Το υποσύστημα των τροχών, φρένων και του steering αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά υποσυστήματα ενός μονοθεσίου Formula Student, καθώς οι τροχοί είναι τα εξαρτήματα με τα οποία το μονοθέσιο βρίσκεται σε επαφή με το οδόστρωμα. Ο σχεδιασμός του συστήματος ανάρτησης για το μονοθέσιο UoP5e βασίζεται στην προβλεπόμενη οδηγική συμπεριφορά, την γρήγορη και επαναλήψιμη ρυθμισιμότητα, καθώς και την υψηλή αντοχή των εξαρτημάτων. Φυσικά, δόθηκε μεγάλη σημασία στο βάρος καθώς και στην απλότητα κατά τον σχεδιασμό. Γράφει ο Διονύσης Σπιλιόπουλος.

Αρχικά, μέσω ενός σχεδιαστικού προγράμματος προβλέφθηκε σε ένα πρώιμο στάδιο μια προσεγγιστική θέση του κέντρου βάρους και έτσι αποφασίστηκε η θέση του μετατροχίου έτσι ώστε να κατανεμηθεί κοντά στο 60% του βάρους στους κινητήριους τροχούς. Το περισσότερο βάρος στον πίσω άξονα προσφέρει μεγαλύτερη δυνατότητα επιτάχυνσης, υψηλότερους ρυθμούς αλλαγής κατεύθυνσης (yaw rate), καλύτερο φρενάρισμα και τέλος μεγαλύτερα ποσά ενέργειας για την φόρτιση των μπαταριών μέσω του μηχανισμού του regenerative braking.

Κάποια renders των αρχικών σχεδίων για την στήριξη αλλά και την μετάδοση της κίνησης στους πίσω τροχούς.
Κάποια renders των αρχικών σχεδίων για την στήριξη αλλά και την μετάδοση της κίνησης στους πίσω τροχούς.

Έπειτα, εκμεταλλευόμενοι την μεγάλη προσπάθεια που έγινε για να κρατηθεί χαμηλά το κέντρο βάρους (μόλις 250 mm από το έδαφος), κατέστη δυνατό να επιλεγεί ένα αρκετά «στενό» μετατρόχιο. Η επιλογή του μετατροχίου έγινε με γνώμονα την δυνατότητα επίτευξης πλευρικής επιτάχυνσης έως και 2G χωρίς να υπάρξει πλήρης αποφόρτιση των εσωτερικών τροχών. Η επιλογή του όσο το δυνατόν μικρότερου μετατροχίου, σε συνδυασμό με την χαμηλή ροπή αδράνειας στον άξονα z, δίνουν μεγάλο πλεονέκτημα στις κλειστές πίστες του Formula Student, αφού το πλάτος της πίστας είναι περίπου 3 μέτρα, με πολύ κλειστές φουρκέτες και αρκετά σλάλομ.
Το μεταξόνιο σχεδιάστηκε και αυτό με την σειρά του όσο το δυνατόν μικρότερο ώστε να συμβάλλει στο να κρατηθεί η ροπή αδράνειας ως προς τον άξονα z όσο το δυνατόν μικρότερη, αλλά ταυτόχρονα αρκετή ώστε να εξασφαλιστεί η απαραίτητη σταθερότητα κατά την επιτάχυνση και την επιβράδυνση. Ακόμη, το ύψος του roll center κρατήθηκε σε χαμηλά επίπεδα για να μειωθεί το jacking effect, ενώ το εμπρός roll center βρίσκεται λίγο χαμηλότερα από το πίσω ώστε να βελτιωθεί το turn in του μονοθεσίου.

Η επιλογή των αλουμινένιων ζαντών διαμέτρου δέκα (10) ιντσών συμβάλλουν στην διατήρηση του χαμηλού βάρους, ενώ μειώνουν και την περιστρεφόμενη ροπή αδράνειας. Για την επιλογή ελαστικών, έπειτα από ανάλυση δεδομένων από δοκιμές ελαστικών του ιδρύματος TTC, καταλήξαμε στα Hoosier R25B. Τα συγκεκριμένα ελαστικά δεν είναι από την πιο μαλακή γόμα που υπάρχει στον κατάλογο της Hoosier, έχουν όμως πιο άκαμπτα πλαϊνά από τα μαλακότερα σε γόμα LC0, το οποίο συνεπάγεται με ίση πλευρική δύναμη σε μικρότερη γωνία ολίσθησης, υψηλότερο cornering stiffness δηλαδή. Επιπρόσθετα τα LC0 έπειτα από δύο αγωνίσματα Acceleration (επιτάχυνση σε μια ευθεία 75 μέτρων), δύο αγωνίσματα Skid pad (κίνηση σε figure eight) και δύο αγωνίσματα Autocross (hot lapping), παρατηρήθηκε ότι αρχίζουν να χάνουν σημαντικά την πρόσφυσή τους στο 2ο σκέλος του Endurance (22 γύροι, μήκους 1 χλμ. ο καθένας), τουλάχιστον στα κιλά του μονοθεσίου μας.

UoP Racing Team – Vehicle Dynamics 2

Τα περισσότερα εξαρτήματα κατασκευάζονται από αλουμίνιο 7075 το οποίο έπειτα ανοδιώνεται για να αποκτήσει μεγαλύτερη επιφανειακή σκληρότητα. Για περεταίρω μείωση βάρους, χρησιμοποιούμε ψαλίδια από σωλήνες ανθρακονήματος, προσκολλημένους σε αλουμινένια επιθέματα με εποξική κόλλα δυο συστατικών. Τα αμορτισέρ (ένα σετ Ohlins TTX25) συνδέονται απευθείας από τα ψαλίδια στο σασί, χωρίς την χρήση push ή pull rod για την μείωση πολυπλοκότητας, βάρους, κόστους, τριβής και σημείων υψηλής στιβαρότητας στο σασί, packaging, ενώ συμβαδίζει με την απλότητα που χαρακτηρίζει όλο το concept του UoP5e. Όλα τα παραπάνω οδήγησαν σε συνολική μάζα λιγότερη των 10 κιλών ανά γωνία, με την κάθε ζάντα να ζυγίζει περίπου 6 κιλά, μαζί με το ελαστικό.

Ένας ακόμα στόχος των μηχανικών που εργάζονται πάνω στο υποσύστημα αυτό είναι η ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης στην διεύθυνση camber και toe με στόχο μικρότερο των 0.2 deg/g (σε camber). Αυτό επιτυγχάνεται με αύξηση της απόστασης μεταξύ των ρουλεμάν των μουαγιέ, στήριξη των ψαλιδιών σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ τους μέσα στην ζάντα 10 ιντσών μέσω του μηχανικού σχεδιασμού των εξαρτημάτων, αλλά και μέσω των υλικών, αφού για παράδειγμα τα ανθρακονημάτινα ψαλίδια παρουσιάζουν πολύ μεγάλο μέτρο δυσκαμψίας λόγω μεγάλου μέτρου ελαστικότητας.

UoP Racing Team – Vehicle Dynamics 3
Εφελκυσμός μέλους ανάρτησης. Ένα από τα πολλά πειράματα που διεξάγει η UoP Racing Team σε κάθε εξάρτημα πριν την εφαρμογή του.

Μεγάλη έμφαση έχει δοθεί και σε κινηματικό επίπεδο ώστε να διατηρηθεί η αλλαγή σύγκλισης του τροχού όσο το δυνατόν μικρότερη κατά την διαδρομή, για να μειωθεί το φαινόμενο bump steer. Η σύγκλιση είναι ίσως το πιο ευαίσθητο μέγεθος μιας και μια αλλαγή της τάξης 0.05 μοιρών μπορεί να γίνει αισθητή από έναν έμπειρο οδηγό.

Το σύστημα διεύθυνσης του UoP5e αποτελείται από ένα ατσάλινο rack και pinion με αλουμινένιες προεκτάσεις και housing. Η κολώνα αποτελείται από έναν λεπτότοιχο σωλήνα χρωμιομολυβδενίου με μονό σταυρό και ένα quick release για το τιμόνι με μπίλιες αντί για πολύσφηνο. Το αποτέλεσμα των παραπάνω είναι ένα σύστημα διεύθυνσης βάρους 2.2 κιλών συμπεριλαμβανομένου του τιμονιού, με μηδαμινό τζόγο και μεγάλη απλότητα και ευκολία στην συντήρηση, αφού και η κολώνα αφαιρείται από το αυτοκίνητο με μόλις μια βίδα! Συνήθως γίνεται χρήση δύο σταυρών για την ακύρωση της μη γραμμικής γωνίας εισόδου και εξόδου του σταυρού (u-joint), όμως στην περίπτωση μας χρησιμοποιείται επίτηδες κατάλληλα ώστε να επιτευχθεί πιο ουδέτερη συμπεριφορά του τιμονιού στο κέντρο, και πιο απότομη προς το τέλος της διαδρομής. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί ότι επιλέχθηκε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο Ackerman για την παραγωγή μεγαλύτερων ρυθμών αλλαγής κατεύθυνσης (yaw rate), μιας και δεν παρατηρείται ιδιαίτερη διαφορά (από τα δεδομένα ttc) στην πλευρική δύναμη του ελαστικού λόγω διαφορετικών κάθετων φορτίων μεσα-εξω. Τέλος η ρύθμιση των γωνιών κάμπερ και σύγκλισης γίνονται με αποστατικά πλακάκια, ενώ η ρύθμιση ύψους γίνεται με βάσεις πολλαπλών οπών στο σασί. Τα παραπάνω επιτρέπουν την γρήγορη και επαναλήψιμη αλλαγή set-up λόγω αγωνισμάτων που απαιτούν ιδιαίτερα διαφορετική συμπεριφορά (βλ. acceleration vs skid pad), αλλά και λόγω καιρικών συνθηκών όπως βροχή και ενδιάμεσες καταστάσεις. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, γίνεται δυνατή η αλλαγή κάμπερ, σύγκλισης και ύψους γρήγορα και χωρίς να απαιτούνται μετρήσεις και corner balancing κάθε φορά.

UoP Racing Team – Vehicle Dynamics 4

Διαβάστε επίσης: UoP Racing – Οι τεχνικές λεπτομέρειες του UoP5e #1 | Το σασσί