Układ kierowniczy Układ kierowniczy
Układ kierowniczy pojazdu powinien zapewniać dobrą zwrotność pojazdu, a cały pojazd powinna cechować dobra
kierowalność i stateczność ruchu.
Zwrotność Zwrotność
Przez zwrotność rozumie się zdolność do wykonywania skrętów o małym promieniu. Decydujący wpływ na zwrotność samochodu mają podstawowe wymiary samochodu: długość, szerokość, rozstaw osi, rozstaw kół, maksymalne kąty skrętu kół kierowanych.
Bardzo ważne znaczenie w manewrowaniu samochodem ma
przełożenie kinematyczne układu kierowniczego. Wyraża się ono
stosunkiem kąta obrotu koła kierownicy do kąta skrętu kół
kierowanych samochodu. Ważne jest, aby niezbyt dużym obrotem
koła kierownicy kierowca mógł uzyskać maksymalny skręt kół
kierowanych. Warunek taki prowadzi do stosowania małych
przełożeń w mechanizmie kierowniczym, co jest sprzeczne z
wymaganiem użycia małej siły koniecznej do obracania kołem
kierownicy.
Zwrotność – toczenie się kół bez poślizgu Zwrotność – toczenie się kół bez poślizgu
Aby przy jeździe po łuku koła samochodu mogły się toczyć bez poślizgów bocznych, powinien być spełniony warunek
przecinania się osi wszystkich kół w
jednym punkcie. W przypadku pojazdu z kierowanymi kołami osi przedniej oznacza to w praktyce, że kąt skrętu koła
wewnętrznego
Wmusi być większy od kąta skrętu koła zewnętrznego
Z. Między tymi kątami powinna zachodzić
następująca zależność:
Kierowalność Kierowalność
Terminem kierowalność określa się zdolność samochodu do szybkiego i precyzyjnego reagowania na ruchy kierownicy.
Wynika z tego, że kierowalność samochodu wiąże się ściśle z zagadnieniem zwrotności i stateczności i jest od nich uzależniona.
Do najważniejszych czynników, decydujących o kierowalności samochodu, należą:
- rozkład sił bezwładności działających na samochód przy jeździe po torze krzywoliniowym oraz oddziaływanie tych sił na koła kierowane;
- rozkład masy samochodu;
- kinematyka zawieszeń kół kierowanych;
- kinematyka mechanizmu zwrotniczego;
- powiązanie kinematyczne układu kierowniczego z elementami prowadzącymi zawieszenia;
- stopień odwracalności przekładni kierowniczej;
- charakterystyka opon i ich przyczepność do nawierzchni drogi;
- stabilizacja kół kierowanych.
Kierowalność samochodu ocenia się według:
- szybkość reakcji samochodu na ruchy koła kierownicy;
- stopnia ułatwienia czynności kierowania samochodem;
- liczby obrotów koła kierownicy, potrzebnych do pełnego skrętu kół kierowanych od jednego skrajnego położenia do drugiego;
- łatwość utrzymania samochodu na zewnętrznym torze, zwłaszcza przy wzroście prędkości jazdy.
Stateczność Stateczność
Stateczność rozumiana jest jako zdolność zachowania przez samochód zadanego kierunku ruchu mimo działania impulsów zakłócających oraz szybkość wygaszania drgań procesu przejściowego, wywołanego zmianą kąta skrętu kół.
Samochód o dobrej stateczności poddany krótkotrwałemu
impulsowi, np. uderzeniu kół o nierówności drogi lub podmuchowi
bocznego wiatru, spychającemu go z zamierzonego toru,
samoczynnie dąży do poprzedniego stanu ruchu.
Nadsterowność i podsterowność Nadsterowność i podsterowność
Pojęcie nadsterowności i podsterowności odnosi się do wzajemnej relacji kątów znoszenia opon kół przednich i tylnych, tzn. samochód jest podsterowny, jeśli kąty znoszenia przednich opon są większe niż tylnych. W takim przypadku, chcąc aby pojazd poruszał się po łuku o zadanym promieniu, należy kierownicę obrócić o większy kąt niż wynikałoby to z kształtu toru jazdy. Większe kąty znoszenia opon kół tylnych oznaczają, że pojazd jest nadsterowny i kierownica musi być obracana o mniejszy kąt niż to wynika z promienia skrętu.
Przy projektowaniu samochodu należy dążyć do tego, aby
samochód był lekko podsterowny, gdyż zwiększa to bezpieczeństwo
ruchu. Podsterowna (w pewnych granicach) charakterystyka
polepsza stateczność ruchu pojazdu przy jeździe na wprost i czyni
go mniej czułym na boczny wiatr.
Wymagania stawiane układom kierowniczym Wymagania stawiane układom kierowniczym
Zadaniem układu kierowniczego jest zachowanie możliwie jednoznacznej zależności między kątem obrotu koła kierownicy, a kątem skrętu kół oraz przekazywanie za pośrednictwem koła kierownicy zwrotnej informacji o stanie ruchu pojazdu. Układ kierowniczy powinien odpowiadać następującym warunkom:
• zależność kinematyczna między kątami skrętu kół kierowanych powinna być możliwie bliska zależności teoretycznej;
• koła skręcone powinny samoczynnie powracać do położenia odpowiadającego kierunkowi jazdy na wprost oraz zapewniać utrzymywanie tego kierunku mimo działania sił bocznych
niezależnych od kierowcy;
• pionowe przemieszczanie kół kierowanych wywołane
nierównościami drogi nie powinny powodować zmiany kierunku jazdy;
• kierowanie pojazdem powinno być łatwe i skuteczne, z użyciem możliwie małych sił na kole kierowniczym;
• uderzenia wywołane nierównościami nawierzchni nie powinny
być odczuwalne na kole kierowniczym.
Wymagania stawiane układom kierowniczym Wymagania stawiane układom kierowniczym
Przyjęto, że nowoczesny układ kierowniczy musi spełniać następujące parametry:
- maksymalna siła przykładana do obwodu kierownicy, potrzebna do przekręcenia kół kierowanych gdy samochód stoi, nie może przekraczać 300N;
- reakcja kół na ruch kierownicy nie może być dłuższa niż 0,05s;
- zmiana położenia kół kierowanych z jednego skrajnego położenia w drugie nie może wymagać więcej niż czterech obrotów koła kierownicy.
W najnowszych konstrukcjach układów kierowniczych są instalowane progresywne układy wspomagające. Ich działanie jest odwrotnie proporcjonalne do prędkości jazdy samochodu:
największą wydajność układ zapewnia na postoju i przy małych
prędkościach. Taki układ zabezpiecza kierowcę przed
przypadkowym (obsunięcie ręki z kierownicy, prowadzenie
samochodu jedną ręką itp.) manewrem przy szybkiej jeździe.
Klasyfikacja układów kierowniczych Klasyfikacja układów kierowniczych
U k ła d y k ie r o w n ic z e
w s a m o c h o d a c h z z a w ie s z e n ie m z a le ż n y m
U k ła d y k ie r o w n ic z e
w s a m o c h o d a c h z z a w ie s z e n ie m n ie z a le ż n y m U K Ł A D Y K I E R O W N I C Z E
Budowa układu kierowniczego Budowa układu kierowniczego
Układ kierowniczy składa się z dwóch mechanizmów:
- mechanizmu zwrotniczego, - mechanizmu kierowniczego.
Rys. Podstawowe elementy układu Rys. Podstawowe elementy układu
kierowniczego kierowniczego:: 1 - ramię zwrotnicy, 1 - ramię zwrotnicy, 2 - dźwignie zwrotnic, 2 - dźwignie zwrotnic, 3 - drążek poprzeczny, 3 - drążek poprzeczny, 4 - drążek podłużny, 4 - drążek podłużny,
5 - przekładnia kierownicza, 5 - przekładnia kierownicza,
6 - ramię przekładni kierowniczej, 7 6 - ramię przekładni kierowniczej, 7 - wał kierownicy,
- wał kierownicy, 8 - koło kierownicy, 8 - koło kierownicy, 9 -zwrotnica,
9 -zwrotnica,
10 - czopy zwrotnic, 10 - czopy zwrotnic, 11 - belka osi przedniej 11 - belka osi przedniej
Mechanizmy zwrotnicze Mechanizmy zwrotnicze
Podstawowymi elementami wchodzącymi w skład mechanizmu zwrotniczego są:
- zwrotnice kół;
- drążki poprzeczne;
- drążki podłużne;
- przeguby łączące drążki.
Mechanizmy zwrotnicze przy zawieszeniu niezależnym
Mechanizmy zwrotnicze przy zawieszeniu niezależnym
Mechanizmy zwrotnicze przy zawieszeniu niezależnym Mechanizmy zwrotnicze przy zawieszeniu niezależnym
W przypadku przekładni kierowniczych dających na wyjściu ruch obrotowy (przekładnia śrubowo-kulkowa, wykorzystywana
w Mercedesie klasy C, SL, CLK, SLK), trapez mechanizmu zwrotniczego może się znajdować przed lub za osią kół i może być współbieżny lub przeciwbieżny.
a)a)
b)b)
Rys. Schemat kinematyczny mechanizmu zwrotniczego z przekładnią śrubowo-kulową Rys. Schemat kinematyczny mechanizmu zwrotniczego z przekładnią śrubowo-kulową a)a) przeciwbieżny trapez mechanizmu zwrotnioczegoprzeciwbieżny trapez mechanizmu zwrotnioczego
b)b) współbieżny trapez mechanizmu zwrotniczegowspółbieżny trapez mechanizmu zwrotniczego
Budowa końcówek drążków kierowniczych Budowa końcówek drążków kierowniczych
Typowa końcówka drążka składa się z obudowy 4, w której segmenty gniazda kulistego 2 obejmują sworzeń kulowy 1, osadzony nieruchomo w części współpracującej z drążkiem (np. w dźwigni zwrotnicy).
Sprężyna 3 służy do kasowania luzu. Gniazdo kuliste jest napełnione smarem stałym.
Rys. Przykłady konstrukcji końcówek drążków kierowniczych:
Rys. Przykłady konstrukcji końcówek drążków kierowniczych:
a) nierozbieralna, b) rozbieralna,
a) nierozbieralna, b) rozbieralna, 11- sworzeń kulowy, 2 - segmenty gniazda - sworzeń kulowy, 2 - segmenty gniazda kulistego, 3 - sprężyna, 4 -obudowa
kulistego, 3 - sprężyna, 4 -obudowa
Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego
Samoczynne powracanie skręconych kół do położenia odpowiadającego jeździe wprost, czyli tzw. skłonność samochodu do wychodzenia z zakrętu oraz utrzymywanie przez samochód kierunku jazdy na wprost, pomimo działania niewielkich sił bocznych uzyskuje się przez odpowiednie pochylenie kół oraz osi zwrotnic. Prawidłowe ustawienie kół wpływa korzystnie na stateczność kierunkową samochodu i ułatwia prowadzenie go, a nieprawidłowe - nie tylko utrudnia kierowanie samochodem, lecz może być także przyczyną szybkiego zużywania się opon.
Ustawienie kół kierowanych określają następujące wielkości geometryczne:
- kąt wyprzedzenia osi zwrotnicy ; - kąt pochylenia osi zwrotnicy ; - kąt pochylenia koła ;
- zbieżność kół.
Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego - opis Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego - opis
Kąt wyprzedzenia osi zwrotnicy to kąt jaki tworzy z pionem oś zwrotnicy, mierzony w rzucie na płaszczyznę pionową, równoległą do podłużnej płaszczyzny symetrii samochodu. Ustawienie osi zwrotnicy pod kątem sprawia, że punkt A przecięcia osi zwrotnicy z płaszczyzną jezdni wyprzedza teoretyczny punkt B styku ogumienia z jezdnią.
Kąt wyprzedzenia osi zwrotnicy (osi zataczania zwrotnicy) jest dodatni, jeśli górna część skierowana jest do tyłu.
Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego - opis Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego - opis
Kąt pochylenia osi zwrotnicy to kąt, jaki tworzy z pionem oś zwrotnicy (mierzony w rzucie na płaszczyznę pionową, prostopadłą do podłużnej płaszczyzny symetrii samochodu).
Kąt pochylenia koła to kąt między płaszczyzną koła i płaszczyzną pionową, równoległą do podłużnej płaszczyzny symetrii samochodu, mierzony, gdy koła są ustawione symetrycznie do osi podłużnej samochodu.
Zbieżność kół to różnica (b1-b2) między rozstawem kół kierowanych mierzonym z tyłu i z przodu, w płaszczyźnie równoległej do jezdni i przechodzącej przez środki kół ustawionych symetrycznie względem podłużnej osi samochodu.
Promień zataczania Promień zataczania
Kąty pochylenia osi zwrotnicy i pochylenia koła umożliwiają dobranie najkorzystniejszej odległości między punktami 1 i 2. Odległość ta zwana promieniem zataczania, powinna wynosić kilka do kilkunastu milimetrów.
Jeżeli oś zwrotnicy przebija podłoże po „wewnętrznej" stronie płaszczyzny symetrii koła (A), mamy do czynienia z dodatnim promieniem zataczania zwrotnicy (przy skręcaniu kół). Przeciwnie gdy przebija on płaszczyznę podłoża po „zewnętrznej"
stronie od płaszczyzny symetrii koła (B), ów promień zataczania jest ujemny.
Promień zataczania zwrotnicy.
Promień zataczania zwrotnicy.
A - dodatni, B - ujemny.
A - dodatni, B - ujemny.
Symbole: r - promień zataczania, Symbole: r - promień zataczania,
1 — punkt przebicia płaszczyzny podłoża przez 1 — punkt przebicia płaszczyzny podłoża przez płaszczyznę symetrii koła (w rzucie podłużnym), płaszczyznę symetrii koła (w rzucie podłużnym), 2 - punkt przebicia płaszczyzny podłoża przez oś 2 - punkt przebicia płaszczyzny podłoża przez oś sworznia zwrotnicy,
sworznia zwrotnicy,
3 - płaszczyzna symetrii koła, 3 - płaszczyzna symetrii koła, 4 - oś sworznia zwrotnicy 4 - oś sworznia zwrotnicy
Mechanizm kierowniczy Mechanizm kierowniczy
Mechanizm kierowniczy w klasycznym układzie składa się z następujących podstawowych elementów:
- koła kierownicy;
- wału kierownicy z osłaniającą go kolumną;
- przekładni kierowniczej wraz z wałkiem poprzecznym;
- ramienia kierowniczego;
- mechanizmu wspomagania.
Mechanizm kierowniczy służy do przekazania obrotowego ruchu koła kierownicy na zwrotnice w celu skręcania kół kierowanych. Obrót koła kierownicy powoduje odchylenie o pewien kąt ramienia przekładni kierownicy i przesunięcie związanego z nim drążka podłużnego. Drążek ten drugim końcem jest połączony z ramieniem zwrotnicy tak, że jego przesunięcie powoduje obrócenie koła wokół osi sworznia zwrotnicy.
1. Przekładnie kierownicze
Przekładnia kierownicza jest jednym z podstawowych elementów układu kierowniczego. Jej zadaniem jest przekazanie ruchu obrotowego koła kierownicy na mechanizm zwrotniczy w taki sposób, aby uzyskać odpowiedni ruch kątowy zwrotnic kół oraz zwiększenie momentu doprowadzanego do zwrotnic.
Przełożeniem kinematycznym ik przekładni kierowniczej nazywamy stosunek kąta obrotu k koła kierowniczego do kąta obrotu w wałka, na którym jest osadzone ramię przekładni kierowniczej.
Przekładnia zębatkowa Przekładnia zębatkowa
Rys. Przekładnia zębatkowa z zębatką stanowiącą Rys. Przekładnia zębatkowa z zębatką stanowiącą
część drążka poprzecznego:
część drążka poprzecznego: 11 - zębnik, - zębnik, 2 - zębatka, 3 - wał kierownicy.
2 - zębatka, 3 - wał kierownicy.
Rys. Trzy typy zębatkowej przekładni Rys. Trzy typy zębatkowej przekładni kierowniczej najczęściej stosowane kierowniczej najczęściej stosowane
w samochodach osobowych z kierownicą w samochodach osobowych z kierownicą umieszczaną po lewej stronie.
umieszczaną po lewej stronie.
Przekładnia śrubowo-kulowa Przekładnia śrubowo-kulowa
Rys. Przekładnia śrubowo-kulkowa.
Rys. Przekładnia śrubowo-kulkowa. 11- wał kierownicy, - wał kierownicy, 2 - śruba, 3 - nakrętka. 4 -wycinek zębaty, 5 - wał 2 - śruba, 3 - nakrętka. 4 -wycinek zębaty, 5 - wał główny
główny ..
Wał wejściowy przekładni 1 ma nacięty gwint o zarysie kołowym, w którym przetaczają się kulki, powodujące podczas obrotu koła kierownicy przesuwanie się nakrętki 3. Kulki, które (w zależności od kierunku obrotu) z jednego lub drugiego końca opuszczają gwint, prowadzone są przez rurkę. Nakrętka 3 jest z jednej strony zaopatrzona w zębatkę, zazębiającą się z wycinkiem zębatym 4 wału wyjściowego 5. Dzięki czemu ruch posuwisty nakrętki 3 powoduje obrót wału 5, do którego przymocowane jest ramię przekładni kierowniczej.
Kolumna kierownicy Kolumna kierownicy
Rys. Bezpieczny wał kierownicy i ukształtowane w formie Rys. Bezpieczny wał kierownicy i ukształtowane w formie
dzwonu koło kierownicy firmy Mercedes-Benz. Wał dzwonu koło kierownicy firmy Mercedes-Benz. Wał jest połączony ze śrubowo-kulkową przekładnią jest połączony ze śrubowo-kulkową przekładnią kierowniczą za pomocą sprzęgła podatnego. Na kierowniczą za pomocą sprzęgła podatnego. Na
dolnym rysunku pokazano wygięcie falistego odcinka dolnym rysunku pokazano wygięcie falistego odcinka wału wskutek zderzenia czołowego
wału wskutek zderzenia czołowego
Kolumna kierownicy składa się z mocowanej do nadwozia obudowy wału kierownicy. Wał
łożyskowany jest tylko u góry (lub u góry i u dołu) i przenosi
moment od koła kierownicy do przekładni kierowniczej.
Do kompensacji małych odchyleń kątowych służy sprzęgło podatne (10 na rys). Izoluje ono
jednocześnie koło kierownicy od uderzeń w układzie kierowniczym i tłumi drgania pochodzące z
hydraulicznego układu wspomagania.
Urządzenia wspomagające w układzie kierowniczym Urządzenia wspomagające w układzie kierowniczym
Zwiększone wymagania dotyczące bezpieczeństwa jazdy i komfortu pracy kierowcy jak też konieczność sprostania wymaganiom norm określających wartości dopuszczalnych sił na kole kierowniczym powodują, że układy kierownicze ze wspomaganiem są powszechnie stosowane we wszystkich pojazdach samochodowych.
Można sformułować następujące wymagania, które powinny być spełnione przez współczesne mechanizmy wspomagające układy kierownicze:
- możliwość łatwego manewrowania podczas ruchu pojazdu z niewielką prędkością przy dużych kątach skrętu kół kierowanych;
- samopowracalność do kierunku jazdy na wprost w szerokim przedziale prędkości i kątów obrotu kierownicy;
- tłumienie wstrząsów spowodowanych uderzeniami kół o nierówności drogi przy jednoczesnym zachowaniu możliwości przekazywania kierowcy informacji o stanie ruchu pojazdu, kącie skrętu kół i rodzaju nawierzchni;
- zachowanie możliwości sterowania pojazdem w przypadku uszkodzenia układu wspomagającego;
- przełożenie kinematyczne nie powinno być zbyt duże, aby zapewnić możliwość szybkiego wykonania manewru skręcania. Pełny skręt kół kierowanych powinien wystąpić przy maksimum 2 obrotach kierownicy;
- możliwość dopasowania charakterystyk i parametrów elementów sterujących i wykonawczych do różnych rodzajów lub odmian pojazdów;
- wysoka niezawodność działania, duża trwałości, niewielka masa.
Układy konstrukcyjne mechanizmów wspomagających Układy konstrukcyjne mechanizmów wspomagających
Każdy mechanizm wspomagający składa się z następujących elementów:
- źródła energii;
- urządzenia sterującego;
- członu wykonawczego, siłownika.
Biorąc pod uwagę to wymaganie można mechanizmy wspomagające podzielić na:- zespolone z mechanizmem kierowniczym, umieszczone we wspólnej obudowie;
- zwarte, w których urządzenie sterujące jest zespolone z mechanizmem kierowniczym, natomiast siłownik stanowi oddzielny zespół;
- niezależne, w którym wszystkie elementy mechanizmu wspomagającego umieszczane są poza mechanizmem kierowniczym.
Rys. Schematy rozmieszczenia mechanizmów wspomagających,
Rys. Schematy rozmieszczenia mechanizmów wspomagających, 1 - koło kierownicy, 1 - koło kierownicy, 2 - układ sterujący, 3 - przekładnia kierownicza, 4 - siłownik, 5 - drążek podłużny 2 - układ sterujący, 3 - przekładnia kierownicza, 4 - siłownik, 5 - drążek podłużny
Układy konstrukcyjne mechanizmów wspomagających Układy konstrukcyjne mechanizmów wspomagających
Ze względu na źródło energii mechanizmy wspomagające można podzielić na następujące grupy:
- mechaniczne;
- elektromagnetyczne;
- hydrauliczne;
- pneumatyczne;
- mieszane, np. pneumatyczno-hydrauliczne, elektro-hydrauliczne.
Wadą mechanicznych mechanizmów wspomagających jest duża złożoność konstrukcji.
Elektromagnetyczne mechanizmy wspomagające budowane przy wykorzystaniu silnika elektrycznego sterowanego impulsowo. Stosowane w samochodach osobowych.
Pneumatyczne mechanizmy wspomagające rozpowszechniły się w latach pięćdziesiątych w pojazdach wyposażonych w pneumatyczne mechanizmy uruchamiające hamulce. Jednak ze względu na duże wymiary, gorsze tłumienie uderzeń kół kierowanych, długie stałe czasowe zadziałania i hałaśliwość, ich znaczenie jest znacznie mniejsze niż hydraulicznych układów wspomagających, które znalazły powszechne zastosowanie we wszystkich rodzajach pojazdów.
Elektro-hydrauliczne mechanizmy wspomagające są nową propozycją rozwiązania.
Zębatkowy mechanizm kierowniczy ze wspomaganiem Zębatkowy mechanizm kierowniczy ze wspomaganiem
Rys. Układ kierowniczy ze wspomaganiem samochodu Opel Yectra.
Rys. Układ kierowniczy ze wspomaganiem samochodu Opel Yectra. 1-1- pompa łopatkowa napędzana pompa łopatkowa napędzana od silnika, 2 - przewód wysokiego ciśnienia prowadzący od pompy do zaworu sterującego,
od silnika, 2 - przewód wysokiego ciśnienia prowadzący od pompy do zaworu sterującego, 3 - uchwyty przewodów tłumiące drgania, 4 - zbiornik oleju z dokładnym filtrem, 5 - przewód 3 - uchwyty przewodów tłumiące drgania, 4 - zbiornik oleju z dokładnym filtrem, 5 - przewód powrotny prowadzący od zaworu sterującego do zbiornika, 6 - przewód dolotowy prowadzący od powrotny prowadzący od zaworu sterującego do zbiornika, 6 - przewód dolotowy prowadzący od zbiornika do pompy, 7 - pasek klinowy, 8 - koło pasowe silnika, 9 - przekładnia kierownicza zbiornika do pompy, 7 - pasek klinowy, 8 - koło pasowe silnika, 9 - przekładnia kierownicza mocowana do przegrody czołowej pojazdu, 10 - obrotowy zawór sterujący, 11 i 12 - przewody mocowana do przegrody czołowej pojazdu, 10 - obrotowy zawór sterujący, 11 i 12 - przewody
prowadzące do lewego i prawego cylindra siłownika, 13 - siłownik hydrauliczny, 14 i 15 - uchwyty prowadzące do lewego i prawego cylindra siłownika, 13 - siłownik hydrauliczny, 14 i 15 - uchwyty do mocowania przekładni kierowniczej, 16 - uszczelnienie przegrody czołowej
do mocowania przekładni kierowniczej, 16 - uszczelnienie przegrody czołowej
