Ανάρτηση αυτοκινήτου

Η ανάρτηση αποτελεί ένα είδος ελαστικού συνδέσμου που διαχωρίζει τις αναρτημένες (όπως είναι το πλαίσιο, ο κινητήρας, οι επιβάτες, κτλ.) με τις μη αναρτημένες (οι τροχοί, οι δίσκοι πέδησης, οι άξονες του διαφορικού, κτλ.) μάζες ενός οχήματος. Κάθε σύστημα ανάρτησης αποτελείται από ένα σύνολο μηχανικών αρθρώσεων και συναρμογών, που συνεργάζονται με ελατήρια και αμορτισέρ και λειτουργούν για να ελέγξουν την κατακόρυφη ταλάντωση των τροχών και τη συνεπαγόμενη αυξομείωση της απόστασης τους από το αναρτημένο κυρίως σώμα του οχήματος. Η λειτουργία των αναρτήσεων αφορά αφενός την άνεση, δηλαδή την μείωση των ταλαντώσεων που φτάνουν στο αμάξωμα και στην καμπίνα των επιβατών, και αφετέρου την οδηγησιμότητα του οχήματος.

 Η παλαιότερη μορφή ανάρτησης, αν και βασικά στη διάταξη αυτή δεν υπήρχε ανάρτηση! Για την ακρίβεια, οι τροχοί συνδέονταν απευθείας με τον άξονα, ο οποίος συνδεόταν στο πλαίσιο με διάφορους τρόπους, ακριβώς όπως συνέβαινε στο παρελθόν στις άμαξες. Όταν στον άκαμπτο άξονα δεν μεταδίδεται κίνηση, τότε λέγεται και «νεκρός» άξονας, κάτι που είχε συμβεί στο παρελθόν σε κάποια μοντέλα με κίνηση στους μπροστινούς τροχούς και άκαμπτο πίσω άξονα. Ο ημιάκαμπτος άξονας χρησιμοποιείται σε σύγχρονες κατασκευές μικρών επιβατικών αυτοκινήτων και ενεργεί ως σταθεροποιητής, ενώ αυξάνει και την ευστάθεια του αυτοκινήτου, ιδίως στις στροφές. Τα άκρα της «γέφυρας» ενός ημιάκαμπτου άξονα είναι συγκολλημένα με δύο παράλληλους διαμήκεις χαλύβδινους βραχίονες, δεξιά και αριστερά, ενώ πάνω στους βραχίονες στερεώνονται οι τροχοί, έτσι ώστε η κίνηση του ενός τροχού να μην επηρεάζει τον άλλον (όπως, αντιθέτως, συνέβαινε στον άκαμπτο άξονα). Επίσης τα άκρα της γέφυρας στο άνω μέρος της έχουν ειδικά διαμορφωμένα στηρίγματα πρόσδεσης, όπου μέσω ελαστικών εδράνων, στηρίζονται με κοχλίες στο αμάξωμα. Αποτελεί το κύριο στοιχείο μιας ανάρτησης και είναι ένα σώμα που καθώς συμπιέζεται και αλλάζει σχήμα, αποθηκεύει μέσα του ένα ποσό μηχανικής ενέργειας και το απελευθερώνει αμέσως μόλις επανέλθει στο αρχικό του σχήμα. Κάθε ελατήριο διαθέτει έναν συγκεκριμένο συντελεστή σκληρότητας, δηλαδή έναν αριθμό ο οποίος περιγράφει το λόγο της δύναμης που παραμορφώνει το ελατήριο, προς το μέγεθος της παραμόρφωσης που προκαλείται. Ο συντελεστής αυτός προέρχεται από ένα σύνολο δεδομένων όπως είναι ο συντελεστής ελαστικότητας του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο, αλλά και από τον τρόπο και το είδος της παραμόρφωσης που του γίνεται, πάντα βέβαια σε σχέση με την επιλεγμένη διατομή του υλικού στην περιοχή της παραμόρφωσης. Τα ελάσματα αυτά είναι τα πρώτα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάρτηση των αυτοκινήτων και σήμερα χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά στα βαριά οχήματα. Πρόκειται για μια σειρά ελασμάτων (φύλλων) από χάλυβα, που το μήκος τους μειώνεται διαδοχικά, καθώς τοποθετούνται το ένα επάνω στο άλλο. Στο μέσον τους ή σπανιότερα σε ασύμμετρη θέση, συνδέονται με έναν κεντρικό πείρο ο οποίος και τα διαπερνά. Ο αριθμός των ελασμάτων αρχίζει από ένα ή δύο και φθάνει μέχρι και πάνω από δέκα, στα βαρέα οχήματα. Το σύνολο τους συμπεριφέρεται σαν ένα ενιαίο δοκάρι στη μέση χοντρό και στις άκρες λεπτό, αλλά με ελαστικότητα μεγαλύτερη απ' όση θα είχε αν ήταν ένα ενιαίο συμπαγές κομμάτι. Τα ελάσματα μπορούν να παίξουν και το ρόλο του ψαλιδιού μιας ανάρτησης, δηλαδή αποτελούν και το βραχίονα έδρασης του άξονα των τροχών χωρίς να χρειάζεται άλλο εξάρτημα. Επιπλέον, η εσωτερική τριβή που δημιουργείται ανάμεσα στα φύλλα όταν αυτά κάμπτονται, μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε θερμότητα και αποσβένει τις ταλαντώσεις, γι' αυτό και πολλά από τα πρώτα αυτοκίνητα δεν χρησιμοποιούσαν καθόλου επιπρόσθετα αμορτισέρ. Τα ελικοειδή ελατήρια αποτελούνται από κυκλικής διατομής χαλύβδινη ράβδο που έχει περιελιχθεί ελικοειδώς. Τα ελατήρια αυτά που από τη φύση τους δέχονται μόνο θλιπτικά φορτία και χρησιμοποιούνται σε συστήματα ανεξάρτητης ανάρτησης, τοποθετούμενα μεταξύ του άνω η κάτω βραχίονα (ψαλιδιού) και αμαξώματος ή πλαισίου σε κατάλληλες υποδοχές. Η δυνατότητα φόρτισης τους εξαρτάται από τη διάμετρο της χαλύβδινης ράβδου που διαθέτουν, από το μέγεθος της διαμέτρου του ελατηρίου και από τον αριθμό των σπειρών που έχουν. Το πιο κοινό είδος ελατηρίου είναι το «απλό», με σταθερό συντελεστή σκληρότητας σε όλες τις σπείρες, οι οποίες είναι ίδιας διαμέτρου, βήματος και πάχους. Το ελατήριο αυτό συμπεριφέρεται γραμμικά και διατηρεί τον ίδιο συντελεστή σκληρότητας όσο κι αν συμπιεστεί ή εκταθεί από την έδραση κάποιου αναρτημένου φορτίου. Το ελάχιστο μήκος που μπορεί να έχει ένα τέτοιο ελατήριο, ορίζεται από το σημείο όπου όλες οι σπείρες του θα ακουμπήσουν η μία πάνω στην άλλη ταυτόχρονα, το σε συμπαγή μεταλλικό κύλινδρο. Για να αποφευχθεί η πιθανότητα να συμβεί κάτι τέτοιο, τα ελατήρια αυτά έχουν συνήθως ελαστικά στόπερ (bump stop), τα οποία αναλαμβάνουν δράση λίγο πριν τον τερματισμό. Άλλο ένα είδος ελατηρίου είναι το ελικοειδές ελατήριο με μεταβλητό συντελεστή σκληρότητας, το οποίο έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε, προς τις άκρες του, οι σπείρες να είναι πιο πυκνά διατεταγμένες, ενώ στο κεντρικό τμήμα να απέχουν μεταξύ τους αρκετά. Καθώς το ελατήριο συμπιέζεται, οι σπείρες με τα μικρά διάκενα ακουμπούν, αφήνοντας μόνο ένα μικρό κεντρικό κομμάτι του ελατηρίου να λειτουργεί. Μετά τα πρώτα εκατοστά «μαλακής» βύθισης, δηλαδή, το εναπομείναν λειτουργικό τμήμα συμπεριφέρεται σαν σκληρότερο ελατήριο. Σήμερα χρησιμοποιούνται διάφορων ειδών ελατήρια, που μπορεί, πέρα από την κανονική κυλινδρική μορφή τους, να παρουσιάζουν είτε σμίκρυνση στη μέση του κυλίνδρου, είτε να έχουν κωνική ή οβάλ μορφή. Η στρεπτική ράβδος είναι ένα μακρύ μεταλλικό εξάρτημα κυκλικής συνήθως διατομής, κατασκευασμένο από ειδικό ατσάλι ελατηρίων, του οποίου το ένα άκρο στερεώνεται στο σασί του αυτοκινήτου, ενώ στο άλλο άκρο προσαρμόζεται ένας βραχίονας. Ο τροχός του αυτοκινήτου βρίσκεται στην άκρη του βραχίονα και καθώς ανεβοκατεβαίνει, αναγκάζει τη στρεπτική ράβδο να υποστεί στρεπτικές ροπές, στις οποίες αντιδρά ανάλογα. Ένα από τα πλεονεκτήματά τους, είναι το μικρό βάρος και η ευκολία τοποθέτησής τους χαμηλά σε περιοχές του πλαισίου, όπου δεν ενοχλούν κανέναν με την παρουσία τους. Οι στρεπτικές ράβδοι χρησιμοποιήθηκαν από τις δεκαετίες του 1930 και του 1940, αρχικά σε αγωνιστικά αυτοκίνητα και μεταγενέστερα στα αυτοκίνητα παραγωγής. Σήμερα χρησιμοποιούνται στην ανεξάρτητη μπροστινή ανάρτηση μερικών τετρακίνητων και στην πίσω ανάρτηση αρκετών μικρών μπροστοκίνητων, κυρίως από την Renault. Οι αποσβεστήρες ταλαντώσεων γνωστοί και ως αμορτισέρ, έχουν ως σκοπό να αποσβέσουν τις ταλαντώσεις που δημιουργούνται από τα ελατήρια και είναι ενοχλητικές για τους επιβάτες. Η αρχή λειτουργίας του υδραυλικού αμορτισέρ βασίζεται στο ότι, με την κίνηση της ανάρτησης, ένα μικρό έμβολο αναγκάζεται σε παλινδρόμηση μέσα σε έναν κύλινδρο γεμάτο με κάποιο υγρό. Το υγρό πιέζεται και αναγκάζεται να περάσει μέσα από κάποια ή κάποιες οπές. Επειδή κάτι τέτοιο δεν του είναι εύκολο, ενεργοποιεί μια δύναμη αντίδρασης στην κίνηση του πιστονιού, άρα και στην κίνηση της ανάρτησης. Δηλαδή αυτό που κάνει το υδραυλικό αμορτισέρ είναι να μετατρέπει την κινητική ενέργεια της πάνω / κάτω κίνησης του τροχού, σε τριβή μεταξύ των μορίων του λαδιού και σε θερμότητα, η οποία αποβάλλεται. Τα σημερινά αμορτισέρ είναι όλα απλές τηλεσκοπικές υδραυλικές τρόμπες και έχουν στο έμβολο τους οπές διαφορετικών διαστάσεων και μονόδρομες βαλβίδες (reed valves), που φροντίζουν να μεταβάλλουν ανάλογα την αποσβεστική δύναμη, όταν κινούνται προς τη μία ή προς την άλλη κατεύθυνση (συμπίεση ή έκταση της ανάρτησης). Η παρουσία αέρα μέσα στο υδραυλικό σύστημα τροποποιεί τη συμπεριφορά του υγρού μετατρέποντας το σε ελαστικό, ενώ κανονικά θα έπρεπε να είναι ασυμπίεστο. Πολλά αμορτισέρ, ιδίως αυτά των αυτοκινήτων υψηλών επιδόσεων, περιέχουν ένα θάλαμο αερίου υψηλής πίεσης (συνήθως αζώτου) που αποτρέπει το σχηματισμό φυσαλίδων, αλλά και προφυλάσσει τα υλικά από άμεση επαφή με το φθοροποιό οξυγόνο. Τα περισσότερα τέτοια συστήματα λειτουργούν μέσω μίας ή δύο ηλεκτρομαγνητικά ελεγχόμενων διόδων του υδραυλικού υγρού, οι οποίες παίζουν το ρόλο του bypass μίας κεντρικής μόνιμα ανοιχτής διόδου. Στις διόδους αυτές υπάρχουν βαλβίδες που λειτουργούν σε θέσεις On-Off, δηλαδή κρατούν τις διόδους εντελώς ανοιχτές ή εντελώς κλειστές. Με τον τρόπο αυτό ελέγχεται το συνολικό εμβαδόν των ανοιγμάτων διέλευσης του υγρού και επιτρέπονται δύο ή τρεις διαφορετικές ρυθμίσεις των χαρακτηριστικών απόσβεσης του αμορτισέρ. Για παράδειγμα, στην τρίτη σκάλα και οι δύο βαλβίδες των διόδων είναι κλειστές. Αυτή είναι η επιλογή "Sport". Με τη μία βαλβίδα κλειστή και την άλλη ανοιχτή έχουμε την επιλογή "Normal" και όταν ανοίξουν και οι δυο βαλβίδες, το αμορτισέρ λειτουργεί πολύ μαλακά στη θέση "Comfort". Αποτελούν δημιουργία της αμερικανικής εταιρείας Delphi και είναι γνωστά με το εμπορικό όνομα Magnetic Ride Control. Η μαγνητοροϊκή αρχή λειτουργίας του συστήματος βασίζεται στην ιδιότητα ενός ειδικού υγρού, να μεταβάλλει την ρευστότητά του ανάλογα με την ένταση του μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο βρίσκεται. Το υγρό αυτό μπορεί να γίνει από τόσο λεπτόρρευστο, όσο ένα λιπαντικό SAE 10, έως τόσο παχύρρευστο όσο μία βαλβολίνη SAE 80. Και αυτό σχεδόν ακαριαία, χωρίς τη συμμετοχή κινούμενων μερών. Το μαγνητοροϊκό αμορτισέρ είναι ένας απλός μηχανισμός χωρίς βαλβίδες, οπές, ελατήρια και κλαπέτα. Το μόνο που χρειάζεται είναι κάποιος αυλός που να περνάει κοντά από έναν ηλεκτρομαγνήτη. Η αυξομείωση της έντασης του πεδίου κάνει όλη την υπόλοιπη δουλειά. Τα διάφορα μέρη της ανάρτησης συνδέονται με το πλαίσιο ή αμάξωμα και, σπανιότερα, μεταξύ τους, με μεταλλοελαστικούς συνδέσμους. Συνήθως, οι σύνδεσμοι αυτοί περιλαμβάνουν δύο μεταλλικά χιτώνια μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται με ειδική συγκόλληση, ελαστικό χιτώνιο (ελαστικός δακτύλιος). Οι σύνδεσμοι αυτοί που είναι γνωστοί ως «σάιλεντ μπλοκ» (λανθασμένα αναφέρονται και ως "σινεμπλόκ"), έχουν ως σκοπό τη μεταφορά δυνάμεων μεταξύ αναρτημένων και μη αναρτημένων μερών του αυτοκινήτου με ελαστικότητα και παράλληλα, με αθόρυβη λειτουργία. Η αντιστρεπτική ράβδος (γνωστή και ως «ζανφόρ») είναι μία ράβδος-ελατήριο που συνήθως έχει σχήμα Π και δεν συνδέει τους τροχούς με το σασί, όπως όλα τα ελατήρια των αναρτήσεων, αλλά συνδέει τον κάθε τροχό με τον απέναντι της άλλης πλευράς, έτσι που όταν η ανάρτηση του ενός τροχού συμπιεστεί, να μεταφερθεί η πίεση, ελαστικά, και στην ανάρτηση του άλλου. Ανάλογα με τη σκληρότητα της ράβδου αυτής, αλλά και των μοχλικών δυνάμεων της έδρασής της, επηρεάζεται η αντίσταση του αυτοκινήτου στο φυγοκεντρικό ρολάρισμα. Η αντιστρεπτική μπορεί να περιορίσει το ρολάρισμα επειδή κάνει το ελατήριο του εξωτερικού τροχού να συμπεριφέρεται σαν πιο σκληρό απ' όσο πραγματικά είναι, γιατί «βοηθιέται» απ' το ελατήριο του εσωτερικού τροχού, το οποίο χωρίς αυτήν θα ήταν ελάχιστα ή καθόλου φορτισμένο. Έτσι σε επίπεδο σχεδιασμού, οι αντιστρεπτικοί ράβδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ρυθμίσουν την οδική συμπεριφορά. Αποτελείται από βραχίονες που έχουν διχαλωτό σχήμα, παρόμοιο με αυτό του κεφαλαίου ελληνικού γράμματος «λάμδα» (Λ). Στην ανάρτηση του κάθε τροχού τα ψαλίδια είναι δύο, το πάνω και το κάτω, κι έχουν δύο πόδια (σκέλη) το καθένα. Η βάση του κάθε ψαλιδιού, δηλαδή τα δύο του πόδια συνδέονται αρθρωτά σε κάποιο σταθερό σημείο του σασί και στην κορυφή του το κάθε ψαλίδι έχει έναν ακόμα αρθρωτό σύνδεσμο, με τον οποίο συνδέεται με την τέταρτη κατακόρυφη πλευρά του αρθρωτού τετράπλευρου, που δεν είναι άλλη απ' το φορέα του άξονα του τροχού. Αν πρόκειται για μπροστινό τροχό, τότε ο φορέας του άξονα του πρέπει να μπορεί να στρέφεται γύρω από τον νοητό άξονα που ορίζουν τα σημεία της σύνδεσης του με τις κορυφές των ψαλιδιών. Στην πράξη, μόνο ένα από τα δύο ψαλίδια χρειάζεται να έχει σχήμα διχαλωτό, δηλαδή να αρθρώνεται σε δύο σημεία του σασί. Το άλλο μπορεί να είναι ένας απλός βραχίονας, ένα μπράτσο, με μία μόνο σύνδεση. Στο σύστημα αυτό χρησιμοποιείται μόνο ένα αρθρωτό διχαλωτό (ψαλίδι), το οποίο συνδέει το σασί με το κάτω μέρος του φορέα του τροχού. Στην πάνω πλευρά δεν υπάρχει ψαλίδι, αλλά μια κατακόρυφη τηλεσκοπική αντηρίδα, η οποία έχει μέσα της τα αμορτισέρ και γύρω της ένα μακρύ σπειροειδές ελατήριο, Αυτή η τηλεσκοπική αντηρίδα ενσωματώνεται στο κάτω μέρος της (χωρίς άρθρωση) με το φορέα του άξονα του τροχού και στο επάνω μέρος της στερεώνεται με μια ειδικά σχεδιασμένη πυργοειδή εσοχή του ενοποιημένου σήμερα σασοαμαξώματος . Η ανάρτηση πολλαπλών συνδέσμων μοιάζει με μία ανάρτηση με διπλά ψαλίδια, όπου το καθένα απ' αυτά έχει χωριστεί σε δύο βραχίονες (συνολικά τέσσερις) και μερικές φορές προστίθεται και ένας πέμπτος. Ο κάθε βραχίονας είναι υπεύθυνος για μια συγκεκριμένη παράμετρο της θέσης και της κινησιολογίας του τροχού, όπως είναι η μεταβολή της γωνίας κάμπερ, η διαμήκης σταθερότητα και η εγκάρσια τοποθέτηση. Η εγκάρσια τοποθέτηση του κέντρου του τροχού, δηλαδή η απόστασή του από τον διαμήκη άξονα του αυτοκινήτου, δεν είναι σταθερή και αμετάβλητη, γιατί αν ένας τροχός μεταβάλει τη γωνία κάμπερ και διατηρεί το κέντρο του σταθερό ως προς το αυτοκίνητο, τότε τα πέλματα των δύο απέναντι τροχών θα πλησιάζουν ή θα απομακρύνονται, πράγμα που δεν πρέπει να είναι και τόσο ευχάριστο για τα ελαστικά. Οι βραχίονες ενός τέτοιου μηχανισμού, πρέπει να μπορούν να συνεργάζονται για τον ίδιο σκοπό, χωρίς όμως ο ένας να παρεμποδίζει τη δουλειά του άλλου, και να βρίσκονται και σε τέτοιες θέσεις και σχήμα, που να αφήνουν χώρο στον σχεδιαστή για την τοποθέτηση άλλων εξαρτημάτων του αυτοκινήτου. Η αερανάρτηση αυτοκινήτου αναφέρεται σε μια προηγμένη τεχνολογία αυτοκινήτου που βελτιώνει την ποιότητα κύλισης, το χειρισμό και την άνεση των οχημάτων μέσω της χρήσης πεπιεσμένου αέρα. Αυτό το σύστημα αντικαθιστά τα παραδοσιακά σπειροειδή ελατήρια με αερόφουσκες, παρέχοντας την δυνατότητα ρύθμισης ύψους της ανάρτησης για κάθε συνθήκη οδήγησης και φόρτου. Η αερανάρτηση αυτοκινήτου έχει κερδίσει εξέχουσα θέση στην αυτοκινητοβιομηχανία λόγω της ικανότητάς της να βελτιώνει την ευστάθεια, την ευελιξία και τη συνολική οδηγική εμπειρία. Η αεροανάρτηση αποτελείται από τις αερόφουσκες, κομπρεσέρ αέρα, σωλήνες και βαλβίδες αέρα και την κεντρική μονάδα ελέγχου η οποία είναι υπεύθυνη να παρακολουθεί και να ρυθμίζει το όλο σύστημα της αερανάρτησης για το επιθυμητό ύψος χρησιμοποιώντας πολλαπλούς σένσορες σε πραγματικό χρόνο. Στην διάταξη αυτή, οι τροχοί είναι συνδεδεμένοι στο άκρο ενός απλού αρθρωτού βραχίονα, ο οποίος θα μπορεί να ανεβοκατεβαίνει περιστρεφόμενος γύρω από το άλλο άκρο, που συνδέεται με μία εγκάρσια άρθρωση με το αυτοκίνητο. Όταν ο άξονας περιστροφής των βραχιόνων είναι κάθετος προς τη διεύθυνση κίνησης του οχήματος, δηλαδή προς τον διαμήκη άξονα του αυτοκινήτου, τότε οι βραχίονες ονομάζονται διαμήκεις βραχίονες και μπορεί να είναι «οδηγοί» (leading arm suspension) ή «υστερούντες» (trailing arm suspension), αναλόγως με το αν ο τροχός ωθείται ή σύρεται από τον βραχίονα αντίστοιχα. Όταν ο άξονας περιστροφής των βραχιόνων βρίσκεται υπό οποιαδήποτε άλλη γωνία ως προς τη διεύθυνση κίνησης του αυτοκινήτου, δηλαδή ως προς τον διαμήκη άξονα του αυτοκινήτου, τότε οι βραχίονες ονομάζονται "ημι-υστερούντες". Bastow, Donald (2004). Car suspension and handling. Geoffrey Howard, John P. Whitehead (4th έκδοση). Warrendale, Pa.: SAE International. ISBN 978-1-4686-0339-2. OCLC 1269617688. Schnubel, Mark (2020). Automotive suspension & steering systems (7th έκδοση). Australia. ISBN 978-1-337-56733-6. OCLC 1084318123. Spender, Julian (2019). Car suspension : repair, maintenance and modification. Wiltshire [England]. ISBN 978-1-78500-661-6. OCLC 1137029310. Συστήματα αυτοκινήτου 1, πρώτος κύκλος - Β' τάξη Τ.Ε.Ε. Μηνιαίο περιοδικό Drive, τεχνικό θέμα. Μηνιαίο περιοδικό Autospecialist. Τμήμα Οχημάτων- ΤΕΙ Θεσσαλονίκης http://www.autospecialist.gr http://www.drive.gr https://streetware.gr