Μεταφέροντας την ισχύ σε οποιοδήποτε έδαφος (4Τ 212, 5/1988)
Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος
Δεν έχει περάσει πολύς καιρός από τότε που μιλούσαμε για μετάδοση της κίνησης και στους 4 τροχούς και η σκέψη πήγαινε αμέσως στα «εκτός δρόμου». Εκεί βρίσκονται ουσιαστικά οι ρίζες της τετρακίνησης κι εκεί είναι που τα πλεονεκτήματά της υπερισχύουν καθαρά των μειονεκτημάτων της κι όπου η ύπαρξή της είναι αναγκαία κάτω απ' όλες τις δυνατές συνθήκες. Δεν μπορούμε στην πράξη να θεωρήσουμε ότι ένα αυτοκίνητο είναι πραγματικό «εκτός δρόμου» αν δεν διαθέτει και σύστημα μετάδοσης σ' όλους τους τροχούς. Για να γίνει αυτό αντιληπτό πρέπει να γυρίσουμε λίγο στη διαδικασία μετάδοσης της κίνησης μετά το κιβώτιο ταχυτήτων και τη φιλοσοφία της αρχιτεκτονικής της και να τα συνδυάσουμε με τις ιδιαίτερες απαιτήσεις της κίνησης εκτός δρόμου. Στα επιβατικά αυτοκίνητα λοιπόν, η φιλοσοφία αυτή είναι αρκετά απλή. Η κίνηση μεταδίδεται στους δύο μόνο τροχούς μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται ένα διαφορικό. Ο ρόλος του τελευταίου είναι να επιτρέπει στους δύο τροχούς να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες στις στροφές. Κι αυτό γιατί στις στροφές ο «εσωτερικός» τροχός (αυτός δηλαδή που βρίσκεται προς το εσωτερικό της στροφής) διανύει μικρότερη απόσταση από τον εξωτερικό. Αφού λοιπόν αποτελούν κι οι δύο μέρη του ίδιου συνόλου, του αυτοκινήτου, και πρέπει να βρεθούν ταυτόχρονα στην έξοδο της στροφής, πρέπει ο εσωτερικός τροχός να περιστρέφεται με μικρότερη ταχύτητα, ώστε να μπορεί ο εξωτερικός να τον προλαβαίνει.
Σχήμα 1: Οι πιο σύγχρονες λύσεις για τον μπροστινό άξονα περιλαμβάνουν συχνά ανεξάρτητες αναρτήσεις με ελικοειδή ελατήρια ή ράβδους στρέψης, μειώνοντας έτσι σημαντικά το μη φερόμενο βάρος, κρατώντας καλύτερα σ' επαφή τους τροχούς με το έδαφος και περιορίζοντας την ακτίνα στροφής του αυτοκινήτου. Πίσω βέβαια εξακολουθεί πάντα να βασιλεύει ο άκαμπτος άξονας.
Σχήμα 2: Οι κλασικοί άκαμπτοι άξονες με τα φύλλα σούστας χρησιμοποιούνται ακόμα σε αρκετές περιπτώσεις για τις αναρτήσεις των «εκτός δρόμου». Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η απλότητά τους και οι μεγαλύτερες δυνατότητες ρύθμισης που προσφέρουν.
Αν οι δύο τροχοί ήταν άκαμπτα συνδεδεμένοι μεταξύ τους (π.χ. στις άκρες ενός ενιαίου άξονα), τότε ο εξωτερικός τροχός θα έτεινε να επιταχύνει τον εσωτερικό, εξαναγκάζοντάς τον σε «σπινάρισμα» και, κατά την αντίθετη φορά, ο εσωτερικός θα φρενάριζε τον εξωτερικό, εξαναγκάζοντάς τον σε ολίσθηση. Το αποτέλεσμα φυσικά θα ήταν ταχύτατη φθορά των ελαστικών αλλά και σημαντική επιδείνωση της οδικής συμπεριφοράς του αυτοκινήτου. Με την τοποθέτηση του διαφορικού τα προβλήματα αυτά λύνονται, αφού επιτρέπει στους δύο τροχούς να περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα στην ευθεία αλλά με διαφορετική στις στροφές.
Όλα αυτά είναι αποτελεσματικά σε μεγάλο βαθμό κατά την κίνηση στο δρόμο, όπου τα πράγματα είναι αρκετά απλά. Το οδόστρωμα είναι από άσφαλτο και με μικρές σχετικά κλίσεις, η πρόσφυση είναι σχεδόν η ίδια για τους δύο τροχούς σ' όλη τη διάρκεια της διαδρομής και, λόγω και της κατασκευής του διαφορικού, η ροπή μεταδίδεται εξίσου στους δύο κινητήριους τροχούς.
Από τη στιγμή όμως που το αυτοκίνητο εγκαταλείπει το δρόμο, τα πράγματα αλλάζουν τελείως. Οι επιφάνειες πάνω στις οποίες πρέπει να κινηθεί δεν είναι ομαλές, οι κλίσεις είναι συχνά πολύ μεγάλες, ο συντελεστής τριβής μπορεί να έχει τεράστιες διαφορές ακόμα και μεταξύ σημείων που απέχουν μεταξύ τους μερικά εκατοστά. Ο συμβατικός τρόπος μετάδοσης χάνει την αποτελεσματικότητά του και δεν επαρκεί για να κινήσει το αυτοκίνητο σε οποιοδήποτε έδαφος ή για να μην το αφήσει να «κολλήσει» σε κάποια δύσκολη επιφάνεια.
Η αναποτελεσματικότητα αυτή οφείλεται σε δύο λόγους. Πρώτα απ' όλα, όταν το αυτοκίνητο κινείται σε τέτοιες ανώμαλες επιφάνειες είναι φυσικό να υπάρχουν και μεγάλες μετατοπίσεις του βάρους του, ανάλογα με τις κλίσεις του εδάφους. Η κατανομή λοιπόν του βάρους στους δύο άξονες υφίσταται τεράστιες μεταβολές, γεγονός που σημαίνει ότι συχνά ο άξονας των κινητήριων τροχών (εφ' όσον η μετάδοση είναι συμβατική) ελαφρώνει σημαντικά, κάτι που σημαίνει βέβαια και μεγάλη μείωση της πρόσφυσης των τροχών, που σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί να μην είναι αρκετή για να κινήσει το αυτοκίνητο. Το δεύτερο μεγάλο πρόβλημα οφείλεται στον ίδιο τον τρόπο λειτουργίας του διαφορικού. Στη μετάδοση δηλαδή της ροπής κατά 50% στον κάθε τροχό και στη δυνατότητα που δίνει στους δύο τροχούς να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Σε μία ακραία περίπτωση, όπου ο ένας τροχός θα πατήσει π.χ. σε άμμο ή λάσπη, όπου ο συντελεστής τριβής πέφτει πρακτικά στο μηδέν, το αυτοκίνητο θ' ακινητοποιηθεί, με τον τροχό αυτό να περιστρέφεται «τρελά» και τον άλλο εντελώς ακίνητο. Κι αυτό γιατί στον τροχό που έχει πρόσφυση δεν μεταδίδεται ωφέλιμη ροπή, αφού η ροπή που μεταδίδεται στον ένα τροχό είναι αναγκαστικά ίση μ' αυτή που μεταδίδεται στον άλλο (που στην προκειμένη περίπτωση, λόγω του μηδενικού συντελεστή τριβής, είναι αμελητέα). Κι επειδή το διαφορικό επιτρέπει εντελώς ανεξάρτητη κίνηση μεταξύ των δύο ημιαξονίων, ο ένας τροχός μπορεί να περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα κι ο άλλος να είναι ακίνητος.
Είναι λοιπόν φανερό πως η συμβατική μετάδοση είναι ανεπαρκής για κίνηση εκτός δρόμου. Η λύση είναι η μετάδοση της κίνησης και στους 4 τροχούς. Μοιράζοντας τη ροπή στους δύο άξονες έχεις πολύ μεγαλύτερες πιθανότητες να έχει καλή πρόσφυση τουλάχιστον ο ένας απ' αυτούς. Και βέβαια ακόμη κι η μισή ροπή είναι αρκετή για να κινήσει το αυτοκίνητο, επιτρέποντάς του ν' απομακρυνθεί από το δύσκολο σημείο αντί να κολλήσει. Σαν συμπλήρωμα αυτής της αρχιτεκτονικής έρχεται και η διαφορετική κατασκευή του διαφορικού (ή μάλλον των διαφορικών, αφού τώρα έχουμε δύο κινητήριους άξονες) έτσι ώστε να μην επιτρέπει πλέον την εντελώς ανεξάρτητη κίνηση των δύο τροχών που συνδέει. Σ' αυτήν την περίπτωση έχουμε το λεγόμενο διαφορικό «περιορισμένης ολίσθησης», γνωστό και σαν «μπλοκέ», στο οποίο μ' έναν ειδικό μηχανισμό «κλειδώνει» η σύνδεση μεταξύ των δύο ημιαξονίων όταν η διαφορά της ταχύτητάς τους περάσει κάποιο όριο. Έτσι η κατανομή της ροπής δεν είναι πλέον ίση μεταξύ των δύο τροχών, αλλά το μεγαλύτερο μέρος της μεταδίδεται στον τροχό με τη μεγαλύτερη πρόσφυση, αποκλείοντας την πιθανότητα να κολλήσει ένας τροχός επειδή περιστρέφεται «τρελά» ο άλλος.
Σχήμα 3: Η πιο κλασική μορφή μετάδοσης 4x4 για κίνηση εκτός δρόμου: Η ροπή μεταδίδεται στους δύο άξονες με «άκαμπτο» τρόπο, χωρίς δηλαδή να τους δίνει τη δυνατότητα να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Έτσι, ακόμα κι αν ο ένας άξονας κολλήσει σε μια επιφάνεια μηδενικής τριβής, μεταδίδεται η ροπή στον άλλο και το αυτοκίνητο δεν ακινητοποιείται
Βεβαίως υπάρχει πάντα η πιθανότητα να πατήσουν και οι δύο τροχοί σε επιφάνεια μηδενικής τριβής και να χάσουν κάθε πρόσφυση. Σ' αυτήν την περίπτωση το έργο της κίνησης του αυτοκινήτου αναλαμβάνουν οι άλλοι δύο. Γι' αυτόν ακριβώς το λόγο, στα περισσότερα 4x4 εκτός δρόμου η μετάδοση της κίνησης στους δύο άξονες γίνεται μέσω άκαμπτου συστήματος, έτσι ώστε αν ο ένας άξονας χάσει την πρόσφυση να εξακολουθήσει να μεταδίδεται ροπή στον άλλο. Συχνά η κατανομή της ροπής γίνεται μέσω ενός ενδιάμεσου κιβωτίου με δύο σχέσεις υποπολλαπλασιασμού, ώστε τελικά να υπάρχει ένα σετ από «κοντές» κι ένα από «μακριές» τελικές σχέσεις μέσω του κανονικού κιβώτιου, ανάλογα με τις απαιτήσεις της οδήγησης. Σε ορισμένες περιπτώσεις η μετάδοση και στους 4 τροχούς είναι συνεχής (μιλώντας πάντα για «άκαμπτο» σύστημα), γεγονός που περιορίζει τις δυνατότητες του αυτοκινήτου στον κανονικό δρόμο, και σε άλλες είναι εμπλεκόμενη με κάποιο χειριστήριο από τον οδηγό, ώστε το αυτοκίνητο να μπορεί να κινείται με δύο μόνο κινητήριους τροχούς όταν κυκλοφορεί στο δρόμο. Η «άκαμπτη» συνεχής μετάδοση και στους 4 τροχούς παρουσιάζει το ίδιο ακριβώς μειονέκτημα με την περίπτωση της έλλειψης διαφορικού μεταξύ 2 κινητήριων τροχών. Ο εμπρός και ο πίσω άξονας ενός αυτοκινήτου κάνουν διαφορετικού μήκους διαδρομές κατά την κίνησή του στις στροφές. Η «άκαμπτη» σύνδεση μεταξύ τους δημιουργεί μεγάλη φθορά στα ελαστικά, αλλά και «κούρδισμα» του κεντρικού άξονα μετάδοσης, με τη δημιουργία αυξημένων στρεπτικών τάσεων. Τ' αυτοκίνητα λοιπόν με τέτοιο σύστημα έχουν γενικά περιορισμένες δυνατότητες (και αυξημένη κατανάλωση) κατά την κίνηση στο δρόμο, όπου μπορούν να κινηθούν μόνο με σχετικά μικρές ταχύτητες.
Το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί με την τοποθέτηση ενός κεντρικού διαφορικού, ενός διαφορικού δηλαδή μεταξύ των δύο αξόνων, λύση που εφαρμόζεται πολύ συχνά στα αυτοκίνητα παραγωγής και τ' αγωνιστικά με μετάδοση της κίνησης και στους 4 τροχούς και που έκανε ήδη την εμφάνισή της και στο χώρο των «εκτός δρόμου». Ο ρόλος του κεντρικού διαφορικού είναι ο ίδιος ακριβώς με το ρόλο των διαφορικών που παρεμβάλλονται μεταξύ των τροχών, να δίνει δηλαδή τη δυνατότητα στους δύο άξονες να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Κατ’ αναλογία όμως, το διαφορικό αυτό παρουσιάζει και το ίδιο μειονέκτημα με τα διαφορικά των τροχών. Αν δηλαδή ένας τροχός αρχίσει να περιστρέφεται «τρελά», τότε δεν μεταδίδεται ωφέλιμη ροπή όχι μόνο στον άλλο τροχό του ίδιου άξονα, αλλά ούτε στους τροχούς του άλλου άξονα, αφού και οι δύο άξονες συνδέονται μεταξύ τους μέσω διαφορικού.
Γι' αυτόν ακριβώς το λόγο είναι απαραίτητο να υπάρχει δυνατότητα μπλοκαρίσματος και για το κεντρικό διαφορικό σ' ένα αυτοκίνητο που προορίζεται για κίνηση εκτός δρόμου. Ο περιορισμός αυτός της ολίσθησης μεταξύ των δύο αξόνων δεν είναι απαραίτητο να είναι συνεχής, αλλά μπορεί να γίνεται η επιλογή του και με χειροκίνητο τρόπο από τον οδηγό, όταν θέλει να ξεκολλήσει το αυτοκίνητο σε περίπτωση ακινητοποίησής του, ή γενικότερα να κινηθεί σε μια «δύσκολη» επιφάνεια, όπου ο κίνδυνος της ακινητοποίησης είναι συνεχής.
Οι δυνατότητες επιλογής λοιπόν που προσφέρουν τα συστήματα μετάδοσης και στους 4 τροχούς για κίνηση εκτός δρόμου είναι δύο: «άκαμπτη» σύνδεση μεταξύ των δύο αξόνων, συνεχής ή χειροκίνητα αποσυμπλεκόμενη, και σύνδεση μέσω κεντρικού διαφορικού, με συνεχή ή χειροκίνητα επιλεγόμενο περιορισμό της ολίσθησης μεταξύ των δύο αξόνων. Μέχρι στιγμής στη συντριπτική πλειοψηφία των διαφόρων «τζιποειδών» που κυκλοφορούν στην αγορά χρησιμοποιείται η πρώτη. Χωρίς βέβαια αυτό να σημαίνει απαραίτητα ότι είναι και η καλύτερη.
Αναρτήσεις: διαφορετικές απαιτήσεις, διαφορετική φιλοσοφία
Όπως ακριβώς συμβαίνει και με τη μετάδοση, έτσι και στον τομέα των αναρτήσεων η κίνηση εκτός δρόμου έχει εντελώς διαφορετικές απαιτήσεις από αυτές των «οικογενειακών» αυτοκινήτων, λόγω των ιδιομορφιών και της ποικιλίας των επιφανειών τις οποίες αφορά. Η άνεση έρχεται εδώ σε εντελώς δεύτερη μοίρα κι εκείνο που προέχει είναι η δυνα¬τότητα της ανάρτησης να κρατάει τους τροχούς μονίμως σ' επαφή με το έδαφος και το αμάξωμα σε κάποια ασφαλή απόσταση απ’ αυτό, ώστε να μη χτυπάει το δάπεδο του αυτοκινήτου στην παραμικρή προεξοχή. Αυτά και μόνο αρκούν για να εξηγηθεί γιατί οι αναρτήσεις των «εκτός δρόμου» είναι σημαντικά σκληρότερες απ' αυτές των «οικογενειακών» αυτοκινήτων και γιατί, κατά συνέπεια, η άνεση είναι κάτι που δεν μπορεί να συμβαδίζει με τη δυνατότητα κίνησης σε οποιοδήποτε έδαφος.
Σχήμα 4: Τα πλεονεκτήματα του κεντρικού διαφορικού αποδείχθηκαν με τη διάδοση της τετρακίνησης και στο χώρο των επιβατικών αυτοκινήτων και τους αγώνες. Έτσι έκανε δειλά την εμφάνιση της και στον τομέα των «έκτος δρόμου». Με τη χρησιμοποίησή του βελτιώνεται η πρόσφυση των τροχών και μειώνονται οι στρεπτικές καταπονήσεις του κεντρικού άξονα, ενώ παράλληλα βελτιώνεται και η συμπεριφορά των αυτοκινήτων στο δρόμο. Φυσικά το κεντρικό διαφορικό πρέπει να είναι απαραίτητα «περιορισμένης ολίσθησης», συνεχώς ή κατ' επιλογήν.
Δεν έχει περάσει πολύς καιρός, από τότε που όλα τα τετρακίνητα εκτός δρόμου είχαν την απλούστερη μορφή ανάρτησης εμπρός - πίσω, άκαμπτο άξονα δηλαδή με φύλλα σούστας. Κι αν από τότε έχουν παρουσιαστεί αρκετά μοντέλα με ανεξάρτητη ανάρτηση στους μπροστινούς τροχούς, η λύση των δύο άκαμπτων αξόνων εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε πολλές περιπτώσεις, παρά το γεγονός ότι η ανεξάρτητη ανάρτηση συνεπάγεται και σημαντικά μικρότερο μη φερόμενο βάρος όπως και καλύτερη διατήρηση της επαφής των ελαστικών με το έδαφος. Για το γεγονός αυτό υπάρχει φυσικά μια λογική εξήγηση. Και η εξήγηση αυτή βρίσκεται στο μειονέκτημα της ανεξάρτητης ανάρτησης να μη διατηρεί σταθερή απόσταση του άξονα από το έδαφος, με αποτέλεσμα να είναι ευκολότερο κατά τη συμπίεση των ελατηρίων να «βρίσκει» το διαφορικό στο έδαφος. Αντίθετα, με τον άκαμπτο άξονα η απόσταση του διαφορικού από το έδαφος είναι πάντα σταθερή, ανεξάρτητα από το κατά πόσο τα ελατήρια είναι συμπιεσμένα ή όχι. Παράλληλα, ο άκαμπτος άξονας είναι απλούστερος, άρα και πιο αξιόπιστος, ενώ δίνει τη δυνατότητα και για μεγαλύτερη ρύθμιση του ύψους της ανάρτησης, κάτι που εκτιμάται ιδιαίτερα από τους φίλους της κίνησης εκτός δρόμου. Αντίθετα, η ανεξάρτητη ανάρτηση δεν μπορεί να ψηλώσει παρά ελάχιστα εκατοστά χωρίς να δημιουργήσει την ανάγκη για σημαντικές τροποποιήσεις της.
Σχήμα 5: Ενδιάμεσος μειωτήρας. Η κίνηση από το κιβώτιο (επάνω αριστερά) μεταδίδεται προς τους πίσω τροχούς (επάνω δεξιά) και – σε περίπτωση ανάγκης – προς τους μπροστινούς (κάτω αριστερά) μέσω μας πολλαπλής αλυσίδας.
Όσον αφορά τα ελατήρια, είναι ευρύτατη η χρησιμοποίηση των φύλλων σούστας στα «εκτός δρόμου», σ' αντίθεση με τα επιβατικά αυτοκίνητα όπου έχουν επικρατήσει ολοκληρωτικά τα ελικοειδή ελατήρια. Τα φύλλα σούστας όμως είναι πολύ απλά, παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευελιξία όσον αφορά την ικανότητα μεταφοράς φορτίου, ενώ είναι πολύ εύκολο να τροποποιηθούν, με την προσθήκη ή την αφαίρεση φύλλων. Επί πλέον, εκτός από την ανάρτηση του αμαξώματος χρησιμεύουν και για τη στήριξη του άξονα, εξαλείφοντας την ανάγκη ξεχωριστών βραχιόνων γι' αυτήν τη δουλειά. Τέλος, η τριβή μεταξύ των φύλλων δημιουργεί κάποια απόσβεση, επιτρέποντας τη χρησιμοποίηση απλούστερων αμορτισέρ. Από την άλλη πλευρά, τα φύλλα σούστας είναι βαριά, αυξάνοντας έτσι σημαντικά και το μη φερόμενο βάρος, ενώ καθώς η τοποθέτησή τους είναι διαμήκης, περιορίζουν τη δυνατότητα στροφής των τροχών αυξάνοντας έτσι την ακτίνα στροφής του αυτοκινήτου κατά 180 μοίρες. Αυτά τα μειονεκτήματα ώθησαν τους κατασκευαστές να εξετάσουν και τις δυνατότητες χρησιμοποίησης των ελικοειδών ελατηρίων αλλά και των ράβδων στρέψης, που βρήκαν ότι μειώνουν το μη φερόμενο βάρος, με τη μεγαλύτερη μείωση να επιτυγχάνεται από τις ράβδους στρέψης. Οι τελευταίες δεν χρειάζονται παρά κάποιο ελεύθερο μήκος για την τοποθέτησή τους, καταλαμβάνοντας ελάχιστο χώρο, ενώ τα ελικοειδή ελατήρια, λόγω των παρόμοιων χαρακτηριστικών σχήματος και μετατοπίσεων που έχουν με τ' αμορτισέρ, μπορούν να τοποθετηθούν παράλληλα και πολύ κοντά μ' αυτά (ή και ομοαξονικά) χωρίς παράλληλα να δημιουργούν περιορισμούς στο στρίψιμο των τροχών. Η στροφή πολλών κατασκευαστών προς διαφορετικούς τύπους ελατηρίων από τα φύλλα σούστας χαρακτηρίζει ίσως και μια άλλη σημαντική εξέλιξη στο σχεδιασμό των αναρτήσεων των «εκτός δρόμου» τη βελτίωση δηλαδή της άνεσης. Βεβαίως δεν υπάρχει σύγκριση με τα «οικογενειακά» αυτοκίνητα, αλλά για την κίνηση εκτός δρόμου δεν κρίνονται πλέον αναγκαία ελατήρια τέτοιας σκληρότητας που να προκαλούν… ορθοπεδικά προβλήματα στους επιβάτες. Η σύγχρονη θεωρία σχεδιασμού των αναρτήσεων των «εκτός δρόμου» ευνοεί ένα συνδυασμό πιο μαλακών ελατηρίων, που επιτρέπουν μεγαλύτερες διαδρομές των τροχών (ώστε ν' ακολουθούν καλύτερα τη μορφολογία του εδάφους), παράλληλα με σκληρά αμορτισέρ για τη διατήρηση των ελατηρίων υπό έλεγχο.
