2. fejezet - A kerekek geometriai beállítása és megvezetése
A futómű geometria határozza meg a kerekek helyzetét a kocsiszekrényhez képest és ezáltal a gépkocsi menetviselkedését is. Ez alapvető fontosságú a közlekedésbiztonság szempontjából. A futómű geometria helyes beállítása befolyásolja:
-
a gépkocsi kifogástalan egyenes menetét,
-
a normális kerékkopást,
-
fékezés közben a gépkocsi korrekt viselkedését,
-
a biztonságos kanyarodást.
2.1. A kerékgeometriával kapcsolatos alapfogalmak
2.1.1. A kerék középsíkja
A gumiabroncs felező síkja, ez osztja két egyforma részre az abroncsot és merőleges a kerék forgástengelyére.
2.1.2. A kerék felfekvési pontja
A kerék középsík és a forgástengely metszéspontja, melyet az útfelületre merőlegesen vetítünk.
2.1.3. A gépkocsi hosszanti középvonala
A kocsiszekrény hosszanti középsíkjának az útfelülettel alkotott merőleges metszésvonala. Felezi az első és a hátsó futómű nyomtávját. Szimmetriavonalnak is nevezhető. Ebből viszont nem következik, hogy a gépkocsi ebben az irányban fog haladni.
2.1.4. Geometriai menettengely
Ez adja meg a gépkocsi tényleges haladási irányát. A hátsó kerekek aktuális beállítási helyzete határozza meg. A hátsó futómű teljes összetartásának szögfelezője jelöli ki ezt az egyenest.
2.1.5. Keréktávolság, vagy tengelytávolság
Az első és a hátsó kerekek forgástengelyei között mérhető távolság. Ez a konstrukciós geometriai adat is befolyásolja a gépkocsi menetviselkedését. Nagyobb tengelytávolság nagyobb menetkomfortot eredményez és tágasabb lehet az utastér is. A rövidebb tengelytávolság esetén jobb fordulékonysága és a manőverező képessége a gépkocsinak.
2.1.6. Nyomtáv
A futómű jobb és bal oldali kerekeinek középsíkja közötti távolság. Nagyobb nyomtáv növeli a stabilitást és ezért nagyobb lehet a kanyarodási sebesség.
2.2. A futóművek kinematikai jellemzői
A gépkocsi első futóműveinél a kedvező menettulajdonságok, a kifogástalan kormányozhatóság és a lehető legkisebb gumikopás érdekében a kerekek mindhárom síkhoz képest ferde helyzetet vesznek fel. Szögértékük a gépkocsi típusától függ és attól, hogy melyik a hajtott kerék.
2.2.1. Kerékösszetartás (δ)
A kerekenkénti összetartás felülnézetben a gépkocsi hosszanti szimmetriatengelye és a kerék középsíkja által bezárt szögként értelmezhető. Pozitívnak tekintjük, amikor a keréktárcsák pereme elöl egymáshoz közelebb van, mint hátul. Az első kerék hajtású gépkocsiknál általában az első kerekek egymástól széttartanak. A kerékdőlés és a kerekek összetartása egymással összefüggő geometriai beállítási helyzet.
A kerék felfekvő felületének középpontjában ébred a vonóerő. A kormánylegördülési sugár tekinthető erőkarnak. Ez a kettő együtt nyomatékot alkot, ami a kerekeket egymástól szétfordítani igyekszik. Ezen hatások következtében és a meglévő illesztési hézagok miatt, az egymással párhuzamosan beállított kerekek szitálnának és radíroznának, ezzel pedig nehezítenék a kormányzást, valamint a kerekeket egymással összekötő rudazat elemeit mechanikailag folyamatosan és periodikusan terhelnék. Ezeknek a hatásoknak az ellensúlyozására a gyártó által megadott összetartást kell beállítani. Ezzel megnő a visszatérítő nyomaték és a menetstabilitás. A túl nagy összetartás viszont fokozott gumikopást és nagyobb gördülési ellenállást eredményez.
A hajtott első keréknél az összetartás kompenzálja az elaszto-kinematikus felfüggesztés miatt fellépő nyomtáv változást is.
A kerékösszetartás szokásos értéke hátsókerék hajtású gépkocsiknál általában 5-20 szögperc, első kerék hajtás esetén –20 szögperc (ez ellensúlyozza a vonóerő hatását).
Teljes összetartás a keréktárcsák peremei között elöl és hátul mérhető távolságok közötti különbség mm-ben megadva.
2.2.2. Utánfutás (n, τ)
Az utánfutás mm-ben megadott távolság (n), mely a függőcsap irányának útfelülettel alkotott döféspontja és a kerék felfekvő felületének középpontja között oldalnézetben mérhető. Hozzájárul a kerekek egyenes meneti helyzetbe történő visszaállításához, befolyásolja az elkormányzáshoz szükséges nyomatékot, valamint stabilizálja az egyenes meneti kerékhelyzetet. Nem csak mm-ben hanem szöghelyzetként fokban is megadható (τ). Oldalnézetben a függőcsap középvonala és a függőleges között bezárt szög. Értéke általában 1-5º közötti tartományba esik.
2.2.3. A zavaró erő karja (rSt)
A zavaró erő karja a kerék középpontja és a függőcsap iránya között mérhető legrövidebb, azaz merőleges távolság. Nagysága meghatározza az első kerék hajtású gépkocsinál a vonóerő hatását a kormányzásra, illetve hátsókerék hajtásúnál a gördülési ellenállás hatását a kormányzásra. Ez a kerékgeometriából adódó érték, külön nem állítható.
2.2.4. Kormánylegördülési sugár (rs)
Az elkormányzási tengely (régebbi gépkocsiknál ez a függőcsap iránya) útfelülettel alkotott döféspontja és a kerék felfekvési felületének középpontja között elölnézetben mérhető távolsága. Nagyságát a kerékdőlés és a csapterpesztés beállított értéke határozza meg. Negatív kormánylegördülési sugárról beszélünk, ha az elkormányzási tengely döféspontja a kerék felfekvő felület középpontjától kijjebb esik. A fékerő és a vonóerő ezen a karon keresztül hatást gyakorol a kormányzásra. Fékezés közben eltérő tapadási tényező esetén a kormányzásra stabilizáló nyomatékként hat, megakadályozza a gépkocsi kitörését. A pozitív kormánylegördülési sugár ezzel ellentétes hatást fejt ki. Értékét különösen a nem szervokormányos futóműveknél igyekeznek minél kisebb értéken tartani, hogy mérséklődjön a zavaró erő hatása és minél könnyebb legyen a kormányzás. Ha értéke nulla, akkor szinte ellenállás nélkül lehetne forgatni a kormánykereket. Az ötvenes években alkalmazott 50-60 mm-es kormánylegördülési sugár a hatvanas években már 30 mm-re csökkent és ez a tendencia napjainkig tovább folytatódik.
2.2.5. Kerékdőlés (γ)
Elölnézetben a kerék síkjának dőlése a függőlegeshez képest. Negatív értékű, ha a kerék síkja felül közelebb van a gépkocsi hosszanti szimmetriatengelyéhez. Befolyásolja a kerék oldalvezetését. A gumiabroncstól függően értéke kicsi (–3º és 0º közötti) azért, hogy ne okozzon a gumiabroncs futófelületének egyik oldalán intenzívebb elhasználódását.
A pozitív kerékdőlés esetén a kerékre egy tengely irányú erőkomponens hat, amely a kerékanyát tehermentesíti és a csapágyhézagot kiküszöböli. A kerék szitálási hajlama ellen hat, amit a kisebb útegyenetlenségek gerjesztenek olyankor, amikor még nem történik berugózás. Ilyenkor a kerék függőcsap körüli lengéseket végez. A kerékdőlés értékét a csapterpesztéssel összhangban állapítják meg.
2.2.6. Csapterpesztés (σ)
Az elkormányzási tengely (korszerű gépkocsiknál ez a függőcsap iránya) és a gépkocsi hosszanti középsíkja által bezárt szög. Befolyásolja a kormányzáshoz szükséges nyomatékot. Értéke 2-8º közötti. Ennek hatására a kerék elkormányzásakor kissé megemeli a kocsiszekrényt és így visszatérítő erő keletkezik. Ez a kereket egyenes meneti helyzetbe igyekszik visszaállítani. A kerékdőlés és a csapterpesztés összege állandó érték marad. Ha állítjuk a kerékdőlést, ugyanennyivel állítódik a csapterpesztés is.
Az összetartás és a kerékdőlés változása
Az összetartás és a kerékdőlés értékei egy adott futóműnél egymással összhangban kell legyenek. Pozitív kerékdőléshez pozitív összetartás tartozik. Menet közben a futóművek ki-, illetve berugózáskor és a terhelésváltozás hatására a kerekekre különböző erők hatnak. Ezért az alábbi diagram szerint változnak az összetartás és a kerékdőlés értékei. Ez egy általános esetnek tekinthető, de valóságban az értékek a futómű konstrukciójától függnek.
2.2.7. Kanyarodási szögeltérés
A gömbcsuklókkal összekötött, trapéz alakú nyomtávrudazat létesít kapcsolatot a bal és jobb oldali első kerekek között. Független kerékfelfüggesztésnél ez osztott kivitelű, több tagból áll. Lehetővé teszi, hogy elkormányzáskor a kanyarodási középpontnak megfelelően a belső íven futó kerék elfordítása nagyobb legyen, mint a külső íven haladóé. 20º -os elkormányzásnál a kanyarodási szögeltérés értéke 3º.
2.2.8. A gépkocsi tényleges haladási iránya, vagy geometriai menettengely
A gépkocsi tényleges haladási irányát a hátsó kerekek összetartásának szögfelezője határozza meg. Ha ez nem esik egybe a kocsiszekrény hossztengelyével egyenesen haladva állandó ellenkormányzás szükséges. A megengedhető eltérés ± 15’. Ez egyszerű módon négy mérőfejes futómű vizsgáló berendezéssel mérhető ki. Ha a rossz beállítás miatt szükségessé válik a korrekció, először a hátsó futómű ferde helyzetét kell megszüntetni és utána állítható be az első futómű. Ha valami miatt nem lehetséges a hátsó futómű visszaállítása, a tényleges menethelyzethez viszonyítva kell az első futóművet beállítani.
2.3. Elaszto-kinematika
A kerék beállítási adatai menet közben az ébredő erők hatására folyamatosan változnak. Ennek okai:
-
A kerékfelfüggesztésnél a lengőkarokkal meghatározott kinematikai jellemzők ki-, illetve berugózáskor folyamatosan változnak. Ennek mértéke a kerékösszetartás és a kerékdőlés nagyságától függ.
-
Menet közben a kerekeken különböző folyamatosan változó nagyságú erők lépnek fel, mint például vonóerő, fékező erő, oldalvezető erő, dinamikus kerékterhelés, gördülési ellenállás. Ezek hatására a kerekeket vezető elemek illesztési hézagainál elmozdulások jönnek létre és a szilentblokkok (gumiperselyek) deformálódnak. Ezek miatt a kinematikai beállítási adatok folyamatosan változnak.
A két előbb összefoglalt hatás váltja ki az elaszto-kinematikának nevezett jelenséget. A gyártók arra törekszenek, hogy a futómű beállítási adatai a menet közben fellépő erők hatására úgy változzanak, hogy a gépkocsi dinamikai viselkedése minél kedvezőbben alakuljon. A futóműnél menet közben bekövetkező kinematikai, eleszto-kinematikai változások csak olyanok lehetnek, hogy a gépkocsi alulkormányzottá váljon. Az ellentétes hatás veszélyt rejt magában.
Néhány példa az elaszto-kinamatikára:
-
A korszerű hátsó futóműveknél eleaszto-kinematikai lengőkarokkal igyekeznek kompenzálni a gyorsításkor, illetve fékezéskor bekövetkező terhelésváltozások hatását.
-
A kerekenként különböző nagyságú hosszanti és függőleges irányú erők megbillentik a kocsiszekrényhez rugalmasan felerősített futómű testet, illetve lengőkart. Kanyarban a külső íven futó keréknél így nagyobb lesz az összetartás és a hátsó keréknél stabilizáló elkormányzás jön létre.
2.4. A futóművek műszeres ellenőrzése
A futómű geometriai beállításának ellenőrzése és a szükségessé váló beállítások speciális műszerekkel végezhetők el.
2.4.1. Futómű ellenőrző műszerek csoportosítása
2.4.1.1. Működésük szerint
-
Statikus mérésre alkalmasak műszerek. Álló gépkocsi kerekeire felszerelt (többnyire optikai) eszközökkel hajtható végre a mérés. Ebbe a csoportba tartozik a legtöbb szervizben használatos berendezés változatok.
2.10. ábra - Négy mérőfejes optikai, számítógépes futómű vizsgáló Beissbarth microline 5000
2.11. ábra - Mechanikus két mérő készülékkel ellátott automatikus működésű futómű vizsgáló
-
A dinamikus gyorsellenőrző berendezések. A gépkocsi áthajt a mérőlapon, melynek lapja oldal irányban az első kerék geometriai beállítottságától függően elmozdul. Ennek nagysága alapján jelzi ki az összetartás, illetve a kerékdőlés értékét.
2.4.1.2. Mérési elv szerint
-
Libellás eszközök, melyeknél mérőcsavarok skálájáról olvashatók le az értékek. Régebben gyártott olcsóbb kivitelű mérőeszközök.
-
Optikai berendezések a régebbi vetítős változatoknál a megfelelő távolságban felállított táblákról voltak leolvashatók a mért értékek. A fényforrás lehet halogén izzó, vagy lézer sugár is. Továbbfejlesztett konstrukcióknál a fénysugarat belső ingás felfüggesztésű tükör vetíti a skálával ellátott opálüveg ernyőre, ahol a mért adatok leolvashatók. Így a korábbi eszközöknél használatos vetítőtáblák szükségtelenné válnak.
-
Gumi zsinóros változat, A rugalmas zsinórt a mérőfejek között feszítenek ki. Ezek mozgatják a mérőfejekbe szerelt belső tükröket a használat közben.
-
Kombinált eszközök ezeknél az előbb felsorolt különböző mérési elveket együttesen alkalmazzák.
-
Új optikai mérési elv, melynél a ke rekekre csak táblákat szerelnek
Először 1998-ban alkalmazták ezt a mérési elvet. A drága optikai mérőfejek helyett gépkocsi kerekeire, csak a könnyű és kevésbé érzékeny táblákat szerelnek fel a szokásos felfogató készülékkel. A táblákon a gyártótól függően kör, négyzetes, háromszög alakú, vagy hatszögletes rajzolatot helyeznek el. A mérőhely elé telepített berendezés tartalmazza a megvilágító egységet, és a kamerát, valamint a kiértékelő számítógépet. A szabályos alakzatokon a kerék helyzetétől függő torzulásokat észlel a kamera. A számítógépes program a torzulásokból egy matematikai modellel határozza meg a futómű beállítási paramétereit.
2.4.1.3. A mérőfejek száma szerint
-
Két mérőfejes műszerek
Egyszerre két kerékre lehet felszerelni mérőfejet felfogató készülék segítségével. Az első kerekek geometriai adatainak ellenőrzése után ezek átszerelhetők a hátsó kerekekre is.
-
Négy mérőfejes műszerek
Mind a négy kerékre egyidejűleg felszerelhető mérőfej. A két mérőfejes műszereket váltották fel ezek az igényesebb típusok, melyek előnye az összetettebb vizsgálatok egyszerűbb elvégzésének lehetősége. Megállapítható például a hátsó futómű elsőhöz képesti oldal irányú eltolódása és a ferde állása, mely a gépkocsi egyenes menetében a kocsiszekrény helyzetét határozza meg. A négy mérőfej lehetővé teszi, hogy egy meghatározott műveletsort követően az összes futómű paraméter meghatározható legyen.
2.4.1.4. A berendezés szolgáltatása szerint
-
Hagyományos futómű vizsgálók, melyeknél bizonyos műveletek elvégzése után skálákról olvashatók le a mért értékek. A beállítási adatokat nem tartalmaznak, ezeket különböző forrásokból kell beszerezni.
-
Számítógépes futómű ellenőrző eszközök
A legújabb számítógépes változatok sok tekintetben megkönnyítik, hatékonyabbá teszik a munkavégzést. A mérőfejbe szerelt elektronikus érzékelők lehetővé teszik, hogy a mérés eredményeit színes képernyőn jelenítsék meg, ahol láthatók a gyári alapadatok is. A képernyőn látható a gyárilag megadott tűrésmező is, mellyel a mért érték összevethető. Vannak olyan típusok melyeknél már az összehasonlítást is a számítógép végzi. Nagyobb eltérés esetén a mérési eredmény piros színűre vált. Legnagyobb előnyük, hogy a mérő személy szubjektivitása kiküszöbölhetővé válik. A számítógépes változat lehetővé teszi például az aknában egy kiegészítő monitor elhelyezését, így beállítás közben a gépkocsi alatt is láthatók a mért értékek. További előny, hogy ismeretlen típusok esetén, ha szükséges ábrák segítségével szemléltetik a beállítás lehetőségeit. Több futómű paraméter mérésére alkalmasak, négy mérőfejjel látták el őket és adatbankkal is rendelkeznek. Ezeknél a forgózsámolyokat is elektronikus szögmérővel látják el, melyek megkönnyítik a pontos elkormányzási szögérték beállítását. Tartozékként megtalálhatók a mérőfejek gyors és egyszerű felfogatását lehetővé tevő típus specifikus kiegészítők is, illetve könnyűfém keréktárcsákhoz alkalmas felfogató eszközök. Megvalósítható például a számítógép és a mérőfejek közötti vezetékmentes adatátvitel. A nyomtató lehetővé teszi a dokumentálást és a hálózati csatlakozón keresztül a mérési adatok elektronikusan tárolhatók, vagy a végzett munka a számla mellékleteként is megjeleníthető.