Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu Wydział Mechaniczny Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Budowa samochodów i teoria ruchu INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA Układy kierownicze.
Spis treści 1. Układy kierownicze, wymogi i zadania im stawiane... 3 2. Klasyfikacja układów kierowniczych... 6 3. Budowa układu kierowniczego... 6 4. Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego... 8 5. Mechanizm kierowniczy... 10 5.1. Przekładnie kierownicze... 10 5.2. Przekładnia śrubowo-kulowa... 12 5.3. Kolumna kierownicy... 13 6. Urządzenia wspomagające w układzie kierowniczym... 14 7. Wytyczne do sprawozdania... 16 2
1. Układy kierownicze, wymogi i zadania im stawiane Układ kierowniczy pojazdu powinien zapewniać dobrą zwrotność pojazdu, a cały pojazd powinna cechować dobra kierowalność i stateczność ruchu. 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. 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 rys. 1.1. W przypadku pojazdu z kierowanymi kołami osi przedniej oznacza to w praktyce, że kąt skrętu koła wewnętrznego W musi być większy od kąta skrętu koła zewnętrznego Z. Między tymi kątami powinna zachodzić następująca zależność: Rys.1.1. Toczenie się kół bez poślizgów bocznych 3
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 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. 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. 4
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. 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. 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. 5
2. Klasyfikacja układów kierowniczych UKŁADY KIEROWNICZE Układy kierownicze w samochodach z zawieszeniem zależnym Układy kierownicze w samochodach z zawieszeniem niezależnym Układy kierownicze ze względu na rozwiązania konstrukcyjne dzielimy na: 1. Układy w samochodach dwuosiowych z kołami kierowanymi przedniej osi. 2. Układy w samochodach dwuosiowych z kołami kierowanymi osi przedniej i tylnej.(samochód taki zwykle ma mechanizm zwrotniczy, który skręcając w bok koła przednie jednocześnie skręca koła tylne w przeciwną stronę). 3. Samochody trójosiowe: układy z kołami kierowanymi przedniej osi i zbliżonych do siebie osi środkowej i tylnej, układy z kołami kierowanymi dwóch do siebie zbliżonych osi - przedniej i środkowej, układy z kołami kierowanymi dwóch osi - przedniej i środkowej o symetrycznie rozstawionych osiach, układy z kołami kierowanymi dwóch osi przedniej i tylnej o symetrycznie rozstawionych osiach. 3. Budowa układu kierowniczego Układ kierowniczy składa się z dwóch mechanizmów: mechanizmu zwrotniczego, mechanizmu kierowniczego.
Rys.3.1. Podstawowe elementy układu kierowniczego w zawieszeniu zależnym: 1 - ramię zwrotnicy, 2 - dźwignie zwrotnic, 3 - drążek poprzeczny, 4 - drążek podłużny, 5 - przekładnia kierownicza, 6 - ramię przekładni kierowniczej, 7 - wał kierownicy, 8 - koło kierownicy, 9 -zwrotnica, 10 - czopy zwrotnic, 11 - belka osi przedniej Podstawowymi elementami wchodzącymi w skład mechanizmu zwrotniczego są: zwrotnice kół, drążki poprzeczne, drążki podłużne, przeguby łączące drążki. Rys.3.2. Stosowane mechanizmy zwrotnicze przy zawieszeniu niezależnym 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. 7
Rys.3.3. Przykłady konstrukcji końcówek drążków kierowniczych: a) nierozbieralna, b) rozbieralna, 1- sworzeń kulowy, 2 - segmenty gniazda kulistego, 3 - sprężyna, 4 -obudowa 4. Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego Samoczynne powracanie skręconych kół do położenia odpowiadającego jeździe na 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 sworzni 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 sworzni zwrotnicy ; kąt pochylenia sworzni zwrotnicy ; kąt pochylenia koła ; zbieżność kół. Rys.4.1. Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego 8
Kąt wyprzedzenia sworznia zwrotnicy to kąt jaki tworzy z pionem oś sworznia zwrotnicy, mierzony w rzucie na płaszczyznę pionową, równoległą do podłużnej płaszczyzny symetrii samochodu. Ustawienie sworznia zwrotnicy pod kątem sprawia, że punkt A przecięcia osi sworznia z płaszczyzną jezdni wyprzedza teoretyczny punkt B styku ogumienia z jezdnią. Kąt wyprzedzenia sworznia zwrotnicy (osi zataczania zwrotnicy) jest dodatni, jeśli górna część sworznia skierowana jest do tyłu. Kąt pochylenia sworznia zwrotnicy to kąt, jaki tworzy z pionem oś sworznia 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 (b 1 -b 2 ) 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 Kąty pochylenia sworznia zwrotnicy i pochylenia koła umożliwiają dobranie najkorzystniejszej odległości między punktami C i D. Odległość ta zwana promieniem zataczania, powinna wynosić kilka do kilkunastu milimetrów. Jeżeli oś sworznia 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. 9
Rys.4.2. Promień zataczania zwrotnicy: A - dodatni, B - ujemny. Symbole: r - promień zataczania, 1 punkt przebicia płaszczyzny podłoża przez płaszczyznę symetrii koła (w rzucie podłużnym), 2 - punkt przebicia płaszczyzny podłoża przez oś sworznia zwrotnicy, 3 - płaszczyzna symetrii koła, 4 - oś sworznia zwrotnicy 5. 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. 5.1. 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. 10
Przełożeniem kinematycznym i k przekładni kierowniczej nazywamy stosunek kąta obrotu k koła kierowniczego do kąta obrotu w wałka, na którym jest osadzone ramię przekładni kierowniczej. Przekładnia zębatkowa Rys.5.1. Trzy typy zębatkowej przekładni kierowniczej najczęściej stosowane w samochodach osobowych z kierownicą umieszczaną po lewej stronie. Rys.5.2. Przekładnia zębatkowa z zębatką stanowiącą część drążka poprzecznego: 1 - zębnik, 2 - zębatka, 3 - wał kierownicy. Wady i zalety przekładni zębatkowej 11
Podstawowe zalety przekładni zębatkowej to: prosta budowa; niskie koszty produkcji; małe opory ruchu dzięki dużej sprawności; automatyczna regulacja luzu pomiędzy listwą zębatą a zębnikiem i równomierne tłumienie; możliwość zamocowania drążków poprzecznych bezpośrednio do listwy zębatej; duża sztywność; małe wymiary (zaleta, dla której stosowana jest w europejskich i japońskich samochodach o przednim napędzie); brak ramienia prowadzącego (i jego łożyskowania) i środkowej części drążka poprzecznego. Główne wady to: duża wrażliwość na drgania i uderzenia kół; duże obciążenie skośnymi siłami w drążkach poprzecznych; za mała długość drążków poprzecznych w wypadku ich mocowania do końców listwy zębatej; brak przełożenia kątowego i związane z tym duże siły podczas manewrowania na parkingu w razie braku wspomagania; brak możliwości stosowania w wypadku sztywnej osi. 5.2. Przekładnia śrubowo-kulowa 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. 12
Rys.5.3. Przekładnia śrubowo-kulkowa. 1- wał kierownicy, 2 - śruba, 3 - nakrętka. 4 -wycinek zębaty, 5 - wał główny. 5.3. Kolumna kierownicy 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. 5.4). Izoluje ono jednocześnie koło kierownicy od uderzeń w układzie kierowniczym i tłumi drgania pochodzące z hydraulicznego układu wspomagania. 13
Rys.5.4. Bezpieczny wał kierownicy i ukształtowane w formie dzwonu koło kierownicy firmy Mercedes-Benz. Wał jest połączony ze śrubowo-kulkową przekładnią kierowniczą za pomocą sprzęgła podatnego. Na dolnym rysunku pokazano wygięcie falistego odcinka wału wskutek zderzenia czołowego 6. 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 coraz powszechniej 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; 14
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. Rys.6.1. Układ kierowniczy ze wspomaganiem samochodu Opel Vectra. 1- pompa łopatkowa napędzana 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 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 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 do mocowania przekładni kierowniczej, 16 - uszczelnienie przegrody czołowej 15
7. Wytyczne do sprawozdania Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. K. Pułaskiego w Radomiu IEPiM INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN LABORATORIUM (z przedmiotu) BUDOWA SAMOCHODÓW I TEORIA RUCHU Ćwiczenie nr (wg harmonogramu) Temat ćwiczenia:... Data wykonania ćwiczenia... Prowadzący... Wydział MECHANICZNY Kierunek LOGISTYKA Rok akademicki...semestr... Grupa... Wykonawcy ćwiczenia 1. Nazwisko Imię 2.... 3.... OCENY (uwagi Prowadzącego) sprawdziany......... sprawozdanie końcowa.................. Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z różnymi rodzajami oraz budową układów kierowniczych. Wyznaczenie charakterystyki kinematycznej układu kierowniczego. 2. Przebieg ćwiczenia Zadania do wykonania podczas ćwiczenia laboratoryjnego: 1. Opisać budowę wskazanego układu kierowniczego na podstawie stanowiska dydaktycznego oraz wskazać wymienione elementy zabudowane na pojeździe. 2. Wyznaczenie kinematyki układu kierowniczego 1) Wprowadzenie na temat układów kierowniczych w samochodowych. 2) Wykonać pomiary charakterystyki kinematycznej układu kierowniczego (tabela - pomiary wykonujemy 2 razy). H kąt obrotu koła kierownicy, 1 kąt skrętu prawego koła przedniego, 2 kąt skrętu lewego koła przedniego, śr średni kąt skrętu kół kierowanych 2 śr 1 2,
il przełożenie kinematyczne układu kierowniczego H il śr 3) Wykonać wykresy następujących zależności 1( H), 2( H) na jednym wykresie oraz il( H). 4) Wyznaczyć minimalne promienie zawracania dla badanych samochodów. 5) Wnioski na temat maksymalnych kątów obrotu koła kierownicy w lewo i w prawo, maksymalnych kątów skrętu kół kierowanych, przełożenia kinematycznego układu kierowniczego, minimalnych promieni zawracania. H [ o ] Samochód: Rodzaj układu kierowniczego: 0 90 180 270 360 450 540 630 720 1 [ o ] 2 [ o ] śr [ o ] il Ip IIp Ip IIp Ip IIp Ip IIp 630 540 450 360 270 180 90 0 17
H [ o ] 0-90 -180-270 1 [ o ] 2 [ o ] śr [ o ] il Ip IIp Ip IIp Ip IIp Ip IIp -360-450 -540-630 -720-630 -540-450 -360-270 -180-90 0 3. Wnioski 18