Αμορτισέρ, σκληρές και μαλακές αναρτήσεις

9 Ιαν 2013 από lk

Αμορτισέρ, σκληρές και μαλακές αναρτήσεις

 

Δυο εξαρτήματα χαρακτηρίζουν μια ανάρτηση.  Τα ελατήρια (ή οι σούστες) και τα αμορτισέρ, δηλαδή οι αποσβεστήρες των κραδασμών της ανάρτησης.

Τα ελατήρια αποβλέπουν στην μαλακότερη υπερπήδηση ενός εμποδίου του δρόμου.  Προστατεύουν έτσι τα ελαστικά και τις ζάντες από ζημιές, οι οποίες θα δημιουργούνταν αν θα έπρεπε σε ελάχιστο χρόνο να ανασηκωθεί ολόκληρο τα βάρος ενός οχήματος. Βελτιώνουν επίσης την άνεση των επιβατών, που έτσι αισθάνονται λιγότερο ισχυρούς κραδασμούς.  Στα τετράτροχα οχήματα είναι άλλωστε απαραίτητα, για να εξασφαλίζεται η επαφή και των τεσσάρων τροχών σε ένα ανώμαλο έδαφος.

Όπως αναφέρθηκε και στο σχετικό με τα ελατήρια άρθρο αυτού του Site, η δύναμη (βάρος) που επιδρά σε ένα ελατήριο είναι ανάλογη με τα εκατοστά της συμπίεσης που δέχεται.  Όταν πχ ένα  ελατήριο δέχεται το βάρος ενός οχήματος, συμπιέζεται τόσο, ώστε η δύναμη που εξασκεί να ισούται με το βάρος που δέχεται.

Κατά την υπερπήδηση ενός εμπόδιου του δρόμου, πρέπει σε ελάχιστο χρόνο να ανασηκωθεί ολόκληρο το όχημα. Αυτό απαιτεί μια επιπλέον δύναμη, η οποία είναι τόσο μεγαλύτερη του αρχικού βάρους, όσο μικρότερος είναι ο διαθέσιμος χρόνος, δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα.  Εδώ βοηθάει το ελατήριο, που συμπιέζεται λόγω της επιπλέον δύναμης (σαν να μεγάλωσε δηλαδή το βάρος που σηκώνει) ώστε συμπιεζόμενο να διευκολύνει το πέρασμα πάνω από το εμπόδιο και να ελαττώνεται ο κραδασμός.

Όσο σκληρότερο είναι το ελατήριο που έχει επιλεγεί, τόσο μεγαλύτερες είναι οι δυνάμεις και οι κραδασμοί που επιδρούν περνώντας πάνω από εμπόδια ή βγαίνοντας από μια λακούβα, αλλά και τόσο δυσκολότερα προσαρμόζονται οι τέσσερις τροχοί σε ένα ανώμαλο έδαφος. Αυτό φαίνεται σαφώς στην ακραία περίπτωση της εικόνας (1) όπου δεν υπάρχει καθόλου ελατήριο, πράγμα που αντιστοιχεί σε ένα απείρως σκληρό ελατήριο, οπότε σε ενώμαλο έδαφος ο ένας τροχός είναι πάντα στον αέρα.

Ένα σκληρό ελατήριο επομένως καταπονεί πολύ όχι μόνο τροχούς και ζάντες, αλλά και το αμάξωμα και τους επιβάτες.

Τα ελατήρια σε αντίθεση με τις σούστες δεν έχουν εσωτερικές τριβές, ώστε αν τα πιέσουμε στγμιαία αρχίζουν να αναπηδούν, όπως μια μπάλα που πετάμε με δύναμη στο έδαφος. Με κάθε αναπήδηση όμως χάνουν την επαφή τους με το έδαφος, ώστε το όχημα να κινδυνεύει να φύγει από το δρόμο.

Εδώ χρειάζονται τα αμορτισέρ, που εμποδίζουν την κίνηση του τροχού, τόσο προς τα επάνω, όσο και προς τα κάτω, και χρησιμεύουν στη ριζική μείωση των αναπηδήσεων. Πιστεύω πως ο καθένας μας θα έχει δει κάποια στιγμή σε προπορευόμενο όχημα τις αναπηδήσεις ενός τροχού, που σηματοδοτούν ένα χαλασμένο αμορτισέρ.

Εμποδίζοντας την κάθετη κίνηση του τροχού το αμορτισέρ αυξάνει την φαινομενική σκληρότητα του ελατηρίου, αλλά μόνο όσο ανεβοκατεβαίνει ο τροχός.  Εν στάσει είναι σαν να μην υπάρχει.  Γι’ αυτό είναι λάθος αυτό που συχνά ακούμε να λένε: «Χάλασαν τα αμορτισέρ μου και έχει καθίσει το αυτοκίνητο».

Το αμορτισέρ είναι ένα έμβολο το οποίο κινείται μέσα σε έναν κύλινδρο γεμάτο λάδι, και που μέσα από βαλβίδες δημιουργεί δυσκολία στην παλινδρομική κίνησή του.  Μεγαλύτερη προς τα επάνω (συμπίεση) από ότι προς τα κάτω (εκτόνωση).  Στις δύο πλευρές του εμβόλου εγκλωβίζεται διαφορετικός όγκος λαδιού, λόγω του άξωνα που τον περιορίζει και πρέπει να υπάρχει δυνατότητα εκτόνωσης σε κάποια πλευρά του αμορτισερ (κατασκευή Α στην εκόνα). Διαφορετικά πρέπει να καλυπτεται η διαφορά όγκου με την συμπίεση αερίου (κατασκευή C στην εκόνα).

Η λειτουργία του συνήθως δεν προβλέπει να μπορεί να σηκώσει έστω και λίγο από το βάρος του οχήματος και γι’ αυτό στέκεται σε οποιαδήποτε θέση το μετακινήσεις.

Αν τώρα έχετε διαπιστώσει ότι τα σύγχρονα αμορτισέρ έχουν μια προφόρτιση που τα σπρώχνει σε θέση εκτόνωσης, ώστε να μην συμπιέζονται εύκολα με το χέρι, αυτό επιλέγεται ώστε με χρήση προφόρτισης με αέριο να επιτυγχάνεται μεγαλύτερος  χρόνος λειτουργίας και καλύτερη αποτελεσματικότητα. Οι δυνάμεις αυτές της  προφόρτισης είναι πολύ μικρές για να αυξήσουν αποτελεσματικά την σκληρότητα του ελατηρίου.  Ο λόγος της κατασκευαστικής αυτής επιλογής είναι ότι κατά την λειτουργία του αμορτισέρ, το λάδι που αναγκάζεται να περάσει με δυσκολία μέσα από μικρές χαραμάδες του εμβόλου, θερμαίνεται και αφρίζει δημιουργώντας δυσλειτουργίες. Πέραν αυτού οξειδώνεται από το οξυγόνο του αέρα, γίνεται πιο λεπτόρευστο και χάνει τις ιδιότητές του.  Έτσι όμως μειώνεται η αποτελεσματικότητά του αμορτισέρ.

Για να αποφύγουν τις επιπτώσεις αυτές, οι κατασκευαστές εγκλωβίζουν στο επάνω μέρος της αποθήκευσης του λαδιού, ένα ουδέτερο αέριο, το οποίο κατά την παλινδρόμηση του εμβόλου, συμπιέζεται και αποσυμπιέζεται, εμποδίζοντας τη δημιουργία αφρού, αλλά και τον αέρα να έρθει σε επαφή με το λάδι.  Μια λιγότερο ακριβή λύση είναι να εγκλωβιστεί μια συγκεκριμένη ποσότητα αέρα υπό πίεση, αντί ουδέτερου αερίου, που δεν ανανεώνεται, ώστε και η ποσότητα του οξυγόνου να είναι δεδομένη, ελαττώνοντας την οξείδωση του λαδιού και να αποφεύγεται η δημιουργία αφρού.

Οι δυνάμεις που δημιουργούνται με  την παλινδρομική κίνηση του αμορτισέρ, είναι τόσο μεγαλύτερες, όσο πιο γρήγορη (απότομη) είναι η συμπίεσή του. Αυτό επειδή όσο πιο γρήγορα πρέπει να περάσει το λάδι από μια συγκεκριμένη χαραμάδα του εμβόλου, τόσο μεγαλύερη αντίσταση παρουσιάζει.  Για να μειώσουν το φαινόμενο αυτό στα επιθυμητά όρια, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν πολλαπλές βαλβίδες συμπίεσης (ροδέλλες διαφορετικής διαμέτρου) οι οποίες ανοίγουν η μια μετα την άλλη, όσο η πίεση μεγαλώνει, ενώ για την εκτόνωση προβλέπονται βαλβίδες μικρότερης ισχύος. (Φωτο 2).

Κατά την κίνηση τώρα του αυτοκινήτου, με χαμηλή ταχύτητα απαιτείται μια μαλακή ανάρτηση, αφού η ταχύτητα που ανεβοκατεβαίνουν οι τροχοί είναι χαμηλή και οι αντίστοιχες δυνάμεις που επιδρούν παραμένουν μικρές.  Αντίθετα σε υψηλές ταχύτητες απαιτούνται ισχυρότερες δυνάμεις προκειμένου να διατηρηθεί η επαφή των τροχών με το οδόστρωμα.

Αν λοιπόν επιλέξουμε σκληρά ελατήρια η δύναμη των οποίων δεν εξαρτάται από την ταχύτητα συμπίεσης και σχετικά μαλακά αμορτισέρ, τότε όσο αυξάνεται η ταχύτητα τόσο πιο μαλακή αίσθηση δίνει η ανάρτηση.  Αυτό επειδή οι δυνάμεις που επενεργούν στον τροχό αυξάνονται, ενώ η δύναμη που ασκεί το ελατήριο για να τις αντισταθμίσει παραμένει σταθερή. Μόνο τα αμορτισέρ αυξάνουν την αντίδρασή τους  με αυξανόμενη την ταχύτητα, αλλά η αύξηση αυτή δεν επαρκεί αν τα αμορτισέρ έχουν επιλεγεί να είναι μαλακά,  προκειμένου να διατηρηθεί κάποια άνεση για τους επιβάτες.   Παρ’ όλο επομένως το ότι ένα σκληρό ελατήριο επαναφέρει γρήγορα τον τροχό στο οδόστρωμα, με την επιλογή του έχουμε το αντίθετο από αυτό που απαιτείται, αφού η ανάρτηση συμπεριφέρεται ως μαλακότερη όσο μεγαλώνει η ταχύτητα.

Ένα δεύτερο μειονέκτημα των σκληρών ελατηρίων είναι το ότι η ανάρτηση σε χαμηλές ταχύτητες είναι πολύ σκληρή εις βάρος της άνεσης.

Πολύ καλύτερο αποτέλεσμα έχουμε με μια μαλακή σχετικά ανάρτηση, που συνεργάζεται με σκληρά αμορτισέρ.  Στην περίπτωση αυτή, όσο αυξάνεται η ταχύτητα τόσο αυξάνεται η δύναμη που προέρχεται από τα αμορτισέρ, ενώ η δύναμη του ελατηρίου παραμένει, όπως πάντα, σταθερή. Η ανάρτηση επομένως σκληραίνει όσο η ταχύτητα μεγαλώνει, πράγμα που είναι επιθυμητό, ενώ η επαφή με το οδόστρωμα βελτιώνεται ακόμα περισσότερο, όταν η δύναμη επιστροφής (εκτόνωσης του αμορτισέρ) επιλεγεί πολύ χαμηλή, ώστε να επανέρχονται άμεσα οι τροχοί στο οδόστρωμα.

Ένα άλλο πλεονέκτημα των μαλακών ελατηρίων είναι ότι βελτιώνουν σημαντικά την άνεση στις χαμηλές ταχύτητες, ενώ επιτρέπουν και μεγάλες διαδρομές ανάρτησης, ώστε να “πατάνε” καλά οι τροχοί σε ανώμαλο έδαφος και να αποφεύγεται το σπινάρισμα ενός τροχού. Το αντίθετο δηλαδή με μια σκληρή ανάρτηση, η οποία και περιορίζει τόσο τις διαδρομές των αναρτήσεων όσο και την άνεση των επιβατών, ενώ δημιουργεί προβλήματα στην καλή επαφή των κινητήριων τροχών με το έδαφος, όπου υπάρχουν ανωμαλίες και διαφορές ύψους στο επίπεδο του οδοστρώματος.  Αυτό είναι εμφανέστατο στη φωτογραφία με τον κάδο απορριμμάτων, που δεν έχει καθόλου ελατήρια στους τροχούς, ώστε να αντιστοιχεί με μια απόλυτα σκληρη (απείρως σκληρή) ανάρτηση, όπου ο ένας τροχός βρίσκεται στον αέρα όταν το οδόστρωμα δεν είναι απόλυτα επίπεδο.

Παρ’ όλα αυτά, στα αυτοκίνητα αγώνων επιλέγονται σκληρές αναρτήσεις για πολύ συγκεκριμένους λόγους:

Στα μεν αυτοκίνητα των Ράλλυ, δεν είναι μόνο τα ελατήρια σκληρά, αλλά και τα αμορτισέρ ιδιαίτερα σκληρά. Αυτό επειδή αφ’ ενός οι ταχύτητες είναι ιδιαίτερα μεγάλες, ώστε οι απαιτούμενοι χρόνοι αντίδρασης της ανάρτρησης να είναι πολύ μικροί, αφ’ ετέρου επειδή με την τετρακίνηση δεν επηρεάζεται η πρόσφυση, παρ’ ότι πολυ συχνά βλέπουμε έναν τροχό στον αέρα και τέλος επειδή η άνεση μπορεί να είναι ακόμα και ανύπαρκτη ειδικά στις χαμηλές ταχύτητες.

Άλλοι λόγοι επιβάλλουν τις σκληρές αναρτήσεις στα αγωνιστικά αυτοκίνητα πίστας. Ο βασικότερος πέραν της ιδιαίτερα υψηλής ταχύτητας είναι το ότι για λόγους αεροδυναμικής, τα αυτοκίνητα πρέπει να είναι όσο πιο χαμηλωμένα γίνεται. Αυτό όμως δεν επιτρέπει μαλακές αναρτήσεις, γιατί με αυτές σε κάθε εμπόδιο θα «εύρισκαν» στο έδαφος.  Βλέπουμε άλλωστε πόσο συχνά βρίσκουν στην άσφαλτο οι φόρμουλες, πετώντας πίσω τους σπίθες, παρά τις απόλυτα σκληρές αναρτήσεις τους.

Άλλες απαιτήσεις επομένως ισχύουν για τα αγωνιστικά και άλλες για τα συμβατικά αυτοκίνητα που χρησιμοποιούμε και τα οποία πρέπει να συμπεριφέρονται άριστα σε κάθε μια από τις πολλές απαιτήσεις διαφορετικής εκάστοτε χρήσης.