Αναρτήσεις της σύγχρονης F1 και FRIC – 2ο Μέρος

Σε συνέχεια από το πρώτο μέρος, εστιάζουμε στη λειτουργία της ανάρτησης.

Όροι, Όροι, Όροι – Βαθμοί Ελευθερίας κίνησης ενός οχήματος

Κατά την κίνηση στο χώρο ένα αντικείμενο έχει τη δυνατότητα να κινηθεί σε οποιαδήποτε διεύθυνση στο χώρο και να περιστραφεί περί ενώ τυχαίου άξονα. Ζούμε σε έναν χώρο με τρεις διαστάσεις. Για την ώρα ας αφήσουμε το χρόνο έξω από την εξίσωση. Κάθε κίνηση στο χώρο μπορεί να περιγραφεί ως το συνδυασμένο αποτέλεσμα της κίνησης σε τρεις άξονες που είναι ορθογώνιοι μεταξύ τους. Κάθε περιστροφή, αντίστοιχα, μπορεί να περιγραφεί ως το συνδυασμένο αποτέλεσμα της περιστροφής περί των τριών αυτών αξόνων.

Oι όροι Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw, αναφέρονται στους βαθμούς ελευθερίας ενός οχήματος στο χώρο. Οι βαθμοί ελευθερίας δεν είναι τίποτα άλλο από τις δυνατότητες μετακίνησης και περιστροφής που έχει ένα αντικείμενο στο χώρο των τριών διαστάσεων (βλέπε Σχήμα 1). Οι βαθμοί ελευθερίας είναι:

1. Oι τρεις μετακινήσεις κατά τον διαμήκη (Surge), εγκάρσιο (Sway) και κατακόρυφο άξονα (Heave) και,
2. Oι τρεις στροφές κατά τον διαμήκη (Roll), εγκάρσιο (Pitch) και κατακόρυφο άξονα (Yaw) αντίστοιχα του οχήματος.

Σχήμα 1: Άξονες Περιστροφής και Μετακίνησης – Long Axis = Άξονας κίνησης οχήματος,

Ειδικότερα:

Ως Surge ορίζεται η μετακίνηση κατά τη φορά της κίνησης του οχήματος (κίνηση κατά τη φορά του μοβ άξονα – Σχήμα 1).
Ως Sway ορίζεται η μετακίνηση δεξιά ή αριστερά, κοιτώντας το μονοθέσιο από πίσω (κίνηση κατά τη φορά του μπλε άξονα – Σχήμα 1). Όσο μικρότερη είναι αυτή η μετακίνηση τόσο μικρότερη και η απόκλιση της τροχιάς του οχήματος από την επιθυμητή, χωρίς να επηρεάζεται η φορά. Μία καθαρή μετακίνηση κατά τον εγκάρσιο άξονα δεν είναι τίποτα άλλο από τη μετακίνηση που νιώθουμε όταν το όχημα «γλιστρά με τα τέσσερα» χωρίς να υποστρέφει ή να υπερστρέφει (βλέπε Σχήματα 2 και 3).

To Heave είναι η ελευθερία κίνησης της ανάρτησης κατά τον κατακόρυφο άξονα του μονοθέσιου (κίνηση κατά τη φορά του κόκκινου άξονα – Σχήμα 1). Όσο μεγαλύτερη η ελευθερία κίνησης τόσο μεγαλύτερες οι αυξομειώσεις της απόστασης του δαπέδου του μονοθέσιου από το οδόστρωμα. Και τόσο μεγαλύτερη και η επιρροή στην αεροδυναμική απόδοση ενός μονοθέσιου. Τη μετακίνηση αυτή τη νιώθουμε μετά τη διέλευση από κάποιο σαμαράκι. Εύκολα μπορούμε να δούμε την επίδραση της, στο πρωτάθλημα WRC όπου τα εκεί αγωνιστικά οχήματα «πετούν» μετά από ένα «χάσιμο» του δρόμου. Στην F1 το αποτέλεσμα αυτής της μεταβολής της μετακίνησης αυτής, το νιώθουν πολύ καλά στην σπονδυλική τους στήλη οι οδηγοί περνώντας από την Eau Rouge.

Ως Roll, ορίζεται η γωνία περιστροφής του μονοθέσιου περί του διαμήκους άξονα (βλέπε Σχήμα 1). Για την γωνία Roll και τα μεγέθη που την επηρεάζουν, θα αναφερθούμε διεξοδικά σε επόμενη παράγραφο.

Ως Pitch, ορίζεται η γωνία περιστροφής του μονοθέσιου περί του εγκάρσιου άξονα του (βλέπε Σχήμα 1). Η στροφή αυτή σχετίζεται με την μεταφορά βάρους στο εμπρός ή πίσω μέρος του μονοθέσιου. Κατά το φρενάρισμα έχουμε μεταφορά φορτίου προς το εμπρός μέρος του οχήματος δηλαδή στροφή ομόφορη με τη φορά της στροφής στο σχετικό σχήμα. Κατά την επιτάχυνση έχουμε μεταφορά φορτίου προς το πίσω μέρος του οχήματος δηλαδή στροφή αντίφορη της στροφής που σημειώνεται. (βλέπε Σχήμα 4).

Ως Yaw, ορίζεται η γωνία περιστροφής του μονοθέσιου περί του κατακόρυφου άξονα του. Η στροφή αυτή σχετίζεται με την ικανότητα του μονοθέσιου να αλλάζει τη φορά του άξονα κίνησης. Ανάλογα της επιθυμητής διεύθυνσης κίνησης και το άξονα κίνησης του οχήματος η γωνία yaw καθορίζει και το ποσοστό υποστροφής, αν ο άξονας κίνησης υπολείπεται του άξονα επιθυμητής κίνησης ή υπερστροφής, αν ο άξονας κίνησης προηγείται του άξονα επιθυμητής κίνησης (βλέπε Σχήματα 5 και 6).

Σχήμα 2: Θετική μετακίνηση sway.

Σχήμα 3: Αρνητική μετακίνηση sway.

Σχήμα 4: Στροφή Pitch.

Σχήμα 5: Θετική τιμή yaw – κατάσταση καθαρής υποστροφής (pure understeer)

Σχήμα 6: Αρνητική τιμή yaw – κατάσταση καθαρής υπερστροφής (pure oversteer)

Roll, Roll, Roll your car violently up the hill….

Θα εστιάσουμε περισσότερο την προσοχή μας στο roll-center (κέντρο περιστροφής) καθώς είναι μία από τις σημαντικές παραμέτρους της γεωμετρίας μίας ανάρτησης. Η θέση του roll-center σε κάθε άξονα, καθορίζει και τη ακριβή διεύθυνση του άξονα περιστροφής (roll-axis).

Σχήμα 7: Κέντρο περιστροφής (roll-center).

To roll-center (κέντρο περιστροφής), είναι ένα φανταστικό σημείο που καθορίζεται από τη γεωμετρία της ανάρτησης (βλέπε Σχήμα 7). Περί του κέντρου αυτού περιστρέφεται το όχημα ως αποτέλεσμα της δράσης των δυνάμεων αδράνειας που αναπτύσσονται στο όχημα όταν αυτό διαγράφει καμπύλη τροχιά (βλέπε Σχήμα 8).

Σχήμα 8: Κίνηση σε καμπύλη τροχιά.

Το roll-center μπορεί να βρίσκεται εντός ή εκτός του σώματος του οχήματος για κάθε άξονα. Η ένωση των κέντρων περιστροφής του εμπρός και πίσω άξονα, καθορίζουν το άξονα περιστροφής (roll axis) του οχήματος. Περί αυτού του άξονα το όχημα περιστρέφεται, λόγω της ροπής που αναπτύσσεται εξαιτίας των δυνάμεων αδράνειας. Αν ο άξονας έχει διεύθυνση ώστε κοιτώντας από το πλάι, να βλέπουμε τα σημεία του άξονα να πλησιάζουν το οδόστρωμα καθώς κοιτάμε από πίσω προς τα εμπρός, τότε η συμπεριφορά του μονοθέσιου είναι γενικώς υπερστροφική (βλέπε Σχήμα 9). Αν η φορά του άξονα αυτού είναι προς τα άνω τότε η συμπεριφορά του μονοθέσιου είναι υποστροφική (βλέπε Σχήμα 9).

Σχήμα 9: Άξονας περιστροφής (Roll-Axis).

Για να βρούμε το κέντρο περιστροφής της ανάρτησης (βλέπε Σχήμα 7) σχεδιάζουμε φανταστικές γραμμές παράλληλες με τα στοιχεία της ανάρτησης κάθε τροχού (ευθείες 1 και 2, και 3 και 4 του Σχήματος 7). Έστω ότι οι γραμμές αυτές ενώνονται στα σημεία S1 (τομή των ευθειών 1 και 2) και S2 (τομή των ευθειών 3 και 4) αντίστοιχα. Από το κέντρο του αντίστοιχου τροχού φέρουμε τις ευθείες 5 και 6 που συνδέουν τα κέντρα με τα σημεία S1 και S2 αντίστοιχα. Η ευθεία 5 έχει ως δύο σημεία το σημείο S1 και το κέντρο του τροχού από τον οποίο ξεκινούν οι γραμμές 1 και 2 που ορίζουν το σημείο S1. Το σημείο τομής των ευθειών 5 και 6 είναι το κέντρο περιστροφής (roll-center) της ανάρτησης για το συγκεκριμένο άξονα.

Η απόσταση (CoG-arm) από το κέντρο βάρους (CoG) καθορίζει και τον μοχλοβραχίονα της μάζας του οχήματος, ο οποίος ορίζει και την ροπή που αναπτύσσεται στο όχημα κατά την κίνηση του σε στροφή. Αν ο μοχλοβραχίονας αυτός είναι μεγάλος, τότε το μονοθέσιο θα έχει μεγαλύτερες κλίσεις, για τον ίδιο βαθμό ενδοτικότητας της ανάρτησης. Αυτό συνεπάγεται μεγαλύτερη μεταφορά φορτίου στους εξωτερικούς τροχούς. Καταλαβαίνουμε γιατί η διεύθυνση του άξονα περιστροφής μας δίνει μία γρήγορη απάντηση στο αν η συμπεριφορά του οχήματος είναι υπερστροφική (Σχήμα 10) ή υποστροφική (Σχήμα 11). Στην περίπτωση του υπερστροφικού οχήματος, η μεγαλύτερη απόσταση από το CoG του κέντρου περιστροφής του εμπρός άξονα, έχει ως αποτέλεσμα αυτός να φορτίζεται περισσότερο κατά την στροφή. Οπότε και αναπτύσσει μεγαλύτερες δυνάμεις. Άρα στο όριο θα είναι αυτός που θα ενδώσει τελευταίος. Οπότε θα είναι το πίσω μέρος αυτό που θα «γλιστρήσει» πρώτα. Κάτι που το αντιλαμβανόμαστε ως υπερστροφή καθώς το όχημα θα κινηθεί προς την φορά της δύναμης αδράνειας. Δηλαδή για το πίσω μέρος προς το εξωτερικό της στροφής.

Τα παραπάνω ισχύουν μόνον όταν η κατανομή βάρους είναι ακριβώς 50%-50% μεταξύ του εμπρός και πίσω άξονα, το κέντρο βάρους του οχήματος βρίσκεται στον διαμήκη άξονα συμμετρίας του οχήματος, έχουμε ακριβώς το ίδιο ελαστικό, δεν απαιτούμε από τους κινητήριους τροχούς να επιταχύνουν το όχημα, ή δεν είμαστε σε φάση φρεναρίσματος, το όχημα κινείται σε επίπεδο δρόμο κλπ. Άλλοι παράγοντες, όπως η πίεση των ελαστικών, η γωνία κάμπερ, τα χαρακτηριστικά της ανάρτησης κλπ. μπορούν να μετριάσουν ή και να αλλάξουν τη συμπεριφορά στο όριο του οχήματος από υποστροφική σε υπερστροφική και το αντίστροφο. Αλλά είναι η διεύθυνση του άξονα περιστροφής αυτή που θα καθορίσει την βασική συμπεριφορά του οχήματος.

Υπάρχουν και διατάξεις ανάρτησης όπου το κέντρο βάρους (CoG) βρίσκεται κάτω από τον άξονα περιστροφής του μονοθέσιου. Σε αυτή την περίπτωση η δύναμη αδράνειας, η οποία πάντα έχει φορά προς το εξωτερικό της στροφής, τείνει να στρέψει το μονοθέσιο κατά τέτοιο τρόπο που να φορτίζονται περισσότερο οι εσωτερικοί τροχοί.

Σχήμα 10: Τυπική Υπερστροφή (συνδυασμός sway & yaw).

Σχήμα 11: Τυπική Υπoστροφή (συνδυασμός sway & yaw).

Γωνίες, γωνίες, γωνίες!

Ιδιαίτερα για τον εμπρός άξονα, ο οποίος έχει τα καθήκοντα της αλλαγής διεύθυνσης ιδιαίτερη αξία έχουν τρεις ακόμα γωνίες. Γωνίες που αφορούν τη θέση της ανάρτησης ως προς τον τροχό και τον τρόπο με τον οποίο το ελαστικό εφάπτεται στο οδόστρωμα. Οι τρεις αυτές γωνίες είναι:

1. Η γωνία caster. Είναι η γωνία που σχηματίζεται, όταν βλέπουμε από το πλάι τον τροχό, μεταξύ του κατακόρυφου άξονα της ανάρτησης (κόκκινο χρώμα στο Σχήμα 12) και του κατακόρυφου άξονα του οχήματος (μοβ χρώμα στο Σχήμα 12). Όταν ο άξονας της ανάρτησης βλέπει όπως στο Σχήμα 12 τότε η γωνία caster ορίζεται ως θετική. Η γωνία αυτή επηρεάζει, την ικανότητα των κατευθυντήριων τροχών να επανέλθουν στην ευθεία. Θετική γωνία caster έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της δύναμης επαναφοράς των τροχών στην ευθεία.
2. Η γωνία camper. Είναι η γωνία, όταν βλέπουμε από το πλάι τον τροχό, μεταξύ του κατακόρυφου άξονα της ανάρτησης (κόκκινο χρώμα στο Σχήμα 12) και του κατακόρυφου άξονα του οχήματος (μοβ χρώμα στο Σχήμα 12). Όταν ο άξονας της ανάρτησης κοιτά όπως στο Σχήμα 12 τότε η γωνία camber ορίζεται ως αρνητική. Αρνητικές γωνίες camber έχουν ως αποτέλεσμα ο εξωτερικός τροχός κατά τη στροφή να μειώνει τη γωνία επαφής του με το οδόστρωμα. Οπότε ο τροχός αυτός μπορεί να αναπτύσσει μεγαλύτερη δύναμη λόγω της πλήρους εκμετάλλευσης του πέλματος. Τέλος,
3. Η γωνία toe. Είναι η γωνία που σχηματίζει ο τροχός, με το τιμόνι σε θέση ευθείας, όταν βλέπουμε τον τροχό από πάνω. Αν ο τροχός κοιτά όπως στο Σχήμα 12, τότε η διάταξη του τροχού ορίζεται ως toe in. Η γωνία toe παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην ευστάθεια του οχήματος όταν κινείται σε μία στροφή. Λόγω των αδρανειακών δυνάμεων που αναπτύσσονται στο όχημα οι κατευθυντήριοι τροχοί έχουν την τάση να αποκτήσουν toe out. Κοινώς να κοιτούν προς τα έξω. Το toe in αντισταθμίζει αυτή τη τάση οπότε και οι τροχοί κινούνται προσφέροντας τη μεγαλύτερη δυνατή πρόσφυση, με τη μικρότερη δυνατή φθορά του ελαστικού. Υπερβολικές τιμές toe in έχουν ως αποτέλεσμα στη ευθεία το ελαστικό να φθείρεται καθώς αντί να κυλά, σέρνεται στο δρόμο και η κατανάλωση να αυξάνεται. Διαφορετικές τιμές της γωνίας toe ανά ελαστικό έχουν ως αποτέλεσμα το όχημα να «τραβά» προς την πλευρά που έχει την μεγαλύτερη τιμή. Η διατήρηση της σωστής γωνίας toe είναι ιδιαίτερα σημαντική. Και μία από τις παραμέτρους της ανάρτησης, που εξετάζεται στα ΚΤΕΟ. angles

Σχήμα 12: Γωνίες caster, camber και toe.

Ολοκληρώνοντας

Στο τρίτο μέρος του άρθρου θα ασχοληθούμε με τους τύπους των αναρτήσεων που βρίσκουν εφαρμογή στα μονοθέσια της F1 και ειδικότερα με τις υλοποιήσεις push-rod και pull-rod. Τις δύο εναλλακτικές που έχουν οι ομάδες στη διάθεση τους σήμερα, για τη μεταβίβαση των δυνάμεων από τον τροχό στα υπόλοιπα στοιχεία της ανάρτησης.