Brukar ni köra på bana, tävla i gymkhana eller ge er ut och köra hårt på slingriga bergsvägar?
När man tänker ”Jag vill kapa en sekund till!” börjar man kanske justera coiloverfjädringen för att påverka bilens balans mellan under- och överstyrning.
Ni har säkert hört att styvare framfjädrar ger mer understyrning, eller att en höjning av bilen bak ger mer överstyrning.
Men exakt vilka mekanismer som ligger bakom sådana effekter förklaras sällan i tidningar eller på nätet. Därför är det här inte särskilt allmänt känt.
Bara för att man förstår mekanismerna hittar man inte automatiskt en snabb inställning. Men när man förstår grunderna blir det lättare att se saker som ”Det här behöver jag för att lösa mitt nuvarande problem” eller ”Det där lär knappast göra någon större skillnad”.
Man behöver inte heller lika ofta grubbla över ”Hur ska jag egentligen lösa det här problemet med hjulupphängningen?” och blir mindre förvirrad av alla tvivelaktiga teorier som cirkulerar.
Den här gången tänkte jag därför skriva om hur man justerar styrbalansen, utifrån däckens fysikaliska egenskaper.
【Huvudpunkter】
(1) Att justera styrbalansen handlar om att ändra fördelningen av sidkraft mellan fram- och bakaxeln
(2) Det är viktigt att se till den sammanlagda sidkraften från vänster och höger däck
(3) Ju större lastförskjutning, desto lägre blir den sammanlagda kurvstyvheten hos vänster och höger däck
(4) De två viktigaste faktorerna bakom lastförskjutningens fördelning mellan fram och bak är krängstyvhet och länkarmarnas vinklar
(5) Krängningscentrumets höjd ändrar hur stor betydelse respektive faktor har
Styrbalansen börjar vid däcken
Vi börjar med (1): ”Att justera styrbalansen handlar om att ändra fördelningen av sidkraft mellan fram- och bakaxeln.”
Ja, det är väl egentligen precis vad det låter som.
Om framdäcken kan generera mer sidkraft i förhållande till bakdäcken blir bilen mer villig att svänga. Om bakdäcken utvecklar mer sidkraft blir bilen stabilare.
Men när man pratar om hjulupphängning hör man ofta saker som ”Framvagnen kränger lätt, därför understyr bilen” eller ”Bakvagnen är för styv, därför överstyr den”.
Om man bara tänker så är det svårt att förstå vad som faktiskt händer och hur det leder till en förändring i understyrning eller överstyrning.
Bilen har bara kontakt med marken genom sina fyra däck. Karossrörelser som krängning och nickning är i slutändan bara en del av hur krafterna överförs. Det är fördelningen av sidkraft mellan fram och bak som direkt påverkar understyrning och överstyrning.
Oavsett om vi pratar om fjädrar, krängningshämmare eller dämpkraft är det viktigt att hela tiden fråga sig: ”Hur påverkar det här till slut sidkraftens fördelning mellan fram och bak?”
Då går vi vidare till (2): ”Det är viktigt att se till den sammanlagda sidkraften från vänster och höger däck.”
Jag tror att ju skickligare en förare är, desto mjukare och mer kontrollerat brukar lastförskjutningen ske. Men uttryck som ”lägga mer last på däcket” eller ”belasta däcket ordentligt” visar att man när man talar om lastförskjutning som körteknik nästan bara tänker på däcket som får mer last, alltså ytterdäcket.
Det är väl inget problem om vi bara pratar körteknik. Men däcket som avlastas, alltså innerdäcket, slutar ju inte göra nytta helt och hållet (utom exempelvis när innerhjulet bak på en framhjulsdriven bil lyfter från marken).
Det finns två framdäck och två bakdäck.
När vi pratar om understyrning och överstyrning behöver vi därför tänka på den sammanlagda sidkraften från vänster och höger däck.
Varför lastförskjutning minskar den sammanlagda kurvstyvheten
Nu tar vi (3): ”Ju större lastförskjutning, desto lägre blir den sammanlagda kurvstyvheten hos vänster och höger däck.”
Titta först på den här grafen.
Grafen har jag ritat med figur 10 i ”Flat-Belt Suspension Tire Test Machine” av Tomoki Sakai, Kaoru Kusaka och Yuji Sato som förlaga, publicerad på Honda R&D:s webbplats för tekniska artiklar. Jag har försökt få den att stämma så nära originalet som möjligt.
Den lodräta axeln visar kurvstyvhet (sidkraft per grad i avdriftsvinkel), och den vågräta axeln visar belastningen.
Som ni ser ökar inte kurvstyvheten proportionellt när belastningen på ett däck ökar.
Kurvstyvheten ökar visserligen med belastningen, men ökningen blir allt mindre ju högre belastningen är.
Efter en viss punkt börjar kurvstyvheten faktiskt minska.
Det här är vad man menar med däckets lastkänslighet.
Anta nu att vi har en bil där varje framdäck belastas med 4 000 N vid 1 g.
När bilen svänger minskar lasten på innerdäcket och ökar på ytterdäcket genom lastförskjutningen.
Om lasten till exempel förskjuts med 2 000 N får innerdäcket en belastning på 2 000 N och ytterdäcket 6 000 N.
Då ser grafen ut så här.
Lägg nu märke till hur kurvstyvheten förändras för inner- respektive ytterdäcket.
Ytterdäckets kurvstyvhet har ökat.
Den har ökat, men inte särskilt mycket.
Samtidigt har innerdäckets kurvstyvhet minskat rejält.
Nu räknar vi ihop värdena för inner- och ytterdäcket.
Före lastförskjutning
Innerdäck 1 300 N/deg + Ytterdäck 1 300 N/deg = Totalt 2 600 N/deg
Efter lastförskjutning
Innerdäck 800 N/deg + Ytterdäck 1 420 N/deg = Totalt 2 220 N/deg
Den sammanlagda kurvstyvheten har alltså minskat på grund av lastförskjutningen.
Den här egenskapen hos däcken är en av de allra viktigaste grunderna när man vill förstå bilens styrbalans.
Att styrbalansen ändras när man byter fjädrar eller ändrar körhöjdens fördelning mellan fram och bak beror i slutändan på just den här däckegenskapen.
Det är också en av anledningarna till att sportbilar har låg tyngdpunkt.
Med hög tyngdpunkt får bilen större lastförskjutning vid samma sidoacceleration. Då minskar den sammanlagda sidkraften och det blir svårare att köra fort. Därför sänker man tyngdpunkten för att få ut så mycket grepp som möjligt och förbättra bilens prestanda.
Nu när vi har sett hur däcken fungerar är det äntligen dags att gå vidare till inställningarna av hjulupphängningen.
Vad avgör hur lastförskjutningen fördelas mellan fram och bak?
Vi börjar med (4): ”De två viktigaste faktorerna bakom lastförskjutningens fördelning mellan fram och bak.”
【Sådant som påverkar krängstyvheten】 (Exempel)
・Skruvfjädrar
・Krängningshämmare
・Hur mycket genomslagsgummina komprimeras
med mera.
【Sådant som påverkar länkarmarnas vinklar】 (Exempel)
・Körhöjd
・Justeringsdetaljer för krängningscentrum
・Stötdämparnas dämpkraft
med mera.
Om man till exempel gör framfjädrarna styvare och bakfjädrarna mjukare får framaxeln ta en större andel av lastförskjutningen när bilen kränger.
Som vi nyss såg är däcken lastkänsliga. När framaxeln tar en större del av lastförskjutningen minskar därför den sammanlagda sidkraften från de båda framdäcken, och bilen blir mer ovillig att svänga.
Men det är inte bara de faktorerna som avgör hur lastförskjutningen fördelas mellan fram och bak.
Fördelningen påverkas också av vinkeln på hjulupphängningens länkar, det vill säga länkarmarna.
Om länkarmarna från början är parallella med marken och man höjer bilen kommer de exempelvis att luta nedåt mot bilens utsidor. Om man däremot bara höjer bilen fram och låter länkarmarna bak vara parallella med marken, leder vinkeln på framvagnens länkarmar till att en större del av lastförskjutningen överförs genom dem när bilen kränger.
Men var noga med en sak här. Skillnaden i lastförskjutning mellan fram och bak handlar bara om hur den fördelas. Det betyder inte att bilens totala lastförskjutning ökar med motsvarande mängd.
Den totala lastförskjutningen för bilen bestäms av fyra faktorer: bilens vikt, sidoaccelerationen, tyngdpunktens höjd och spårvidden. Hur den sedan fördelas mellan fram och bak påverkas bland annat av krängstyvheten och länkarmarnas vinklar.
En liten utvikning: ibland stöter jag på påståenden som ”Om man ökar krängstyvheten fram kränger framvagnen mindre än bakvagnen, vilket gör bilen mer understyrd”.
Jag förstår att man gärna vill tala om ”krängning fram” och ”krängning bak”. Men karosskrängning är en rotation kring krängningsaxeln som förbinder krängningscentrum fram och bak (※), och krängningsvinkeln är karossens rotationsvinkel. Så länge karossen inte vrids är alltså krängningsvinkeln densamma fram och bak.
Det säger ju också något om hur viktig karossens vridstyvhet är, men det är en annan historia, så den lämnar vi här.
En bil i rörelse kränger inte bara, den nickar också, så här blir det lite mer komplicerat. Men faktum kvarstår: ”Så länge karossen inte vrids är krängningsvinkeln densamma fram och bak.” Kom ihåg det.
Det som ändras med krängstyvhet och länkarmarnas vinklar är alltså inte någon fördelning av krängningsvinkeln mellan fram och bak, utan fördelningen av lastförskjutningen.
(※ Strängt taget finns det också ett synsätt där krängning definieras som rotation kring en längsgående axel genom tyngdpunkten, parallell med marken. Att kalla linjen mellan främre och bakre krängningscentrum för krängningsaxeln är alltså inte nödvändigtvis det enda korrekta sättet. Här använder jag den vanligare beskrivningen. Det här är viktigt, så jag tänker skriva en separat artikel om det längre fram. Om ni inte alls förstår vad jag menar kan ni lugnt hoppa över den här delen.)
Förresten, varför har körhöjden och dämpkraften över huvud taget något med länkarmarnas vinklar att göra?
Jo, därför att de påverkar länkarmarnas faktiska vinklar medan bilen körs.
Ändrar man körhöjden ändras armarnas vinklar. Därför blir också vinklarna efter en viss mängd krängning annorlunda jämfört med innan man ändrade körhöjden.
Det ger i sin tur en annan fördelning av lastförskjutningen mellan fram och bak, och därmed ändras styrbalansen.
Dämpkraften påverkar hur snabbt bilen kränger och nickar, och därmed också hur bilen reagerar under övergångsförloppet.
Med låg dämpkraft ändras länkarmarnas vinklar snabbare och hinner förändras mer redan tidigt i förloppet. Med hög dämpkraft sker vinkeländringarna långsammare.
Det är till exempel därför bilen kan bli överstyrd vid kurvingång om man kör med stötdämparna bak inställda på mjukast möjliga läge.
Men när krängningen har nått sitt maximum och bilen övergår till stationär kurvtagning rör sig inte länkarmarna längre, och då har dämpkraften inte längre någon inverkan i det avseendet.
Samtidigt bidrar dämpkraften också direkt till att överföra lastförskjutningen till däcken, så dess påverkan är inte begränsad till den här funktionen.
Hur krängningscentrumets höjd ändrar balansen
Till sist tar vi (5): ”Krängningscentrumets höjd ändrar hur stor betydelse respektive faktor har.”
Det här borde egentligen förklaras med ekvationer, men för att göra texten lättare att läsa tänker jag den här gången förklara det helt utan formler.
Det innebär att vissa formuleringar oundvikligen blir lite vaga och därmed mindre exakta. Ha det i åtanke.
Vill ni veta detaljerna rekommenderar jag sidan nedan. Tyvärr är den på japanska. Jag letade efter något motsvarande på engelska men hittade inget lämpligt.
Jag ska skriva om det själv någon gång. Ni får ha lite tålamod tills dess. Haha
Vi har alltså pratat om att bilens totala lastförskjutning bestäms av fyra faktorer – vikt, sidoacceleration, tyngdpunktshöjd och spårvidd – medan fördelningen mellan fram och bak bestäms av krängstyvhet och länkarmarnas vinklar.
Om lastförskjutningen fram ökar minskar därför den sammanlagda sidkraften från framdäcken. Och om lastförskjutningen bak ökar minskar den sammanlagda sidkraften från bakdäcken.
Förresten: ju större avståndet är mellan tyngdpunkten och krängningsaxeln (krängningsmomentarmen), desto mer kränger bilen.
Omvänt minskar krängningen när krängningsmomentarmen blir kortare. Men vad skulle hända om krängningsaxeln och tyngdpunkten låg på exakt samma höjd – alltså om krängningsmomentarmen var noll?
Då skulle fjädringen inte röra sig alls i krängningsled, inte ens när bilen svänger.
Lastförskjutningen skulle ändå ske, så bilen skulle fortfarande luta något på grund av att däcken deformeras.
Det skulle vara ungefär som en bil vars hjulupphängning inte rör sig i krängningsled, eller kanske en fyrkantig låda med fyra däck på.
(Om man förresten höjer krängningsaxeln ännu mer vänds krängningsriktningen.)
Men hur fördelas lastförskjutningen mellan fram och bak i det läget?
Den blir densamma som viktfördelningen mellan fram och bak vid 1 g.
Anta till exempel att bilen har viktfördelningen 60:40 mellan fram och bak. Höjer vi krängningsaxeln tills krängningsmomentarmen är noll blir även lastförskjutningens fördelning vid kurvtagning 60:40.
Nu gör vi tvärtom och sänker krängningsaxeln.
Om vi sänker den ända ned till marknivå blir krängningsmomentarmen lika lång som tyngdpunktens höjd. Då blir lastförskjutningens fördelning mellan fram och bak densamma som fördelningen av krängstyvheten.
I det läget spelar viktfördelningen vid 1 g inte längre någon roll. Om en bil exempelvis har viktfördelningen 60:40 och krängstyvhetsfördelningen 50:50, blir lastförskjutningens fördelning 50:50 när krängningsaxeln sänks till marknivå.
(Om man sänker krängningsaxeln ytterligare vänds riktningen på det moment som överförs till karossen genom länkarmarna. Men eftersom det motverkas av krängningsmomentet som tas upp av krängstyvheten ändras inte den slutliga krängningsriktningen.)
Vad händer slutligen om krängningsaxeln ligger på halva tyngdpunktshöjden?
Då påverkas bilen lika mycket av viktfördelningen mellan fram och bak vid 1 g som av krängstyvhetens fördelning mellan fram och bak.
Höjer vi krängningsaxeln gradvis därifrån får viktfördelningen vid 1 g allt större betydelse. Sänker vi den i stället får krängstyvhetens fördelning allt större betydelse.
För att kunna förklara det här enbart med ord och ändå hålla artikeln lättläst har jag den här gången utelämnat spårviddens och andra faktorers inverkan.
Som en beskrivning av grundtendensen tycker jag att det fungerar, men om ni vill räkna mer exakt får ni vara medvetna om att resultatet kan skilja sig åt beroende på situationen.
Om ni vill fördjupa er i det här och läsa på engelska kan sidan nedan vara till hjälp. Den utgår dock i huvudsak från en enda axel (fram eller bak), så den skiljer sig lite från huvudfrågan här.
”Geometric & Elastic Weight Transfer and the Roll Centre”
Den här gången har jag alltså skrivit om mekanismerna bakom att bilens styrbalans förändras när man ändrar krängstyvhet eller körhöjd.
Man skulle kunna säga att det handlar om att finjustera hur lasten förskjuts mellan hjulen. Man kan också påverka styrbalansen med däcktryck, hjulinställning och aerodynamik. Men lastförskjutningen är en av de allra viktigaste grunderna för att förstå hur hjulupphängningen fungerar.
Jag hoppas att det kan vara till nytta på något sätt.