CarΗellas: Αναλύοντας την δυναμική ισορροπία & Ολίσθηση του αυτοκινήτου

Κυριακή 15 Μαρτίου 2015

Αναλύοντας την δυναμική ισορροπία & Ολίσθηση του αυτοκινήτου

  Η αγωνιστική οδήγηση δεν είναι τίποτα περισσότερο και τίποτα λιγότερο από τη διαρκή προσπάθεια του οδηγού να ελέγξει τη συνεχώς μεταβαλλόμενη ισορροπία του αυτοκινήτου, κινούμενος στα όρια της πρόσφυσης των ελαστικών (car balance ή car handling).
2-porsche-gt2-rs-drift
Η ισορροπία του κινούμενου αυτοκινήτου επηρεάζεται σχεδόν από οτιδήποτε συμβαίνει ανά πάσα στιγμή γύρω και πάνω του (από τις κινήσεις του οδηγού, τις ρυθμίσεις και την κατάσταση διάφορων
εξαρτημάτων του αυτοκινήτου μέχρι τις καιρικές συνθήκες και τη μορφολογία της πίστας). Είναι τόσοι πολλοί οι παράγοντες (και οι συνδυασμοί τους) που μπορούν να διαταράξουν την ισορροπία του αυτοκινήτου που είναι ουτοπικό να υποστηρίξουμε πως μπορούμε να την ελέγξουμε πλήρως στη διάρκεια ενός αγώνα. Ειδικά όταν είναι στη φύση των αγώνων το συνεχές φλερτάρισμα με το όριο πρόσφυσης των ελαστικών.
Γωνία ολίσθησης (Slip angle):  Η διατάραξη της δυναμικής ισορροπίας του αυτοκινήτου ονομάζεται ολίσθηση και συνήθως παρουσιάζεται στις στροφές, όπου σημαντικό ρόλο παίζουν η ταχύτητα του αυτοκινήτου, η μορφολογία των στροφών και οι συνθήκες πρόσφυσης (αλλά όχι μόνο). Οι ολισθήσεις βρίσκονται σε άμεση εξάρτηση με τις λεγόμενες γωνίες ολίσθησης των ελαστικών (slip angles), που για κάθε ελαστικό δεν είναι τίποτε άλλο από τη γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του άξονα της κίνησης του αυτοκινήτου (δηλαδή τον διαμήκη άξονά του) και του άξονα κύλισης του τροχού όταν τον στρίβουμε. Είναι δηλαδή αναπόφευκτο φαινόμενο (αφού τους τροχούς τους στρίβουμε έτσι κι αλλιώς) αλλά ο σκοπός είναι να μην τις αφήνουμε να ξεπερνάνε τα κρίσιμα μεγέθη τους πάνω από τα οποία το αυτοκίνητο αρχίζει να ολισθαίνει. Ο έλεγχος των γωνιών ολίσθησης επιτυγχάνεται κυρίως με το στήσιμο της ανάρτησης σε συνάρτηση με το οδηγικό μας στυλ.
  Ανάλογα με το άκρο του αυτοκινήτου που θα χάσει πρώτο την πρόσφυση των ελαστικών του (και άρα θα αρχίσει να ολισθαίνει) χαρακτηρίζουμε τη διατάραξη της ισορροπίας είτε ως υποστροφή (understeering) είτε ως υπερστροφή (oversteering). Αν αρχίσει να γλιστράει πρώτα το μπροστινό μέρος του αυτοκινήτου (η… μούρη του) τότε έχουμε υποστροφή. Αντίθετα, αν αρχίσει να γλιστράει πρώτα το πίσω μέρος του αυτοκινήτου (η… ουρά του) τότε έχουμε υπερστροφή. Όταν γλιστράνε ταυτόχρονα και τα δυο άκρα του αυτοκινήτου προς την ίδια κατεύθυνση, τότε λέμε πως το αυτοκίνητο συμπεριφέρεται ουδέτερα (neutral).
  Πριν αρχίσουμε να μιλάμε για αγωνιστικές γραμμές και να αναλύουμε λεπτομερώς την υποστροφή, την υπερστροφή και τους τρόπους αντιμετώπισής τους, είναι κρίσιμο να γνωρίζουμε μερικές θεμελιώδεις αρχές που διέπουν όλα τα αυτοκίνητα (και όχι μόνο). Μόνο τα πολύ βασικά, ώστε να μπορούμε να κατανοούμε ευκολότερα τα πώς και τα γιατί.
CSL_Carousel
Πρόσφυση ελαστικώv:  Η πρόσφυση των ελαστικών είναι αυτή που επιτρέπει στο αυτοκίνητο να μένει στην πορεία του όταν τοεπιταχύνουμε, όταν το επιβραδύνουμε και όταν το στρίβουμε. Προφανώς υπάρχει ένα όριο πάνω από το οποίο τα ελαστικά αδυνατούν να συγκρατήσουν το αυτοκίνητο και αρχίζει να ολισθαίνει. Το όριο αυτό συχνά το αποκαλούμε και όριο του αυτοκινήτου συνολικά (ή αλλιώς το κράτημά του).
  Τα ελαστικά διατηρούν την επαφή τους με το δρόμο με τη λεγόμενη επιφάνειας επαφής τους (contact patch, δείτε την εικόνα δεξιά), η οποία μπορεί να διαθέσει μέχρι μια συγκεκριμένη ποσότητα πρόσφυσης προς δυο κατευθύνσεις: κατά μήκος (διαμήκης άξονας) και κατά πλάτος (πλευρικά). Η πρόσφυση κατά τον διαμήκη άξονα (άξονας a στην εικόνα) χρησιμοποιείται όταν επιταχύνουμε ή όταν επιβραδύνουμε το αυτοκίνητο, ενώ η πλευρική πρόσφυση (άξονας b στην εικόνα) χρησιμοποιείται όταν στρίβουμε.
  Ακριβώς εδώ λοιπόν είναι όλη η ουσία. Αν χρησιμοποιήσουμε όλη την πρόσφυση προς μια κατεύθυνση, τότε δεν απομένει τίποτα για την άλλη κατεύθυνση. Για παράδειγμα, αν μπαίνοντας σε μια στροφή έχουμε πατημένα τέρμα τα φρένα, το πιθανότερο είναι το αμάξι να μην στρίψει όσο και να στρίβουμε το τιμόνι (επειδή χρησιμοποιούμε όλη την πρόσφυση για το φρενάρισμα και δεν έχει απομείνει τίποτα για το στρίψιμο).
  Καταλαβαίνουμε λοιπόν πως οδηγικά, θα πρέπει να ξέρουμε πάνω-κάτω τα όρια του αυτοκινήτου μας και να αποφεύγουμε να τα ξεπερνάμε, ειδικά όταν στρίβουμε αλλά και όταν επιταχύνουμε ή επιβραδύνουμε. Ο καλύτερος τρόπος να μεγιστοποιούμε τα οφέλη της διαθέσιμης πρόσφυσης όσο πλησιάζουμε στο όριο της είναι να είμαστε απαλοί με τα τα πεντάλ και το τιμόνι. Και προπαντός να αποφεύγουμε βίαιες επιταχύνσεις ή επιβραδύνσεις μέσα στις στροφές (γιατί αφαιρούν βίαια πλευρική πρόσφυση την ώρα που τη χρειαζόμαστε περισσότερο, εφόσον εκείνη την ώρα στρίβουμε).
2015-nissan-gt-r-nismo-test-review-car-and-driver-photo-605485-s-original
Μεταφορά βάρους (Weight transfer)
  Κατά το φρενάρισμα το βάρος του αυτοκινήτου μεταφέρεται εμπρός, κατά το στρίψιμο το βάρος του αυτοκινήτου μεταφέρεται στο εξωτερικό πλάι και κατά την επιτάχυνση το βάρος του αυτοκινήτου μεταφέρεται πίσω.
  Όπως μάθαμε στη φυσική στο σχολείο, κάθε σώμα έχει μάζα και άρα βάρος. Και μάλιστα έχει και κέντρο βάρους που με απλά λόγια είναι το κεντρικό σημείο στο οποίο εξασκείται το βάρος τους σώματος. Στα κινούμενα αυτοκίνητα, το κέντρο βάρους τους αλλάζει διαρκώς θέσεις, μετατοπίζεται ή αλλιώς το βάρος τους μεταφέρεται από σημείο σε σημείο.
  Η μεταφορά βάρους προκαλείται όταν επιβραδύνουμε, όταν στρίβουμε και όταν επιταχύνουμε το αυτοκίνητο. Κατά την επιβράδυνση το βάρος του αυτοκινήτου μεταφέρεται μπροστά (το αμάξι… βουτάει), κατά την επιτάχυνση το βάρος μεταφέρεται πίσω και κατά το στρίψιμο το βάρος μεταφέρεται στην εξωτερική πλευρά (το αμάξι γέρνει) -όταν στρίβουμε δεξιά, εξωτερική πλευρά είναι η αριστερή και το αντίστροφο.
  Φυσικά το βάρος μεταφέρεται και σε όλες τις ενδιάμεσες θέσεις. Έτσι, αν για παράδειγμα την ώρα που επιταχύνουμε ταυτόχρονα στρίβουμε προς τα δεξιά, τότε το μεγαλύτερο βάρος του αυτοκινήτου πέφτει πίσω κι αριστερά (η επιτάχυνση “ρίχνει” το βάρος πίσω και το δεξί στρίψιμο το “ρίχνει” αριστερά). Σε αυτή την περίπτωση, περισσότερο από όλους τους τροχούς πιέζεται ο πίσω αριστερός, ενώ αντίθετα περισσότερο από όλους “ελαφρώνει” ο μπροστά δεξής. Αν μάλιστα η μεταφορά του βάρους γίνει πολύ βίαια και πολύ απότομα, τότε (ανάλογα και τις ρυθμίσεις της ανάρτησης) το αυτοκίνητο ενδέχεται ακόμα και να ανασηκώσει τον μπροστά δεξί τροχό από το έδαφος (όπως φαίνεται δεξιά και στη φωτογραφία της Πόρσε 911). Εντυπωσιακό εφέ, αλλά συνήθως ανεπιθύμητο. Αν παρουσιαστεί τότε για να το “αναιρέσετε” οδηγικά στρίψτε λίγο το τιμόνι σας αντίθετα από τη φορά της στροφής και αφήστε λίγο γκάζι. Αντίστοιχα, αν ανασηκωθεί ο πίσω εσωτερικός τροχός όταν φρενάρετε στρίβοντας, τότε στρίψτε λίγο το τιμόνι σας αντίθετα από τη φορά της στροφής και αφήστε λίγο φρένο. Οι εξωτερικοί τροχοί δεν ανασηκώνονται διότι (όπως περιγράψαμε λίγο παραπάνω) το στρίψιμο του αυτοκινήτου έχει μεταφέρει βάρος πάνω τους.
  Αφού επισημάνουμε πως όσο περισσότερο βάρος δέχονται οι τροχοί τόσο περισσότερη πρόσφυση προστίθεται (τεχνητά) στα ελαστικά τους, ας δούμε πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις μεταφορές βάρους προς όφελός μας σε ορισμένες συνηθισμένες καταστάσεις, ανάλογα το αυτοκίνητο που οδηγούμε.
Μεταφορά βάρους πίσω  Στις εκκινήσεις των αγώνων τα πισωκινητα αμάξια επωφελούνται από την μεταφορά βάρους προς τα πίσω. Λόγω του ότι η κίνηση τους μεταδίδεται στους πίσω τροχούς, το απότομο γκάζι ενδέχεται να τους σπινιάρει.Η μεταφορά βάρους προς τα πίσω βοηθάει στο να μεγαλώσει η πρόσφυση των πίσω ελαστικών και άρα το όριο πάνω από το οποίο θα αρχίσουν να σπινιάρουν οι τροχοί. Στα μπροστοκίνητα αυτοκίνητα, το σπινιάρισμα παρουσιάζεται στους μπροστινούς τροχούς (αφού σε αυτούς μεταδίδει κίνηση ο κινητήρας). Σε αυτή την περίπτωση η μεταφορά βάρους προς τα πίσω επιδεινώνει ακόμα περισσότερο την κατάσταση (αφαιρεί βάρος από τους μπροστινούς τροχούς), οπότε ο οδηγός πρέπει να είναι ιδιαίτερα προσεκτικός και προοδευτικός με το γκάζι αν θέλει να εκκινήσει με όσο το δυνατόν λιγότερο σπινιάρισμα.
  Στις στροφές, αν τα πίσω ελαστικά χάσουν την πρόσφυσή τους, τότε αρχίζει να ολισθαίνει η ουρά του αυτοκινήτου αντίθετα από τη φορά της στροφής. Αυτό ονομάζεται υπερστροφή. Αν μας παρουσιαστεί αυτό το φαινόμενο σε μπροστοκίνητο αμάξι, τότε πατώντας γκάζι για να μεταφερθεί βάρος στους πίσω τροχούς ουσιαστικά βοηθάμε τα ελαστικά να ξαναβρούν τη χαμένη τους πρόσφυση και άρα να σταματήσει η υπερστροφή. Στα πισωκινητα αυτοκίνητα το πρόβλημα είναι πως πατώντας γκάζι ουσιαστικά λέμε στον κινητήρα να μεταδώσει ακόμα περισσότερη κίνηση σε δυο τροχούς τα ελαστικά των οποίων έχουν ήδη χάσει την πρόσφυσή τους (θυμηθείτε τα περί σπινιαρίσματος των τροχών που λέγαμε λίγο παραπάνω). Για να αντιμετωπιστεί η υπερστροφή σε πισωκίνητα χρειάζονται κι άλλες ενέργειες, τις οποίες αναλύουμε στην ξεχωριστή ενότητα της Υπερστροφής.
  Από την άλλη πλευρά, αν χάσουν την πρόσφυσή τους τα μπροστινά ελαστικά τότε η μούρη του αυτοκινήτου “αρνείται” να υπακούσει στις εντολές του τιμονιού και σε ακραίες περιπτώσεις το αυτοκίνητο δεν στρίβει καθόλου. Αυτό ονομάζεται υποστροφή και ανεξάρτητα από το αυτοκίνητο που οδηγούμε, η μεταφορά βάρους προς τα πίσω (γκάζι) επιδεινώνει ακόμα περισσότερο την κατάσταση. Η υποστροφή και οι οδηγικοί τρόποι αντιμετώπισής της αναλύονται στην ξεχωριστή ενότητα της Υποστροφής.
Μεταφορά βάρους μπροστά
Ανεξάρτητα από το αμάξι που οδηγούμε, αν μας παρουσιαστεί υποστροφή στις στροφές (ολίσθηση της μούρης), τότε η ενστικτώδης μας κίνηση να αφήσουμε το γκάζι (ή να πατήσουμε το φρένο σε πιο ακραίες περιπτώσεις) συνήθως είναι και η ενδεδειγμένη αφού μετατοπίζει το βάρος προς τα εμπρός και άρα προσθέτει πρόσφυση στα μπροστινά ελαστικά (αν οδηγούμε πισωκίνητο αμάξι ενδέχεται να χρειάζονται κι άλλες ενέργειες τις οποίες αναλύουμε στην ξεχωριστή ενότητα της Υποστροφής).
Αντίθετα, αν μας παρουσιαστεί υπερστροφή, τότε η ενστικτώδης σκέψη μας να επιβραδύνουμε το αυτοκίνητο θα αφαιρέσει βάρος από την ουρά του, επιδεινώνοντας ακόμα περισσότερο την κατάσταση.
Πλευρικές μεταφορές βάρους
 
Οι πλευρικές μεταφορές βάρους βρίσκονται σε άμεση εξάρτηση με τις κινήσεις του τιμονιού και για αυτό είναι κρίσιμης σημασίας να τις λαμβάνουμε υπόψη στα περάσματά μας από τις στροφές της πίστας. Όσο πιο απαλοί είμαστε με το τιμόνι κατά το πέρασμά μας από μια οποιαδήποτε στροφή, τόσο πιο ομαλή είναι η μετατόπιση του βάρους προς τους εξωτερικούς τροχούς και άρα τόσο πιο προοδευτικά προστίθεται ολοένα και περισσότερη πρόσφυση στα ελαστικά τους. Δεδομένου πως κυρίως τα εξωτερικά ελαστικά είναι επιφορτισμένα με το… ευγενές έργο του στριψίματος, η σταδιακή αυτή αύξηση στο περιθώριο πρόσφυσή τους μεταφράζεται σε μεγαλύτερη ταχύτητα περάσματος από τη στροφής. Αντίθετα, αν “πετάξουμε” το αυτοκίνητο απότομα μέσα στη στροφή, η τόσο απότομη μετατόπιση του βάρους δεν θα επιτρέψει στα ελαστικά να “ακολουθήσουν”, με αποτέλεσμα να “σπάσει” (όπως λέγεται) βίαια η πρόσφυσή τους και να αρχίσει να ολισθαίνει το αυτοκίνητο.
  Άρα, το μυστικό για γρήγορα περάσματα από τις στροφές είναι οι απαλές κινήσεις. Κυρίως στο τιμόνι, αλλά και στα πεντάλ του γκαζιού και του φρένου!
Πηγή: http://gvrteam.gr/portal/