Visar artikel nr: 118

Inlagd av: Svante Johansson
Väghållningsseminarium i Enköping 2/2 2002

Det hela började med att Georg i ett inlägg på CAR:s diskussionsforum pekade ut Kjell Bodin i Enköping som en gosse som hade saker och ting klart för sig vad avser fjädring och sånt. Vid besök på Bodins Chassitekniks hemsida (http://www.bodinchassiteknik.se/) stod det klart att han också erbjuder kurser och seminarier. Åke Nyberg tände på alla fyra. Ur hans synpunkt var detta drömaktiviteten - garanterat stort intresse, minimalt jobb för klubbis och en chans att få reda på en massa saker han alltid undrat över.

Ett femtiotal Alfisti (utsålt!) mötte upp i Åsenstugan i Enköping för att få sig visdomsord till livs, och de blev inte besvikna. Kjell berättade att han på sextiotalet hade haft en Austin Healey. Den kunde man ibland köra i hundra km/h genom en viss böj på Täbyvägen, men då krävdes att man ryckte i trean i exakt rätt ögonblick och uppbådade allt sitt dödsförakt. När han sen lånade sin fars SAAB tvåtaktare med fyratumsdäck (bredd antar jag) och upptäckte att den gick fortare genom samma böj helt odramatiskt - bara att vrida på ratten – så tänkte han att väghållning det var något att fundera på. Funderandet har fortsatt. Numer konstruerar Kjell racerbilar och har bl a anlitats för att få fason på Roos Viper.

Ett snabbreportage avsett för nätet kan naturligtvis inte göra ett heldagsseminarium rättvisa. Nedanstående referat är därför extremt korthugget och kanske speglar skribentens intressen mer än föredragshållarens djupa kunskaper. Här följer i alla fall en redovisning av några ämnen som avhandlades och en del (fritt återgivna) citat.

1. Däck
Allting hänger till slut på däckens friktion mot vägbanan och chassikonstruktörens uppgift är att ge däcken en chans att arbeta optimalt. ”Alla däck måste jobba för full hela tiden. Vi kan inte ge något däck semester.” Idealet är ett däck som samtidigt är stumt i sidorna och tillräckligt elastiskt för att slitbanan ska kunna var i kontinuerlig kontakt med vägbanan. Lufttrycket ska vara anpassat så att man erhåller så stor footprint som möjligt. Bara att få reda på däckfabrikanternas rekommendationer är ofta svårt. På Dunlop i Norrköping fanns det visst en person som kunde ge upplysningar, men annars var det tunt. ”Balansera inte bilen genom att laborera med lufttrycket.”

Ideal arbetstemperatur varierar mellan olika däckstyper. Racingdäck kräver runt 100 grader C för att arbeta optimalt. Ett däcks temperatur varierar mycket kraftigt även under loppet av ett varv. Vi fick se ett diagram där man kunde följa hur temperaturen steg med femtio grader nästan momentant genom en tvär kurva för att sedan falla tillbaka mycket snabbt på nästa raka. De snabba temperaturvariationerna i däcket gör att det är svårt att tillförlitligt mäta vad man behöver veta.

En del av vad man lärt sig under fysiken i skolan visade sig vara sanningar med modifikationer. Till exempel så kan moderna däck klara av att motstå accelerationer på mer än ett G även utan hjälp av downforce. Ett ”traction-circle” diagram visade hur Johnny Herbert med downforce konsekvent kunde uppnå upp till 3,5 G vid kurvtagning (sidacceleration genom centrifugalkraften). Studier av traction-circle från skickliga förare visar att ”Vi kan gasa och svänga samtidigt i större utstäckning än vi tror, men det kräver övning”.

En annan sanning med modifikation är att friktionen ökar proportionellt mot marktrycket per ytenhet footprint. Ett diagram över slipvinkel i förhållande till sidkraft vid olika belastningar visade att ett typiskt racingdäck vid 100 kg belastning klarade 2G men vid 700 kg last bara 1,2G. Det är denna brist på proportionalitet som gör det möjligt och nödvändigt att balansera bilen för att uppnå önskade egenskaper vid olika lastförskjutningar.

”Lättare bilar klarar större sidkrafter. Lättning genom att allt onödigt tas bort har tre fördelar:
- Det väger inget.
- Det kostar inget.
- Det som är borta kan inte gå sönder.”

2. Hjulupphängning
”Numer pratar man i racingklasserna för högprestandabilar mycket lite om effekt det är balansen som avgör vinnare och förlorare.”

Vi fick en introduktion hur man beräknar rollningscentrum. Målet är att konstruera en hjulupphängning där rollningscentrum ligger still i förhållande till bilens tyngdpunkt. Rollningscentrum kan hoppa omkring en hel del i sidled men det är mindre allvarligt än rörelser i höjdled. Rollningscentrum bör dessutom vara så lågt beläget som möjligt.

Andra viktiga mål är att undvika spårviddsförändringar. Mer än ett par millimeter i spårviddsförändring ger påtagligt negativa effekter. Jackningseffekter, som är särskilt kraftiga på swingaxelbilar typ VW-bubbla, skall också undvikas. Något som däremot eftersträvas är camberkompensation, dvs en geometri som kompenserar för den utåtlutande tendens på hjulen som den fjädrade massans krängning ger. Full kompensation kan sällan uppnås vilket är anledningen till att man i allmänhet har negativ (inåtlutande) statisk camber.

Om man drar en linje genom rollningcentrum för fram- respektive bakhjul får man bilens rollningsaxel. Denna bör vara så horisontell som möjligt. Ett exempel på en bil där så inte är fallet är Bertonecoupén som har ett extremt högt rollningscenter bak. För att kompensera för detta styvades dessa vagnar upp mycket kraftigt i fram. Det är anledningen till att man kan se gamla tuffa bilder där Bertonen lyfter på inre framhjulet under racing. Många av de framhjulsdrivna bilar man tävlar med idag lyfter i stället på ett bakhjul av motsvarande skäl.

Bertonens höga rollningcenter bak gjorde bilen kraftigt överstyrd. Uppstyvningen fram är ett exempel på grundregeln att bilen skall styvas upp i den ända där greppet är relativt sett bäst. En understyrd bil kan alltså må bra av att styvas upp bak.

McPherson fick sig sedan en omgång. Konstruktionen med en nedre länkarm och ett fjäderben medför brytande krafter i fjäderbenet och att stötdämparna får arbeta under ogynnsamma friktionsbetingelser. Den allvarligaste nackdelen är dock att det är mycket svårt att få kontroll på geometrin med McPherson.

”Det finns få konstruktioner som är så svåra att få grepp om som den stela bakaxeln.” Till de stela bakaxlarna räknas DeDionaxeln varför intresset här var stort. Den som använder ett A-stag bör fästa spetsen i chassit eftersom detta ger oförändrat rollningscenter. Av samma skäl bör en Wattlänks ”propeller” fästas i chassit.

För racingtillämpningar kan ofta ett Panhardstag fungera utmärkt eftersom fjädringsvägen då är liten. Rollningscentrum inträffar mitt på Panhardstaget varför man bör sträva efter att fästa det lågt.

Tillverkarna av standardbilar gör oftast ett mycket kompetent jobb, i synnerhet om man tänker hur skiftande användningsområden de måste ta hänsyn till. ”Vi som sysslar med racing är chanslösa om vi ska tävla med de stora tillverkarna i all-round tillämpningar. Vår nisch är att kompromisslöst bygga racerbilar.”

Man bör inte sänka en standardbil mer än 40mm och även då kan det ibland vara önskvärt att modifiera fästpunkter för att uppnå bra geometri. Man bör inte heller urskillningslöst installera allt för hårda bussningar eller uniballs. ”Jag har sett exempel där man lyckats få bakaxlar att låsa ihop därför att man inte tagit hänsyn till att olika momentstag rör sig i olika cirkelbågar och tillverkaren har löst detta genom gummibussningar.”

3. Viktförskjutning av fjädrad massa.
Den grundläggande formeln vid balansering av racerbil är:

Viktförskjutning = Sidkraft * Tyngdpunktens höjd / Spårvidden

”Man vinner nästan inget i minskad viktförskjutning genom att minska krängningen.”

Genom att mäta corner-weights (hur mycket vart och ett av hjulen belastas av bilens tyngd) kan man statiskt balansera bilen och undvika t ex att den överstyr vid högersvängar och understyr vid vänstersvängar, om inte detta eftersträvas. Man kan sedan beräkna den dynamiska viktförskjutningen och avgöra om bilen över- eller understyr. ”Det är inte alls givet att en väl balanserad bil har lika statiska corner-weights runt om. En formelbil har oftast max 5 kg avvikelse i corner-weight, i en standardbilsklass kan det röra sig om 10-20 kg.”

”Det är bra att kunna en del om väghållningsteori, om inte annat spar det tid. När man t ex läser att krängningshämmarens funktion är att trycka ned innerhjulet i en kurva så kan man sluta läsa den artikeln.” I själva verket förhåller det sig tvärtom. Krängningshämmaren hjälper till att öka viktöverföringen till ytterhjulet. Om vi t ex har en understyrd bil beror detta på att greppet fram inte är tillräckligt bra. Det har sin orsak i att viktöverföringen till ytter fram är för stor. Om vi lägger på mer krängningshämmare bak kommer ytter bak att få bära mer vikt. Den totala viktöverföringen från inner till ytter beror inte alls av krängningshämmaren. Alltså kommer, när bakhjulet belastas hårdare, framhjulet att belastas mindre och greppet kommer att öka fram. Understyrningen kommer då att minska.

”Egentligen är krängningshämmaren mest en komfortpryl, samma effekt kan i princip uppnås genom korrekt avstämd fjädring.”

”En grundregel är att konstruera fjädringen så att icke drivande axel tar upp så stor del av viktförskjutningen som möjligt.”

Det bästa sättet att mäta fjädrarnas hårdhet är att beräkna den fjädrade massans egenfrekvens. På så sätt kan man jämföra grad av hårdhet utan att behöva ta hänsyn till hur stor tyngd som ska avfjädras. En standardbil ligger på c:a 1,5 hz, en roadsportbil på 3-4 hz medan en F1:a ligger på 6-8 hz vilket verkligen är extremt hårt. Anledningen till F1:ans extrema fjädring är inte att det ger bättre väghållning i sig utan att aerodynamiken inte tillåter några stora fjädringsrörelser. Aerodynamiken är i sin tur det som möjliggör de extremt höga sidkrafterna genom att friktionen ökar som om bilen vore tyngre utan att sidkraften ökar i motsvarande mån.

”Progressiva fjädrar är svåra att beräkna och hantera praktiskt. Mitt intryck är att de stökar till livet så mycket att de flesta avstår från att använda dem.”

4. Stötdämpare
”I racing strävar man efter att få till en bil som styr in bra och ger möjlighet att gå på gasen tidigt. Detta innebär att man eftersträvar en tendens till överstyrning i ingången till en kurva och understyrning ut ur den.” Detta kan delvis uppnås genom korrekt inställda stötdämpare.

Stötdämparen fungerar genom att olja skall passera genom små hål i stötdämparens kolv. Det gäller då att undvika kavitation, vilket innebär att oljan kokar bakom kolven till följd av det undertryck som uppstår. Man måste också se till att de volymförändringar som uppkommer till följd av kolvstången kompenseras. Det finns två grundkonstruktioner, dubbelrörs- och gastrycksdämpare. Moderna avancerade dämpare förenar de goda egenskaperna hos bägge.

När man studerar stötdämpare brukar man rita ett diagram som visar hur dämpningen förändras med kolvhastigheten. Enkla standarddämpare har ett linjärt förhållande mellan kolvhastighet och dämpning, dvs liten dämpning vid låg kolvhastighet och stor dämpning vid hög kolvhastighet. Inom racing är man intresserad av att ha hög dämpning vid låg kolvhastighet. Har man det så kommer stötdämparen att fungera som en slags krängningshämmare som tar hand om de transienta (tillfälliga, övergående) krafterna. Det kan vara ett medel att åstadkomma överstyrning i ingången och understyrning i utgången av en kurva.

För att racingdämparen inte skall ge orimligt hög dämpning vid höga kolvhastigheter förser man kurvan som visar relationen mellan kolvhastighet och dämpning med ett knä. Detta åstadkoms genom att man bygger in ventiler som öppnar vid högre tryck. Rallydämpare har motsatta egenskaper mot racingdämpare. Där är man intresserad av mycket liten dämpning vid låga kolvhastigheter. Det finns också speciella racingdämpare som stänger av dämpningen helt när hjulet går över kerbs.

Avvägningen mellan dämpning av tryck- och dragkrafter är mycket viktig. På en standardbil lägger man huvuddelen av dämpningen på dragfasen. Det ger ökad komfort genom att fjädringen lätt kan absorbera gupp samtidigt som den totala dämpningen blir så god att bilen inte gungar.

En sådan avvägning är inte lämplig för racing. ”När vi ställer in racedämpare brukar vi börja med att ställa in tryckdämpningen så att bilen känns stabil utan att vara stötig. Därefter försöker vi justera dragkrafterna så att vi uppnår överstyrning in och understyrning ut ur kurvan.”

Har man för mycket dragdämpning i förhållande till tryckdämpningen kan det medföra att fjädringen inte hinner gå tillbaka mellan guppen utan i stället trycks ihop.

Om man väljer enklare inställbara dämpare ska man vara på det klara över att precisionen i tillverkningen inte är så god att man kan räkna med att få lika par. Det betyder att även om dämparna är lika inställda är det inte säkert att det ger samma dämpningseffekt på bägge hjulen.

5. Hjulvinklar
De hjulvinklar vi intresserar oss för är toe-in, camber, caster och spindeltappslutning (king pin inclination på engelska). Castervinkeln anger hur mycket den axel framhjulet rör sig runt lutar i förhållande till lodlinjen när man ser hjulet från sidan. Negativ camber betyder att hjulet lutar inåt sett framifrån eller bakifrån. Negativ camber är efterstävat eftersom det kompenserar för krängningens påverkan på hjulet.

En stor castervinkel medför att camber ökar när hjulet vrids. Detta kommer typiskt att medföra att framhjulens grepp förbättras när vi svänger in. En stor castervinkel, upp till 6-7 grader, bidrar alltså till den önskade egenskapen överstyrt i ingång. Nackdelen med stor caster är att bilen blir tung att styra.

Toe-in eller toe-out beskriver hur hjulen ser ut sedda uppifrån. På senare tid har man diskuterat Ackermanstyrning flitigt. Positiv Ackerman innebär att toe-in minskar när man svänger för att kompensera för den mindre kurvradien hos innerhjulet. Man har dock inte lyckats fastställa vilken grad av Ackerman som är mest lämplig.

Bump-steer innebär att framhjulens geometri samverkar med styrstagen på ett sådant sätt att fjädringsrörelser ger upphov till att hjulen svänger. Av förpackningsskäl är det sällan möjligt att konstruera teoretiskt riktiga lösningar på detta problem, men biltillverkarna är ganska duktiga på att kompensera för detta. Vid sänkning av bilen löper man risk att bump-steer uppstår.

6. Frågor och svar
F: Vilka åtgärder bör vara de första när man vill förbättra väghållningen på en standardbil?
S: a) Sänkning och hårdare fjädrar. b) Hårdare stötdämpare.

F: Vilka är dina favoritstötdämpare?
S: Koni 2812 (á 7360:-).

F: Mer camber fram eller bak?
S: Fram.

F: Hur påverkar däcksprofilen hjulinställningarna?
S: Stora höga ”ballongdäck” kräver mer camber.

F: Finns det någon indikation på att bilen är väl konstruerad och inställd?
S: När bilen är känslig, dvs du märker att små förändringar ger stora utslag i hur den uppför sig då är du nära.

F: När man byter fjädrar, ska man då också byta stötdämpare?
S: Ja, 50 procent hårdare fjädrar kräver 50 procent hårdare stötdämpare.

F: Om jag bara har delvis justerbara dämpare att välja mellan vad ska jag prioritera?
S: Välj i första hand sådana som är justerbara i dragdämpningen.

(Disclaimer: Alla fel och utlämnanden härstammar sannolikt från reportern, som dock inte tar något ansvar för vare sig materiell, ekonomisk, fysisk, psykisk, moralisk eller ideell skada som kan följa på detta reportage.)

Det finns 10 Bilder