שנינו כבר
בכתבת טכנולוגיה קודמת, כי למשקל הבלתי מוקפץ חשיבות רבה בהתנהגות הדינמית של הרכב. כל גרם מיותר שאינו נתמך על-ידי המתלים, הוא גרם המוכפל בתאוצה האנכית המתפתחת עם העלייה על מהמורה. הכוח הנוצר ממכפלה זו הוא הרסני, מחייב קפיצים קשיחים יותר, שמשמעותם משקל גדול יותר, וחוזר (חס ו)חלילה.
אשר על כן, טרחו מהנדסי הרכב, והמציאו את המתלה הנפרד, או העצמאי. הסנוניות הראשונות הגיחו מהקן שבשטוטגארט, מממלכת מרצדס, בדגם ה- SL300 ^כנפי שחף^ המיתולוגי של שנת 1954. החרו-החזיקו אחריה פורשה, עם דגם ה-356, הלא פחות מיתולוגי, ופולקסווגן, עם החיפושית, שהמציאה את המונח ^מיתולוגית^. אך הואיל ולא במיתוסים עסקינן, אלא בטכנולוגיה, ראוי כי נבחן את המבנה העצמאי הראשוני הזה, ואת התפתחויותיו בהמשך.
עצמאות המתלה הושגה על-ידי פירוק המתלה למרכיביו, וניתוק ההשפעה ההדדית ביניהם. כך חוברו הגלגלים המונעים לדיפרנציאל באמצעות מחברים אוניברסליים (ראה
בכתבת המתלים הקודמת), ומערכות הקפיצים והבולמים חוברו למבנה משותף, נפרד ממכללי ההנעה. היתרון המיידי למתלה הנפרד היה, אכן, הפחתת המשקל הבלתי מוקפץ. היתרון השני שהושג, היה ביטול התלות ההדדית בין הגלגלים, בעלות אחד מהם על מהמורה. מעתה אמור: כל גלגל נושא באחריות למעשיו בלבד. הואיל וכמעט תמיד חלוקת המשקל ברכב אינה שווה בין הגלגלים הקדמיים לאחוריים, למתלים הקדמיים והאחוריים פותחו מתלים נפרדים שונים. כללית ניתן לומר, כי למתלים הקדמיים משימה קשה יותר, בנושאם עליהם את משקל המנוע, גם כאשר ברכב נוסע רק הנהג, וכן הם נושאים בעול ההיגוי, ולרוב גם ההנעה. בכתבה זו נסקור את המבנה העקרוני של מתלים עצמאיים אחוריים, הכוללים תכנונים מחוכמים ומבריקים לרוב. מתלים קדמיים יידונו באחד הפרקים הבאים, יחד עם מערכת ההיגוי.
לעצם העניין - עצמות העצה
המבנה הראשוני שהוצע למתלים אחוריים נפרדים, באותן מכוניות מיתולוגיות הנ^ל, היה בעצם מִסְבָּךְ (מהמילה ^סבך^) של מוטות, המעוגן לשלדה ולדיפרנציאל באמצעות צירים. גלי ההינע חוברו באמצעות צלבים, וכך כל גלגל נע לו לעצמו. החיסרון העיקרי היה התנהגות סוררת ומורה בעת סיבובים, כאשר הגלגלים נטו לשנות את זווית שפיעתם ולגרום להיגוי יתר. אותה ^כנפי שחף^ הייתה ידועה בציבור בשל התנהגותה הבלתי צפויה. אחד הפתרונות שנהגו היה מתן זווית שפיעה שלילית מלכתחילה, זווית שבלטה ביותר בחיפושית. אך פתרון זה, כמו כל פתרון הנדסי, בא על חשבון היציבות בקו ישר. היתרון המוחשי ביותר לנוסעים, היה נוחות הנסיעה ביחס למתלים בלתי עצמאיים, בעוד שאת בעיית היציבות בפניות חשו רק הנהגים שחיפשו את הקרבה למגבלות. רוב קוני החיפושית לא היו כאלה, הפוך לכל בוני הבאגי'ס למיניהם, שזה סוג ההתנהגות שהם מחפשים בשלדת החיפושית המהווה את הבסיס לבאגי.
הפתרון לשינוי בשפיעת הגלגלים הושג בהמצאת עצמות העצה הכפולות. פתרון זה, המשמש בעולם הרכב כבר למעלה מ-40 שנה, הוא הפתרון האידיאלי למתלים אחוריים וקדמיים. המבנה מבטיח את ניצבות הגלגל לכביש, בכל תנאי. זו הסיבה שהוא המתלה הנפוץ ביותר במכוניות מירוץ, כולל פורמולה 1, מכוניות ספורט עיליות ומכוניות סלון חזקות. ומי ששירת בצבא בתקופה בה הג'יפ האמריקאי (^החמישייה^) היה נפוץ, זוכר לטוב את מתלי עצמות העצה הכפולות שהיו בארבע פינותיו. מתלה עצמות העצה הכפולות בנוי משתי מסגרות דמויות האות A, המורכבות זו מעל זו. רגלי ה-A מחוברות לשלדה באמצעות תותבים המאפשרים תנועה מעלה ומטה, בעוד שקדקודה מחובר לגלגל. בתחילה, היו שתי המסגרות בעלות אורך זהה, אך מצב זה גרם לשחיקת צמיגים מוגברת, בשל טווח התזוזה הרחב של הגלגל לרוחב. קיצור הזרוע העליונה פתר את הבעיה, והשיג תוצאה רצויה נוספת: מתן אפשרות של סיבוב הזרוע העליונה סביב ציר, אפשר להקטין את ^צלילת^ החרטום בבלימה, עקב העברת המשקל קדימה במתלים הקדמיים, ואת ^נסיקת^ החרטום בהאצה, מהסיבה ההפוכה, במתלים האחוריים. יתרון נוסף של מתלה עצמות העצה הכפולות הוא גובהם המינימלי, המאפשר להנמיך את קו מכסה המנוע. הנמכה זו משמעותה ראות טובה יותר לנהג והתנגדות אווירודינמית קטנה יותר. מאידך גיסא, לרוחב, מתלה זה תופס נפח גדול יחסית, וזהו חיסרון אחד. החיסרון השני הוא עלותו הגבוהה.
מק זה לא רק דיזל ודונלד
בעולם הרכב, למק-דיזל שמור מקום של כבוד - ^ה^-משאית של פעם. אך יש עוד מק אחד, שאנו חייבים לו רבות. זהו ארל מקפרסון, מהנדס בפורד, שבשנות ה-40 המציא את המתלה הקרוי על שמו. מתלה זה הוצג לראשונה בפורד אנגליה הקטנה, ומאז הפך להיות נחלתן של רוב המכוניות, בוודאי במתלה הקדמי, מסיבות שתפורטנה להלן. במתלה זה, בולם הזעזועים מוכלל בתוך קפיץ הסליל, וממלא בכך שלושה תפקידים: הראשון - בהגדרה, בולם זעזועים. השני - ייצוב הקפיץ מפני קריסתו, מאפשר שימוש בקפיצים בעלי מהלך ארוך יותר. השלישי - הבולם משמש כזרוע העליונה של המתלה, במקום עצם העצה העליונה. הקפיץ והבולם פועלים במקביל, מרסנים את תנועת המתלה במהירות רבה. היתרון העיקרי המושג הוא בנוחות הנסיעה, אך גם בקומפקטיות של המתלה, המאפשרת להכלילו בתא המנוע, שנפחו מוגבל. זו הסיבה העיקרית, כמו גם המחיר הנמוך, לשימוש במקפרסון בעיקר במתלים הקדמיים. אמנם, הגובה הנדרש לפעולה יעילה של הבולם הוא חיסרון, בהגביהו את בית הגלגל, וכפועל יוצא מכך את מכסה המנוע, אך עדיין זהו מתלה בעל יחס עלות-יעילות מצוין. החיסרון הדינמי המשמעותי של המתלה מתבטא בחוסר יכולתו לרסן את תנועת הגלגול של המרכב, דבר הגורם לשינוי אפשרי בזווית השפיעה, וכתוצאה מזה התנהגות בינונית בפניות. קומפקטיות המתלה היוותה זרז לשילובו גם במתלים האחוריים, על אף הנפח שמתלה כזה גוזל מתא המטען בהשוואה למתלים רוחביים (מוטות פיתול, עצמות עצה וכד'). פיאט, לדוגמא, יצרה סדרה שלמה של מכוניות על בסיס רצפת הטיפו והטייפ 4, רצפות שהתבססו על מקפרסון בארבע הפינות ושימשו למכוניות כמו הכרומה, טמפרה, טיפו, סאאב 9000 (בטרם עברה ל- GM), לנצ'יה תמא ודדרה - כולן מכוניות שלא הצטיינו בהתנהגותן הדינמית. אלפא-רומיאו, על אף שחויבה על-ידי החברה-האם להשתמש ברצפת הטיפו עבור ה-GTV והספיידר, בחרה להחליף את תצורת המתלים האחוריים למתלה רב-חיבורי יקר יותר, ובלבד שלא לנסות לשפר את ההתנהגות הדינמית המוגבלת של מתלי המקפרסון.
מעקב צמוד
במשך מספר שנים מועט נעשה ניסיון להשתמש בזרועות עוקבות. הניסיון הובל, כמו תמיד, על-ידי יצרני מכוניות העילית: ב.מ.וו סדרה 3 משנת 82', מרצדס SEC560 ופורשה 911, החלו עם זרועות עוקבות, אך תוך זמן קצר עברו לזרועות חצי-עוקבות. מי עקב אחרי מה ולמה? בזרועות עוקבות, חוברו זרועות לגלגל באופן קשיח, ולשלדה באמצעות ציר שאפשר את תנועת הגלגל מעלה-מטה בלבד. כל תנועה רוחבית או שינוי בזווית השפיעה ביחס לגוף לא התאפשרו, בשל החיבור הקשיח. הבעיה נוצרה, איך לא, בסיבובים: רכינת הגוף אל מחוץ לפניה אילצה את הזרוע לרכון כמוהו, משנה את זווית השפיעה ביחס לכביש. השינוי גרם לפניית הגלגלים בניגוד לכיוון הפניה, תוך ייצור תת-היגוי. מבנה המתלה לא ניתן היה לשינוי בתצורה זו, על כן השיטה נזנחה לטובת זרועות חצי עוקבות.
השינוי המהותי היה בחיבור הזרוע לגוף - בניגוד לזרוע העוקבת, שחוברה במקביל לציר האורך של הגוף, הזרוע החצי-עוקבת חוברה בזווית שבין 50 ל-70 מעלות ביחס לציר הגוף, שאפשרה לכוחות צד להתפתח. התכנון הגיאומטרי חשוב ביותר, הואיל והמטרה הייתה ליצור כוחות המבטלים זה את זה: הרכיב האורכי שנוצר, כמו בזרוע עוקבת, שואף לגרום לתת-היגוי. הרכיב הרוחבי מתנהג כמו מתלה החיפושית, אשר כזכור מתחילת הכתבה, שואף לגרום להיגוי יתר. כיול נכון של הגיאומטריה יביא לכוחות המבטלים זה את זה ולהתנהגות דינמית נייטרלית. מושלם.
אז זהו, שלא. חסרונות המתלה הזה הם רבים, מדי: החיבור הקשיח בין המתלה לגלגל גורם ליותר תנודות ורעשים, כך שנוחות הנסיעה נפגמת. תנועת הגלגל בכיוון מעלה-מטה בלבד גורמת לשינוי בזווית השפיעה בעת מעבר מהמורה, שינוי הגורם לחוסר יציבות במצב כזה. המתלה עצמו, בגלל מבנהו המסיבי, האמור לקלוט לתוכו את בסיס קפיץ הסליל, שוקל משקל רב, וזהו משקל בלתי מוקפץ, על משמעויותיו השליליות שנזכרו לעיל. המעבר לדור הבא של המתלה הרב-חיבורי היה מחויב המציאות.
כבוד הרב חיבורי
מסקירת כל סוגי המתלים עד כה, עולה מסקנה אחת - כל פתרון של בעיה דינמית אחת, יוצר שתיים אחרות, ולעולם תידרש פשרה. מסקנה עצובה זו, הידועה לכל מהנדס מתחיל, הובילה לניסיונות להגדיל את מספר המוטות והחיבורים במתלה, בניסיון להתמודד עם כל הבעיות. על הסף, ברור כי הגדלה כזו משמעה ייקור משמעותי במתלה, גם אם תושג הנוחות האולטימטיבית וההתנהגות הדינמית הטובה ביותר. בנוסף, מוטות וחיבורים משמעם משקל נוסף, אלא אם כן נעשה שימוש בחומרים חזקים אך קלים, שמשקלם, בממון, כבד. אין תימה, אפוא, כי הפיתוח הובל, שוב, על-ידי ב.מ.וו (סדרה 3) ומרצדס (סדרה S), אך גם על-ידי ניסאן (SX200) וחטיבת היוקרה שלה, אינפיניטי, בדגם ה-45Q. פיתוחים אלה הגיעו לבשלות בסוף שנות ה-80. הרב חיבוריות (עידן אלתרמן היה חוגג על עודף השורוק), מושגת כאשר במתלה יש שלוש זרועות או יותר, בשונה מהמתלים שנסקרו עד כה. אך בשונה מכל השיטות שנסקרו, כל מתלה כאן שונה בתכלית השינוי מאחיו, כיד הדמיון והתכנון ההנדסי של כל יצרן. ב.מ.וו, למשל, יצרה מתלה רב חיבורי בצורת האות Z, וכך הוא גם נקרא. הונדה, במתלה האקורד החדשה, השתמשה בעצמות עצה כפולות (ארבעה חיבורים) ועוד מוט חמישי, כך שזהו מתלה בעל חמישה חיבורים. אודי, במתלה הקוואדרלינק הקדמי של ה-4A, משתמשת אף היא במתלה הדומה לעצמות עצה כפולות, אך ללא בעיית ההיגוי הנלווית למתלה קדמי כזה, בדרך כלל. המתלה הרב חיבורי מציע נוחות נסיעה טובה והתנהגות דינמית, שאיכותה ביחס למתלה עצמות עצה כפולות עדיין שנוי במחלוקת, אך מצד שני עלותו גבוהה.
נותרו לנו בארסנל עוד שני סוגים עיקריים: מתלה וויסאך ותת-שלדה. אלה יחכו לכתבה הבאה.
