Αναρτήσεις γενικά (C&D 22, 9/1991)

Κείμενο: Παν. Λιάκης Φωτογραφίες: Αρχείου

Τι είναι, γιατί υπάρχουν και πώς λειτουργούν οι αναρτήσεις; Εισαγωγή στο τεράστιο αυτό θέμα, για όσους ζήτησαν να τις περιγράψουμε απλά-απλά.

Αν και έχουμε ασχοληθεί επανειλημμένα στο παρελθόν με τις αναρτήσεις, σε αρκετά μάλιστα υψηλό, πιστεύουμε, επίπεδο, ωστόσο παρατηρούμε από τα γράμματα των αναγνωστών μας ότι υπάρχουν αρκετοί που αγνοούν βασικές αρχές της λειτουργίας τους. Επειδή λοιπόν είναι απαραίτητο να έχει κατανοήσει κανείς τι ακριβώς κάνει ένα ελατήριο, ένα αμορτισέρ, ένα ψαλίδι ή μία «μπάρα», πριν καταπιαστεί με θέματα όπως οι αναλύσεις των αναρτήσεων πολλαπλών συνδέσμων, αρχίζουμε από το άλφα και ξεκαθαρίζουμε στις παρακάτω γραμμές μερικά από τα βασικά γιατί και πώς του τεράστιου θέματος των αναρτήσεων. Γιατί υπάρχουν αναρτήσεις; Το ερώτημα αυτό αποτελεί την κλασικότερη ίσως εισαγωγή στο θέμα, η απάντηση όμως δεν είναι μονοσήμαντη και εξαρτάται άμεσα από τον ερωτώμενο. Για να αντλείται η μεγαλύτερη δυνατή πρόσφυση από τα ελαστικά, θα σας πει ο μηχανικός αγώνων. Για να εξασφαλίζεται η σταθερότητα του συστήματος όχημα- οδηγός, θα υποστηρίξει ο σχεδιαστής της περίπλοκης multilink ενός ασφαλούς επιβατικού οχήματος προηγμένης τεχνολογίας. Για να μην περνούν οι ανωμαλίες του δρόμου στο σώμα των επιβατών, θα έλεγε χωρίς καθυστέρηση κάποιος μηχανολόγος των πρώτων χρόνων της αυτοκίνησης.

ΤΑ ΕΛΑΤΗΡΙΑ

Με τα σημερινά δεδομένα, ίσως η τελευταία από τις παραπάνω απαντήσεις να ηχεί απλοϊκή στα αυτιά ενός γνώστη του θέματος, η αλήθεια όμως είναι ότι κάπως έτσι άρχισαν όλα. Οι πρώτοι χωμάτινοι δρόμοι καμία σχέση δεν είχαν βέβαια με τους σημερινούς και η απορρόφηση των ανωμαλιών τους αποτελούσε τον σημαντικότερο πονοκέφαλο για τον σχεδιαστή αναρτήσεων. Από τον καιρό ακόμα των αμαξών είχε γίνει φανερό ότι, προκειμένου να εξασφαλισθεί κάποια στοιχειώδης άνεση, οι τροχοί έπρεπε να ανεβοκατεβαίνουν ανεξάρτητα από το υπόλοιπο όχημα, που θα στηριζόταν σ' αυτούς με τη βοήθεια κάποιου ελαστικού μέσου. Η ποικιλία των μηχανικών λύσεων που εμφανίστηκαν για το σκοπό αυτό είναι εντυπωσιακή: ελαστικοί τάκοι και ιμάντες, μεταλλικές βέργες και ελάσματα, φύλλα σούστας, ελατήρια, ράβδοι στρέψης, σφαίρες με αέριο υπό πίεση. Τη μάχη σήμερα κερδίζουν τα ελατήρια, γιατί συνδυάζουν αποτελεσματικότητα με χαμηλό κόστος, απλότητα και παντελή έλλειψη προβλημάτων και ανάγκης συντήρησης. Οι ελαστικοί τάκοι των πρώτων Μίνι δεν εξασφαλίζουν στους τροχούς αρκετά μεγάλες διαδρομές, οι ράβδοι στρέψης καταλαμβάνουν ελάχιστο χώρο, απαιτούν όμως μεγάλη φροντίδα στη στήριξή τους και εξαιρετικά στιβαρά και άκαμπτα ψαλίδια και βραχίονες, ενώ οι υδροπνευματικές αναρτήσεις αποτελούν ίσως τη λύση του μέλλοντος λόγω της δυνατότητας συνδυασμού τους με ηλεκτρονικές μονάδες ελέγχου, δεν παύουν όμως να είναι ακριβές και πολύπλοκες. Όπως λοιπόν ξέρουμε όλοι μας, τα παλιά καλά ελατήρια έχουν την ιδιότητα όταν τα συμπιέσει κανείς να υποχωρούν, αντιστεκόμενα όλο και περισσότερο στη συμπίεσή τους, και όταν τα απελευθερώσει να επανέρχονται στο αρχικό τους μήκος. Τι καταλληλότερο, θα 'λεγε κανείς, για την ανάρτηση ενός αυτοκινήτου: ο τροχός συναντά κάποια προεξοχή του οδοστρώματος, το ελατήριο συμπιέζεται, ο τροχός ανυψώνεται χωρίς να παρενοχληθεί το υπόλοιπο αυτοκίνητο και οι επιβάτες του. Μετά την προεξοχή το ελατήριο αποσυμπιέζεται και ο τροχός κατεβαίνει στην αρχική του θέση. Δυστυχώς, η ιδανική αυτή συμπεριφορά πολύ απέχει από την πράξη. Όταν το ελατήριο συμπιέζεται, το υπόλοιπο αυτοκίνητο δεν παραμένει στην πραγματικότητα ανενόχλητο αλλά υφίσταται μία δύναμη και αρχίζει να κινείται προς τα πάνω. Εν τω μεταξύ ξεπερνιέται η προεξοχή, ο τροχός κατεβαίνει και το αυτοκίνητο βρίσκεται πιο ψηλά από την αρχική θέση ηρεμίας του, άρα πρέπει να ξανακατέβει. Θυμηθείτε τώρα τα χοροπηδητά που κάνατε στο κρεβάτι σας όταν ήσασταν πιτσιρίκοι: πέφτατε από ψηλά, ο «σουμιές» συμπιεζόταν και μετά σας ξαναπέταγε ψηλά. Ακόμα και αν μένατε στη συνέχεια ακίνητοι, θα ^ χρειάζονταν αρκετές, όλο και μικρότερες, ταλαντώσεις μέχρι να σταματήσετε. Αν δε αποφασίζατε να μη μείνετε ακίνητοι, θα μπορούσατε με πολύ μικρή προσπάθεια να πηδάτε όλο και ψηλότερα κάθε φορά. Χωρίς υπερβολή, η συμπεριφορά μίας ανάρτησης με σκέτα ελατήρια πολύ λίγο θα διέφερε από την παραπάνω εικόνα. Μετά από κάθε ανωμαλία του οδοστρώματος θα ακολουθούσε μια ολόκληρη σειρά επικίνδυνα σκαμπανεβάσματα μέχρι το αυτοκίνητο να ηρεμήσει. Σε περίπτωση συνεχόμενων ανωμαλιών οι ταλαντώσεις του αμαξώματος θα γίνονταν όλο και πιο βίαιες (συντονισμός), καταλήγοντας σε μια εξαιρετικά κρίσιμη κατάσταση, όπου η πλήρης απώλεια του ελέγχου του οχήματος, ακόμα και η ανατροπή του δεν θα 'ταν μακριά (θυμηθείτε τις εικόνες από τα ξέφρενα κυνηγητά των αμαξών με τα σκέτα φύλλα σούστας, από τους ινδιάνους στις ταινίες γουέστερν).

Σχ. 1 Τομή ενός τυπικού αμορτισέρ. Το συμπιεζόμενο αέριο κάτω από το ελεύθερο έμβολο αντισταθμίζει τον πρόσθετο όγκο του εισερχόμενου στελέχους.

ΤΑ ΑΜΟΡΤΙΣΕΡ

Από πολύ παλιά έγινε φανερή λοιπόν η ανάγκη απόσβεσης με κάποιο τρόπο των ταλαντώσεων και των συντονισμών των ελατηρίων. Τα πρωτόγονα συστήματα τριβής έδωσαν σιγά-σιγά τη θέση τους στα σημερινά αμορτισέρ. Την «ψυχή» ενός αμορτισέρ (στην απλούστερη μορφή του) αποτελεί ένα έμβολο που κινείται μέσα σ' έναν κύλινδρο γεμάτο λάδι (Σχ. 1). Ο κύλινδρος είναι συνδεδεμένος με τους τροχούς, το έμβολο με το σασί. Κατά την κίνηση του εμβόλου το λάδι εξαναγκάζεται να περάσει από τη μία πλευρά του στην άλλη μέσω μικροσκοπικών βαλβίδων. Στις αργές κινήσεις το πέρασμα αυτό γίνεται χωρίς δυσκολία, στις γρήγορες όμως η αντίσταση στην κίνηση του εμβόλου είναι σημαντικότατη. Με τον τρόπο αυτό και με προσεκτική επιλογή της ρευστότητας του λαδιού και των διαμέτρων των βαλβίδων, που κατά κανόνα είναι διαφορετικές για τη συμπίεση και διαφορετικές για την αποσυμπίεση, σε συνδυασμό με τη σκληρότητα των ελατηρίων, μπορεί να επιτευχθεί αρκετά αποτελεσματική απόσβεση των ταλαντώσεων και των αναπηδήσεων των τροχών. Τονίζουμε και πάλι ότι τα αμορτισέρ δεν στηρίζουν το αυτοκίνητο (αυτό είναι καθήκον αποκλειστικά και μόνον των ελατηρίων), φρενάρουν μόνο τις κινήσεις της ανάρτησης προβάλλοντας όλο και περισσότερη αντίσταση όσο οι τελευταίες είναι ταχύτερες. Όταν η ανάρτηση μένει ακίνητη, τα αμορτισέρ στην ουσία δεν λειτουργούν.

Η ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΙΚΗ ΔΟΚΟΣ

Η χρήση της περίφημης «μπάρας εξισορρόπησης» άρχισε να γίνεται όλο και συχνότερη από τη στιγμή που καθιερώθηκαν οι «ανεξάρτητες» αναρτήσεις, όπου ο δεξιός τροχός μπορεί να κινείται ανεξάρτητα από τον αριστερό και αντίστροφα. Παρά την αναμφισβήτητη προσαρμοστικότητά τους στο οδόστρωμα, οι αναρτήσεις αυτές έδιναν υπερβολικές κλίσεις στο αμάξωμα στις στροφές, κλίσεις ανεπιθύμητες, που καλείται να περιορίσει η αντιστρεπτική. Αυτή δεν είναι παρά μια ράβδος με κεκαμμένα άκρα που στηρίζεται στο σασί με δυο αρθρώσεις, μέσα στις οποίες μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα (Σχ. 2). Κάθε άκρο συνδέεται με μια ανάρτηση και προσέξτε τι γίνεται σε μια στροφή (Σχ. 3): το ένα άκρο ανεβαίνει, το άλλο κατεβαίνει και η αντιστρεπτική αναγκάζεται να στραφεί γύρω από τον εαυτό της, γεγονός στο οποίο φυσικά αντιστέκεται. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της και όσο κοντύτερα είναι τα άκρα της (μικρός μοχλοβαχίονας), τόσο περιορίζονται οι κλίσεις του αμαξώματος. Με την κατάλληλη επιλογή συνεπώς των χαρακτηριστικών αυτών, ο μηχανικός μπορεί με πολύ εύκολο τρόπο να υλοποιήσει τον βαθμό ανεξαρτησίας της ανάρτησης που αυτός επιθυμεί.
Προσέξτε ότι στις εγκάρσιες ανωμαλίες των ευθειών όπου και οι δύο τροχοί ανεβοκατεβαίνουν συγχρόνως, η αντιστρεπτική απλώς ανεβοκατεβαίνει ελεύθερα μαζί τους χωρίς να συστρέφεται, συνεπώς δεν επηρεάζει καθόλου τη σκληρότητα της ανάρτησης. Μέσα σε ορισμένα πλαίσια λοιπόν είναι δυνατόν να επιτευχθεί αρκετά σκληρή συμπεριφορά στην είσοδο των στροφών όπου το αμάξωμα αποκτά κλίση - κάτι το επιθυμητό για καλή οδική συμπεριφορά - χωρίς να επιβαρύνεται η άνεση του αυτοκινήτου στην ευθεία.

Σχήμα 2

Σχήμα 3

ΤΥΠΟΙ ΑΝΑΡΤΗΣΕΩΝ

Ως εδώ ασχοληθήκαμε με τα ελαστικά μέρη των αναρτήσεων, αυτά δηλαδή που συμπιέζονται, αποσυμπιέζονται και παραμορφώνονται με σκοπό την προσαρμογή στις ιδιομορφίες του οδοστρώματος, χωρίς να αναφερθούμε καθόλου στα μηχανικά σύνολα αρθρώσεων, ράβδων, ψαλιδιών κλ.π. που στηρίζουν τους τροχούς. Το πλήθος των μηχανισμών που επινόησε μέχρι τώρα ο άνθρωπος για το σκοπό αυτό μοιάζει απεριόριστο, γι' αυτό εμείς θα περιοριστούμε στα κυριότερα συστήματα των ημερών μας. Τα Γόνατα ΜακΦέρσον (Σχ. 4) αποτελούν αναμφισβήτητα την πιο διαδεδομένη ανάρτηση των ημερών μας και είναι κατάλληλα τόσο για την εμπρός όσο και για την πίσω ανάρτηση, ιδιαίτερα των προσθοκίνητων αυτοκινήτων. Πλεονέκτημά τους ο μικρός χώρος που καταλαμβάνουν, η αξιόλογη οδική συμπεριφορά και η απλότητά τους. Μειονέκτημα η όχι πολύ καλή ακαμψία κάτω από μεγάλες καταπονήσεις.

Σχ. 4 Γόνατα ΜακΦέρσον. Χαρακτηριστικό τους γνώρισμα η σταθερή γωνία τροχού- αμορτισέρ.

Σχήμα 5
Στην καθαρή τους μορφή περιλαμβάνουν ένα μοναδικό στιβαρό κάτω μπράτσο που συνδέεται με το κάτω μέρος της πλήμνης, για καλύτερη στήριξη όμως το μπράτσο αυτό μπορεί να υποβαστάζεται από πρόσθετους βραχίονες ή να έχει τη μορφή τριγωνικού ψαλιδιού. Η προαιρετική (στα ελαφρά τουλάχιστον σχήματα) αντιστρεπτική δοκός αποτελεί το αλατοπίπερο της συνταγής. Αν τα γόνατα ΜακΦέρσον έχουν καταλάβει εξ εφόδου τον χώρο του επιβατικού αυτοκινήτου, τίποτα δεν δείχνει ικανό να εκτοπίσει τα Διπλά Τριγωνικά Ψαλίδια (Σχ. 5) και τις παραλλαγές τους από τα καθαρόαιμα αγωνιστικά αυτοκίνητα και τα οχήματα εξαιρετικά υψηλών επιδόσεων. Επιτυγχάνουν με μικρό βάρος μεγάλη ακαμψία και άριστο έλεγχο της θέσης των τροχών, καταλαμβάνουν όμως πολύ χώρο και πρέπει να έχουν μεγάλο μήκος αν είναι να δείξουν τις πραγματικές δυνατότητές τους, ιδίως όταν η ανάρτηση έχει μεγάλες διαδρομές (όπως στα επιβατικά αυτοκίνητα). Άλλος ένας τρόπος στήριξης των τροχών είναι και οι Υστερούντες Βραχίονες (Σχ. 6) που ζουν με επιτυχία στο πίσω κατά κανόνα μέρος πολλών αυτοκινήτων (οι παράλληλοι με το αυτοκίνητο βραχίονες ονομάζονται «υστερούντες», οι κάθετοι σ' αυτό «εγκάρσιοι» και οι λοξοί «ημιυστερούντες»). Καταλαμβάνουν ελάχιστο χώρο, κάτι καλό για τον χώρο των αποσκευών, παίρνουν όμως - μαζί με τους τροχούς που στηρίζουν - τις κλίσεις του αμαξώματος στις στροφές, κάτι όχι και πολύ καλό για την οδική συμπεριφορά. Η προσεκτική μελέτη τους όμως μπορεί να «σιδερώσει» το μειονέκτημα αυτό, και μάλιστα με άριστο τρόπο, τουλάχιστον στα σύγχρονα επιβατικά αυτοκίνητα. Οι ημιυστερούντες βραχίονες (Σχ. 7) εξάλλου αποτελούν συστατικό αρκετών επιτυχημένων πίσω αναρτήσεων, ιδίως σε βαριά και πισωκίνητα σχήματα. Πολλές ειδικότερες πληροφορίες μπορεί να πάρει κανείς στα πολύ καλά άρθρα για τις πίσω αναρτήσεις των τευχών 2,3 και 4.

Σχήμα 6

Σχήμα 7

Σχήμα 8

Παραλλαγή των υστερούντων βραχιόνων αποτελεί και η πίσω ανάρτηση σε σχήμα Π πολλών προσθοκίνητων αυτοκίνητων (Σχ. 8). Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της το ότι βασίζεται την ίδια της στην κάμψη για να λειτουργήσει: στις στροφές, η ασύμμετρη φόρτιση προκαλεί τη συστροφή του κεντρικού στελέχους της που δρα σαν αντιστρεπτική δοκός. Στην πραγματικότητα δηλαδή είναι μια ανάρτηση ημιανεξάρτητη. Όπως είναι φυσικό, η ικανότητα της να συμπεριφέρεται σαν αντιστρεπτική χωρίς να υπάρχει αντιστρεπτική κάτω από το σασί, σε συνδυασμό με τον ελάχιστο πραγματικά χώρο που καταλαμβάνει, την έκανε ιδιαίτερα αγαπητή στους κατασκευαστές. Τη χρησιμοποιούν όλο και περισσότερο, ιδίως στα οχήματα της μικρής κατηγορίας. Η οδική συμπεριφορά της πολλές φορές είναι εντυπωσιακή, ακόμα και σε αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων. Στο σημείο αυτό ολοκληρώσαμε μια πρώτη γνωριμία με τα κυριότερα συστατικά του κεφαλαίου αναρτήσεις. Το κεφάλαιο όμως είναι ανεξάντλητο. Τι συμβαίνει στη θέση των τροχών; Η κλίση του αμαξώματος είναι ανεπιθύμητη ή όχι; Σκληρή ή μαλακή ανάρτηση; Τι ακριβώς επιτυγχάνουν οι αναρτήσεις πολλαπλών συνδέσμων, που τόσα ακούγονται γι' αυτές τελευταία; Στα επόμενα τεύχη θα βρείτε απαντήσεις σ' αυτά και αρκετά ακόμα ερωτήματα, που ελπίζουμε θα αποσαφηνίσουν κάπως το όμορφο αλλά περίπλοκο αυτό θέμα.

Φ1: Ημιυστερούντες βραχίονες, διαφορικό σταθερά στερεωμένο στο σασί, αντιστρεπτική, και ενδεχόμενα πρόσθετες ράβδοι συγκράτησης και/ή δυναμικής μεταβολής της γεωμετρίας. Η πιο δημοφιλής «πισωκίνητη» ανάρτηση των ημερών μας.

Φ2α &2β: Η γαλλική εξαίρεση -.τίποτα περισσότερο από τα γνωστά γόνατα ΜακΦέρσον μπροστά με υστερούντες βραχίονες πίσω, τα ελατήρια-αμορτισέρ όμως αντικαθιστούν οι γνωστές υδροπνευματικές σφαίρες της Σιτροέν.

Φ3: Άκαμπτος άξονας με ράβδο Πανάρ για τον έλεγχο των πλάγιων μετατοπίσεών του. Λύση πολύ πετυχημένη στο παρελθόν και πολύ αποτελεσματική σήμερα (εδώ στο πίσω μέρος της Άλφα 33). Η γεωμετρία των διπλών διαμήκων βραχιόνων στήριξης εξασφαλίζει σταθερό μεταξόνιο.