll, ΧΩΡΙΣ όμως ταυτόχρονα να σκληραίνει την ανάρτηση στον κατακόρυφο άξονα, κατά τις κάθετες μετατοπίσεις της: κάτι που κανονικά δηλαδή θα γινόταν μέσω χρήσης σκληρότερων ελατηρίων αντί της προσθήκης αντιστρεπτικής και θα έκανε την ανάρτηση κούτσουρο και επιρρεπή σε κοπάνημα κατά τις ανωμαλίες του οδοστρώματος.

Εδώ να τονίσουμε (να επαναλάβουμε για την ακρίβεια κάτι που αναφέραμε πριν πολλούς μήνες) ότι η ολική σκληρότητα του άξονα στο roll ΔΕΝ επηρεάζει τη μεταφορά φορτίου από τους εσωτερικούς τροχούς στους εξωτερικούς, απλά μειώνει την κίνηση του αμαξώματος: η μεταφορά φορτίου έχει μόνο να κάνει με τη στατική γεωμετρία του άξονα, δηλαδή τη θέση του κέντρου βάρους, του κέντρου περιστροφής του άξονα και του μετατροχίου. Φυσικά μικρότερη κλίση αμαξώματος συνεπάγεται μικρότερη μεταβολή των γωνιών κάμπερ και ό,τι αυτό συνεπάγεται από πλευράς γεωμετρίας και συμπεριφοράς (θα τα δούμε αργότερα όλα αυτά μαζί).

Πώς επηρεάζεται η συμπεριφορά του οχήματος

Μία αντιστρεπτική έχει δύο βασικές επιδράσεις στη δυναμική συμπεριφορά του αυτοκινήτου. Την μία την περιγράψαμε ήδη: μειώνει την κίνηση γύρω από τον διαμήκη άξονα του οχήματος, δηλαδή το πόσο γέρνει το εργαλείο μας. Η άλλη επίδραση της αντιστρεπτικής είναι στη συνολική ισορροπία της οδηγικής συμπεριφοράς από πλευράς υπερστροφής/υποστροφής. Και εδώ στο παιχνίδι μπαίνει όχι μόνο η απόλυτη αυτή καθεαυτή σκληρότητα στο roll στον ίδιο άξονα, όπως μέχρι τώρα συζητάγαμε πάνω, αλλά και η διαφορά σκληρότητας στο roll μεταξύ εμπρός και πίσω άξονα, δηλαδή η αναλογία σκληρότητας εμπρός και πίσω στη συνολική σκληρότητα του αυτοκινήτου στο roll. Αν π.χ. αυξήσουμε τη σκληρότητα στο roll στον εμπρός άξονα μέσω της χρήσης αντιστρεπτικής (ή έστω σκληρότερης αντιστρεπτικής από πριν) ή αντίστοιχα αφήσουμε τον εμπρός ως έχει και μειώσουμε τη σκληρότητα της αντιστρεπτικής στον πίσω άξονα, τότε κατά κανόνα αυξάνουμε τη συνολική τάση για υποστροφή στο αυτοκίνητο: αυτό έχει να κάνει με την επίδραση στις γωνίες ολίσθησης των τροχών και επ’ αυτού σας παραπέμπω στις παλαιότερες αντίστοιχες σειρές μας περί τροχών και ελαστικών. Αντίστροφα, αν σκληρύνουμε την αντιστρεπτική πίσω είτε την μαλακώσουμε εμπρός, μειώνουμε τις τάσεις υποστροφής, δίνοντας έναν πιο υπερστροφικό χαρακτήρα στις αντιδράσεις του αυτοκινήτου στο όριο.

Και εδώ είναι που έρχεται και κουμπώνει η κουβέντα περί των αρνητικών επιπτώσεων της προσθήκης/ύπαρξης αντιστρεπτικής: θυμίζουμε άλλωστε ότι σε αυτοκίνητα που μπορούν να ρυθμίζουν το συνολικό roll stiffness μέσω ενεργών αναρτήσεων, όπως π.χ. είναι πολλά supercar από Woking κτλ. μεριά, το αυτοκίνητο ΔΕΝ διαθέτει καν αντιστρεπτική. Αυτό που συμβαίνει λοιπόν είναι ότι παράλληλα με τα θετικά που φέρνει η σύνδεση των τροχών που περιγράψαμε ως προς τη μείωση του βαθμού βυθίσματος της ανάρτησης, ταυτόχρονα η σύνδεση αυτή μεταφέρει και ανεπιθύμητες «έκτακτες» καταπονήσεις της ανάρτησης, π.χ. από λακκούβες ή ασύμμετρα σαμαράκια από τον τροχό που «τρώει» το μπαμ στον άλλον, ο οποίος δεν φταίει σε τίποτα… Αυτό στην καλύτερη φέρνει κραδασμούς στο αμάξωμα και το τιμόνι και στη χειρότερη κάνει το αυτοκίνητο πιο …«χοροπηδηχτούλι». Επιπλέον, αν πραγματικά το παρακάνουμε με τη σκληρότητα της αντιστρεπτικής, μπορεί να αυξηθεί αισθητά η τάση των εσωτερικών -στη στροφή- τροχών να ανασηκωθούν. Αυτό είναι νόμισμα με δύο πλευρές: η αρνητική πλευρά είναι ότι έτσι μειώνεται το συνολικό μέγιστο περιθώριο πρόσφυσης πριν αρχίσει να γλιστράει το αυτοκίνητο, αφού έτσι μειώνουμε την συνολική επιφάνεια επαφής-τριβής του αμαξώματος με το οδόστρωμα (σας παραπέμπω πάλι σε παλαιότερες συνέχειες περί ελαστικών).

Η άλλη πλευρά του νομίσματος, η θετική, είναι ότι με το κλασικό σήκωμα του πίσω εσωτερικού τροχού φορτίζεται απότομα και αποκλειστικά στον άξονα ο πίσω εξωτερικός τροχός, κάτι που αυξάνει το γλίστρημα του κώλου, κάτι που με τη σειρά του μέσω της επιτηδευμένα αυτής δημιουργούμενης υπερστροφής «ρεφάρει» (ειδικά στα προσθιοκίνητα) την υποστροφή εμπρός. Αυτό το τελευταίο (σε συνδυασμό με τη γεωμετρία παθητικής τετραδιεύθυνσης των υστερούντων βραχιόνων) αποτελεί και όλη επεξήγηση της παλαβής συμπεριφοράς των σαξόραλλων και των λοιπών Γαλλικών ημέτερων δυνάμεων της δεκαετίας του ’90: η ιστορική υπερστροφή τους στο άφημα του γκαζιού έκανε ακόμα και πισωκίνητα πολλών αλόγων να κοκκινίζουν από ντροπή. Κάποιοι βέβαια με αυτό γελάσανε, πηγαίνοντας διαρκώς με το πλάι και κάποιοι άλλοι κλάψανε (όσοι ειδικά πάτησαν ενστικτωδώς και το μοιραίο φρενάκι πάνω στη στροφή έγιναν και μεγαλο-οικοπεδούχοι), αλλά αυτό είναι πικρή ιστορία για άλλη φορά.

Μιλώντας για επίδραση της αντιστρεπτικής στη συμπεριφορά, μοιραία μπαίνουν στη κουβέντα και οι ρυθμιζόμενες αντιστρεπτικές, είτε σε επίπεδο aftermarket είτε σε επίπεδο high-end sportscars είτε σε πολλές μορφές αγωνιστικών κατηγοριών. Εδώ μέσω ρυθμιζόμενων άκρων στους προβόλους της αντιστρεπτικής μπορούμε να ρυθμίσουμε το μήκος μοχλισμού και επομένως και τη δύναμη στην ανάρτηση για δεδομένη ροπή. Με άλλα λόγια τη σκληρότητα. Κάποιες πολύ βαρβάτες κατηγορίες αγώνων, όπως τα Super GT, επιτρέπουν ακόμα και «on the fly» μεταβολή της ρύθμισης της σκληρότητας της αντιστρεπτικής εντός του cockpit από τον οδηγό κατά τη διάρκεια του αγώνα.

Νούμερα…

Όχι που θα γλιτώνατε, τσόγλανοι. Όπως είδαμε και για τις ράβδους στρέψης και τα ελικοειδή ελατήρια, τα χαρακτηριστικά της ράβδου καθορίζουν τη σκληρότητά της και αυτή με τη σειρά της την παραμόρφωσή της για δεδομένο φορτίο. Η ποιοτική ερμηνεία των μαθηματικών τύπων ακολουθεί την κοινή λογική: η σκληρότητα της αντιστρεπτική είναι γραμμικά ανάλογη με την ακαμψία του κράματος που της φτιάξαμε, ανάλογη, αλλά εκθετικά στην τέταρτη δύναμη ανάλογη με ακτίνα της κυκλικής διατομής της και αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος των προβόλων στα άκρα της μετά το κεντρικό «ευθύ» κομμάτι (για δεδομένη ροπή από την ανάρτηση, κοντύτερος πρόβολος σημαίνει μεγαλύτερη δύναμη/σκληρότητα επαναφοράς στη στρέψη). Η συνολική σκληρότητα της αντιστρεπτικής επηρεάζεται επιπλέον από τη γεωμετρία της έδρασής της κι από τη σκληρότητα των σινεμπλόκ της σε πλαίσιο και ανάρτηση, αλλά ας τα αφήσουμε αυτά έξω από τους υπολογισμούς για να μην σας βγάλω εντελώς τα μάτια.

Πηγαίνετε στο συνοδευτικό Σχήμα 1, το οποίο δείχνει πάνω στο ένα μισό μίας κλασικής αντιστρεπτικής τα μεγέθη που χρειαζόμαστε:

L είναι το άθροισμα των τριών διαφορετικών μηκών της αντιστρεπτικής στο σχήμα:

L = a + b + c

H παραμόρφωση fA της αντιστρεπτικής ως μετακίνηση της άκρης της που πιάνει στην ανάρτηση, δηλαδή το σημείο Α στο Σχήμα 1 δίνεται από τον εξής όμορφο τύπο:

fA = P x [(l1^3 + a^3) + (L/2 x (a+b) ^2) + (4l2^2 (b+c)) / (3 x E x I) ]

H σκληρότητα KR της αντιστρεπτικής σε στρέψη δίνεται από τον τύπο

KR = (P x L^2) / (2 x fA)

Όπου P είναι το φορτίο που ασκείται στη ράβδο σε Ν, Ε είναι το Μέτρο Ελαστικότητας του Young (εξαρτάται από το υλικό της ράβδου) σε Gpa και Ι είναι η πολική ροπή αδράνειας της διατομής της ράβδου, η οποία με τη σειρά της προκύπτει από τη σχέση:

I =