Projekt okładki i wnętrza książki: Dariusz Litwiniec Zdjęcie na okładkę: Daimler Redaktor merytoryczny: Jacek Łęgiewicz Opracowanie językowe: Barbara Głuch Redaktor techniczny: Ewa Kęsicka Korekta: Zespół Jeśli nie zaznaczono inaczej, autorem zdjęć jest Marek Gabryelewicz Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do spraw oświaty i wychowania oraz wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do kształcenia w zawodach na podstawie opinii rzeczoznawców: dr. Krzysztofa Koca, mgr. inż. Andrzeja Łazińskiego, mgr. inż. Edwarda Rymaszewskiego. Typy szkół: technikum i szkoła policealna, zasadnicza szkoła zawodowa Zawody: technik pojazdów samochodowych, mechanik pojazdów samochodowych Kwalifikacja: M.18. Diagnozowanie i naprawa podzespołów i zespołów pojazdów samochodowych Rok dopuszczenia: 2015 629.11.011 (075) Bogato ilustrowany podręcznik poświęcony podstawom budowy, diagnozowania i naprawy podwozi oraz nadwozi pojazdów samochodowych. Przedstawiono w nim zagadnienia dotyczące klasyfikacji, identyfikacji i podstawowych własności trakcyjnych pojazdów samochodowych, podstaw ich eksploatacji, obsługi i naprawy, budowy, diagnozowania i naprawy układów przeniesienia napędu, hamulcowego, kierowniczego i jezdnego. Opisano także ramy i nadwozia pojazdów samochodowych, przyczepy i naczepy, motocykle oraz najważniejsze układy bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Materiał nauczania zilustrowano przykładami nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych oraz schematami blokowymi obrazującymi tok postępowania podczas oceny stanu technicznego i poszukiwania przyczyn niesprawności pojazdu. Na końcu każdego rozdziału zamieszczono ćwiczenia i testy kontrolne (z prawidłowymi odpowiedziami na końcu książki), umożliwiające sprawdzenie stopnia opanowania podanych wiadomości. Copyright by Wydawnictwa Komunikacji i Łączności spółka z o.o., Warszawa 2015 ISBN 978-83-206-1930-0 Podręcznik szkolny dotowany przez Ministra Edukacji Narodowej Znaki handlowe oraz nazwy firm i produktów zaprezentowane lub wymienione w książce należą do ich właścicieli i zostały użyte tylko w celach informacyjnych lub ilustracyjnych. Utwór ani w całości, ani we fragmentach nie może być skanowany, kserowany, powielany bądź rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym także nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności sp. z o.o. ul. Kazimierzowska 52, 02-546 Warszawa tel. 22-849-27-51, fax 22-849-23-22 Dział Handlowy tel./fax 22-849-23-45 tel. 22-849-27-51 w. 555 Prowadzimy sprzedaż wysyłkową książek Księgarnia firmowa w siedzibie wydawnictwa tel. 22-849-20-32, czynna pon. pt. w godz. 10.00 18.00 e-mail: wkl@wkl.com.pl Pełna oferta WKŁ w INTERNECIE http://www.wkl.com.pl Wydanie 1. Warszawa 2015 Objętość: 45 ark. wyd. Nakład 1500 egz.
Słowo wstępne... 7 1 Klasyfikacja, identyfikacja i własności trakcyjne pojazdów samochodowych... 9 1.1 Podstawowe definicje i podział pojazdów samochodowych... 9 1.2 Zadania i ogólna budowa układów konstrukcyjnych podwozia... 15 1.3 Identyfikacja pojazdów tabliczki znamionowe i numer VIN... 18 1.4 Charakterystyka techniczna pojazdów samochodowych... 23 1.5 Własności trakcyjne pojazdów samochodowych.............................. 26 1.5.1 Obciążenia statyczne i dynamiczne pojazdu... 26 1.5.2 Siły działające na pojazd podczas hamowania... 34 1.5.3 Siły działające na pojazd poruszający się po łuku... 35 1.6 Sprawdzenie wiadomości... 37 2 Podstawy eksploatacji, obsługi i naprawy pojazdów samochodowych... 40 2.1 Wymagania eksploatacyjne stawiane pojazdom samochodowym... 40 2.2 Ogólne wiadomości o procesie zużywania się pojazdów i ich elementów... 44 2.2.1 Rodzaje tarcia... 44 2.2.2 Smarowanie elementów współpracujących... 45 2.2.3 Rodzaje i przebieg zużywania się części... 48 2.3 Czynniki wpływające na stan techniczny i trwałość pojazdu.................... 53 2.4 Obsługa techniczna... 54 2.4.1 Cel technicznej obsługi okresowej... 55 2.4.2 Podstawowe zasady obowiązujące podczas wykonywania obsługi i napraw pojazdów... 57 2.4.3 Zakres czynności obsługowych... 60 2.4.4 Zagrożenia dla środowiska związane z obsługą, naprawą i użytkowaniem pojazdu 64 2.5 Badania diagnostyczne... 67 2.5.1 Podstawowe pojęcia diagnostyki technicznej... 67 2.5.2 Metody rozpoznawania i oceny stanu technicznego pojazdu i jego zespołów...... 69 2.5.3 Zakres badań diagnostycznych pojazdów... 75 2.6 Naprawy zespołów i części pojazdów... 77 2.6.1 Mycie pojazdów, ich zespołów i części... 78 2.6.2 Demontaż i montaż... 79 2.6.3 Narzędzia i przyrządy stosowane podczas demontażu i montażu... 81 2.6.4 Metody weryfikacji części... 87 2.6.5 Metody naprawy i regeneracji części... 88 2.7 Sprawdzenie wiadomości... 93 3 Układ przeniesienia napędu... 96 3.1 Źródła napędu pojazdów samochodowych i ich charakterystyka... 96 3.2 Rodzaje układów przeniesienia napędu... 98
4 3.3 Sprzęgła samochodowe... 105 3.3.1 Zadania i rodzaje sprzęgieł... 106 3.3.2 Sprzęgła cierne tarczowe... 109 3.3.3 Obsługa i naprawa sprzęgieł... 125 3.4 Skrzynki biegów... 136 3.4.1 Zadania, rodzaje i zasada działania skrzynek biegów... 137 3.4.2 Mechaniczne stopniowe skrzynki biegów o osiach stałych, stosowane w samochodach osobowych... 142 3.4.3 Mechaniczne stopniowe skrzynki biegów o osiach stałych, stosowane w samochodach ciężarowych... 168 3.4.4 Obsługa i naprawa mechanicznych skrzynek biegów... 172 3.4.5 Hydromechaniczne, stopniowe, automatyczne skrzynki biegów o osiach obracających się... 181 3.4.6 Mechaniczne, bezstopniowe, sterowane automatycznie skrzynki biegów... 209 3.4.7 Hydromechaniczne, stopniowe skrzynki biegów o osiach stałych, stosowane w pojazdach specjalnych... 212 3.4.8 Obsługa i naprawa automatycznych skrzynek biegów... 213 3.5 Wały napędowe i przeguby... 226 3.5.1 Budowa i zadania wałów napędowych... 226 3.5.2 Rodzaje i zadania przegubów... 229 3.5.3 Obsługa i naprawa wałów napędowych oraz przegubów... 233 3.6 Przekładnie główne i mechanizmy różnicowe... 238 3.6.1 Budowa i zadania przekładni głównej... 239 3.6.2 Budowa i zadania mechanizmu różnicowego... 250 3.6.3 Budowa i zadania obudowy mostu napędowego... 257 3.6.4 Obsługa i naprawa przekładni głównej, mechanizmu różnicowego oraz mostu napędowego... 259 3.7 Półosie i piasty kół napędowych... 267 3.7.1 Budowa i zadania półosi i piast kół... 267 3.7.2 Obsługa i naprawa półosi i piast kół... 275 3.8 Napęd na więcej niż jedną oś... 278 3.8.1 Napęd na wszystkie koła w samochodach osobowych... 279 3.8.2 Napęd na więcej niż jedną oś w samochodach ciężarowych... 293 3.8.3 Obsługa i naprawa skrzynek rozdzielczych... 295 3.9 Materiały eksploatacyjne stosowane w układach przeniesienia napędu... 295 3.10 Sprawdzenie wiadomości... 299 4 Układ hamulcowy... 310 4.1 Wiadomości wstępne... 310 4.2 Rodzaje układów hamulcowych... 312 4.3 Ogólna budowa i zasada działania układu hamulcowego... 314 4.4 Hamulce bębnowe... 318 4.5 Hamulce tarczowe... 330 4.6 Hamulce taśmowe... 340 4.7 Mechanizmy uruchamiające hamulce... 340 4.7.1 Mechanizm hydraulicznego uruchamiania hamulca zasadniczego... 341 4.7.2 Mechanizm elektrohydraulicznego (EHB) i elektro mechanicznego (EMB) uruchamiania hamulców... 356 4.7.3 Mechanizm pneumatycznego uruchamiania hamul ców w samochodach ciężarowych i autobusach... 358
5 4.7.4 Hydropneumatyczny mechanizm uruchamiający hamulce... 361 4.7.5 Elektropneumatyczne mechanizmy uruchamiające hamulce... 362 4.7.6 Mechanizmy uruchamiające hamulec postojowy... 364 4.8 Układy rozdzielające siły hamowania... 370 4.9 Układy zapobiegające blokowaniu kół samochodu... 373 4.10 Hamulce ciągłego działania... 380 4.11 Badania kontrolne układu hamulcowego... 384 4.11.1 Badania diagnostyczne układu hamulcowego sterowanego hydraulicznie... 385 4.11.2 Badania diagnostyczne układu hamulcowego sterowanego pneumatycznie... 395 4.12 Obsługa i naprawa układu hamulcowego... 399 4.13 Materiały konstrukcyjne i eksploatacyjne stosowane w układach hamulcowych... 424 4.14 Sprawdzenie wiadomości... 426 5 Układ kierowniczy... 433 5.1 Wiadomości wstępne... 433 5.2 Stateczność ruchu samochodu... 434 5.3 Rodzaje układów kierowniczych... 437 5.4 Budowa układu kierowniczego... 438 5.4.1 Mechanizm kierowniczy... 439 5.4.2 Mechanizm zwrotniczy... 455 5.4.3 Mechanizmy wspomagania układu kierowniczego... 465 5.5 Parametry diagnostyczne określające ustawienie kół i osi pojazdu... 471 5.5.1 Zbieżność kół... 472 5.5.2 Kąt pochylenia koła... 475 5.5.3 Kąt pochylenia osi sworznia (obrotu) zwrotnicy... 478 5.5.4 Kąt wyprzedzenia osi sworznia (obrotu) zwrotnicy... 481 5.5.5 Kąty skrętu kół kierowanych (kontrolne i maksymalne)... 483 5.5.6 Ustawienie osi pojazdu... 484 5.5.7 Sumaryczny luz układu kierowniczego... 487 5.5.8 Opory skrętu kół kierowanych... 487 5.6 Specjalne układy kierownicze... 488 5.7 Aktywne układy kierownicze... 490 5.8 Obsługa i naprawa układu kierowniczego... 493 5.9 Materiały konstrukcyjne i eksploatacyjne stosowane w układach kierowniczych.. 528 5.10 Sprawdzenie wiadomości... 530 6 Układ jezdny... 534 6.1 Drgania pojazdu oraz ich wpływ na komfort i bezpieczeństwo jazdy... 534 6.2 Układ zawieszenia... 539 6.2.1 Rodzaje zawieszeń pojazdów... 540 6.2.2 Zawieszenia ze stalowymi elementami sprężystymi... 553 6.2.3 Zawieszenia z elementami sprężystymi z gumy i tworzyw sztucznych... 582 6.2.4 Zawieszenia hydroelastyczne... 583 6.2.5 Zawieszenia z pneumatycznymi elementami sprężystymi... 584 6.2.6 Zawieszenia hydropneumatyczne... 599 6.2.7 Aktywne zawieszenia elektromagnetyczne... 607 6.2.8 Zawieszenia półaktywne z regulacją tłumienia... 608 6.2.9 Obsługa i naprawa układu zawieszenia... 610 6.3 Koła.................................................................... 624 6.3.1 Budowa i rodzaje ogumienia... 625
6 6.3.2 Oznaczenia opon... 638 6.3.3 Wymagania w stosunku do ogumienia... 642 6.3.4 Obręcze... 650 6.3.5 Układ kontroli ciśnienia i centralnego pompowania kół... 655 6.3.6 Obsługa i naprawa kół... 657 6.4 Materiały konstrukcyjne i eksploatacyjne stosowane w układzie jezdnym... 673 6.5 Sprawdzenie wiadomości... 676 7 Ramy... 680 7.1 Budowa i zadania ram... 680 7.2 Sprawdzanie i naprawa ram... 686 7.3 Sprawdzenie wiadomości... 689 8 Nadwozia pojazdów samochodowych... 690 8.1 Wiadomości wstępne... 690 8.2 Nadwozia samochodów osobowych i pochodnych... 691 8.2.1 Podział nadwozi... 691 8.2.2 Budowa nadwozi... 700 8.3 Nadwozia autobusów... 700 8.3.1 Podział nadwozi autobusów... 700 8.3.2 Budowa nadwozi autobusów... 704 8.4 Nadwozia samochodów ciężarowych... 705 8.4.1 Kabiny... 705 8.4.2 Nadwozia użytkowe uniwersalne... 717 8.4.3 Nadwozia użytkowe specjalizowane... 719 8.4.4 Nadwozia użytkowe wymienne... 722 8.5 Nadwozia samochodów ciężarowych specjalnych... 724 8.6 Sprawdzanie, naprawa i konserwacja nadwozi... 725 8.7 Materiały konstrukcyjne i eksploatacyjne stosowane w nadwoziach... 733 8.8 Sprawdzenie wiadomości... 735 9 Przyczepy i naczepy... 736 9.1 Przyczepy... 736 9.2 Naczepy... 742 9.3 Sprawdzenie wiadomości... 744 10 Motocykle... 746 10.1 Rodzaje motocykli... 746 10.2 Ogólna budowa motocykla... 750 10.3 Obsługa i naprawa motocykla... 764 10.4 Sprawdzenie wiadomości... 766 11 Układy bezpieczeństwa i komfortu jazdy... 768 11.1 Układy bezpieczeństwa czynnego i komfortu jazdy... 768 11.2 Układy bezpieczeństwa biernego... 791 11.3 Diagnostyka, obsługa i naprawa układów bezpieczeństwa i komfortu jazdy....... 810 11.4 Sprawdzenie wiadomości... 817 Bibliografia... 819 Rozwiązania testów i ćwiczeń kontrolnych... 827
Podręcznik ten jest przeznaczony dla uczniów kształcących się w zawodach technik pojazdów samochodowych (311513) i mechanik pojazdów samochodowych (723103) oraz dla wszystkich osób chcących osiągnąć efekty kształcenia opisane w kwalifikacji M.18. Diagnozowanie i naprawa podzespołów i zespołów pojazdów samochodowych. Treść podręcznika pozwala przygotować się do wykonywania zadań zawodowych wynikających z podstawy programowej ww. kwalifikacji w zakresie: diagnozowania stanu technicznego, obsługiwania i naprawy układów wchodzących w skład podwozia i nadwozia pojazdów samochodowych. Materiał nauczania obejmuje zagadnienia dotyczące klasyfikacji pojazdów samochodowych, ich własności trakcyjnych i podstaw eksploatacji oraz budowy i zasady działania układów przeniesienia napędu, hamulcowego, kierowniczego, zawieszenia i jezdnego, jak również nadwozi pojazdów. Na końcu każdego działu przedstawiono zasady diagnostyki, sposób obsługi oraz naprawy omawianego układu. Zawarta w podręczniku wiedza pozwala: określać podzespoły i zespoły, charakteryzować budowę oraz wyjaśniać zasady ich działania; dobierać metody oraz określać zakres diagnostyki; przyjmować i przygotowywać pojazd do diagnostyki; dobierać i stosować narzędzia oraz przyrządy pomiarowe do wykonania diagnostyki; wykonywać pomiary i badania diagnostyczne oraz interpretować ich wyniki; oceniać stan techniczny; lokalizować uszkodzenia zespołów i podzespołów; dobierać metody i określać zakres napraw; dokonywać we właściwy sposób demontażu i montażu zespołów i podzespołów; przeprowadzać weryfikację zespołów, podzespołów i części; dobierać zespoły i podzespoły lub ich zamienniki do wymiany; wymieniać uszkodzone zespoły i podzespoły z wykorzystaniem urządzeń i narzędzi warsztatowych; wykonywać konserwację zespołów i podzespołów; wyjaśniać zasady eksploatacji pojazdów oraz dobierać materiały eksploatacyjne; przeprowadzać próby pojazdu po naprawie. Umożliwia to osiągnięcie wymaganych efektów kształcenia z zakresu podwozi i nadwozi pojazdów samochodowych Podstawowe pojęcia obejmujące elementarną wiedzę zaznaczono w tekście pogrubioną lub pochyłą czcionką. Przedstawione schematy blokowe dotyczące diagnozowania i poszukiwania przyczyn niesprawności pojazdu oraz szczegółowe opisy oceny stanu
8 technicznego, obsługi i naprawy poszczególnych elementów będą mogły zostać wykorzystane podczas przygotowywania się do egzaminu potwierdzającego kwalifikacje zawodowe w kwalifikacji M.18. Niniejszy podręcznik nie wyczerpuje wszystkich możliwych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych stosowanych w budowie pojazdów samochodowych z uwagi na to, że ulegają one ciągłym zmianom i modyfikacjom. Jest jednak elementarzem, stanowiącym początek na trudnej drodze uczenia się przez całe życie w celu osiągnięcia mistrzostwa w swoim zawodzie. W przygotowaniu rozdziału 7 Motocykle współpracował Jeremi Gabryelewicz. Informacje dotyczące przykładowego programu nauczania, planu dydaktycznego, przedmiotowego systemu oceniania oraz innych materiałów dydaktycznych pomocnych nauczycielom prowadzącym zajęcia z tego zakresu i udostępnianych nieodpłatnie przez autora można uzyskać pod adresem marek.gabryelewicz@samochodowka.edu.pl.
* 1 jak klasyfikuje się pojazdy samochodowe, jak są zbudowane pojazdy samochodowe, jakie elementy identyfikują pojazd, co to jest charakterystyka techniczna pojazdu, jakimi własnościami trakcyjnymi charakteryzują się pojazdy samochodowe. 1.1 a b Rys. 1.1 Przykłady pojazdów drogowych niebędących pojazdami samochodowymi [139], [224] * a równiarka Komatsu, b walec stalowo-gumowy Dynapac Pojazd drogowy to środek transportu przeznaczony do poruszania się po drodze oraz przystosowana do tego maszyna lub urządzenie. Określenie to ma szerokie znaczenie, bowiem obejmuje pojazdy i ciągniki samochodowe, ciągniki rolnicze, tramwaje (pojazdy szynowe), motocykle, motorowery, a także inne maszyny i urządzenia, które nie są środkami transportu, ale mogą samodzielnie poruszać się po drodze i są przystosowane do wykonywania określonych zadań, np. koparko-ładowarki, walce, rozściełacze mas bitumicznych, równiarki itp. * W nawiasach kwadratowych, zarówno w podpisach do ilustracji, jak i w tekście, podano numery przywołanych pozycji bibliografii.
10 Rys. 1.2 Klasyfikacja pojazdów drogowych Pojazdy samochodowe można podzielić pod względem wykonywanych zadań na: pojazdy przeznaczone do przewozu osób (osobowe, autobusy i motocykle), pojazdy służące do przewozu ładunków, ciągniki samochodowe, pojazdy specjalnego przeznaczenia. W Prawie o ruchu drogowym zdefiniowano poszczególne rodzaje pojazdów w następujący sposób: pojazd silnikowy pojazd wyposażony w silnik, z wyjątkiem motoroweru i pojazdu szynowego; a b c d Rys. 1.3 Samochody osobowe [144], [149], [242], [251] a trzydrzwiowy Peugeot 207, b minivan Citroën C8, c terenowa Toyota Land Cruiser, d sportowe Lamborghini Murcielago
11 pojazd samochodowy pojazd silnikowy, którego konstrukcja umożliwia jazdę z prędkością przekraczającą 25 km/h, z wyłączeniem ciągników rolniczych; samochód osobowy pojazd samochodowy przeznaczony konstrukcyjnie do przewozu nie więcej niż 9 osób łącznie z kierowcą oraz ich bagażu; autobus pojazd samochodowy przeznaczony konstrukcyjnie do przewozu więcej niż 9 osób łącznie z kierowcą; motocykl pojazd samochodowy jednośladowy lub wielośladowy z wózkiem bocznym; samochód ciężarowy pojazd samochodowy przeznaczony konstrukcyjnie do przewozu ładunków (określenie to obejmuje również samochody ciężarowo-osobowe prze- a b Rys. 1.4 Autobusy [18], [245] a turystyczny Van Hool, b miejski Mercedes-Benz CapaCity a b Rys. 1.5 Motocykle [167], [234] a enduro (do jazdy w terenie) Kawasaki, b sportowy Kawasaki
12 a b Rys. 1.6 Samochody ciężarowe [110], [259] a skrzyniowy IVECO, b skrzyniowy (z żaluzjami) DAF znaczone konstrukcyjnie do przewozu ładunków i osób w liczbie od 4 do 9 łącznie z kierowcą); pojazdy specjalnego przeznaczenia pojazdy przystosowane do wykonywania ściśle określonych zadań, wyposażone w nadwozia dostosowane do funkcji, jaką mają spełniać; można je podzielić na: pojazdy specjalizowane specjalnie przystosowane do przewozu określonego rodzaju ładunku, np. cysterny, naczepy do przewozu pojazdów samochodowych, chłodnie, samochody do przewozu żywych zwierząt, betonomieszarki itp.; a b Rys. 1.7 Samochody ciężarowe specjalizowane [111] a samowyładowczy Kenworth, b betonomieszarka IVECO a b Rys. 1.8 Samochody specjalne [229], [260] a pożarniczy Sutphen, b śmieciarka MAN
13 pojazdy specjalne pojazdy samochodowe lub przyczepy przeznaczone do wykonywania specjalnych funkcji, wymagających konieczności dostosowania (przebudowy) nadwozia albo specjalnego wyposażenia (np. samochody pomocy drogowej, pojazdy służb technicznych, komunalne, zamiatarki, śmieciarki, pojazdy asenizacyjne, ambulanse służby zdrowia, samochody pożarnicze, przyczepy z agregatami prądotwórczymi itp.); ciągnik samochodowy pojazd samochodowy przeznaczony konstrukcyjnie wyłącznie do ciągnięcia przyczepy lub naczepy; określenie to obejmuje: ciągniki siodłowe wyposażone w siodło do sprzęgania z naczepą; ciągniki balastowe z silnikami o bardzo dużej mocy, specjalnie obciążone, aby mogły ciągnąć przyczepy z ładunkami o dużej masie; a b Rys. 1.9 Ciągniki siodłowe [172], [237] a bez naczepy, b z naczepą a b Rys. 1.10 Ciągniki balastowe Nicolas Tractomas ze specjalnymi przyczepami do przewozu ładunków ponadgabarytowych [217] ciągnik rolniczy pojazd silnikowy przeznaczony do prac rolnych, leśnych lub ogrodniczych we współpracy ze specjalistycznym sprzętem; ciągnik taki może być również przystosowany do ciągnięcia przyczep oraz wykonywania prac ziemnych; przyczepa pojazd bez silnika, przystosowany do łączenia z innym pojazdem; naczepa przyczepa, której jeden koniec spoczywa na pojeździe silnikowym i obciąża ten pojazd, a drugi koniec spoczywa na kołach jezdnych naczepy; pojazd członowy to zespół pojazdów składający się z pojazdu silnikowego złączonego z naczepą.
14 a b Rys. 1.11 Ciągniki rolnicze John Deere a b Rys. 1.12 Przyczepy [134], [212] a kempingowa, b ciężarowa Rys. 1.13 Naczepa samowyładowcza [223] Rys. 1.14 Pociąg drogowy Mack [141]
15 Uwzględniając różne konstrukcje pojazdów samochodowych można przyjąć wiele kryteriów ich podziału, np. ze względu na: zdolność przewozową, czyli ładowność; rodzaj nadwozia; liczbę przewożonych osób; rodzaj i moc silnika oraz sposób jego umiejscowienia; usytuowanie mechanizmów napędowych; liczbę napędzanych osi. 1.2 Każdy pojazd, niezależnie od przeznaczenia i konstrukcji, składa się z: nadwozia, które stanowi zewnętrzną obudowę pojazdu; jego podstawową i największą częścią jest kadłub, któremu bez względu na przeznaczenie pojazdu i rodzaj nadwozia stawia się określone wymagania ogólne, jak np. odpowiednia wytrzymałość, lekkość konstrukcji, szczelność, ochrona jadących przed skutkami zderzenia pojazdu i wpływem czynników atmosferycznych czy izolacyjność akustyczna; jednostki napędowej, którą może stanowić tłokowy silnik spalinowy, silnik elektryczny lub inny zmieniający dowolny rodzaj energii w pracę mechaniczną albo ich kombinacja (napęd hybrydowy); podwozia, w którym znajdują się układy funkcjonalne, pozwalające przenieść moment obrotowy i moc jednostki napędowej na koła samochodu, połączyć koła z nadwoziem oraz prowadzić samochód. Strukturę pojazdu tworzy zbiór jego elementów konstrukcyjnych, które są uporządkowane i wzajemnie powiązane w celu realizacji określonych funkcji. Elementami struktury są układy (np. kierowniczy, hamulcowy), zespoły (np. skrzynka biegów, silnik, tylny most), podzespoły (np. tarcza sprzęgła, przegub wału napędowego) i mechanizmy (np. mechanizm różnicowy, mechanizm zwrotniczy), które z kolei można podzielić na pary kinematyczne (np. czop i panewka, współpracujące koła zębate) oraz poszczególne części. Układ to zbiór elementów realizujących to samo zadanie. Składa się on z zespołów, podzespołów, elementów i par kinematycznych. Przykładami układów funkcjonalnych są układ kierowniczy, hamulcowy itp. Zespół jest to zorganizowany (uporządkowany) zbiór elementów składowych stanowiących gotowy wyrób, np. sprzęgło, skrzynka biegów, zawieszenie, tylny most itp. Podzespół, nazywany również zespołem drugiego rzędu, stanowi podzielną lub niepodzielną część zespołu, jak np. tarcza sprzęgła, kompletna obudowa sprzęgła, zacisk hamulca itp. Mechanizm to zespół współpracujących ze sobą części składowych, spełniających określone zadanie, jak np. przenoszenie ruchu lub siły (mechanizm różnicowy, mechanizm zwrotniczy, mechanizm uruchamiający hamulce). Element stanowi niepodzielną część zespołu lub podzespołu, np. wałek sprzęgłowy skrzynki biegów, koło zębate, tłok zacisku hamulca itp. Para kinematyczna jest to połączenie ruchowe dwóch członów (elementów), np.: przegub kulowy, czop i panewka łożyska itp.
16 W skład podwozia i nadwozia pojazdu wchodzą układy, zespoły, podzespoły i elementy o różnorodnym stopniu złożoności, wykonane różnymi technologiami, z materiałów konstrukcyjnych o zróżnicowanej strukturze i właściwościach oraz o różnym stopniu wytrzymałości mechanicznej. Głównymi układami tworzącymi podwozie pojazdu samochodowego są: układ przeniesienia napędu, układ nośny i jezdny, układ kierowniczy oraz układ hamulcowy. Układ przeniesienia napędu (klasyczny) składa się ze sprzęgła, skrzynki biegów, przegubowego wału napędowego, przekładni głównej, mechanizmu różnicowego, półosi i piast kół. Jego zadaniem jest przeniesienie mocy z silnika do kół napędowych oraz uzyskanie takich wartości przełożeń dynamicznych, aby moment obrotowy silnika wystarczył do pokonania oporów ruchu i uzyskania odpowiedniej prędkości pojazdu. Rys. 1.15 Klasyczny układ przeniesienia napędu [59] Układ nośny i jezdny samochodu składa się z ramy lub konstrukcji samonośnej nadwozia, zawieszenia przedniego i tylnego oraz kół jezdnych. Pośredniczy on w przenoszeniu na koła pojazdu sił pionowych, podłużnych i poprzecznych działających na nadwozie samochodu oraz w przenoszeniu na nadwozie reakcji pochodzących od nawierzchni drogi. W zawieszeniu pojazdu można wyróżnić elementy: prowadzące, których zadaniem jest: połączenie kół z ramą lub nadwoziem, wyznaczenie ruchu kół w czasie ich przemieszczania względem ramy lub nadwozia, zapewnienie toczenia się kół po ustalonym torze, przeniesienie reakcji wywołanych siłą napędową i siłą hamowania oraz siłą odśrodkową w czasie ruchu pojazdu po łuku lub spowodowanych bocznym wiatrem; sprężyste, umieszczone między kołami a ramą lub nadwoziem, służące do przenoszenia wszystkich sił pionowych działających na koła jezdne samochodu; amortyzujące, tłumiące drgania masy resorowanej nadwozia samochodu.
17 Rys. 1.16 Zawieszenie samochodu osobowego [52] Zawieszenie, wykorzystując elementy sprężyste i amortyzujące umieszczone między nadwoziem (ramą) i kołami samochodu, stanowi sprężyste połączenie dwóch mas: resorowanej, czyli nadwozia (lub nadwozia wraz z ramą) samochodu i nieresorowanej, którą tworzą koła, hamulce, wahacze itp. Układ kierowniczy ma za zadanie umożliwić kierowcy nadanie pojazdowi wymaganego kierunku ruchu i utrzymanie tego kierunku przez odpowiednie ustawienie kół kierowanych. Układ ten składa się z dwóch mechanizmów: mechanizmu kierowniczego, służącego kierowcy do ustawienia kół kierowanych pojazdu pod kątem potrzebnym do uzyskania wymaganego kierunku jazdy i składającego się z koła kierownicy, kolumny kierownicy, przegubowego wału kierownicy oraz przekładni kierowniczej; mechanizmu zwrotniczego, służącego do ustawienia kół kierowanych względem siebie pod takimi kątami, aby ich toczenie po łuku odbywało się poprawnie pod względem kinematycznym i składającego się z drążków kierowniczych, ramion zwrotnic i zwrotnic. Układ kierowniczy jest najczęściej wspomagany hydraulicznie lub elektrycznie. Układ hamulcowy ma za zadanie zmniejszenie prędkości lub zatrzymanie pojazdu znajdującego się w ruchu oraz jego unieruchomienie na postoju. Pojazdy samochodowe są wyposażone w hamulce robocze (zasadnicze), awaryjne i postojowe (pomocnicze), a ich niezawodność ma decydujący wpływ na poziom bezpieczeństwa czynnego samochodu. Układ hamulcowy składa się z mechanizmów hamulcowych oraz mechanizmu uruchamiającego hamulce. Obecnie stosowane są hamulce tarczowe lub szczękowo- -bębnowe. Mechanizm uruchamiający hamulce może być mechaniczny, hydrauliczny, pneumatyczny lub hydrauliczno-pneumatyczny. W celu zmniejszenia siły niezbędnej do uruchamiania układu hamulcowego stosuje się mechanizmy wspomagające działanie hamulców.
18 Rys. 1.17 Układ kierowniczy samochodu osobowego [52] Rys. 1.18 Układ hamulcowy samochodu osobowego [52] 1.3 Wszystkie pojazdy samochodowe są specjalnie znakowane w celu identyfikacji. Każdy samochód musi mieć tabliczkę znamionową, a bezpośrednio na nadwoziu wybity numer zgodny z międzynarodowym systemem oznaczeń identyfikacyjnych pojazdów samochodowych VIN (skrót od angielskiej nazwy Vehicle Identification Number). Także przyczepy samochodowe powinny być wyposażone w tabliczkę znamionową oraz mieć wybity numer
19 Rys. 1.19 Struktura numeru identyfikacyjnego pojazdu VIN identyfikacyjny. System międzynarodowego znakowania pojazdów został wprowadzony w połowie lat 70. XX wieku. W systemie VIN numer identyfikacyjny składa się z siedemnastu znaków (liter lub cyfr) pozwalających zakodować podstawowe informacje o samochodzie, jak np. kraj producenta, rok produkcji oraz dane dotyczące konstrukcji nadwozia, podwozia czy rodzaju silnika. Pozwala to m.in. ocenić, czy elementy takie, jak silnik i skrzynka biegów oraz wyposażenie samochodu są zgodne z oznaczeniem kodowym i czy pojazd nie był przerabiany. Dokonując oceny autentyczności numeru identyfikacyjnego, można również stwierdzić, czy pojazd nie został skradziony. Podczas złomowania pojazdu numer identyfikacyjny jest niszczony (wycinany). Firmy produkujące samochody są zobowiązane do stosowania międzynarodowego systemu znakowania. Należy jednak pamiętać, że zdarzają się pewne odstępstwa od zasad zalecanych w tym systemie (np. rok produkcji, który powinien być zakodowany na 10. miejscu, jest kodowany na miejscu 11.). Siedemnastoznakowy numer identyfikacyjny VIN jest podzielony na trzy człony: WMI (3 znaki), określający światowy kod producenta i kraj, w którym pojazd został wyprodukowany; VDS (6 znaków), opisujący główne cechy pojazdu, takie, jak typ, wersja, rodzaj silnika oraz nadwozia, układ napędowy itp.; 1-1 Przydział kodów producentów w wybranych krajach [77] Pierwszy znak (strefa geograficzna) Afryka Azja Europa Ameryka Północna Oceania Ameryka Południowa Drugi znak (kraj) A C C D E F G H J K L M N P R S T U V W X Y Z 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 A Afryka Południowa J Japonia L Chiny Malezja Tajwan S Wlk. Brytania Polska V Austria Francja Hiszpania W Niemcy X Rosja Z Włochy 1 Stany Zjednoczone 2 Kanada Meksyk 6 Australia 7 N. Zelandia 8 Argentyna Chile Ekwador Peru Wenezuela
20 Rys. 1.20 Informacje zakodowane w członie WMI VIS (8 znaków), pozwalający odróżnić dany pojazd od innych, czyli zawierający rok produkcji i kolejny numer. Przy rozkodowywaniu dwóch pierwszych znaków członu WMI należy posługiwać się specjalnymi tablicami. Człon VDS opisujący pojazd jest kodowany przez producenta pojazdu i w celu jego identyfikacji należy dysponować odpowiednim kluczem producenta. Rys. 1.21 Informacje zakodowane w członie VDS Człon VIS, identyfikujący pojazd, pozwala określić rok produkcji pojazdu oraz zakład montujący. Ostatnie sześć znaków stanowi kolejny numer pojazdu, pozwalający rozróżnić poszczególne egzemplarze samochodów tego samego typu. Dla określenia rocznika można posłużyć się tablicą 1-2. W celu jednoznaczności oznaczeń pominięte są litery I, O oraz Z, które mogłyby być interpretowane jak cyfry 1, 0 lub 2. Co trzydzieści lat symbole powtarzają się, co oznacza, że samochody wyprodukowane w roku 1980 i w roku 2010 mają przydzielony ten sam kod oznaczony literą A. 1-2 Kodowe oznaczenie roku produkcji w systemie VIN [77] Rok Kod Rok Kod Rok Kod 1980 A - - - - 1981 (2011) B 1991 M 2001 1 1982 (2012) C 1992 N 2002 2 1983 (2013) D 1993 P 2003 3 1984 (2014) E 1994 R 2004 4 1985 F 1995 S 2005 5 1986 G 1996 T 2006 6 1987 H 1997 V 2007 7 1988 J 1998 W 2008 8 1989 K 1999 X 2009 9 1990 L 2000 Y 2010 A
21 Rys. 1.22 Informacje zakodowane w członie VIS Zgodnie z wymaganiami [78] * numer identyfikacyjny VIN powinien być: umieszczony po prawej stronie pojazdu, jeżeli to możliwe w przedniej jego połowie; czytelny z zewnątrz pojazdu (np. wewnątrz przestrzeni pasażerskiej w pobliżu słupka przedniej szyby); umieszczony w łatwo widocznym miejscu, w sposób wykluczający możliwość wytarcia lub zmiany; umieszczony bezpośrednio na części pojazdu (ramie, nadwoziu), która nie daje się łatwo usunąć czy wymienić lub na oddzielnej płytce trwale przymocowanej do pojazdu, przy czym dopuszcza się w jednym pojeździe oba sposoby; wykonany w ten sposób, aby znaki były czytelne, trwałe, nie dające się łatwo zmienić, składające się z liter alfabetu łacińskiego i cyfr arabskich o wysokości (dla pojazdów silnikowych i przyczep, z wyjątkiem motocykli) minimum 7 mm. Wybrane przez producenta miejsce umieszczenia numeru VIN powinno być opisane w Instrukcji pojazdu. Znaki identyfikacyjne mogą być wykonywane następującymi metodami [19]: wybijane wklęsłe, wykonywane mechanicznie (rzadko ręcznie) przy pomocy zespolonych znakowników, pozwalających uzyskać jednakową głębokość i rozmieszczenie poszczególnych znaków; zdarzają się także numery wykonywane pojedynczymi znakownikami dającymi zdecydowanie mniejszą dokładność wykonania; wytłaczane wypukłe, wykonywane maszynowo na różnego rodzaju tabliczkach, w sposób zapewniający bardzo dużą dokładność kształtu i rozmieszczenia znaków; wycinane w postaci otworów w kształcie liter lub cyfr, wykonywanych mechanicznie na tabliczkach; wypalane wykonywane bezpośrednio na nadwoziu lub tabliczce metodą elektroiskrową, a następnie zabezpieczane przed korozją specjalną, samoprzylepną taśmą przezroczystą. Numery identyfikacyjne wykonywane są najczęściej na elementach polakierowanych i dlatego pole numerowe powinno mieć te same warstwy lakieru, co sąsiednie elementy. Zdarza się jednak, jak w przypadku firmy BMW, że pole numerowe po nałożeniu pierwszej warstwy lakieru zakrywa się specjalnym paskiem folii usuwanym po zakończeniu procesu lakierowania. W związku z tym faktura powierzchni pola numerowego jest inna niż sąsiadujących elementów. Numery identyfikacyjne VIN umieszcza się najczęściej: w komorze silnika na prawym bocznym wzmocnieniu, z prawej strony przegrody czołowej lub na górnej poprzeczce wzmocnienia czołowego; w kabinie na podłodze w okolicy przedniego fotela; na prawym słupku środkowym lub przednim; w bagażniku po prawej stronie podłogi; * Patrz przypis na s. 9.
22 na prawym nadkolu; na prawej podłużnicy w pobliżu przedniego prawego koła. Każdy producent ma swoje zasady dotyczące treści, wyglądu, rozmieszczenia i sposobu wykonania oznaczeń identyfikacyjnych. Zasady te są najczęściej zachowywane w kolejnych modelach. Producenci nanoszący numer VIN muszą kierować się obowiązującymi wszystkich ogólnymi zasadami. Najważniejsze z nich są następujące: każde niezajęte miejsce w siedemnastoznakowym kodzie musi być wypełnione cyfrą 0; numer powinien być umieszczony w jednym lub dwóch wierszach; odstępy między znakami powinny być jednakowe; dopuszcza się oddzielenie poszczególnych członów numeru specjalnym znakiem graficznym, innym niż cyfry i litery (np. pozioma kreska, gwiazdka, znak firmowy), przy czym znaki takie umieszcza się także zwykle na początku i na końcu numeru (rys. 1.23). a b Rys. 1.23 Przykładowe numery identyfikacyjne VIN samochodów Citroën (a) i Peugeot (b) Porównując rzeczywisty numer identyfikacyjny na pojeździe z wymaganiami stawianymi przez system VIN oraz szczegółowymi zasadami, którymi kieruje się producent, można dokonać oceny jego autentyczności. Pozwala to ujawnić jego sfałszowanie, które ma często miejsce po kradzieży pojazdu. O nielegalnej zmianie numeru VIN mogą świadczyć między innymi: wycięcie oryginalnego numeru i wstawienie w to miejsce elementu z innym numerem (innego samochodu tej samej marki); sfałszowanie można ujawnić poprzez zbadanie jednorodności warstw lakierniczych i blachy oraz sposobu łączenia z nadwoziem elementu zawierającego numer VIN; zaklepanie oryginalnego numeru, zaszpachlowanie i nabicie nowego; o dokonanym fałszerstwie może świadczyć przesunięcie miejsca nabicia numeru oraz nierówne ustawienie znaków, ich różne odległości i głębokości; przebicie poszczególnych znaków, np. cyfry 3 na cyfrę 8 lub 9, cyfry 5 na cyfrę 6 poprzez nabicie brakujących fragmentów lub odwrotnie wypełnienie części cyfr, np. zmiana cyfry 8 na cyfrę 3; fałszerstwo można ustalić poprzez dokładne oględziny poszczególnych znaków przy użyciu optycznych urządzeń powiększających. Podczas oględzin pojazdu należy także zwrócić uwagę na zgodność numeru identyfikacyjnego VIN naniesionego na nadwoziu z tabliczką znamionową, na której jest on powtórzony. Tabliczki znamionowe są znormalizowane i powinny być wykonane z materiału zapewniającego odporność na czynniki atmosferyczne, korozję i zużycie. Wymaga się, aby były
23 zamocowane w sposób trwały (przynitowane), w miejscu dostępnym, na elemencie trwałym i niepodlegającym wymianie. W samochodach osobowych i pochodnych tabliczka znamionowa powinna zawierać następujące dane: nazwę wytwórni, numer świadectwa homologacji, numer identyfikacyjny VIN, dopuszczalną masę całkowitą, dopuszczalną masę pojazdu z przyczepą wyposażoną w hamulec, dopuszczalne obciążenie przedniej osi, dopuszczalne obciążenie tylnej osi. Dodatkowo producent może umieścić informacje dotyczące: numeru lakieru, oznaczenia wersji, numeru dla części zamiennych, dopuszczalnej masy pojazdu z przyczepą bez hamulca, poziomu zakłóceń radioelektrycznych. Na tabliczkach znamionowych samochodów ciężarowych mogą znaleźć się dane dotyczące ładowności, a w przypadku autobusów liczby miejsc. a b Rys. 1.24 Przykładowe tabliczki znamionowe samochodów Honda (a) i Peugeot (b) 1.4 Charakterystyka techniczna pojazdu jest to zbiór jego podstawowych parametrów podawanych przez producenta. Na ogół tworzą go dane dotyczące: wymiarów, masy, prędkości oraz konstrukcji pojazdu. Informacje, które zawiera charakterystyka techniczna, zależą od rodzaju pojazdu. Przykładem mogą być samochody terenowe, dla których podawane są dodatkowe parametry, nieuwzględniane przez producentów samochodów osobowych, jak np. głębokość brodzenia, zdolność pokonywania wzniesień, maksymalny przechył boczny itp. Charakterystyka techniczna pozwala na porównanie technicznych właściwości i możliwości danego pojazdu z innymi samochodami. Parametry wchodzące w skład charakterystyki są jednoznacznie zdefiniowane przez odpowiednie normy.
24 1-3 Wybrane dane z charakterystyki technicznej samochodu Toyota Land Cruiser Luna dotyczące podstawowych wymiarów Parametr Definicja Wartość Długość Odległość między skrajnymi (przednim i tylnym) punktami pojazdu mierzona równolegle do jego osi podłużnej pojazdu 4405 mm Odległość między skrajnymi punktami poprzecznego Szerokość obrysu pojazdu (z uwzględnieniem lusterek, lamp itp.) pojazdu mierzona równolegle do płaszczyzny jezdni 1875 mm Wysokość pojazdu Rozstaw osi Rozstaw kół Odległość między płaszczyzną jezdni i równoległą do niej płaszczyzną przechodzącą przez najwyżej położony punkt pojazdu nieobciążonego (o masie własnej) Odległość między prostymi łączącymi środki kół poszczególnych osi, mierzona przy symetrycznym ustawieniu kół względem podłużnej osi pojazdu Odległość między punkami styku z powierzchnią jezdni środków bieżników kół tej samej osi (dla kół pojedynczych) 1905 mm 2790 mm 1575 mm 1-4 Wybrane dane z charakterystyki technicznej samochodu Toyota Land Cruiser Luna dotyczące właściwości ruchowych podczas poruszania się w terenie Parametr Definicja Wartość Kąt natarcia Kąt między płaszczyzną jezdni a płaszczyzną styczną do kół przednich i do obrysu przedniej dolnej części pojazdu 32 maksymalnie obciążonego Kąt zejścia Kąt między płaszczyzną jezdni a płaszczyzną styczną do kół tylnych i do obrysu tylnej części pojazdu maksymalnie obciążonego, bez uwzględnienia części odchylanych, nieumocowanych 24 trwale do pojazdu Kąt rampowy Suma kątów, jakie tworzą z nawierzchnią płaszczyzny styczne do przedniego i tylnego koła, przechodzące przez najniższy punkt podwozia znajdujący się pomiędzy osiami 25 samochodu Głębokość Zdolność pokonywania przeszkód wodnych o określonej brodzenia głębokości 700 mm Zdolność Maksymalny kąt wzniesienia, pod które pojazd jest zdolny pokonywania podjechać wzniesień 42 Maksymalny przechył boczny Prześwit Maksymalny kąt przechyłu bocznego pojazdu podczas jazdy wzdłuż zbocza wzniesienia Odległość między najniższym punktem podwozia pojazdu nieobciążonego a nawierzchnią 42 Minimalny 220 mm Podwyższony 220 + 30 mm
25 Rys. 1.25 Podstawowe wymiary samochodu Toyota Land Cruiser Luna (fragment charakterystyki technicznej) [43] Rys. 1.26 Charakterystyczne dane techniczne samochodu Toyota Land Cruiser Luna dotyczące właściwości ruchowych podczas poruszania się w terenie [43]
26 1.5 1.5.1 Zachowanie się pojazdu w różnych sytuacjach drogowych zależy od działających na niego sił zewnętrznych, które wymuszają zmianę parametrów jego ruchu (przyspieszanie, hamowanie, skręcanie itp.). Działające na pojazd siły można podzielić na: statyczne, których działanie nie jest zależne od ruchu pojazdu (występują one zarówno na postoju, jak i podczas jazdy); dynamiczne, występujące tylko podczas jazdy. Na obciążenie statyczne pojazdu (na postoju i podczas jazdy) składają się siła ciężkości oraz wywołane przez nią reakcje podłoża. Siła ciężkości przyłożona w środku masy (ciężkości) pojazdu stanowi rezultat przyciągania ziemskiego, a jej kierunek działania jest zawsze pionowy. Jej wartość można obliczyć ze wzoru: G = m g [N] (1.1) gdzie: G siła ciężkości [N], m masa samochodu [kg], g przyspieszenie ziemskie; g = 9,81 [m/s 2 ]. Reakcje podłoża, wywołane siłą ciężkości i równoważące ją, działają w punktach styku kół z nawierzchnią drogi. Należy pamiętać, że zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona siły nacisku występują zawsze parami. Koła samochodu naciskają na podłoże, a podłoże wywiera nacisk na koła. W efekcie odkształcić się może zarówno nawierzchnia pod oponą (odcisk bieżnika, który można łatwo zaobserwować na gruntowej drodze), jak i sama opona (ugięcie w miejscu styku z nawierzchnią). Siły nacisku nawierzchni na koło i koła na nawierzchnię mają taką samą wartość, lecz są przeciwnie skierowane. W przypadku, gdy pojazd stoi lub porusza się po poziomej drodze o kącie nachylenia a = 0 0, siła ciężkości jest prostopadła do nawierzchni (rys. 1.27a). Gdy pojazd stoi lub porusza się po drodze pochyłej o kącie nachylenia α 0 0, siła ciężkości nadal działa pionowo w dół, lecz tym razem nie jest prostopadła do nawierzchni (rys. 1.27b). Podczas poruszania się pojazdu oprócz sił statycznych występują również siły dynamiczne. Warunkiem poruszania się pojazdu jest odpowiednia wartość siły napędowej F N, która musi zrównoważyć wszystkie siły oporów ruchu F o : F N = F O (1.2) Suma wszystkich sił oporów ruchu jest równa: F o = F t + F w + F P + F b [kn] skąd F N = F t + F w + F P + F b [kn] (1.3)
27 a b Rys. 1.27 Obciążenia statyczne działające na samochód a stojący na drodze poziomej, b stojący na drodze pochyłej G siła ciężkości (ciężar) pojazdu, G cos α składowa normalna siły ciężkości, G sin α składowa styczna siły ciężkości, Z p i Z T reakcje normalne działające odpowiednio na przednie i tylne koła, X P i X T reakcje styczne działające odpowiednio na przednie i tylne koła, α kąt nachylenia drogi, O środek masy samochodu, A i B punkty styku kół z nawierzchnią drogi, l rozstaw osi samochodu, a, b i h współrzędne środka masy samochodu, a8 odległość kierunku działania siły ciężkości pojazdu od punktu styku przedniego koła z nawierzchnią, b8 odległość kierunku działania siły ciężkości pojazdu od punktu styku tylnego koła z nawierzchnią gdzie: F t siła oporów toczenia [kn], F w siła oporów wzniesienia [kn], F p siła oporów powietrza [kn], F b siła oporów bezwładności [kn]. Siła napędowa na jednym kole napędzanym F N1 jest wywołana przyłożonym do niego momentem obrotowym M k1. Ponieważ działa ona na ramieniu równym promieniowi dynamicznemu koła r d, oblicza się ją ze wzoru M k1 FN 1 [ kn ] (1.4) rd Siła napędowa pojazdu jest sumą sił napędowych działających na wszystkie koła napędzane, a więc wzór na siłę napędową pojazdu z dwoma kołami napędzanymi przedstawia się następująco
28 F N M = kl + M r d kp [ kn] gdzie: M kl moment obrotowy na kole lewym [kn m], M kp moment obrotowy na kole prawym [kn m]. Moment obrotowy na wszystkich kołach napędzanych zależy od momentu obrotowego silnika Ms, przełożenia całkowitego układu napędowego i c oraz współczynnika sprawności mechanicznej układu napędowego η m (uwzgledniającego np. straty spowodowane tarciem i oporami mechanizmów) i wynosi M k = M s i c η m [kn] (1.5) Po podstawieniu tego wyrażenia do wzoru (1.4) okazuje się, że siła napędowa na wszystkich kołach pojazdu wynosi: (1.6) Wynika stąd m.in., że największą siłę napędową F N można uzyskać na najniższym biegu, o największej wartości przełożenia i c (patrz rozdział 3.4). Przyspieszenie pojazdu jest proporcjonalne do działającej siły, dlatego używając niskich biegów, można uzyskać duże przyspieszenia. Jednocześnie mocno zredukowana przez przekładnię prędkość obrotowa silnika nie pozwala na niskim biegu uzyskać dużej prędkości ruchu. Jazda z dużą prędkością jest możliwa na najwyższym biegu, ponieważ jego przełożenie jest najmniejsze. Niestety, zmniejsza się wówczas zdolność samochodu do przyspieszania. Moment obrotowy działający na koło napędzane jest skierowany zgodnie ze zwrotem prędkości kątowej ω (rys. 1.28). Wywołuje on siłę napędową, przyłożoną stycznie do koła w punkcie styku z nawierzchnią drogi. Zgodnie ze zwrotem momentu obrotowego M k, siła F N napiera na nawierzchnię, chcąc ją przesunąć w kierunku przeciwnym do ruchu pojazdu. Skutkuje to np. wyrzucaniem do tyłu spod jego kół drobnych kamyków. Opory ruchu pojazdu są to wszystkie siły, które przeciwstawiają się temu ruchowi, występujące wyłącznie podczas poruszania się samochodu. Najważniejsze z nich to: Rys. 1.28 Moment napędowy i siła napędowa na kole pojazdu
29 opory toczenia, zależne m.in. od rodzaju ogumienia kół oraz rodzaju i stanu nawierzchni drogi; opory wzniesienia, zależne od podłużnego pochylenia drogi, po której porusza się pojazd; opory powietrza, zależne od kształtu i wymiarów pojazdu; opory bezwładności, przeciwstawiające się zmianom prędkości ruchu (np. podczas przyspieszania lub hamowania), których wartość jest uzależniona od wartości przyspieszenia oraz masy pojazdu. Siła oporów toczenia pojazdu F t jest sumą sił oporów toczenia jego wszystkich kół, przyłożonych w punktach działania reakcji podłoża na koła i skierowanych przeciwnie do kierunku ruchu pojazdu. Siła oporów toczenia pojazdu zależy wprost proporcjonalnie od jego ciężaru G (siły ciężkości) oraz od współczynnika oporów toczenia f i na drodze poziomej wyraża się wzorem F t = G f [kn] (1.7) Wartość współczynnika oporów toczenia zależy m.in. od: rodzaju i wymiarów ogumienia; ciśnienia w ogumieniu; prędkości, z jaką porusza się pojazd; rodzaju i stanu nawierzchni drogi. Przepychając pojazd, łatwiej to zrobić na gładkim, twardym i nieodkształcalnym podłożu, przy prawidłowo napompowanych kołach (małe opory toczenia) niż na piaszczystej drodze i przy niskim ciśnieniu w ogumieniu (duże opory toczenia). Siła oporów wzniesienia F w pojawia się podczas poruszania się pojazdu pod górę i wyraża się wzorem F w =G w [kn] (1.8) gdzie: w współczynnik oporów wzniesienia (uzależniony od kąta nachylenia podłużnego drogi) [%] Oznacza to, że siła oporów wzniesienia będzie tym większa, im większy jest kąt nachylenia drogi. Trudniej też pokonać wzniesienie pojazdem o większym ciężarze, np. z ładunkiem. Siła oporów wzniesienia jest równoległa do nawierzchni i skierowana przeciwnie do kierunku ruchu pojazdu (rys. 1.29). Rys. 1.29 Siła oporów wzniesienia przyłożona w środku masy O pojazdu z przednim napędem, pokonującego wzniesienie o kącie nachylenia a
30 Siła oporów powietrza F p, skierowana przeciwnie do kierunku ruchu pojazdu, powstaje w wyniku działania: parcia powietrza na powierzchnię czołową pojazdu; oporów tarcia powietrza o zewnętrzne powierzchnie nadwozia; oporów tarcia powietrza przepływającego pod podwoziem pojazdu; oporów przepływu powietrza przez urządzenia wewnętrzne pojazdu (np. układ przewietrzania kabiny, chłodnicę cieczy chłodzącej). Siłę oporów powietrza można wyrazić wzorem (1.9) gdzie: S pole powierzchni czołowej pojazdu [m 2 ], v prędkość pojazdu [m/s], ρ gęstość powietrza [kg/m 3 ] (dla temperatury powietrza +15 C i ciśnienia atmosferycznego 1013,25 hpa przyjmuje się wartość 1,226 kg/m 3 ), c x współczynnik oporów aerodynamicznych uzależniony od kształtu nadwozia. Ponieważ zmiana gęstości powietrza w zależności od warunków atmosferycznych ma niewielkie znaczenie, siła jego oporów zależy głownie od kształtu i wielkości nadwozia (c x, S) oraz kwadratu prędkości pojazdu (v 2 ). Jak łatwo obliczyć, zwiększając dwukrotnie prędkość pojazdu, opory powietrza wzrastają czterokrotnie. Z kolei czterokrotne zwiększenie prędkości, np. od 30 do 120 km/h, skutkuje aż szesnastokrotnym wzrostem oporów powietrza. Stąd też w zakresie dużych prędkości pojazdu największe znaczenie ma właśnie siła oporów powietrza. Podczas ruchu pojazdu część powietrza przeciska się pod jego podwoziem. Rozdzielony strumień powietrza ma do pokonania różną drogę (górą dłuższą, dołem krótszą). Skutkuje to zróżnicowaniem prędkości przepływu oraz wartości ciśnienia, podobnie jak podczas przepływu powietrza wokół skrzydła samolotu. Efektem tego zjawiska jest powstawanie niekorzystnej pod względem trakcyjnym siły nośnej S N, zmniejszającej przyczepność kół do nawierzchni (rys. 1.30). Zjawisko to, a w zasadzie jego odwrotność, wykorzystuje się w sporcie samochodowym. Przykładem może być zastosowanie spojlerów w samochodach wyścigowych Formuły 1. Mają one kształt odwróconego skrzydła samolotu, co powoduje powstawanie w czasie jazdy siły zwiększającej nacisk, a tym samym przyczepność kół do nawierzchni. Skraca to drogę hamowania oraz umożliwia pokonywanie zakrętów z większą prędkością. Z drugiej strony spojlery zwiększają siłę oporów powietrza i dlatego, aby znaleźć optymalne rozwiązanie, ich położenie jest regulowane. Tylny spojler może mieć do 20 różnych ustawień, a przedni nawet 100. Na torach składających się z długich prostych i szybkich łuków nachylenie skrzydła jest minimalne, aby uzyskać jak najmniejszy opór i jak największe prędkości. W przypadku torów z wieloma ciasnymi zakrętami elementy skrzydła ustawiane są bardziej pionowo, by zapewnić jak najlepszą przyczepność i umożliwić pokonywanie zakrętów z jak największą prędkością. Wypadkowa prędkość przepływu powietrza działa na pojazd (poruszający się z prędkością v) pod określonym kątem, ponieważ prędkość jazdy oraz prędkość wiatru nie muszą być zgodne z osią podłużną samochodu (rys. 1.31). Skutkuje to pojawieniem się jeszcze jednej siły aerodynamicznej bocznej siły naporu B. Trzy siły aerodynamiczne: siła opo-
31 a b Rys. 1.30 Powstawanie siły nośnej a na skrzydle samolotu, b na nadwoziu pojazdu rów powietrza F p, siła nośna S N i boczna siła naporu B wywołują dodatkowo trzy momenty aerodynamiczne: moment względem osi podłużnej (przechylający) M x, moment względem osi poprzecznej (kołyszący) M y i moment względem osi pionowej (odchylający) M z. Siła oporów bezwładności pojawia się tylko wtedy, gdy samochód porusza się ruchem przyspieszonym lub opóźnionym. Jest to wyobrażalna siła wynikająca z przyspieszenia danego ciała. Jest ona równa iloczynowi masy poruszającego się ciała i przyspieszenia jego ruchu, a jej zwrot jest zawsze przeciwny do tego przyspieszenia F = b m a (znak minus oznacza, że siła F b jest skierowana przeciwnie niż przyspieszenie ruchu a ). Określenie wyobrażalna wynika stąd, że osoba, na którą działa przyspieszenie, odczuwa działanie siły bezwładności, jednak trudno jest jej wskazać ciało, które ją wywołuje. Jeżeli pojazd porusza się ze stałą prędkością po równej i poziomej drodze, odczucia kierowcy i pasażerów nie różnią się zbytnio od odczucia osoby siedzącej w domu na Rys. 1.31 Siły i momenty aerodynamiczne działające na pojazd w ruchu [69]
32 fotelu i oglądającej telewizję. Brak przyspieszenia samochodu skutkuje zerową wartością siły bezwładności. Jeżeli jednak samochód zacznie przyspieszać, odczucia jadących będą zupełnie inne jakaś wyobrażalna siła zacznie wciskać ich w fotel (rys. 1.32a). Analogicznie w trakcie hamowania (przy przyspieszeniu ujemnym) wyobrażalna siła pcha jadących w kierunku przedniej szyby (rys. 1.32b), a podczas ostrego skrętu w lewo są oni spychani na prawo. Pojawiająca się w trakcie przyspieszania pojazdu i skierowana do niego przeciwnie siła bezwładności zwiększa nacisk jadącej osoby na oparcie fotela. Jednocześnie fotel wywiera nacisk na jadącego, chcąc nadać mu przyspieszenie. a b Rys. 1.32 Siła bezwładności skierowana przeciwnie do przyspieszenia ruchu [3] a wciskająca jadącego w oparcie fotela podczas przyspieszania pojazdu, b pchająca jadącego w kierunku przedniej szyby i napinająca pasy bezpieczeństwa podczas hamowania pojazdu F b siła bezwładności, a przyspieszenie (opóźnienie) pojazdu, m j masa jadącej osoby a b Rys. 1.33 Efekt wywołany wypadkową sił ciężkości i bezwładności działających na pojazd w ruchu postępowym a unoszenie przedniego zawieszenia w trakcie przyspieszania, b przysiadanie przedniego zawieszenia w trakcie hamowania