התחום הדינמי של התנהגות כלי הרכב היווה מאז ומתמיד תעלומה, גם לבעלי המקצוע. מספר המשתנים הרב המשפיע על התנהגות הרכב בתנועתו, ומספר הצירופים האפשרי של המשתנים הביאו לכך שכמעט אין רכב סדרתי בעל התנהגות כביש מושלמת. בין הגורמים המשפיעים על התנהגות הכביש של המכונית אנו מונים את ההיגוי, הפנייה, נוחות הנסיעה, העברת המידע לנהג בזמן התנועה, היצמדות הגלגלים לכביש בתנאי הדרך השונים ועוד כהנה וכהנה. כל גורם מאלו מושפע על-ידי גורמים חיצוניים ותכנוניים רבים, כך שאופטימיזציה של כל רכיב היא כמעט בלתי אפשרית. חלק ניכר מהתכנון נעשה בשיטה של ^ניסוי וטעייה^ (יש הגורסים גם ^תעייה^ או ^תהייה^), על מנת לקבל את המתכון הנכון להתנהגות המצופה, במחיר הסביר לקונה המצוי.
בסדרת הכתבות הבאה ננסה ללמוד מהם הגורמים המשפיעים על ההתנהגות הדינמית של הרכב, מהם מושגים כמו היגוי יתר ותת היגוי וכיצד הם נוצרים (הביטויים לכך, לא המושגים), קדם אופן ושפיעתו, קפיצים שונים, תכנוני מתלים לאורך היסטוריית הרכב, השפעת הצמיגים ומערכות ההגה, מהם מוט מייצב, מוט פנהארד, קורת מתח, מוט פיתול, מתלה דה-דיון, מקפרסון, סרן ^חי^, תת-שלדה, מתלה רב-חיבורי ועוד. בקיצור - אוניברסיטה פתוחה של פעם בחודש.
פרולוג
מתלים אינם המצאה חדשה. אמנם, מרכבותיו של סיסרא נעו כשהמרכב הכבד מחובר ישירות לציר הגלגלים, ללא תנועה יחסית ביניהם, אך כבר משתוכננו הכרכרות הראשונות להובלת נוסעים, הוברר כי נוחות הנסיעה שאולי התאימה ליבין מלך חצור או למירוץ המרכבות של בן חור, אינה בהכרח מתאימה לאצילי אירופה של ימי הביניים. עוד לפני שאלה ידעו כי תדירות קפיצות של יותר משני מחזורים לשנייה (2 הרץ בשפה טכנית), היא בלתי נסבלת לאדם המצוי, הם הרגישו זאת דרך עכוזיהם המעודנים. כאשר נעו על הדרכים המשובשות וחשו כל אבן וכל קפל קרקע בגבם, הטילו על הנפחים למצוא פתרון. הפתרון הראשון היה הפרדת המרכב והשלדה מהצירים והגלגלים באמצעות קפיצים.
אלא שכבר שנינו כי קפיץ בלתי מרוסן כמוהו כחזייה בלויה. הגורמים הנתמכים מתנודדים כשיכורים, התנודות הנוצרות מהתנועה מתרסנות לאט מדי, קפיצות החלקים הנתמכים שוככות לאט מדי ועד אז מתחילות תנודות חדשות. כך כל נסיעה פותרת אמנם מקרים של תרופה שנבלעה בטרם נוערה מראש, אך הופכת להיות בלתי נסבלת בעליל.
השלב הבא, שהגיע רק בתחילת המאה העשרים, היה הצמדת בולם זעזועים לקפיץ. עם התפתחות הרכב, מהירותו והשיפור ביכולות ההיגוי שלו, עלה הצורך בבניית מכללים שלמים לטיפול בתנועת המרכב. מכללים אלה הם המתלים. המתלה הוא הגורם המקשר בין חלק המכונית הנצמד לכביש, לבין חלק המכונית ה^מרחף^ - השלדה והמרכב. המתלה מחובר מצד אחד לשלדה, בחיבור גמיש, המאפשר תנועה יחסית בינו לבין השלדה. מהצד השני, המתלה נושא את הגלגל, הנשען על הכביש. במתלה משולבים הקפיץ, הבולם, מערכת ההנעה (בסרן מונע), מערכת הבלימה ובמתלים קדמיים גם מערכת ההיגוי. שילוב מערכות כה חשובות - בנוסף לתפקיד הכה חשוב של הקניית יכולת דינמית בטיחותית לרכב יחד עם הספקת שירותי נוחות - מביא לכך שהמתלה הוא אחד מהמכללים המורכבים ביותר ברכב, לעתים אף יותר מהמנוע ותיבת ההילוכים, המורכבים כשלעצמם.
יסודות דינמיקת הרכב בסינית
והחיים, כמו בחיים, אינם פשוטים. מרגע שאפשרנו תנועה יחסית בין הגלגלים למרכב ולשלדה, יצרנו בעיות אחרות בהתנהגות הרכב: כאשר המכונית פונה במהירות, נוצרים כוחות צנטריפוגליים, השואפים לגלגל את גוף המכונית מחוץ לפנייה. תנועת הגלגול של המרכב מתורגמת להעברת משקל לכיוון הצד החיצוני לפנייה, המשנה את גיאומטריית המתלים (כלומר - הזוויות בין חלקי המתלה), ומשפיעה על זווית שפיעת האופן. שינוי זווית זה גורם להעברת משקל נוספת, לאורך המכונית, שתוצאתה היא היגוי יתר או תת היגוי. כאשר גם בולמים במהלך הפנייה, קְדָם האופָן משתנה אף הוא ומחמיר את תופעת ההיגוי, עד כדי יצירת היגוי מומנט....
עד כאן בסינית ומכאן נעבור לעברית, שעימה נוכל להבהיר את כל המושגים שנורו למעלה.
גנרל קאסטר וגבינת ק(מ)מבר
בקשו ממכוון פרונטים לכייל ברכבכם את קְדָם האופָן ושפיעתו ותישלחו לאחר כבוד, ככל הנראה, להסתכלות. אך בקשו לכוון את הקאסטר והקאמבר, ומיד תיחשבו כמביני עניין. שני מונחים אלה, המתייחסים לזוויות תנוחת הגלגלים, הם הבסיס ההכרחי להבנת פעולת המתלים. השאלה הראשונה הנשאלת היא ^למה צריך את זה?^. התשובה פשוטה: לו היה הרכב נוסע רק בקו ישר, אכן לא היה צריך להציב את הגלגל בזווית שונה מזווית ישרה ביחס למרכב. אלא שהרכב, כידוע, גם פונה במהלך נסיעתו, פועלים עליו כוחות ועל כן על הגלגלים להיות מוצבים בזווית ביחס לכביש. זווית זו נקראת זווית שפיעת האופן או ^קאמבר^ בלעז. כאשר הגלגל מוטה כלפי חוץ (בחלקו העליון), זוהי שפיעה חיובית, בעוד שגלגל המוטה כך שחלקו העליון מצביע לעבר מרכז הרכב הוא בעל שפיעה שלילית.
גלגל בעל שפיעה חיובית נוטה להיגוי המתרחק ממרכז הרכב, הואיל ובגלל הזווית הוא רוצה להסתובב סביב קודקודו של חרוט דמיוני, שהגלגל משמש כבסיסו. בעת פנייה, כאשר הכוח הצנטריפוגלי הנוצר מהסיבוב ^דוחף^ את המשקל על הגלגל החיצוני לפנייה, גלגל זה יהיה משמעותי להיגוי יותר מהפנימי. בגלגל בעל שפיעה חיובית, נטיית הגלגל כלפי חוץ תביא לתת-היגוי: כלומר, הגלגל יתנגד לפנייה ויגרום לקשת סיבוב רחבה יותר. באופן דומה, אך הפוך, יפעל גלגל בעל שפיעה שלילית - אלא שהפעם הגלגל, הנוטה להתקרב למרכז הרכב, יחדד את הפנייה ויגרום להיגוי-יתר: חרטום המכונית יפנה לתוך הפנייה באופן חד יותר, כש^זנב^ המכונית עוקב אחרי קשת רחבה יותר ומנסה להשיג את החרטום. כמובן, ההשפעה על ההיגוי אינה תלויה בזווית השפיעה בלבד: העברת משקל בעת הסיבוב, עקב האטה פתאומית הנובעת מהורדת הרגל מדוושת התאוצה, מחריפה את נטיות הבסיס של הגלגל.
קדם האופן (ה^קאסטר^) הוא זווית נטיית ציר ההיגוי מהאנך, והיא הקובעת את יציבות ההיגוי - היא תלויה באופן חיבור הגלגל לזרועות ההיגוי, ונמדדת בין האנך לכביש לבין הקו המחבר את מפרקי ציר ההיגוי. הזווית נחשבת שלילית כאשר ציר ההיגוי מוטה קדימה, וחיובית כאשר הוא מוטה לאחור. קדם חיובי מייצר היגוי יציב וקדם שלילי גורם לחוסר יציבות במהירויות גבוהות. מאידך גיסא, עודף קדם אופן חיובי מביא להיגוי ^קשה^ וריטוטים. אי שוויון בקדם האופן בין הגלגלים יביא לידי נטיית הרכב לכיוון הגלגל עם הזווית הקטנה יותר. רוב המכוניות מתוכננות עם קדם אופן חיובי, השואף להחזיר את ההגה למרכז. זווית קדם האופן נעה, בדרך כלל, בין 2.5 ל-5 מעלות במכוניות מירוץ, בהן ההיגוי קשה במיוחד, ובסביבות 2 מעלות ברכב כביש רגיל. הסיבה להקשיית ההגה במכוניות מירוץ היא מתן יותר תחושה לנהג, שכן כל מעלת סיבוב מורגשת ואין ^שטחים מתים^ בהגה. בצילומים מתוך תא הנהג במירוצי הפורמולה והראלי, ניתן לראות כיצד ההגה רוטט וכאילו מתנגד לנהג. להבדיל, גם טייסי אווירובטיקה מקזזים את הגאי המטוס כך שיהיו קשים וידרשו כוח רב, על מנת להרגיש טוב יותר את המטוס ולהטיסו בעדינות רבה יותר. הזווית המדויקת נקבעת מכמה שיקולים: אופי הרכב (ספורטיבי או רגיל), תכנון השלדה הקובע כמה מקום יש למחברי ההיגוי ועוד.
מה הוא קופייץ?
כל מתלה באשר הוא, מוקפץ עקב תנאי הכביש. החלק הבסיסי בתהליך ספיגת אנרגיית הקפיצה הוא הקפיץ. ברכב יש שני חלקי מסה עיקריים (כן - אפילו ברכב צה^לי, שרגיל להתחלק לשלושה): משקל מוקפץ ומשקל בלתי מוקפץ. לעתים נהוג לכנותם ^משקל נתמך^ ו^בלתי נתמך^, בהתאמה. ובכן, אין בכוונתנו להשליך את הרכב לווק ולהקפיצו עם ירקות ואטריות אורז, אך זה בערך מה שקורה לו.
המשקל המוקפץ הוא המשקל הנתמך על-ידי המתלים, קרי - השלדה והמרכב, בעוד שהמשקל הבלתי מוקפץ הוא מה שמחובר לכביש - הגלגלים והמתלים. בעלות הרכב על מהמורה, הגלגל קופץ, ומקפיץ עמו את המתלה. ככל שהמשקל הבלתי מוקפץ גדול יותר, נוצרת תנופה גדולה יותר של המתלה (תנופה= תנע= מהירותXמסה), ותנופה זו תהיה גדולה מכדי שהקפיץ יוכל לטפל בה. האנרגיה שלא תיספג על-ידי הקפיץ תועבר לשלדה ולמרכב, ונוחות הנסיעה תיפגם, מעבר לצורך לחזק את חיבורי המתלים. חיזוק שווה תוספת משקל, וחוזר חלילה. אשר על כן, בתכנון מתלים נעשה ניסיון לחסוך כמה שיותר משקל, להשתמש בחומרים קלים ככל האפשר, שכן המשקל הבלתי מוקפץ הוא מחולל צרות ידוע.
הקפיצים בהם נעשה שימוש במתלים הם מגוונים: החל בקפיצי עלים פשוטים למדי, דרך כאלה בעלי ספיגה משתנה, קפיצי סליל ומוטות פיתול. העיקרון הפיזיקלי של כל הקפיצים זהה: הפעל על הקפיץ כוח, והוא יתכווץ (או יתפשט) לאורך דרך מסוימת, על-פי קשיחותו. במהלך התכווצותו הוא סופג אנרגיה ומשחרר אותה באופן מבוקר.
רוב הקפיצים ברכב בנויים מפלדה. זו, על אף משקלה הגבוה, ניחנה בתכונה החשובה ביותר לקפיץ - אלסטיות. אלסטיות היא יכולת החומר לחזור למצבו הקודם לאחר הפעלת עומס שאינו חורג מהתחום האלסטי. הפעל על חומר עומס החורג מתחום זה, והוא ישנה את צורתו ללא שוב. הפלדה, ודווקא הפשוטה יותר, ניחנה בתכונה זו. כמובן, הקפיצים היום מורכבים מסגסוגות פלדה מתקדמות, הכוללות מתכות נוספות (מוליבדן, כרום, מנגן, ניקל ועוד), על מנת לשפר את יכולת עיבודן ועמידותן בשחיקה, קורוזיה ושאר מרעין בישין, אך האלסטיות היא התכונה החשובה.
בפרק הבא נסקור את סוגי הקפיצים, יתרונותיהם וחסרונותיהם ונתחיל לבדוק איך חיבורם לשלדה משפיע על התנהגות הרכב. מהו סרן המבוקש ^חי או מת^ ומהם מתלים לא-עצמאיים.
