RBR: Setupy - Zawieszenie

Wstęp

Podczas jazdy sportowej, układ zawieszenia ma trzy zadania:

• Utrzymać platformę nadwozia w takiej pozycji, aby zmaksymalizować potencjał pakietu aerodynamicznego
• Utrzymać koła w takiej pozycji, aby zmaksymalizować ich przyczepność, włączając w to zmiany pochylenia i zbieżności.
• Dysponować uzyskany potencjał przyczepności między osiami, zależnie od potrzeb w aktualnym stadium ruchu po torze.

Więc, dobierając komponenty i podstawowe / bezpieczne wartości ich konfiguracji, priorytetem będzie zawsze minimalizacja ruchu nadwozia.

W tym tekście nie będziemy omawiać, jak układ zawieszenia wpływa na takie parametry jak aerodynamika, czy zbieżność, gdyż są to parametry zależne w dużej mierze odpowiednio od pakietu aerodynamicznego i rodzaju układu zawieszenia. Chętnych, zapraszam do przestudiowania różnych wariantów geometrii zawieszenia i specyfikacji komponentów dostępnych na rynku wtórnym.

W tym tekście skupimy się wyłącznie na tym, jak sprężynowanie i amortyzacja wpływają na balans platformy nadwozia, w wyszczególnionych stanach ruchu samochodu. Zmiany które wprowadzam, nie będą miały na celu dodać lub odjąć, potencjalnej przyczepności, platformie samochodu. Mają one na celu dystrybucję już istniejącego potencjału, między poszczególne osie i koła, w różnych stanach ruchu pojazdu.

Wszystkie wymienione koncepcje są, według mnie, elementarne. Bez odpowiedniego zrozumienia szczegółów, niemożliwym jest zrozumienie opisanych abstrakcji i współdziałania elementów układu sprzężonego.

!! Zmiana ustawień jednego elementu, wpływa na wzajemne oddziaływanie reszty elementów !!

W moim przypadku, w zrozumieniu efektywnej konfiguracji zawieszenia pomogło odłożenie myślenia o przechyleniach, rotacji, sztywności, balansie, przyczepności i osiągach, na dalszy etap. Na etap finalnego dostrajania.
Na początku skupiamy się na szybkim uzyskaniu stabilnej bazy, ustawiając elementy pod jeden parametr wyjściowy, wysokości każdego z rogów nadwozia (ride height), od którego zależeć będzie cała reszta parametrów i ogólne zachowanie się pojazdu.

Filozofia Flat-Ride

Filozofia Flat-Ride (TM - FatCat Motorsports) zakłada takie dostrojenie układu zawieszenia, aby samochód pokonujący przewidziane undulacje, utrzymywał w miarę jak najrówniejsze pochylenie [i nie powodował nieprzyjemnych sensacji u pasażerów].

Oś wiodąca i podążająca

Według obliczeń, badań i testów, podstawowym założeniem filozofii Flat-Ride, jest rozdzielenie układu na oś wiodącą (przednia) i podążającą (tylnia). Biorąc pod uwagę poruszanie się pojazdu [sportowego] przez większość czasu przyspieszając [na gazie], uświadamiamy sobie również, że jako kierowca, możemy z tylnej osi przyczepność tylko odejmować, podczas gdy przednia oś gotowa jest na zwiększenie przyczepności przez odjęcie gazu i hamowanie. Docisk tylnej osi, również oznacza że przednia oś będzie przyjmować mniejsze siły, a tylna większe.

Ustabilizowanie platformy

Wiedząc powyższe rzeczy i obserwując odczyty telemetryczne, dochodzę do poniższych wniosków pozwalających mi dobrać odpowiednie ustawienia:

• Dojeżdżając do przeszkody, przednia oś jest delikatnie uniesiona ponad swój stan stabilny, a tylna jest delikatnie dociśnięta poniżej swojego stanu stabilnego.
• Miękka przednia oś, swobodnie pokonująca przeszkody, przekazuje tylnej osi niewielką ilość energii, kompresując ją jeszcze bardziej i zmuszając do przyjęcia jeszcze większych sił przy spotkaniu z przeszkodą.
• Przy sztywnej przedniej osi, spotkania z przeszkodami są mniej przyjemne. Natomiast, powodują one szybkie dociśnięcie tylnej osi, a następnie wyciągnięcie całej platformy w górę. Co powoduje, że tylna oś przyjmuje mniej energii ze spotkania z przeszkodą, i przeszkodę pokonuje swobodnie.
• Siły hamowania są znacznie wyższe i oddziałują na zawieszenie w krótszym czasie, niż siły przyspieszania. Przednie zawieszenie musi być więc gotowe na przyjmowanie większych sił kompresji, niż zawieszenie tylne.

Aby uzyskać taką charakterystykę zwieszenia i stabilność platformy w ruchu samochodu [sportowego], zawieszenie przedniej osi powinno cechować się większą naturalną częstotliwością, oraz większym pochłanianiem energii wstrząsów przez amortyzatory.

Natomiast, zawieszenie tylnej osi powinno cechować się niższą naturalną częstotliwością, oraz swobodniej dobranymi amortyzatorami, pozwalając tylnemu zawieszeniu podążać za ruchem przodu i pozwalać na bycie dociskanym przez szybszą reakcję przedniej osi na nierówności.

Tuning

Sprężynowanie

Ze względu na działającą bez przerwy na samochód siłę grawitacji, potrzebujemy jakiegoś narzędzia do przeciwdziałania tej sile. Tym narzędziem jest sprężyna, która podczas postoju, lub w stałym ruchu po prostej, będzie cały czas dążyła do ustawienia nadwozia względem podłoża, w jednej i tej samej pozycji. Jednym zdaniem, przeciwdziała sile, która próbuje nam samochód docisnąć do podłoża.

Więc, dobierając parametry sprężyny, skupimy się właśnie na tym. Na umiejscowieniu każdej z kolumn zawieszenia, na dokładnie takiej wysokości, aby zrealizowała zadanie utrzymania platformy samochodu w zakresie, dającym nam oczekiwane zachowania.

Wstępne ustawienia i bezpieczeństwo jazdy na prostej

Pierwszym krokiem przy dobieraniu konfiguracji zawieszenia, powinno być upewnienie się, że na długości całego etapu, zawieszenie jest w stanie przyjąć wszystkie nierówności, bez kompletnej kompresji i w miarę możliwości, bez kompletnego rozwarcia (poza dużymi skokami, oczywiście).

W symulacji, możemy dobrać idealne wartości na podstawie odczytu maksymalnej siły oddziałującej na koło podczas testowego przejazdu.

Aby dowiedzieć się, jakie są te siły na które musimy się przygotować, potrzebujemy wykonać ich pomiary. Żeby wykonać pomiary, potrzebujemy zebrać dane z przejazdu odcinka... a do tego potrzebujemy ustawionego zawieszenia. No i mamy nieskończoną pętlę 🤣

W rzeczywistości odpowiednie ustawienia możemy dobrać na podstawie odczytów z akcelerometrów, lub wykonując obliczenia geometryczne, biorąc pod uwagę najgorszy kawałek toru i prędkości w jakich się po tym etapie poruszamy

Parametry przed-pomiarowe

Żeby z tej pętli wyjść, przygotowujemy parametry bazowe, które wykorzystamy do stworzenia warunków nadających się do wykonania pomiarów, potrzebnych do precyzyjnego wystrojenia układu.

Te parametry to:

• Wysoki statyczny poziom nadwozia
• Relatywnie miękka sprężyna (~1.5Hz częstotliwości naturalnej)
• Niski opór amortyzatora przy kompresji (bump) i dekompresji (rebound)
• Luźny stabilizator

Odczyt telemetrii

Po przejechaniu odcinka z luźnymi ustawieniami, otwieramy zapis telemetryczny w naszym ulubionym programie i wyszukujemy wykresy "siła oddziałująca na mocowanie kolumny zawieszenia", oraz "wysokość zawieszenia".

Na wykresie siły, znajdujemy punkt w którym siła ta była najwyższa. Nie interesują nas odczyty z miejsca lądowania po dużej chopie. Przy tych pomiarach intresujemy się tylko miejscami, gdzie kompresja nie występuje zaraz po znacznej dekompresji. Preferujemy miejsca z wytłoczeniami, nie z dziurami.

Potrzebujemy też poznać minimalną wysokość zawieszenia przy pełnej kompresji. Do tego możemy wykorzystać etap z dużymi chopami, gdzie uderzamy podwoziem w ziemię przy lądowaniu.

Na wykresie wysokość zawieszenia bierzemy odczyt z stanu statycznego, gdy samochód się nie rusza i z momentu odczytu siły.

Jeżeli na pomiarach bardzo często dochodzi do pełnej kompresji i zatrzymania się zawieszenia na bump-stop'ach, należy powtórzyć pomiar z sztywniejszymi sprężynami

TODO: Zawrzeć obrazki z pomiarów.

Ustawienia wstępne

Na podstawie wartości max siły i różnicy między statyczną wysokością, a max kompresją, wyliczamy sobie minimalną wysokość zawieszenia, zależną od sztywności zawieszenia.

Dla przykładu, podczas przejazdu po przyczepnym torze asfaltowym, z miękkim zawieszeniem (40kN/m), dochodzi do max odkształcenia 150mm i wygenerowaniu siły 9kN (przy statycznym nacisku na koło, ok. 3kN = 300kg)

Możemy sobie więc wygenerować taką tabelkę, która nam podpowie, ile mniej więcej musimy zapewnić zakresu pracy zawieszenia, żeby pokonać docelową przeszkodę przy pełnej prędkości.

W tej tabelce nie widzimy całkowitej długości sprężyny, lecz tylko jej odkształcenie. Żeby w tabelce wyświetlić całkowitą długość sprężyny, musimy dodać do wartości siły, statyczny nacisk na koło. (do kolorów dodajemy też minimalną wysokość kompresji, w moim przypadku 100mm)

TODO: Opisać jak obliczamy samą sprężynę. Damping ratio i dobór damperów opisać w oddzielnym rozdziale.

Dynamika jazdy i balans w zakrętach

Po wprowadzeniu podstawowych ustawień dopasowanych do etapu po którym się poruszamy, przychodzi pora na dostrojenie zachowania samochodu w zakrętach.

W tym celu pozostaję przy wykorzystaniu parametru wysokości nadwozia, używając tych zasad:

• Oś nad którą nadwozie (i środek ciężkości) jest wyżej, cechuje się zwiększoną siłą przechyłu
• Również oś nad którą nadwozie jest wyżej, ma dostępny większy zakres pracy, przed pełną kompresją
• Wraz ze zmiękczaniem anti-roll bar, zawieszenie również unosi się bardziej w zakrętach (i ogólnie, im mniej ARB, tym lepiej)

Możemy użyć tych pryncypiów, aby wymusić na samochodzie oczekiwane zachowania. W wypadku samochodów AWD, będziemy chcieć:

1. Przy przyspieszaniu, priorytet przyczepności dla przedniej osi
   1. Przy przyspieszaniu, jest unoszona, zmniejszając dostępny potencjał przyczepnosci
   2. Tył jest i tak ostro dociskany i ciągnięty przez przednią oś, więc nie ma się za bardzo co nim przejmować. W ekstremalnych przypadkach nadsterowności, wystarczy zbić delikatnie dyferencjał.
2. Przy odpuszczeniu, wstępnie ostrą reakcję na kierunek kierownicy
3. Przy jeździe neutralnej, bez gazu, stabilne utrzymanie zadanej rotacji
4. Więcej tylnej przyczepności przy hamowaniu
   1. Przód zostaje wepchnięty w ziemie
   2. Możemy wykorzystać dostępny potencjał, mocniejszymi hamulcami na tył
   3. W wypadku podsterowności, wystarczy krótkie szarpnięcie za ręczny

Aby uzyskać powyższe zachowanie samochodu, oraz uzyskać Flat-Ride, wybiorę:

• Sztywne przednie sprężyny, wraz z luźnym helper'em
• Miękkie tylne sprężyny, z helperem o podobnej sztywności
• Więcej ARB na tylnej osi, niż przedniej

Dodatkowym atutem redukcji zakresu pracy przedniego zawieszenia i rozszerzeniem zakresu pracy tylnego, jest wpływ takiego ustawienia na coś takiego jak bump steer i toe steer. Zmiana zbieżności przedniej osi podczas jazdy, prowadzi do zachowań trudnych w opanowaniu. W wypadku tylnej osi, zwiększenie zbieżności przy hamowaniu i jej redukcja przy przyspieszaniu, mogą mieć w sobie sporo benefitów.

Anti-Roll Bar stiffness

Anti-Roll Bar (poprzeczny anty-przechylacz 😅), czyli w polskiej literaturze technicznej, stabilizator poprzeczny. Wpływa na maxymalną transmisję masy (inercyjnej) między krańcami (bokami) osi na której jest zamontowany.

Popularnie mówi się, że stabilizator dodaje sprężystości kolumnie koła dociążonego, odejmując sprężystości z kolumny koła odciążonego. Jest to niestety bardzo mylące podejście, gdyż sprężyny o mniejszej sprężystości, cechują się większym zakresem pracy (mniejszą naturalną częstotliwością). Zmniejszenie sprężystości na kole odciążonym, powinno więc oznaczać tendencję do wydłużania się i dalszego przechyłu samochodu.

W rzeczywistości, natura działania stabilizatora, powoduje wykorzystanie sił bocznych, do dodania sprężystości całego układu. Zwiększając częstotliwość pracy zawiasu, przyspieszamy tegoż układu reaktywność. Ta zwiększona reaktywność, pozwala nam stworzyć efekt zbliżony do działania amortyzatora i rozłożyć w czasie, siły wytworzone podczas rozpoczynania wchodzenia w zakręt. Pamiętając, że stabilizator zwiększa reaktywność CAŁEGO UKŁADU POŁĄCZONEGO, na WSZYSTKIE SIŁY W RUCHU POPRZECZNYM.

Inne zadania stabilizatora poprzecznego

• Bez stabilizatora jeździ się poważnie niebezpiecznie. W samochodzie sportowym, albo miejskim ze słabymi amortyzatorami, to nawet idzie się zabić.
• W rzeczywistości systemy stabilizacji rozwiązują jeszcze jeden, bardzo poważny problem, który nie jest częścią symulacji w RSF.
  Jest to panowanie nad aerodynamiką, gdzie wszelkie odchylenia pojazdu, powodują duże straty w sile dociskającej.
  W rajdach jest to szczególne wyzwanie, gdyż złączanie elementów zawieszenia niezależnego prowadzi do reagowania całego pojazdu na każdą nierówność, co zdecydowanie jest nieporządane na nierównej nawierzchni.
  W Richard Burns Rally, stabilizator ma trzy zadania:
• Panowanie nad zmianami w zbieżności. Podczas kompresji zawieszenia typu kolumna McPhersona (jak w RBR), koła unoszą się po łuku. Wraz z unoszeniem koła, zwiększa się camber i (zależnie od geometrii) też toe. Żeby utrzymać te wartości w oczekiwanym zakresie i np. żeby zewnętrzne koło nie opierało się o nadkole w zakręcie, używamy stabilizatora.
• No i najważniejsze do czego się stabilizatora używa, czyli do redukcji unoszenia się nadwozia w zakręcie, dosłownie przenosząc potencjał przyczepności między osiami. Jeżeli któraś oś w zakręcie unosi się zbyt wysoko, będzie odbierać przyczepność osi przeciwnej. Używając stabilizatora, możemy tą rozbieżność poprawić.
  • Poruszając się w zakręcie, na układ zawieszenia wywierane są dodatkowe siły, które pozwalają sprężynom wewnętrznym, unieść platformę ponad stabilną wysokość.

Dobranie ustawień stabilizatora poprzecznego

Odpowiednie dobranie bazowej wartości stabilizatora możemy wykonać, biorąc pod uwagę jakim siłom poddawane jest zawieszenie, w jakich scenariuszach jego eksploatacji

1. Jeżeli poruszamy się po dużych hopach, zmiękczymy nasze sprężyny. Może się okazać, że dla zapewnienia odpowiedniej amortyzacji skoków, również to zawieszenie podwyższymy.
   Ale pomimo miękkszego zawieszenia, będziemy chcieli żeby nasze zawieszenie, przenosiło takie same siły w zakrętach i nie opadało do minimum zbyt szybko. Więc zwiększymy reaktywność poprzeczną, wzmacniając stabilizator.
   Im wyższe zawieszenie, tym wyższe siły poprzeczne działające na samochód. Podnosząc zawieszenie, raczej będziemy potrzebować mocniejszego stabilizatora.
2. Jeżeli poruszamy się po płaskim, tylko ewentualnie dziurawym torze, usztywnimy zawieszenie. Może się okazać, że nie wykorzystujemy całego zakresu pracy zawieszenia i jego obniżenie może zagwarantować lepszą przyczepność.
   Nasze zawieszenie teraz lepiej przenosi siły w zakrętach, nie potrzebujemy więc aż tyle stabilizatora poprzecznego. Można zredukować jego wartość.

Dobranie stosunku przedniego do tylnego stabilizatora, pozostawiam wam do eksperymentowania i odkrycia.

Przy trzymaniu się pryncypiów Flat-Ride, dopuszczamy tylną oś do znacznie większego zakresu pracy między przyspieszaniem i hamowaniem, niż pozwalamy na to osi przedniej. Dlatego też paruję tylną oś z sztywniejszym stabilizatorem, aby nie pozwolić na odrywanie przedniej osi w zakrętach.

Oczywiście przypominam o zasadzie rajdowego kompromisu. Sztywny stabilizator = dobrze, zbyt sztywny stabilizator = chaotyczne zachowanie na wertepach

Amortyzacja (Damper)

Amortyzatory okazują się dość proste do zrozumienia, jeśli uświadomimy sobie, ze ich zadaniem jest wytracanie energii pochodzącej z tego, co na nie wpływa.

W wypadku sił kompresji (bump), jest to energia między samochodem a drogą. Ze względu na oddziaływanie na siebie dwóch masywnych obiektów, te siły są dość duże.

W wypadku dekompresji (rebound), jest to głównie energia między samochodem, a układem nieresorowanym (kołem). Ze względu na oddziaływanie masywnego obiektu na lekki obiekt, te siły będą znacznie mniejsze.

Ustawiamy więc zawsze Bump, o znacznie wyższych wartościach, niż Rebound.

Do tego, w bardziej skomplikowanych amortyzatorach, mamy dostępną kontrolę nad zaworami bezpieczeństwa, uruchamianymi przy większych prędkościach ruchu zawieszenia.

Fast Bump, odpowiada za redukcję napięć generowanych na elementach samochodu. Zawsze ustawiamy go niżej niż Bump. Fast Bump, to narzędzie które pozwala zawieszeniu być sztywnym i precyzyjnym w zakrętach, ale też pozwolić zawieszeniu zapaść się luźno, przy dużych i nagłych przeszkodach.

Fast rebound to skolei narzędzie do kontrolowania eksplozywnej dekompresji zawieszenia, po głębokiej kompresji.

Fast Bump zawsze ustawimy więc niżej niż Bump

Fast Rebound zawsze ustawimy więc wyżej niż Rebound

Fun Fact: Dla zawieszenia rajdowego, z naturalną częstotliwością do 2Hz, prędkość dekompresji nie przekracza 20m/s. Jeżeli chcemy, żeby w RBR, Fast Rebound cokolwiek robił. Musimy ustawić prędkość przełączania poniżej wartości 20m/s.
Dla kompresji i Fast Bump, prędkości potrafią być znacznie wyższe. Więc tutaj trzeba sobie poeksperymentować.

Drugi cykl amortyzacji (Bump Stop)

Wysokość platformy podstawy sprężyny

To ustawienie opisane jest jako przenoszące górny punkt mocowania kolumny McPherson'a. Analizując to stwierdzenie bezpośrednio, oznacza ono tylko podniesienie środka masy samochodu, pozostawiając zakres pracy zawieszenia bez zmian.

ALE! Poza podwyższeniem samochodu, co można bardzo szybko skompensować skróceniem głównej sprężyny...
Przenosimy niżej również BumpStop i punkt jego aktywacji w układzie zawieszenia.

BumpStop jest bardzo ważnym elementem układu zawieszenia każdego samochodu sportowego i optymalne jego ustawienie bywa głównym czynnikiem rozróżniającym średni i bardzo dobry setup.

Opona i koło, jako element sprężynujący

O kołach samochodowych mówi się popularnie jako "element nieresorowany", co jest potrzebnym terminem. Lecz, przez pojawienie się dość wcześnie w terminologii inżynierów samochodowych, wprowadza małe nieporozumienie. Jakby opony, ich sprężystość, sztywność ścianek, ciśnienie powietrza, nie wpływały na charakterystykę jazdy (lub, jakby był to aspekt pomijalny, poza potrzebą redukcji masy układu "nieresorowanego").

Opony, ich dobór i użyte ciśnienie powietrza, mają gigantyczny wpływ na to, jak się samochód prowadzi. Kilka prawideł, które pomagają mi wstępnie dobrać odpowiednie ciśnienia:

1. Dla 90% opon sportowych, nie wystawianym na jazdę długodystansową, dobrym punktem startowym jest ~1.9 bar'a, dla samochodów w okolicach 1.2 tony. Trochę mniej będzie odpowiednie dla lżejszych aut, trochę więcej, dla cięższych.
2. Tak jak w wypadku sprężyn, im mniejsze ciśnienie będziemy mieli w oponie, tym bardziej podatna będzie ona na odkształcenia. Jedziesz samochodem o sztywnym zawieszeniu, a czeka cię odcinek na wertepach? Zbij 0.1 bara z opon i pozwól oponie wykonać trochę więcej pracy.
3. Ciśnienie wpływa nie tylko na pole styczności opony z asfaltem, ale też na jej rozmiar i odległość jaką pokonuje powierzchnia opony przy każdorazowej rotacji koła. Masz samochód 4WD, z centralnym dyferencjałem spiętym na sztywno (50:50) i cierpisz na podsterowność? Dodając trochę ciśnienia na tylnej osi, delikatnie przesuniesz moment obrotowy na tylną oś, dodając autu zwinności. (jest to rozwiązanie działające jedynie w wypadku jazdy sportowej, nie próbuj używać różnych rozmiarów kół/opon przy jeździe ulicznej)