A gépjárművek kormányzásának működése és fejlődése
A járművek nem létezhetnek nélküle - az autókormány az, ami összeköti a vezetőt az úttal. De milyen a jó kormányzás? És hogyan működik? A jó kormányzás teszi az autót precíz géppé és könnyedén vezethetővé. Számos tényezőnek kell összeállnia ahhoz, hogy a vezetés tökéletes élmény legyen, és ebben a kormányzásnak is egyértelműen kulcsszerepe van.
Az ENSZ-EGB közlekedésbiztonsági előírásai szigorúan meghatározzák a közúti járművek kormányzásának műszaki jellemzőit. Ezek közül a legfontosabb előírás szerint a gépkocsiknál a kormánykerék és a kormányzott kerekek között mechanikus kapcsolatnak kell lenni. Ezt a mechanizmust különösen bonyolulttá teszi az a menetstabilitási követelmény, mely szerint a kerekeknek a jármű felépítményéhez viszonyított mozgásakor (ki-berugózáskor, kanyarodás közbeni oldalbillenéskor, fékezés vagy gyorsítás közbeni bólintáskor stb.) nem szabad elkormányzódniuk. A kormányrendszer felépítését, szerkezeti struktúráját elsősorban a futómű típusa határozza meg.
Futóműtípusok és a kormányzás kihívásai
A mechanizmus hibájából adódó elkormányzódás különösen kedvezőtlen a merevhidas futóműveknél, miután a kormányrudazat kialakításából következően az elkormányzódás azonos irányú a két keréken, ami a jármű sétálásához, sávváltásához vezethet. Független felfüggesztésű futóműveknél az elkormányzódás két keréken ellentétes, ami ugyan a jármű iránytartását nem befolyásolja, de gumikopást, a tapadási erők csökkentését eredményezheti. Egyes korszerű járműveknél gyakran jól megtervezett célfüggvény szerint a kerekek elkormányzódását a ki- és berugózás és/vagy erőhatás függvényében lehetővé teszik éppen a jármű stabilitásának növelése érdekében.
Az autóbuszokon a független felfüggesztésű és a merevhidas futóműveket és a hozzájuk tervezett kormányrendszereket szinte azonos arányban építik be. A városi közlekedésben üzemelő autóbuszokon a merevhidas, kormányösszekötő rudas rendszerek, a távolsági autóbuszokon pedig a független felfüggesztésű futóművek fogasléces kormánygéppel kiegészítve számítanak korszerű konstrukcióknak. Autóbuszokon speciális kormánygép tengelyhajtást kell alkalmazni abból a szerkezeti adottságból következően, hogy a kormánykerék a kormányzott futómű előtt 2-3 m távolságban helyezkedik el.
A kormánytrapéz és a precíz geometria
A nemzetközi előírások szerint a kormánykerék és a kormányzott kerekek között állandó mechanikus kapcsolatnak kell lenni. Ezt a szigorú követelményt úgy kell a csuklókból és rudazatokból álló mechanizmusoknak teljesíteni, hogy a jármű kanyarodása közben a kerekek elkormányzási szögei minden elkormányzási pozícióban megfeleljenek az oldalcsúszás-mentes gördülés kinematikájának. A kanyar külső és belső kerekek összehangolt elkormányzását a kormánytrapéz garantálja.
Kormánytrapéz kialakítása
- Merevhidas futóműveknél: A kormánytrapéz geometriailag is az egyenlő oldalú trapézt jeleníti meg.
- Független felfüggesztésű futóműveknél: A kormánytrapéz osztott rúdelemekből épül fel.
A trapéz összekötő rudazatának szerkezete attól függ, milyen típusú a kormánygép a kilépő mozgató elemet tekintve. Fogasléces kormánygépből szimmetrikusan két mozgató csukló lép ki, a hozzá kapcsolt jobb- és baloldali nyomtávrúd képezi a trapéz összekötő oldalt. Egylengőkaros kormánygépek felszerelésekor a trapéz összekötő oldalába egy kormánynégyszöget kell beépíteni a mechanizmus szimmetriájának megteremtése érdekében.
A kormánytrapéz kiszerkesztése és számítása
A kormánytrapéz geometriai szerkezetének kiszerkesztése és számítása viszonylag egyszerű feladat a merevhidas első futóművel szerelt járműveknél. Ehhez jól bevált geometriai eljárás a Causant szerkesztés. A trapézkar hosszának és a trapézkar szögének meghatározása elegendő. A megszerkesztett kormánytrapéz geometriával felépített kormányrendszer akkor garantálja a szöghiba-mentes kormányzást, ha a kerekek dőlésszöge (γ) kisebb 1°-nál, a csapterpesztés nem haladja túl az 5 fokot, a csaphátradőlés (ε) maximum 5°.
A független felfüggesztésű futóművek kormánymechanizmusának pontos geometriai tervezése már összetettebb feladat. A trapézkar hosszának és alapszögének kiszerkesztésével együtt meg kell határozni a nyomtávrudak belső csuklóközéppontjainak térbeli koordinátáit is. Ez a két pont a kormánymechanizmus két póluspontja. Hibás koordináták esetén a kerekek összetartási szöge (αV) ki-berugózáskor változik, a kerekek „tapsolnak”, ami gumikopást, a jármű imbolygó mozgását, „sétálását” idézheti elő.
Ismerd meg autód kormányművét és szervokormányát!
A kormányzási hibagörbe
A kormánytrapéz precíz működését a kormányzási hibagörbe és a hibakarakterisztika szemléletesen minősíti. A hibagörbe kiszerkesztéséhez méretarányosan ki kell rajzolni a jármű alaprajzát a kormánytrapézzal együtt. A külső kerék meghatározott szöglépcsőnkénti jobbra fordításával a kormánymekanizmuson végigvezetve az elmozdulásokat, megjelenik a belső kerékszög. A kormányzási hibagörbe szerkesztésekor meghatározzuk az α elkormányzási szöghöz tartozó tényleges β elkormányzási szöget, de megkapjuk az elméletileg helyes β₀ szöget is.
Az α = 20° elkormányzáshoz tartozó Δβ szöghiba 1-1,5° lehet. A nagyobb elkormányzási szögeknél ennél nagyobb is előfordulhat, azonban ilyen kanyarodási helyzetben a jármű kisebb sebességgel halad, a kerekek esetleges oldalcsúszása nem veszélyezteti a jármű stabilitását. Az α = 20° elkormányzásnak kiemelt szerepe van a futómű beállítás és ellenőrzés műveleteiben is. A kormánygeometria minősítéséhez a járműgyárak megadják az α = 20°-os elkormányzáshoz tartozó gyári β szöget és annak tűrésmezejét.
Vizsla Utca: Futómű Beállítási Tippek
Kormányrendszer alkatrészei és balesetbiztonság
Az autó kormányművének legalapvetőbb részei a következők: a kormányrudak, a kormánymű, a kormánykerék és a kormányoszlop. A kormánykerék és a kormánygép közötti alkatrészek kiválasztásakor, tervezésekor lényeges követelmény a geometriailag korrekt tengelyvezetés mellett a határozott balesetbiztonság.
Az 1970-es évek elejétől általánosan előtérbe került a vezetőt védő, ütközéskor jelentős deformációt elszenvedő kormánykerék és oszlop. A Mercedes gépjárműveken acél gégecső alkotja a kormánytengelyt, amely a vezetőnek a kormánykerékhez ütődésekor összenyomódik és kihajlik. A légzsákkal felszerelt kormánykerék deformációja is csökkenti az ütközés energiáját. A Lemförder Fahrwerktechnik gyár a Volvo gépkocsikhoz kombinált csőtengelyt fejlesztett ki, amelynek felső tagját összecsúszó csövek, az alsó tagját gégecső alkotja. Ez a szerkezet hosszabb deformációs elmozdulást tesz lehetővé, jelentősen csökkenti az ütközés energiáját.
A kormánykerék tengelye és a kormánygép közötti tengelykapcsolatnak több funkciót is kell teljesítenie: kellően rugalmasnak kell lenni, minél kisebb szöglengéseket végezzen forgatáskor, kellő szilárdságú legyen, és jó hatásfokkal üzemeljen. A kisebb személyautóknál ezeket a követelményeket az egyszerű gumitárcsás tengelykapcsoló (Hardy-tárcsa) is kielégíti. Nagyobb személyautóknál, haszonjárműveknél már tűgörgős csapágyazású kardáncsuklókat alkalmaznak.
Kormánygépek működése és a szervokormányzás evolúciója
A kormánygépek feladata a kormánykerék forgó mozgását alternáló mozgássá átalakítani. A kormánygépeknek a forgómozgás átalakítását megvalósító mechanizmus szerint számos típusa alakult ki. Korszerű szerkezetük, korrekt geometriájuk, kedvező gyártási és karbantartási tulajdonságaik következtében a fogasléces kormánygép a leggyakrabban alkalmazott típus.
A szervokormányzás megjelenése
A szervokormányzás az egyik legnagyobb evolúciós lépés a kormányzási technológiában. Hidraulikusan növeli a vezető kormányzási erejét. A szervokormány előtt az autó parkolása felért egy edzéssel. A szervokormányzás részben módosítja a fogasléchajtás működését, hiszen egy további, a motor által hajtott szivattyú vagy elektromotor segíti a kormányrendszert.
A hidraulikus szervokormány következő fejlesztése a Servotronic volt, amely lehetővé teszi, hogy a kormányrásegítés mértékét a jármű sebességéhez igazítsuk. Mivel a Servotronic segíti a manővereket, a vezető részéről kevés erőfeszítést igényel, nagyobb sebességnél pedig stabilitást biztosít. A sima szervokormányzással szemben most már mindkettő lehetséges.
Az elektromos szervokormány (EPS - Electric Power Steering) a kormányzás történetének „Nagy Bumm”-jának nevezhető. A Servotronic előnyeit kínálja, miközben üzemanyagot takarít meg, mivel az EPS motor csak akkor használ áramot, amikor valóban kormányozni kell. Mivel az autók a legtöbb időt egyenesen haladva töltik, ez aktív szerepet játszik a fogyasztás csökkentésében, ami jó három százalékos üzemanyag-megtakarítást jelent.
A modern kormányrendszerek "tudása"
A modern szervokormányok számos biztonsági intézkedést segítenek, és kényelmi, kezelési funkciókat is lehetővé tesznek. A mechatronika itt is a megoldás kulcsa: olyan mechanizmusokat kell létrehozni, melyek működése elektronikus irányítás alá vonható. Nézzük, milyen képességekkel kell felruházni a kormányzást annak érdekében, hogy hozzájárulhasson a korszerű biztonsági és kényelmi követelmények teljesítéséhez:
- A szervorásegítés legyen sebességfüggő: Célszerű, ha álló helyzetben való kerékelfordítás, illetve kis sebességgel haladó jármű (pl. parkolási manőverek során) nagy szervoerővel segíti a kormányzást. Nagy sebességű haladásnál viszont kis mértékű legyen a rásegítés a biztonság érdekében, hogy ne lehessen könnyen, kis kézinyomatékkal elkormányozni.
- A kormánygép áttétele legyen változtatható: Parkolásnál célszerű a nagy áttétel, nagy sebességnél viszont ugyanolyan mértékű elfordítás kis kerékelfordítást vonjon maga után. Autópályán, nagy tempóban, kis kormányáttétellel haladó gépjármű előtti automatikusan felismert akadály vészhelyzeti kikerülésénél a rendszernek a kormányáttételt növelnie kell tudni.
- Az ESP funkció támogatása: A gépjármű kitörésénél a függőleges tengely körüli perdülés mérsékelhető vagy megakadályozható kerekenkénti fékezéssel vagy hajtással, de jó eredmény érhető el kormányzással is. A stabilizáló (ellen)kormányzásnak a vezetői kerékelfordítástól függetlennek kell lennie, azt növelheti vagy mérsékelheti.
- Elhúzáskorrekció: Ha a gépkocsira hosszan tartó vagy állandó oldalerő hat, például tartós oldalszél vagy pályadőlés, esetleg futómű-beállítási vagy gumiabroncs-hiba okozza az elhúzást, akkor kormányzással ezt korrigálni lehet.
- Önálló kormányzás: Az automatikus parkolási manővereknél, farral való párhuzamos vagy merőleges beállásnál a kormányzás vezetői beavatkozás nélkül történik, illetve nem is szabad ilyenkor a kormányt megfogni.
- Automatikus kikerülés: Váratlan akadály felbukkanásakor vagy utoléréses ütközés veszélyekor a vészfékezésen túl szóba jöhet az automatikus kormányzással történő irányváltás is, a baleset következményeinek mérséklése, esetleg elkerülése végett.
- Segített, kontrollált kormány egyenesmeneti visszajárás: Az elkormányzott kerék egyenesmenetbe való szabad visszajárását a kerékre ható, a futómű-geometriából adódó visszatérítő nyomaték okozza. Az elektromos szervó segítheti, hogy az mindig határozottan, megadott sebességgel történjen.
Aktív kormányrendszerek
Mindezeket összességében tudják az ún. aktív kormányrendszerek. Az „aktivitás” lényege az, hogy a kerékelfordítás mindenkori szöge két bemenő elfordítástól függ: az egyik a vezetői kormánykerék-elfordítás, a másik a gépi korrekciós elfordítás, mely a kormánykerék-elfordítástól függetlenül azt meg tudja növelni vagy le tudja csökkenteni. Tehát a kerékelfordítás e kettő előjelhelyes összege lesz.
Az aktív kormányzás bolygómű vagy hullámhajtómű révén valósul meg. Az aktív kormányművek bolygóműves változatát BMW modelleken találjuk. Ha a bolygókerékház a kormánytengely-jelfordulással azonos értelemben fordul el, növeli az elkormányzást, az ellenkező esetben csökkenti. Kormány középállásban az aktív kormányzás jobbra is, balra is tud néhány fokot elfordítani, például oldalszél esetén.
A ZF cég és mások is hullámhajtóművet alkalmaznak, hogy két szabadságfokúvá tegyék a kormányzást, azaz a kerék elfordulását két bemeneti jellemzővel együtt határozzák meg: az egyik a kormánykerék vezetői elfordítása, a másik a járműmozgás-szabályozás beavatkozása. A hullámhajtómű rendkívül kis helyet foglal el, például elhelyezhető a kormányoszlopon. Erre példát az Audi A4 „Dynamiklenkung” (dinamikus kormányzás) rendszere ad. A kormánykerék elfordítása a hullámhajtómű ovális, deformációra képes (flexibilis) oválkerekére (Flextopf) hat, annak fogain át jut a gyűrűkerékre és végül a fogaslécet hajtó fogaskerékre. Az oválkerékben foglal helyet a villanymotorral forgatott hullámgenerátor-tárcsa.
Félaktív szervokormányok és az EPS család
Az elektromechanikus szervokormányok irányítóegységei a fentebb részletezett követelmények közül csak arra nem programozhatóak, amihez vezetőfüggetlen korrekciós kerékelkormányzás szükséges, mert mechanizmusuk ezt nem teszi lehetővé. Ezért nevezzük az irányított - ECU „vezérelt” - elektromechanikus szervokormányokat félaktív szervokormányoknak.
Az EPS (Electrical Power Steering) a félaktív elektromechanikus szervokormány már ma is jelentős elterjedtségű az autótechnikában. A szerkezeti kialakítás változatos, a villanymotoros hajtómű elhelyezkedése lehet:
- a kormányoszlopon, az áttétel csigahajtás (EPSc),
- a fogaslécet hajtó fogaskerék-behajtásnál, az áttétel csigahajtás (EPSp),
- a fogasléccel párhuzamos tengelyelrendezéssel, az áttétel kétszeres csigahajtás (EPSdp),
- a fogasléccel párhuzamos tengelyelrendezéssel, az áttételt különböző átmérőjű fogazott kerekek adják szíjhajtással, a fogasléc elmozdítása golyósorsóval történik (EPSbd),
- a fogasléccel egytengelyű elrendezésű, a villanymotor forgó- és állórésze a fogaslécet körülfogja, a fogaslécre a forgórész golyósorsón keresztül viszi át a nyomatékot (EPSrdd).
A rendszer működéséhez számos bemeneti információ szükséges, melyeket különböző jeladók szolgáltatnak, többek között a kormánykerékelfordítás-szögjeladó, a kézinyomaték (torziósrúd-elcsavarodás érzékelése), a villanymotor-fordulatszám és szögsebesség-jeladó, a villanymotor/elektronika hőmérséklete, a tápfeszültség, a motorfordulatszám, a gépkocsisebesség és az ESP-beavatkozás adatai.
Póluspontok és önkormányzás
A jármű kormányzásakor a vezető a kormánykerekeket forgatja, és az állandó mechanizmuson keresztül a rugózás következtében függőlegesen mozgó kereket elfordítja. Az egész irányítási folyamat a kocsitest súlypontjához kötött koordinátarendszerből indul ki. A két koordinátarendszer határán lévő csuklópontot nevezzük a kormánymechanizmus póluspontjának.
- Merevhidas futómű esetén: Egy póluspontja és egy szabályzórúdja van a kormánymechanizmusnak. Rögzített kormánykerék melletti haladáskor a járműkerék ki-berugózását követve a szabályzó rúd az álló póluspont körül a rúd hosszának megfelelő gömbfelületet tud leírni. Ha a két felület egybeesik, akkor ténylegesen nincs elkormányzás, ha viszont nem esik egybe, akkor a különbség a kerék önkormányzását idézi elő.
- Független felfüggesztésű futómű esetén: A kormányrendszerben szimmetrikusan elhelyezkedő két póluspont található. A kerék ki-berugózásakor a trapézkar gömbcsuklójának középpontját (U) a mechanizmus póluspontjában (T) kikötött nyomtávrúd körpályára kényszeríti (L), miközben a felfüggesztő rudazat a kerekek elkormányzása nélkül egy meghatározott pályán mozgatná a trapézkar csuklópontját.
A járműfelépítmény egyenes haladáskor lüktető gázadásra vagy fékezés hatására bólintó mozgást végez, a két kerék azonos fázisban rugózik, a kerekek szimmetrikusan az összetartás vagy széttartás irányába önkormányoznak. A kerekeknek ezt a szimmetrikus önkormányzását a szakzsargon tapsolásnak nevezi.
A póluspontok koordinátáinak és a szabályzórudak hosszának megtervezése az irányzókar, illetve a trapézkar középpontjainak által leírt, igényelt pálya megszerkesztésével kezdődik. Az igényelt pálya leírhatja az elkormányzás nélküli ki-berugózáshoz vagy valamilyen önkormányzási célfüggvényhez rendelt mozgást. Független felfüggesztésű futóművek kormánymechanizmusának póluspontjait kinematikai szerkesztéssel is meghatározhatjuk, mint például a háromszög-trapéz keresztlengőkaros futóműnél vagy a McPherson-féle futóműnél.
Hátsókerék-kormányzás
Létezik egy opcionális funkció is, a hátsókerék-kormányzás, amely bizonyos modellekben elérhető. Ez tovább segíti a jármű agilis vezetési teljesítményét. Fokozza a jármű sávstabilitását nagyobb sebességnél (a hátsó kerekek az első kerekekkel együtt fordulnak), és javítja az autó manőverezhetőségét kisebb sebességnél (a hátsó kerekek az első kerekekkel ellentétes irányban fordulnak). Ez jelentősen csökkenti a fordulási sugarat. A hátsókerék-kormányzás egy autóosztállyal „csökkenti” az autó kezelhetőségi érzetét.
A jövő kormányzása: Autonóm vezetés és Steer-by-Wire
Egy magasan fejlett elektromos kormányrendszer jellemzői a kulcsot jelentik minden jövőbeli fejlesztéshez - és különösen az autonóm vezetéshez. Az elektromos kormányzás lehetővé teszi majd a mérnökök számára, hogy a számítógépes rendszerek autonóm módon vezessék az autót. A drive-by-wire rendszerek is ebbe a területbe tartoznak. Ez egy átfogó kifejezés azokra a rendszerekre, amelyekben nincs többé mechanikus vagy hidraulikus kapcsolat a vezető által működtetett eszközök (kormánykerék, fékek és gázpedál) és a járművet vezérlő rendszerek között.
A kormányrendszer esetében a steer-by-wire azt jelenti, hogy a kormánykerék és az első kerekek közötti kapcsolat tisztán elektronikus. A steer-by-wire nagy előnye, hogy a kerekek és a kormánykerék egymástól függetlenül foroghatnak. Ez az autonóm vezetés szempontjából is fontos: a kormánykeréknek nem kell többé forognia (mint a parkolássegítésnél).
A futómű beállításának fontossága
A futómű beállítása azért szükséges, mert a különböző behatások miatt az folyton deformálódik, és így egy idő után a kerék dőlése, utánfutása és összetartása is megváltozik. Ez pedig nemcsak a vezetés élményét rontja, hanem rendkívül balesetveszélyes is lehet, ha nincs a futómű megfelelően beállítva. A legtöbb autókkal foglalkozó weboldalon azt láthatjuk, hogy a szakértők azt javasolják, hogy legalább évente egyszer, vagy minden megtett 15.000 kilométer után érdemes elvinni az autót a műhelybe, hogy annak futóművét beállítsák. Nem szabad elfeledkezni róla akkor sem, ha új téli- vagy nyárigumit szereltek fel a kocsira, vagy a futómű valamelyik alkatrészét kicserélték.
Az elektromos kormánymű felújítás egy komplex és precíz folyamat, ami számos lépést igényel a megfelelő működés biztosítása érdekében. A felújítás lehetősége akkor merül fel, amikor a kormánymű nem működik megfelelően, de még nem indokolt a teljes csere. Ez biztosan a gazdaságosabb megoldás. A felújítás során az eredeti alkatrészeket, ahol csak lehetséges, megtartják, és csak a kopott vagy sérült részeket cserélik ki.
tags: #futómű #modell #kormányzás #működése