A Kerék és a Talaj Közötti Nyomaték Jelentősége és Alkalmazása
A gépjárművek biztonságos és hatékony működéséhez elengedhetetlen a kerék és a talaj közötti kölcsönhatás pontos megértése. A kerék-talaj kapcsolat ugyanis a hosszirányú (gyorsítás/lassítás), a keresztirányú (irányváltoztatás) és a függőleges irányú (rugózás) mozgások során egyaránt szerepet játszik. Ez a kölcsönhatás számos tényezőt foglal magában, a jármű mozgásdinamikájától kezdve a kerékcsavarok megfelelő meghúzási nyomatékáig, amelyek mind a biztonságot és a menettulajdonságokat befolyásolják.
A kerék-talaj kölcsönhatás dinamikai alapjai
A gépjármű dinamikai modellezésének elengedhetetlen feltétele a gumiabroncsok modellezése. A dinamikai hatások jó része a jármű és környezet kölcsönhatásaként jön létre, például súrlódás, légellenállás, út és kerék kontaktus. Szimulációk során cél ezeknek a hatásoknak minél élethűbb modellezése és reprodukálása. Amíg az útmodellek célja az útgerjesztés leírása, addig a kerékmodellek az út-kerék kölcsönhatás leírását adják meg.
A kerék és útfelület kölcsönhatását tekintve általában az jellemző, hogy csak a gumiabroncs nyomódik be, az útfelület nem deformálódik. A kerék és a pálya érintkezése nem egy pont, hanem ellipszis és a nyomás egy ellipszoid mentén oszlik el. A függőleges terhelés következtében a gumiabroncs deformálódik: egy adott része hol összenyomódik, hogy megnyúlik és a talajon egy felfekvő felületet alkot.
Erők és nyomatékok a keréken
A gumiabroncs biztosítja az erőátvitelt a jármű és az út között. A jármű súlya képviseli a függőleges irányú (útra merőleges) erőket, a gyorsulás/lassulás a hosszirányúakat, a kanyarodáskor pedig oldalirányú erők hatnak.
Az aktív erők közül a kerék középpontján halad keresztül a függőleges terhelőerő, ami a kerék együttes tömegéből és a gépjármű tömegének a kerékre eső részéből tevődik össze. Aktív erő a vízszintes vonóerő, amivel a gépjármű tengelye tolja vagy húzza a kereket (valójában a kerék és az út érintkezési pontján ébred). Vízszintes úton gördülő járműkerékre ható passzív erők csak akkor ébrednek, ha valamilyen aktív erő hat. Így például a reakcióerő, a kerék és a talaj felfekvési felületén ébred: mivel a kerék nem pontban, hanem felületen érintkezik a talajjal, a reakcióerő egy elosztott erőként jelentkezik, amelyet azonban a számításokban egy koncentrált erővel helyettesítenek.
Forgatott (hajtott) vontató kerék, emelkedőn felfele: ilyenkor a motornak nyomatékot kell kifejtenie a kerékre, hogy a jármű meg ne álljon. A hajtott kerék toló/vonóerőt fejt ki a tengelyen keresztül a járműre. A reakcióerő eredője a kerék talppontjától a menetirányban eltolva hat, s függőleges komponense a súlyerővel tart egyensúlyt. A reakcióerő vízszintes komponense előre mutat és a vonóerővel tart egyensúlyt.
Csak forgatott (hajtott) kerék, vízszintes úton: ekkor a motornak nyomatékot kell kifejtenie a kerékre az egyenletes haladás érdekében. Ebben az esetben nincs vonóerő, s a reakcióerő eredője a függőleges terhelőerővel tart egyensúlyt, nyomatéka pedig a forgatónyomatékkal.
Forgatott (hajtott) és vontatott kerék enyhe lejtőn: ebben az esetben a jármű súlyából adódik egy haladás irányú vonóerő, de ez még nem akkora, hogy a motornak ne kelljen nyomatékot kifejtenie a kerékre. A reakcióerő függőleges komponense a terhelőerővel tart egyensúlyt a vízszintes komponense a haladással ellentétes irányba mutat és a vonóerővel tart egyensúlyt.
Csak vontatott kerék, lejtőn: ilyenkor a jármű súlyából adódó vonóerő éppen legyőzi a gördülési ellenállást, azaz ekkor nincs forgatónyomaték.
Fékezett és vontatott kerék meredek lejtőn: ebben az esetben a jármű motornyomaték kifejtése nélkül is gyorsulna. Az egyenletes sebesség biztosításához tehát a járművet fékezni kell. Ez eredményezi a keréken a fékező nyomatékot. Ekkor ugyan van forgatónyomaték, de most a kerék forgásirányával ellentétes irányban hat.
Kerékrajzok és fényszórók Chevrolet modellekhez
Gördülési ellenállás és tapadás
Ha a kerék gördül, akkor a gördülés alatt a nyomás eloszlása a felfekvő felületen nem egyenletes. Így a fellépő erő már nem szimmetrikus a függőleges terhelőerőhöz képest, az eredő vertikális erő nem a kerék talppontjában, a felület középpontjánál, hanem attól a haladás irányában eltolva, előtte hat. Ez lesz a gördülési ellenállás karja. A deformáció során a befektetett mechanikai energia egy része elnyelődik, azaz hővé alakul. Ennyivel több energiát kell befektetni a gumiabroncs mozgásban tartásához, gördüléséhez. Ezért ha nem fektetnünk be folyamatosan energiát, akkor a gördülési ellenállástól egy idő után megállna a gördülő kerék, ugyanúgy, mint a súrlódástól. A gördülő ellenállás általában sokkal kisebb, mint a száraz csúszó súrlódás. A gumiabroncs deformációja miatt a befektetett energia nem nyerhető vissza teljesen, egy része elvész.
A mechanikából ismeretes a tiszta csúszósúrlódás valamint a tiszta nyugvósúrlódás. Mindkettőt azzal a fajlagos erővel jellemezhetjük, amely szükséges a csúszás fenntartásához, illetve megindításához. A kerék gördülésekor fellépő tapadás nem egyszerűen a nyugvósúrlódáson alapszik. Vannak gumiabroncsszemcsék, amelyek pillanatnyilag mozdulatlanok, de vannak olyan szemcsék is az abroncs és az út érintkezési felületén, amelyek csúsznak. A talaj és a gumiabroncs között fellép egy vákuumos szívóhatás is, ami az abroncsfelület elválását nehezíti meg. Így a gördülő kerék tapadását nem jellemzi egyértelműen sem a csúszó-, sem a nyugvósúrlódási tényező.
Az így bevezetett tapadási tényező értéke több elemtől függ: például az út minőségétől és állapotától, a gumiabroncs minőségétől és állapotától, bizonyos mértékig függ a jármű sebességétől valamint kisebb mértékben függ a gumiabroncs légnyomásától. Csúszó súrlódásról akkor beszélünk, ha a kerekek nem gördülnek, hanem csúsznak a felületen. A csúszó súrlódási tényező értéke mindig kisebb, mint a tapadási tényezőé.
A gördülési ellenállás tényezője a gumi légnyomásától, a gumiabroncs típusától (összetételétől) és a kerékterhelésétől függ. Ezeken a gumi összetétele van rá hatással. Terepen a talaj minősége játszik fontos szerepet.
Nedves talajon, bizonyos vízrétegvastagság felett a gördülési ellenállást növeli a lökéshullámból adódó ellenállás, amely a talaj és a gumiabroncs közé ékszerűen benyomuló víz kiszorítása miatt lép fel. A lökéshullám ellenállása a sebességtől, az abroncs szélességétől és a vízréteg vastagságától függ. A gördülési ellenállást növeli a kerékösszetartásból eredő ellenállás is.
Teljes útmutató a Ford Transit kerékméreteihez
Menetellenállások és befolyásoló tényezők
A hosszirányú járműdinamikai modellezés két fő témaköre a következő: egyrészt a menetellenállások, mint például a gördülési ellenállás, kanyarellenállás, légellenállás, emelkedési ellenállás, gyorsítási ellenállás, vizsgálata.
A kanyarellenállás ívmenetben a gumiabroncs oldalirányú deformációja következtében keletkezik. A kerékoldalerő mozgással ellentétes irányú komponense a jármű mozgását fékezi.
A mozgásban lévő járművön a menetszél következtében a mozgás irányával ellentétesen ható erő, légellenállás keletkezik. A légellenállás nagysága a jármű alakján kívül elsősorban az áramlási sebességtől függ. A természetben az áramlási szög állandóan változik, mert a szélsebesség és az útirány is változik. Az áramlási veszteségek az áramlási sebesség négyzetével nőnek.
Az emelkedési ellenállás a jármű tömegéből és a lejtő szögéből számítható. Gyorsításkor a jármű transzlációs és rotációs mozgást végző tömegeinek tehetetlenségi ellenállását kell leküzdeni.
Lecture 8 - Forces acting when a vehicle move
Kerékdinamika és szlip
A gumiabroncs kerületén ébredő hosszirányú erők a következő tényezőktől függnek: hosszirányú szlip, a függőleges kerékterhelés és a tapadási tényező. Hajtónyomaték vagy fékező nyomaték hatása alatt a gumiabroncs felfekvő felületén lévő gumirészecskék parciális csúszása miatt sebességkülönbség keletkezik a jármű sebessége és a kerék gördülési sebessége között. A hosszirányú szlip () a menetsebesség és a kerék/talaj közötti relatív sebesség különbségéből határozható meg. A dinamikus keréksugár a gumiabroncs legördülési kerületéből adódik. A legördülési kerület egyenlő a szabadon gördülő kerék által egy fordulat alatt megtett úttal.
Egy meghajtó kerék esetén (elsőkerék hajtású jármű első kereke) a forgásból számított sebesség nagyobb a jármű sebességénél, azaz . Egy meghajtott kerék esetén a jármű sebessége nagyobb a kerék forgásából számított sebességénél, tehát . Összefoglalva, a kerék kinematikáját meghatározó legfontosabb tényezők az alábbiak: a jármű sebessége, a kerék kerületi sebessége valamint a csúszási sebesség. Az effektív gördülési sugár értékét a szabadon futó (fék/hajtás=) kerék szögsebessége határozza meg.
A kerékre ható, úttartást és menetstabilitást befolyásoló tényezők a csúszási szög az oldalerő és az általa generált nyomaték. Amennyiben a jármű a tapadási viszonyokhoz képest nagy sebességgel halad az ívben, a tapadás jelentős részét felemészti az íven tartás biztosítása: a tapadási tényező oldalirányú komponense megközelíti az útpálya és gumiabroncs közötti tapadási tényező értékét. A horizontális síkban maximálisan átvihető erőt az abroncs és a talaj érintkezési síkjában ható súrlódási viszonyok határozzák meg. Ha a keréken ennél nagyobb hajtó vagy fékerő lép fel, akkor a gumiabroncs nem tud a talajon tapadni és kipörög vagy blokkol.
Egy tipikus szlip görbe maximuma a tapadási tényező, ami a maximális erőkapcsolat kihasználást jelenti. Fékezéskor a tapadási tényező növekvő kerékcsúszás esetén intenzíven, kezdetben lineárisan majd kevésbé növekedve éri el maximális értékét. Ha a szlip görbe maximumán túl növekszik, akkor a súrlódási tényező leesik a csúszási tényező értékére. A görbének ez a szakasza az instabil tartomány, ami azt jelenti, hogy a szlip a görbe maximumának átlépésekor növekszik és a kerék a csúszás állapotába megy. A jármű iránytartása szempontjából a gumiabroncs oldalvezetési tulajdonságai jelentősek. A kormány működtetésével a kerék elfordul eredeti síkjától. A kerék emiatt nem a középsíkja irányában, hanem az úgynevezett kúszási szög alatt gördül le. A kerék sebességvektora a kerék középsík tengelyével szöget zár be. A felfekvő felületen fellépő oldalcsúszási sebesség oldalirányú szlipet okoz.
A kerék síkja általában nem merőleges az útra. A kerékdőlési szög () a kerék síkjának oldalirányú kitérését méri. Ez főleg motorkerékároknál jelentős, de bizonyos felfüggesztési megoldások hatására is jelentkezhet, amikor a tengelyterhelés változik. A dőlés hatására akkor is lesznek oldalirányú erők, ha nincs csúszás. A kerékdőlés is oldalerőt generál, amely irányától függően kanyarban növeli vagy csökkenti a centrifugális erőből adódó oldalerőt.
Kerékmodellek és szimulációk
Szimulációs célból a keréknek különböző bonyolultságú modelljeit használhatjuk. Vannak strukturális, komplex kerék modellek, mint például a végeselem modellek, ahol a kerék kis elemekre van bontva, az egyes elemekre és kölcsönhatásaira felírt (parciális) differenciálegyenletekkel. Az ennél valamivel egyszerűbb dinamikus kerék modellek közül megemlíthetők a kefe modellek, ahol a gumiabroncs szeletekre van bontva, és ezeknek a szeleteknek a mozgása, mintha egy kefe sörtéi lennének, van modellezve. A dinamikus kerék modellek általában túl bonyolultak ahhoz, hogy irányítási célú modellekben használjuk őket. Ilyen célokra megfelelőbbek a stacionárius kerék modellek, ahol a szlip egy stacionárius nemlineáris kifejezésként van modellezve.
Az állandósult állapotban a keletkezett kerék erők és nyomatékok a hosszirányú és oldalirányú csúszás függvényei.
Ennek az egyszerű longitudinális modellnek az alkalmazására álljon itt a vasúti kerék csúszásának vizsgálata fékezéskor. Láttuk, hogy a szlip értékei (szabadon futó kerék) és (blokkolt kerék) között lehetnek. A modell alapján egy blokkolásgátló fékezés lett tervezve.
A kerékcsavar meghúzási nyomatékának jelentősége
A kerekek megfelelő meghúzási nyomatékának fontosságát gyakran figyelmen kívül hagyják, különösen a gumiabroncsok cseréjekor. A kerékcsavarok túlzott vagy elégtelen meghúzása katasztrofális következményekkel járhat. Az autóklubok azt javasolják, legalább havonta egyszer ellenőrizze az anyák rögzítését, és szükség esetén húzza meg újra. A gyártói előírások szerinti kerékcsavar meghúzási nyomaték jelentősen csökkentheti a műszaki meghibásodás okozta baleset kockázatát. A helytelenül felrakott rögzítőelemek akár balesethez is vezethetnek.
A csavarok meghúzási nyomatéka nem tankönyvi elmélet - ez egy kulcsfontosságú paraméter, amely meghatározza a biztonságot és a jármű tartósságát. Bárki megtapasztalhatja, hogy szüksége van a gumiabroncs cseréjére - az autópálya szélén, munkába menet vagy a parkolóban. Fontos tudni, hogyan kell helyesen csinálni, hogy elkerüljük a veszélyes hibákat.
Mi az a kerékcsavar és a meghúzási nyomaték?
A kerékcsavar egy általában hatszögletű, a kerék rögzítéséhez használt csavar. A kerékcsavarok meghúzási nyomatéka az az erő, amellyel a csavarok a felnit az agyhoz nyomják. Newtonméterben (Nm) fejezik ki. Ez nem véletlenszerű érték - a gyártók a maximális biztonság biztosítása, a csavarok és a felnik túlterhelésének elkerülése, valamint a felfüggesztés alkatrészeinek élettartamának meghosszabbítása érdekében számítják ki.
A sikeres rögzítés érdekében fontos, hogy a kerékcsavar és a kerékanya menete megegyezzen. Ellenkező esetben akár súlyos kár is keletkezhet a kerékagyban. Minden esetben győződjön meg arról, hogy az anya és a csavar menete illeszkedik egymáshoz.
Gyakori kerékcsavar menet típusok:
- M12x1,25
- M12x1,5
- M14x1,5
- M14x1,25
A gyártói előírások, melyek a gépjármű műszaki könyvében is megtalálhatóak, pontosan meghatározzák a kerékcsavar optimális menethosszát. Ettől az értéktől nem javasolt eltérni, az ugyanis pontatlan illeszkedéshez vezethet. A csavar kialakítása szerint megkülönböztetnek rádiuszos, mozgókúpos és kúpos rögzítő eszközöket. A kialakítás hatással lehet a menethosszra, így ezt is érdemes választáskor figyelembe venni.
Az optimális kerékcsavar meghúzási nyomaték szerepel az autó műszaki könyvében, amely gyakran digitálisan is elérhető a gyártó honlapján. Fontos megjegyezni, hogy az értékek a következőktől függően változhatnak:
- csavar átmérője
- felni anyaga (acél vagy alumínium)
- autó típusa (személyautó, SUV, kisteherautó)
A tipikus személygépkocsik 100-140 Nm nyomatékot igényelnek, míg a nagyobb SUV akár 170 Nm-t is. Ha valamilyen okból ezt nem találja, érdemes autószerelő segítségét kérni a megfelelő meghúzási nyomaték meghatározásához.
| Járműtípus / Felni anyaga | Nyomaték tartomány (Nm) | Megjegyzés |
|---|---|---|
| Személygépkocsi (általános) | 100-140 Nm | Típustól és mérettől függően változó |
| Nagyobb SUV | Akár 170 Nm | Nagyobb tömeg és terhelés miatt |
| Acél felni | Gyártói előírás szerint | Fontos a csavar átmérője |
| Alumínium felni | Gyártói előírás szerint | Anyagérzékenység miatt pontos betartás szükséges |
A meghúzás lépései és gyakori hibák
A kerékcsavarok vagy anyák meghúzási nyomatéka egy olyan paraméter, amely közvetlenül befolyásolja a vezetési biztonságot, a felfüggesztés alkatrészeinek tartósságát és az autó utazási kényelmét. A látszattal ellentétben az érzésre való meghúzás nem jó gyakorlat - a túl kevés vagy túl sok erő komoly problémákhoz vezethet.
A kerék megfelelő meghúzásához nem elég a jó fogás és az erős kezek. Elengedhetetlen egy nyomatékkulcs - egy olyan eszköz, amellyel pontosan meghatározható a szükséges nyomatékérték.
Nyomatékkulcs típusok:
- Clicky - népszerű és olcsó, jellegzetes kattanást adnak, amikor elérik az értéket.
- Elektronikus - drágább, de kijelzővel és nagyobb pontossággal.
Javasoljuk, hogy a kerékcserét kizárólag akkor végezze el otthon, amennyiben rendelkezik a szükséges eszközökkel és ismeretekkel. A helytelenül rögzített kerék balesetveszélyes, így a megfelelő képességek hiányában forduljon autószervizhez.
A meghúzás lépései:
- Helyezze az autót sík felületre, és biztosítsa elgurulás ellen.
- Tisztítsd meg az agy és a felni felületét a szennyeződésektől, rozsdától és fémreszeléktől.
- Kézzel húzza meg az összes csavart, hogy elkerülje a menetek sérülését.
- Előzetes meghúzáskor keresztirányú (csillag) mintát használjon.
- Állítsd be a nyomatékkulcsot a gyártó által ajánlott értékre, és ugyanabban a sorrendben húzd meg a csavarokat.
- 50-100 km megtétele után ellenőrizze a csavarok meghúzását.
Hasznos tippek a meghúzáshoz:
- Amennyiben a kerékcsavar deformált vagy korrodált, minden esetben szükséges cserélni. Ilyenkor nem elegendő a csavar meghúzása.
- Érdemes a kerékanyákat is ellenőrizni, amennyiben deformálódott vagy rozsdás, azt is érdemes cserélni.
- Kerülje a zsiradékok és olajok használatát! A kenés csökkenti a súrlódást, és a meghúzási nyomaték túllépését okozhatja, ami károsíthatja a menetet vagy a csavar törését okozhatja.
- Sose használjon ütőműves csavarbehajtót a keréknyomaték beállításához!
- Kövesse a gyártói előírásokat minden esetben!
A leggyakoribb vezetői hibák:
- Magas kerékcsavar meghúzási nyomaték: Olyan esetekben, amikor valaki eltér a gyártói előírásoktól vagy nem nyomatékkulcsot használ, előfordulhat, hogy túl magas nyomatékot állít be. Ennek számtalan negatív következménye lehet: a kerékcsavar megsérülhet és deformálódhat, torzulhat a felni, de a kerékcsavar menete is sérülhet. Ha túl erősen húzzuk meg a csavarokat, akkor egy esetleges defekt esetén az autóban található hagyományos kulccsal képtelenek leszünk (megfelelő erőkar nélkül) meglazítani a kerékcsavarokat.
- Alacsony kerékcsavar meghúzási nyomaték: Hasonlóan a túl erősen meghúzott csavarokhoz, az alacsony meghúzási nyomaték is negatív konzekvenciákhoz vezethet. Ilyen esetekben gyakori, hogy normál menetsebesség mellett rázkódni kezd az autó, idővel tovább lazul a kerékcsavar, amely súlyos esetekben akár balesethez is vezethet. Az alacsony kerékcsavar meghúzási nyomaték bekövetkezhet a felgyülemlett rozsdásodás következtében megváltozott optimális nyomaték érték miatt is.
- Helytelen kerékcsavar használata: További problémát jelenthet a helytelen kerékcsavar vagy kerékanya használata. Ennek elkerülése érdekében minden esetben ragaszkodjon a gyártói ajánláshoz. A rossz menethossz vagy menet típus tönkre teheti a kereket rövid idő alatt, amely jelentős extra költségeket okoz.
A csavarok túlhúzása károsíthatja az agy menetét vagy magát a csavart. A féktárcsa eldeformálódását is okozhatja, ami fékezéskor a kormánykerék lötyögését eredményezi. Ebben az esetben a sérült alkatrészek cseréje felesleges kiadás. Egyes esetekben más alkatrészek - például az agy - megsérülhetnek, amikor a kerékcsavarokat ráhúzzák. A váltakozó kapcsolat (ennek néha a kerék kézzel történő mozgatásával is tanúja lehet) jobban felmelegíti a féktárcsa egyik részét, mint a másikat. Fékezésnél a járművezető rezgő érzést fog érezni a kormánykeréken, amelyet a féktárcsa és a fékbetét közötti rendellenes súrlódási érintkezés okoz az eltérő hőmérséklet miatt. Nagyon könnyű megkülönböztetni ezt a problémát az általánosabb „torzult féktárcsától”. A féktárcsa és a fékbetétek teljes élettartama során a féktárcsa deformálódni fog, míg a fékbetétek szabálytalan kopástól szenvednek.
Adaptív rendszerek és biztonság
Rossz időben különlegesen fontos az koncentráltság, a fokozott odafigyelés. A gépjárművek esős illetve fagyos úton másként viselkednek, más a tapadásuk, másként reagálnak a kormányzásra. Az útállapot erősen befolyásolja az gépjármű menettulajdonságait, és a maximális haladási sebességet. A pálya minősége határozza meg az úttartást és a maximális haladási sebességet. Minél jobb a minőség, annál nagyobb lehet a sebesség, és annál biztonságosabb a közlekedés. Az eső az égből hulló csapadékot, a jég pedig a megfagyott csapadékot jelenti; mindkettő erősen csúszóssá teszi az utat.
Egy hagyományos sebességtartó irányítás a vezető által megadott sebességérték tartására képes. Az adaptív sebességszabályozás feladata a hagyományos menetsebesség szabályozáson nyugszik, ami tartja a megadott sebességet. A szabályozás képes váltakozó forgalmi körülményekhez automatikusan igazodni: gyorsítani, gázadást csökkenteni, fékezni.
Az oszlopban haladó járművek irányítása azt a jellegzetes forgalmi szituációt kísérli meg automatizálás által biztonságosabbá és költséghatékonyabbá tenni, amikor több jármű, hosszú távon, azonos útszakaszon halad. Emellett a környező járművek aktuális pozíciójának pontos ismerete segítheti a ráfutásos balesetek kiküszöbölését is. Az oszlopban haladó járművek esetén a cél a minél kisebb követési távolság megvalósítása. A string stabilitás biztosítja, hogy az egyes járművek elérjék a számukra előírt pozíciót a járműoszlopon belül, továbbá garantálja, hogy a konvoj elején - például a vezető jármű hirtelen fékezése miatt - keletkező követési hiba folyamatosan csökkenő hibát okozzon a járműoszlop mentén.