9. fejezet - Összkerék kormányzás

A kormányzással a gépkocsi kereszt irányú dinamikáját tudja megváltoztatni a vezető. Ennek segítségével irányíthatja a gépkocsit. Különböző kormányzási módokat alkalmaznak. a közúti járműveknél leggyakoribb az „Ackermann” féle tengelycsonk kormányzás az első kerekeknél. Speciális kivitelű gépkocsiknál alkalmazzák az összkerék kormányzást. Targoncáknál rakodó gépeknél inkább a hátsó kerék kormányzás a jellemző. Két részes felépítményű mezőgazdasági gépeknél és különböző munkagépeknél az ízelt kormányzással is találkozhatunk. Az összkerék kormányzású gépkocsik részaránya a teljes kínálathoz képest viszonylag kicsi. Ennek ellenére ebben a fejezetben összefoglaljuk a különböző változatokat.

Már a gépkocsik kezdeti fejlesztési időszakában is alkalmazták az összkerék kormányzási módot, hogy az első kerekekkel együtt a hátsókat is elkormányozzák. Ezt aktív összkerék kormányzásnak nevezzük. A fejezet végén a passzív változatról is szót ejtünk. A Mercedes-Benz 1937-ben gyártotta a képen látható G5 típusjelű összkerék kormányzású gépkocsit. Elsősorban katonai terepjáróknál, illetve újabban nagy sebességű személygépkocsiknál találkozhattunk ilyen megoldásokkal. Erre látunk példákat az alábbi képeken.

9.1. ábra - Német és amerikai katonai terepjáróknál alkalmazott összkerék kormányzás.Jelentős hátsó kerék elkormányzási szöggels.

Az első képen látható, vagy ehhez hasonló konstrukciókkal jelenleg már csak a terep versenyeken résztvevő gépkocsiknál találkozunk. A jelenleg gyártott nagy sebességű, országúti autóknál azonban lényegesen kisebb elkormányzási szögeket alkalmaznak a hátsó kerekeknél, mint a katonai terepjáróknál, ráadásul az elkormányzás iránya és a szöghelyzet a sebességtől függően vagy azonos, vagy ellentétes az első kerekekével. Ezekben az esetekben más teszi indokolttá az összkerék kormányzás létjogosultságát.

9.2. ábra - Honda Prelude 4WS nél a hátsó kerekek elkormányzási szöge csupán néhány foknyi.

A hagyományos kormányzásnál ugyanis a kormánykerék elfordítását csak némi késedelemmel követi a gépkocsi dinamikus reakciója. Összkerék kormányzásnál ez a késedelem lényegesen kisebb lesz. Stabilabbá válik a gépkocsi és javul a dinamikai viselkedése. Ehhez azonban az első és a hátsó kerekek kormányzását megfelelő módon össze kell hangolni. Ebben jelenleg már segítségül hívják az elektronikát is. Az összkerék kormányzás számos előnyén kívül hátrányként kell megemlíteni, hogy a kiegészítő szerelvények miatt drágábbá válik a gépkocsi. A bonyolultabb műszaki megoldás üzemeltetési és javítási költségei is növekszenek. Az sem elhanyagolható, hogy a tömege is egy kicsit nagyobbá válik.

9.3. ábra - A bójákkal kitűzött pálya összkerék kormányzással precízebben követhető és stabilabb lesz a gépkocsi.

A 80-as, 90-es évektől folytak intenzív fejlesztések az összkerék kormányzással kapcsolatban. A japán gépkocsik voltak ezen a területen az élenjárók. A Mitsubishi Galant bizonyos típusváltozatainál például ebben az időben már a széria felszereltséghez tartozott az összkerék kormányzáson kívül, az összkerék hajtás, az aktív kerékfelfüggesztés és az ABS is. A Honda Prelude mechanikus összkerék kormányzást alkalmazott. A Honda Accordnál már sebességfüggő módon működött az összkerék kormányzás. A Mazda 626 –os típusnál 50 km/h sebesség felett vált aktívvá az összkerék kormányzás. A gépkocsi menetbiztonságára is nagy gondot fordítottak. Ha például a hidraulika rendszerben csőtörés, vagy más meghibásodás következik be a gépkocsi automatikusan első kerék kormányzásúvá válik. A Nissan például több típusában is a HICAS (High Capacity Actively Controlled Steering) rendszert alkalmazza, melyet 1985-ben mutattak be. Ennél a hátsó kerekek kormányzása is hidraulikusan történik. Az első kerekek szervokormányához alkalmazott, nagyobb teljesítményű szervo szivattyú látja el tápnyomással a hátsó kerekek kormányzását is.

Nem sokkal az ezredforduló után kezdték alkalmazni a Renault Laguna némely változatában az összkerék kormányzást. 2002-ben mutatták be és „4 control”-nak nevezték el. Ennél 60 km/ sebességig a hátsó kerekek elkormányzása az elsőkkel ellentétes irányú és a legnagyobb értéke 3,5˚. Ezért kisebb lesz a gépkocsi fordulóköre. Nagyobb sebességnél viszont azonos irányú lesz a hátsó kerekek elkormányzása, ami jelentősen növeli a kanyarstabilitást.

Az amerikai General Motors-hoz tartozó Delphi Corporation fejlesztette ki a Quadrasteer™ összkerék kormányzási rendszert, melyet 2002-ben mutattak be. Egyebek között a Chevy Silverado 2500 és a GMC Sierra 2500 pickup modellekben és a SUV kategória több típusában is alkalmazzák ezt.

A konstruktőrök egyrészt azt a célt tűzték ki, hogy az összkerék kormányzással kis sebességnél csökkenjen a gépkocsi fordulókörének átmérője. Másrészt pedig, nagyobb sebességnél növekedjen a kanyarodási stabilitás. A célok ilyen megfogalmazásából az is következik, hogy az összkerék kormányzás hasonlóan a korszerű szervokormányokhoz, akkor éri el célját, ha működése sebességfüggő módon valósul meg. A működést jellemző paraméternek a hátsó és az első kerekek elkormányzási szögének hányadosát szokták tekintene, melyet a gépkocsi sebességének függvényében diagramban is ábrázolni szoktak, lásd az alábbi ábrát.

9.4. ábra - Elkormányzási tényező a gépkocsi sebességének függvényében.

Az összkerék kormányzás konstrukciós megvalósítási lehetőségei:

A kormányzási beavatkozások lehetőségei

Az aktív változatnál úgy az első, mint a hátsó kerekek hidraulikusan, vagy elektro-mechanikusan kormányozottak, melyek beavatkozásait egymással összehangolják.

Passzív összkerék kormányzásnál a kanyarban ébredő oldalerőt használják a beavatkozásra. Ez a haszonjárművek iker hátsó kerekeinél alkalmazott megoldás, melyet talajerő kormányzásnak is szoktak nevezni. A független, vagy kapcsolt kerék-felfüggesztésű személygépkocsi futóműveknél például speciális kialakítású szilentblokkok segítségével kis mértékben megváltoztatják a kerekek geometriai beállítását és ezzel teszik a hátsó kerekeket is kormányzottá.

Az összkerék kormányzási rendszerek bemeneti információi:

Leggyakrabban két bemeneti információt szoktak alkalmazni, melyek:

További bemeneti jellemzők figyelésével a gépkocsi dinamikai viselkedése tovább javítható. A felsorolt műszaki jellemzőket a biztonság érdekében megkettőzött módon egymással párhuzamosan érzékeli az elektronika. A jelek kiértékelése után összehasonlítja az eltárolt értékekkel, majd ez alapján ad beavatkozási parancsot a hátsó kerék elkormányozására. Egy dinamikus szabályozást valósítanak meg, melynél az elektronika érzékeli a munkahenger dugattyújának helyzetét, melyet figyelembe vesz, ha további beavatkozás válik szükségessé.

A hátsó kerekek nyomtávrúdját például néhány fokos elkormányzási szögnek megfelelően a hidraulikus munkahengeren kívül villanymotoros beavatkozó egység is végezheti kellően nagy mechanikus áttétellel.

Ennél a változatnál hidraulika rendszer segítségével történik az első és a hátsó kerekek egymással összehangolt elkormányzása. működéséhez elektronikát is alkalmaznak.

9.4.1. A rendszer bemeneti információi és az érzékelők

9.4.1.1. Kormánykerék elfordítás

A kormánymű bemeneti részére szerelik fel az általában érintésmentes, induktív működésű érzékelőt. A teljes elkormányzási tartományban indirekt módon érzékeli az első kerekek elkormányzási szöghelyzetét. Ez egy durva jel. Ezen kívül fordulatonként periodikusan változó finom jelet is ad az érzékelő.

1 hátsó kerekeket kormányzó hidraulika; 2 hidraulikus tápnyomás; 3 működtető elektronika; 4 kormánykerék elfordítás érzékelő; 5 sebesség érzékelő; 6 első kerekek kormányzásának vezérlése; δ _v első elkormányzási szög; i (v) sebességfüggő jel

9.5. ábra - Hidraulikus összkerék kormányzási rendszer elemei:

9.6. ábra - SAF haszonjármű tengelyre felszerelt elkormányzási szög jeladó.

9.4.1.2. A gépkocsi sebessége

Ezt az információt közvetítheti a gépkocsi sebességváltójára felszerelt jeladó. De újabban már a CAN hálózaton keresztül érkező ABS kerékfordulatszám érzékelőktől származó jelet használja az elektronika.

9.4.3. Az összkerék kormányzás beavatkozó egységei

Az összkerék kormányzás beavatkozó egységei a pillanatnyi menetállapotnak megfelelően a hátsó kerekek elkormányzási szögét állítják be különböző módon.

A hidraulikus változat megfelelő nagyságú állító erőt hoz létre és a beavatkozás gyorsasága is az igényeknek megfelelő. Ehhez a szivattyú által létrehozott olajnyomás energiáját használja fel. A hidraulikus munkahengert általában a futóművel párhuzamosan építik be. Lehet olyan kivitelű is, hogy ennek meghosszabbítása a hátsó kerekeket egymással összekötő nyomtávrúd. A beavatkozás ennek elmozdításával történik. Az állító munkahengerben a nyomást az elektronika elektromágneses szelep segítségével állítja be.

A működtetéshez leggyakrabban a belsőégésű motor által ékszíjjal hajtott radiál-dugattyús hidraulika szivattyút és nyomástárolót alkalmaznak. Nyomásérzékelők jelzik vissza a nyomásokat az elektronikának. A biztonságos működés érdekében, ha nincs elektromos tápfeszültség, vagy hidraulikus nyomás, az állító munkahenger két egymástól független egységgel mechanikusan reteszelődik.

9.7. ábra - SAF gyártmányú, a futómű testtel párhuzamosan felszerelt hidraulikus beavatkozó egység a kormányzáshoz.

Az újabb személygépkocsiknál az egyszerűbb kivitel lehetősége miatt szívesebben alkalmazzák a villanymotoros beavatkozó egységeket. Ez is beépíthető a nyomtávrudazatba. A villanymotor nyomatékát fogazott szíj áttétel és visszavezetett golyósoros csavarhajtás növeli a szükséges értére.

9.8. ábra - A kormányösszekötő rúd részét képező, ZF gyártmányú, villanymotorral működő beavatkozó egység.

9.4.4. A gépkocsi menetviselkedésének összehasonlítása hagyományos és összkerék kormányzás esetén

A kísérletek során az összkerék kormányzást jól tapadó és kis tapadási tényezőjű úton is kipróbálták. Sávváltás, kettős sávváltás, hirtelen kormánymozdulatok, szlalom menet és körpályán történő haladás is beletartozott a vizsgálati programba. Különböző működtető algoritmusoknak és a hozzájuk tartozó különböző jellegmezőknek a működésre gyakorolt hatását is megvizsgálták.

A normál egyszeres sávváltásnál például az adott ív kicsúszási határsebességének közelében autózva az összkerék kormányzással a gépkocsi perdülési sebessége hozzávetőleg a felére csökken, ha egy hagyományos kormányzású gépkocsival hasonlítjuk össze azonos körülmények között. Az összkerék kormányzásnál nem fog a gépkocsi túllendülni a kívánatos pályán, mint ahogy az normál kormányzásnál gyakran bekövetkezik. Ugyanez tapasztalható a kanyar után az egyenesbe történő visszakormányzásnál is. Ez a kedvező tulajdonság egyrészt vezetés közben tehermentesíti a gépkocsivezetőt, másrészt pedig nagyobb menetstabilitást eredményez.

9.9. ábra - Sávváltás dinamikai jellemzői v=125 km/ sebességgel hagyományos és összkerék kormányzású gépkocsival.

A szervokormányokhoz hasonlóan az összkerék kormányzásnál is kifejlesztették az elektromechanikus változatot. A hidraulika rendszer hátránya ugyanis az, hogy folyamatos tápnyomást igényel annak ellenére, hogy a kormányzás normál körülmények között csak a teljes menetidő kb. 15%-ában működik. A hidraulika szivattyú folyamatos működése növeli a gépkocsi tüzelőanyag fogyasztását és a károsanyag kibocsátást is. Ezért az összkerék kormányzásnak is kifejlesztették azt a változatát, amelynél úgy az első, mint a hátsó futóműnél is villanymotoros beavatkozó egységet alkalmaznak. Az előző részben ismertetettekhez hasonló biztonsági koncepciót valósítanak meg ennél a rendszernél is. A nyomás érzékelő kivételével hasonló érzékelőket alkalmaznak. Találkozunk olyan összkerék kormányzási változattal is ahol az első futóműnél hidraulikus, a hátsónál pedig elektromechanikus kormányzást alkalmaznak.

9.10. ábra - Elektromechanikus összkerék kormányzás.

A Delphi Corporation által kifejlesztette Quadrasteer™ összkerék kormányzási rendszert, 2002-ben mutattak be. Az Amerikai Egyesült Államokban számos pickup modellben és a SUV kategóriában is sikerrel alkalmazzák.

Ennél a hagyományos hidraulikus első kerék kormányzást kombinálták elektromechanikus hátsó kerék kormányzással. A központi elektronika érzékelők segítségével figyeli a gépkocsi sebességét és az első kerekek elkormányzási szögét. Ennek alapján történik a hátsó kerekek kormányzása elektromechanikus módon a következőképpen:

Működhet automatikusan is az összkerék kormányzás, de a vezető ki-, illetve be- is kapcsolhatja azt. Bizonyos típusoknál a vezetőnek arra is lehetősége van, hogy különböző hátsó kerék kormányzási kondíciókat állítson be. A műszerfalon ellenőrző lámpa jelzi vissza az aktuálisan beállított működési módot.

9.6.1. A rendszer érzékelői

Kormánykerék elfordulás érzékelő

A kormánykerék tengelyére szerelt kardáncsukló közelében helyezik el. 5 V-os tápfeszültséggel működik, melyet az elektronika biztosít. Ez az érzékelő egy analóg és egy digitális jelet ad az elektronikának.

9.11. ábra - Delphi Quadrasteer™ összkerék kormányzás kormánykerék szöghelyzet érzékelő.

Az ennél a rendszernél alkalmazott további érzékelők:

• perdülés és kereszt irányú gyorsulás érzékelő (hasonlóan az ESP rendszerekhez)

• kerék fordulatszám érzékelők

9.6.2. A működtető elektronika

A hátsó kerék kormányzását működtető elektronika a hátsó futómű közelében van elhelyezve. Tápfeszültséggel látja el az érzékelőket és a hátsó futóműre szerelt beavatkozó egységet. Fogadja és kiértékeli az érzékelők jeleit.

9.12. ábra - Delphi Quadrasteer™ összkerék kormányzás elektronikája a hátsó futómű közelében.

9.6.3. A hátsó kerekek elkormányzását végző beavatkozó egység

A differenciálmű közelében a hátsó futóműre szerelik fel a beavatkozó egységet. A kerékagyak közelében homokinetikus tengelycsuklókat építenek be, ami lehetővé teszi a merevhidas futóműnél egyrészt a hátsó kerekek elkormányzását a beszerelt függőcsapok körül, másrészt pedig a nyomatékátvitelt. A nyomtávrúd több tagból áll és gömbcsuklókkal kapcsolódik a kerekeknél kialakított irányító karokhoz. Az elkormányzási szöghelyzet érzékelőt a hajtó fogaskerék alsó részénél helyezik el. A villanymotor 45:1 –es bolygómű áttétellel forgatja a fogasléchez kapcsolódó kis fogaskereket. A beavatkozó egységet 3 fázisú szénkefe nélküli DC motor működteti. Forgórészét 3 db 12 V –os HALL helyzet érzékelővel is ellátják. A villanymotort relé segítségével kapcsolja be a működtető elektronika.

Az összkerék kormányzás elektronikus rendszere a TECH 2 diagnosztikai berendezéssel vizsgálható.

9.13. ábra - Delphi Quadrasteer™ elektromechanikus összkerék kormányzásnál alkalmazott merevhidas hátsó futómű.

9.14. ábra - Delphi Quadrasteer™ beavatkozó egység elektromos bekötése.

A kanyarban ébredő oldal irányú erőt használja fel a hátsó kerekek néhány fokos szöggel történő elkormányozására, vagyis a kerekek szöghelyzetének megváltoztatására. Az előnye, hogy nagy sebességű kanyarvételnél növeli a gépkocsi stabilitását. Ellene hat az első kerék hajtású gépkocsik alulkormányozott viselkedésének. Általában független-, vagy kapcsolt hátsó kerék felfüggesztésű gépkocsiknál alkalmazzák.

9.15. ábra - Különleges kivitelű szilentblokkal megvalósítható, hogy a kapcsolt felfüggesztésű hátsó futómű a kanyarnak megfelelően kissé elforduljon.

9.16. ábra - A hagyományos kormányzású és a passzív hátsókerék kormányzású futóművel szerelt gépkocsik viselkedésének összehasonlítása kanyarodás közben.

Ez a repülőgépeknél már évek óta alkalmazott „fly-by-wire” koncepció átültetése a közúti közlekedésnek megfelelően. Ez most a közúti járműveknél azt jelentené, hogy nincs mechanikus összeköttetés a kormánykerék és a kerekek között. Az elkormányzást szervo-motorral végzik az elektronika utasításának megfelelően. A beavatkozó egységgel csak elektromos vezeték létesít kapcsolatot. Ebből ered az elnevezése is. A hagyományos kormány rendszerből néhány mechanikus elemet is felhasználhatnak. A biztonság érdekében a megkettőzött energia ellátásnak és az adat átvitelnek nagy jelentősége van. A Steer – by – wire rendszer jelenleg hatóságilag még nem engedélyezett, ezért a közúti közlekedésnél nem alkalmazható.