Mechanizmy prowadzenia
Zadania układu kierowniczego
Układ kierowniczy jest to zbiór mechanizmów, umożliwiających kierowanie pojazdem, a więc utrzymywanie stałego kierunku jazdy lub jego zmianę, zgodnie z wolą kierowcy. Kierowanie pojazdem polega na zmianie ustawienia kól kierowanych, przy czym warunkiem prawidłowego (bez poślizgów bocznych) toczenia się kół podczas jazdy po torze krzywoliniowym jest niejednakowe skręcenie koła wewnętrznego i zewnętrznego. Zależności między kątami skrętu kół kierowanych zostały omówione w rozdz. 9.
Układ kierowniczy powinien odpowiadać następującym warunkom:
zależność kinematyczna między kątami skrętu kół kierowanych powinna być możliwie bliska zależności teoretycznej;
kola skręcone powinny samoczynnie powracać do położenia odpowiadającego kierunkowi jazdy wprost oraz zapewniać utrzymywanie tego kierunku mimo działania sił bocznych niezależnych od kierowcy;
pionowe przemieszczenia 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.
W różnych samochodach warunki te spełniane są w większym lub mniejszym stopniu, zależnie od zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Różnice dotyczą poszczególnych fragmentów układu kierowniczego, większość rozwiązań charakteryzują jednak pewne wspólne cechy. Tak więc układy kierownicze samochodów działają z reguły na koła przednie, a tylko w wyjątkowych przypadkach na koła przedniej i tylnej osi. W układzie kierowniczym rozróżnia się dwie grupy elementów, tworzące mechanizmy: zwrotniczy i kierowniczy.
Mechanizm zwrotniczy to zespół dźwigni i drążków łączących koła kierowane. Zapewnia on takie połączenie kinematyczne, dzięki któremu koła pojazdu poruszającego się po torze krzywoliniowym toczą się bez poślizgu.
Mechanizm kierowniczy umożliwia skręt kół kierowanych (pod wpływem obrotu koła kierownicy) oraz, dzięki odpowiedniemu przełożeniu, dostosowuje wartości sił przyłożonych przez kierowcę do koła kie-kownicy i wartości kątów obrotu tego koła do wartości sił i kątów niezbędnych do kierowania pojazdem.
Na rys. 19.1 przedstawiono typowy układ kierowniczy wraz z belką przedniej osi. W skład mechanizmu kierowniczego wchodzą: kolo kierownicy, wal kierownicy, przekładnia kierownicza, ramią przekładni kierowniczej, drążek podłużny i ramią zwrotnicy. Mechanizm zwrotniczy tworzą: drążek poprzeczny, dźwignie zwrotnic i zwrotnice. Na czopach zwrotnic osadzone są na łożyskach koła kierowane. Poszczególne drążki i dźwignie układu kierowniczego połączone są ze sobą przegubami.
19.2 W prawidłowo działającym mechani-
Mechanizmy zwrotnicze zmie zwrotniczym powinny wystę-
pować takie zależności kinematyczne pomiędzy kątami skrętu obydwu kół kierowanych, żeby podczas jazdy po łuku o dowolnym promieniu krzywizny każde z kół samochodu mogło toczyć się bez poślizgu bocznego, tzn. po torze, którego promień krzywizny jest zawsze prostopadły do płaszczyzny koła.
W rozdziale 9 określono zależności pomiędzy kątami skrętu $z i pro zewnętrznego i wewnętrznego koła kierowanego oraz chwilowym promieniem krzywizny R, rozstawem osi / i rozstawem kół b
Wzory te wyprowadzono przy upraszczającym założeniu, że podczas skrętu koła obracają się wokół osi pionowej leżącej w płaszczyźnie symetrii koła. W rzeczywistości koła obracają się wokół sworzni zwrotnic. W dalszym ciągu przez b będziemy więc rozumieli rozstaw sworzni zwrotnic.
Odejmując od siebie odwrotności tangensów kątów i (Sw można otrzymać zależność pomiędzy kątami skrętu kół kierowanych
(19.1)
Ponieważ stosunek bl dla danego samochodu jest stały, teoretycznie można by zbudować idealny mechanizm zwrotniczy spełniający dokładnie zależność 19.1. W praktyce jest to jednak bardzo trudne do zrealizowania i wymagałoby zastosowania złożonego układu kilkunastu drążków połączonych ze sobą przegubami. Dlatego buduje się mechanizmy zwrotnicze tylko w przybliżeniu spełniające zależność 19.1. Najprostszym takim rozwiązaniem, najpowszechniej stosowanym, jest trapezowy mechanizm zwrotniczy (rys. 19.2), w którym, przy ustawieniu kół kierowanych w położeniu odpowiadającym jeździe wprost, belka osi przedniej, drążek poprzeczny i dźwignie zwrotnic tworzą trapez równoramienny. Przez odpowiedni dobór długości poszczególnych boków trapezu można uzyskać w przybliżeniu spełnienie zależności 19.1. Parametry geometryczne trapezu dobiera się doświadczalnie, a następnie sprawdza się je, wykreślając krzywą błędu mechanizmu zwrotniczego.
Można wykazać, że w prostokącie AB CD o bokach b i / (rys. 19.3) prosta KC łącząca środek odcinka AB — punkt K — z punktem C stanowi miejsce geometryczne punktów' N, odznaczających się tym, że odcinki
NA i NB łączące te punkty z wierzchołkami A i B tworzą z odcinkiem AB kąty spełniające zależność 19.1, a wiec równe fi, i $a. Wynika to stąd, że
Z podobieństwa trójkątów KMN i KBC wynika proporcja
a więc
Wynika stąd następujący wniosek: w idealnym mechanizmie zwrotniczym proste przechodzące przez sworznie zwrotnic (punkty A i B na rys. 19.3), nachylone pod kątami (3, i Pw do przedniej osi, powinny przecinać
się w punkcie N leżącym na prostej KC. Warunek ten powinien być spełniony dla każdego położenia układu zwrotniczego.
Krzywą błędu mechanizmu zwrotniczego wyznacza się wykreśl-nie (rys. 19.4). Stanowi ona zbiór punktów N przecięcia prostych przechodzących przez sworznie zwrotnic i nachylonych do przedniej osi pod kątami $2 i Kolejne punkty N znajdujemy wykreślnie, rysując układ zwrotniczy w różnych położeniach. Wyznaczona linia charakteryzuje kinematykę układu, a jej odchylenie od prostej KC określa błąd kinematyki. Przy doborze geometrycznych parametrów trapezu należy dążyć do tego, aby krzywa błędu możliwie najmniej odbiegała od prostej KC, charakteryzującej układ idealny.
W samochodach z niezależnym zawieszeniem kół dobór parametrów geometrycznych mechanizmu zwrotniczego jest trudniejszy niż w przypadku sztywnej osi przedniej, ponieważ przy ugięciu zawieszenia zmienia się odległość między końcami dźwigni zwrotnic. Aby zmniejszyć wynikające z tego nieprawidłowości kinematyczne, stosuje się bardziej złożone mechanizmy zwrotnicze (rys. 19.5), w których drążek poprzeczny jest dzielony.
Na rys. 19.6 przedstawiono przykładowo układ kierowniczy samochodu Polski Fiat 126p z mechanizmem zwrotniczym o dzielonym drążku poprzecznym.
Drążki mechanizmu zwrotniczego wykonuje się zwykle w postaci prętów lub rur o nagwintowanych końcach, na które nakręca się głowice do mocowania kulistych sworzni przegubów. Przeguby łączące drążki umożliwiają przestrzenne odchylanie się poszczególnych elementów mechanizmu zwrotniczego. Przeguby te wyposaża się w sprężyny do samoczynnego ka-
sowanła luzów spowodowanych zużywaniem się sworzni kulistych. W odróżnieniu od przegubów drążka podłużnego przeguby mechanizmu zwrotniczego wykonuje się najczęściej jako sztywne, tzn. bez elementów sprężystych umożliwiających przesuwanie się sworznia wzdłuż osi drążka. Na rys. 19.7 przedstawiono przykładowo dwa rozwiązania połączeń przegubowych stosowanych w mechanizmach zwrotniczych.