7. fejezet - Közúti járművek kormányzásának járműdinamikai követelményei, előírásai
7.1. Járművek kormányzásával szembeni általános követelmények
A közúti járművek kormányrendszere a biztonságkritikus generál alkatrészek, jármű fődarabok közé tartozik. A vezető a kormánykerék elfordításával csak kijelöli követendő útvonalat, vagyis csak szándékot fejez ki, de a kanyarodás közben a járműre számos, véletlenszerű tényező hat, ami eltéríteni igyekszik a járművet ettől az úgynevezett normagörbétől.
A vezető menetirány változtatási szándékát kifejező normagörbe és a tényleges pályagörbe között nincs egyértelmű függvénykapcsolat. A kormánykerék elfordítási szög, a kerekek elfordítási szöge, a kormányzási oldalerők, a futómű elemeiben fennálló rugalmasság, a kerék és az útfelület közötti erőkapcsolatok között nemlineáris, több részletében sztochasztikus a kapcsolat. Menet közben a vezetőnek folyamatosan újra kell gondolnia a kormánykerék elfordítása és a menetirány megváltozása közötti összefüggést, és végrehajtani a kialakított korrekciós mozdulatokat, amelyek közé értendő a gázpedál, a fékek, a sebességváltó működtetésének mozdulatai is. Erre a bonyolult, összetett feladatra számos olyan információ készteti, amelyek jelentősen túlmennek az optikai érzékelő képességén. Ilyen például a kocsitest billenő, bólintó mozgása, a jármű kereszt és hosszirányú gyorsulása, a kormánykerékre ható – a kerék által kifejtett – visszatérítő nyomaték. A vezető számára vizuális információk mellett a legfontosabb visszajelzést a kormánykeréken érzett nyomaték adja, ami a keréken kialakuló erőviszonyokat tükrözi.
Az eddigiekből következően a kormányrendszer általános feladata, hogy a kormánykerék elkormányzási szögét átalakítsa a kerekek egymástól különböző elkormányzási szögévé és egyértelmű információkat csatoljon vissza a jármű mozgásáról a kormánykerék, vagyis a vezető felé- Ez az általános feladat számos dinamikai és szerkezeti követelmény és előírás betartása, teljesítése révén teljesíthető.
A közúti járművek kormányrendszerének a következő általános követelményeknek kell megfelelnie:
-
Kanyarodás közben a jármű kerekei oldalcsúszás nélkül gördüljenek.
A kerekek oldalcsúszása a jármű menetstabilitására leginkább kiható negatív jelenség. Az oldalra csúszó kerék erőkapcsolati tényezője menetirányban 50-60%-ra, keresztirányban 10-20%-ra csökken, ezáltal lényegesen csökken a kerekek által felvehető menetirányba és oldalirányba mutató erő. Fékezéskor a kerekek megcsúszhatnak, blokkolhatnak, gázadáskor a hajtott kerekek kipöröghetnek, a kanyarodó jármű vízen sodródhat. A problémákat súlyosbítja az elektronikus menetszabályzók jelenleg még meglévő hiányossága, hogy csak a hosszirányú csúszást érzékelik, az a szabályzás referenciajele, de a keresztirányú csúszást – ami éppen a kormányzás következtében léphet fel – közvetlen érzékelő szenzorokkal nem követi. Ezt a követelményt a kormányzott kerekek elkormányzási szögének, a kerekek dőlésszögének és összetartási szögének precíz összehangolásával lehet teljesíteni. Kiinduló tételként kimondható, hogy akkor nem csúsznak oldalra a kerekek, ha forgástengelyük keresztülmegy a kanyarodás középpontján.
-
A jobbra és balra kormányzás szimmetrikus legyen.
A szimmetria követelménye egyaránt vonatozik az elkormányzási szögekre, a kormányrendszer áttételére és az elkormányzási nyomatékra. Ezeknek a paramétereknek a konkrét értékei különbözőek lehetnek akkor, ha a kanyarodás szempontjából a külső vagy a belső kerekekre vonatkoztatjuk. A szimmetria megvalósulását akkor lehet kijelenteni, ha a jobbra és balra kanyarodás esetén a pozíciót váltó külső és belső kerekekre ugyanazokat az értékeke, ugyanazokat a jellemző karakterisztikákat kapjuk. Ez műszakilag gyakran nehezen kivitelezhető feladatot jelent.
-
A kormánykerék kerületén kifejtendő maximális erő ne haladja meg az előírt értéket.
Rásegítési rendszer (szervórendszer) nélküli gépjárműveknél ez az érték jelenleg 150 N. Szervókormányos járműveknél a szervórendszer meghibásodása, a rásegítés kimaradása esetén kormányozható maradjon a jármű, akkor a maximális kerületi erő 400 N lehet.
-
Az elkormányzás szögével arányosan növekedjen a kormánykeréken kifejtendő nyomaték.
A vezető számára a jármű mozgási pozíciójáról, a különböző dinamikai hatásokról visszaérkező információk közül a kormányzási nyomaték a domináns jelzés. Ha a kormányzási nyomaték arányosan, fokozatmentesen növekszik a kormánykerék elfordítási szögével, akkor a vezető értékelheti a kerekek elkormányzási szögeinek irányát és nagyságát, követve a kanyarodás sugarát, várható ívét, biztonságérzetet ad számára, és zavaró jelenségek felbukkanásakor a szükséges korrekciós mozdulatokat nyugodtabban tudja végiggondolni és kivitelezni.
-
A kormánykerék és a kormányzott kerekek között mechanikus kapcsolat legyen.
Ez a követelmény nagymértéken növeli a kormányzás biztonságát. Ez a szigorú követelmény azonban ma már a különböző előírásokkal korlátozva bizonyos rugalmassággal értelmezhető. A tisztán, az egész járműre vonatkozó csak vezetékes, számítógépes rendszer (Steerbywire) még nincs engedélyezve, de összkerék kormányzású járműveknél a hátsó futómű kormányzását már nem szükséges mechanikus kapcsolattal a kormánykerékkel irányítani. Az adaptív intelligens kormányrendszereknél adódhat olyan szabályozási művelet, amikor a számítógép szabályozta rendszer a vezető által végzett kormánykerék elfordításával szemben éppen ellentétes irányba fordítják el a kormányzott kerekeket. Ilyenkor a jármű vezetőjének jogi felelőssége kérdésessé válik. Ennek a rendszernek a nemzetközi engedélyezésére dokumentumban szigorú követelményt írtak elő: a rendszer meghibásodása, helytelen működése esetén azonnal helyre kell állítani a közvetlen egyenes mechanikus kapcsolatot a kormánykerék a vezető visszavehesse az irányítást a jármű felett. Ennek műszaki lehetőségeivel, konkrét szerkezeti megoldásaival a 11. fejezet fejezet foglalkozik.
-
Kanyarodás közben a jármű vagy járműszerelvény meghatározott sebességű folyosón belül haladjon.
Sorozatgyártású járművek típusvizsgálata során, továbbá az egyedi gyártmányú járművek forgalomba állását megelőző vizsgálatok során számításokkal és járműtesztelésekkel igazolni kell, hogy az adott jármű a nemzetközileg szabványosított előírásoknak megfelel.
-
Az egyenes menetirányból elkanyarodó jármű farseprése megadott értéken belül maradjon.
Ezen követelmény teljesítése elsősorban hosszú járművek, járműszerelvények, mint például autóbuszok, csuklós autóbuszok, pótkocsis járműszerelvények esetén kíván speciális műszaki megoldásokat.
7.2. A járművek kormányzására kanyarodására vonatkozó elírások
A járművek kormányzására, kanyarodására világszinten az ECE TRANS 79, az európai szinten a 70/311/EGK; a 74/297/EGK; 91/662/EGK; a 92/62/EGK uniós irányelvek számos konkrét előírást, vizsgálati eljárást tartalmaznak. Ezek közül az alábbiakban a járművek kormányzási, kanyarodási képességeit, tulajdonságait leginkább minősíteni képes vizsgálati eljárásokkal foglalkozunk.
7.2.1. Kanyarodási folyosószélesség
A vizsgált jármű vagy járműszerelvény egyenesen haladva befordul a 12,5 m sugarú előre kijelölt körpályára oly módon, hogy a jármű elülső külső része a kijelölt kört folyamatosan érintse. (7.1. ábra)
Különösen fontos előírás ez a pótkocsis szerelvényekre és a csuklós autóbuszokra: Rk=12,5 m, Rb≥5,3 m. A jármű fokozatos kormánykerék elfordításával rátér a körívre, a kormánykerék állandósult helyzetében már a jármű határozott szélességű folyosón halad, miközben az elülső külső rész a megadott 12,5 m sugarú kört érinti. A körfolyosó belső körét a jármű hátsó belső része írja le, melynek sugara 5,3 m-nél nem lehet kisebb. Ennél a tesztnél nincs előírva a vizsgálati sebesség. Hosszú járműszerelvényeknél, tartószerkezeteket szállítós járműveknél gyakran ezt a szigorú előírást csak hátsókerék vagy összkerék kormányzással lehet teljesíteni.
7.2.2. Farseprés szélessége
A farseprés szélességének vizsgálatához nincs hozzárendelve konkrét vizsgálati sebessége. Ahogy a kanyarodási folyosószélesség méréséről, úgy erről a vizsgálatnál is megjegyezhetjük, hogy a statikus tesztek körébe tartozik. A vizsgálat kezdetén a jármű egyenesen áll és ebben a helyzetben a vezető jobb irányba teljesen ütközésig elfordítja a kormánykereket. Ezáltal valójában kijelöli a jármű minimális kanyarodási sugarát és a kanyarodás középpontját. (7.2. ábra)
A jármű elindul és kis sebességgel halad (2-5- km/h) és kijelölik a jármű hátsó külső pontja által leírt pályát. (7.2. ábra) Az egyenes haladni irányától való maximális értéke általánosan 0,8 m lehet, de csuklós autóbuszoknál ez elérheti az 1,5 m-t is. De a 0,8 m megengedett értéknél nagyobb farseprést csuklós autóbusz hátsó felületén jelezni kell, pl.:
7.2.3. Kettős sávváltás tesztje
A kettős sávváltás tesztje már dinamikus vizsgálat. Ennek során a szabványosított folyosón végighaladó jármű sebességét lépcsőzetesen növelni kell, de egy futam alatt a sebességet a kiválasztott konstans értéken kell tartani.
A kettős sávváltás elemzéséhez a vizsgálati folyosó alaprajzát az ISO TR 3888 számú nemzetközi szabvány írja le. (7.4. ábra) A folyosó sarkait műanyag bójákkal kell jelölni. A folyosó menetirányú koordinátái rögzített értékűek, a keresztirányú méreteket a vizsgálandó jármű szélessége alapján lehet meghatározni. A vizsgálati sebességet 5 km/h lépcsőkben kell növelni. Az első bójaütés sebessége jelenti a járműre vonatkozó kritikus sávváltási (előzési) sebességet. Ez a teszt gyors minősítést tesz lehetővé a jármű sajátkormányzottsági tulajdonságára, a kereszt stabilizátorok helyes működésére, a futómű paraméterek értékeire. Az alulkormányzott járművek kritikus előzési sebessége általában nagyobb, mint a túlkormányzott járműveké. A sebességet növeli a futóművek önkormányzási viselkedése, különösen a hátsó futóműnek a kifelé sodródás csökkentésére irányuló kerékösszetartás változási tulajdonsága. Ez a teszt alkalmas a gumiabroncsok vizsgálatára is. A gumiabroncs mérete, peressége, levegő nyomása érzékelhetően változtatja a kritikus sebességet. A kettős sávváltás vizsgálata a külső szemlélődő számára s látványos esemény, gyakran része is egy új gépkocsi nyilvános bemutatójának.
7.2.4. Állandó sebességű, állandó sugarú körpályás teszt
Az állandó sebességű, állandó sugarú körpályás teszt a jármű sajátkormányzottsági vizsgálatára szolgál. A körpálya sugara 50 m, a próbapályán jól látható vonallal kell ezt a kört felrajzolni. A vezető ezen a vonalon futtatja a jármű első baloldali kerekét. (7.5. ábra)
A vizsgálat során mérni kell a kormánykerék elfordulási szögét 2-3 km/h lassú sebességnél. Ez a βL0 kiindulási értéke. A kormányszögadó a mérési sebességeknél (5-10-15- … -vmax) rögzíti a tényleges βL szöget. A kettő hányadosa a sajátkormányzási tényező:
|
|
(7.1) |
A jármű sebességét (v) mérőkerékkel kell mérni, mivel a gépjárművek többségének a sebességmérő rendszere a sebesség növekedésével általában növekvő hibával működik. A jármű sebességét 5 km/ó lépcsőkben kell növelni, de egy körön belül a sebesség nem változhat. A jármű sebességéből és a kanyarodás sugarából meghatározható a jármű oldalgyorsulása:
|
|
(7.2) |
Illetve a fajlagos oldalgyorsulása:
|
|
(7.3) |
A számított értékekből meghatározható a jármű sajátkormányzási karakterisztikája. (7.6. ábra)
A jármű sajátkormányzottsági tulajdonsága és a sajátkormányzottság dinamikus változása a diagram alapján egzaktul minősíthető.
-
Stabilan alulkormányzott a jármű: Sk>1, μs teljes tartományában, 1. karakterisztika.
-
Stabilan túlkormányzott a jármű: 0<Sk<1, μs teljes tartományában, 2. karakterisztika.
-
Alulkormányzott jármű az oldalgyorsulás növekedésével tulajdonságot vált és túlkormányzott lesz: 3. karakterisztika.
-
A túlkormányzott jármű az oldalgyorsulás növekedésével tulajdonságot vált és alulkormányzott lesz: 4. karakterisztika.
-
Az Sk<0 tartomány az ellenkormányzásra jellemző. Ebben a tartományba a jármű mozgása instabil, közúti közlekedésben életveszélyes, a salakmotorok, egyes versenyautók speciális tulajdonsága.
Közúton közlekedő járműveknél a legkedvezőbb, biztonságos sajátkormányzási tulajdonságot az 1. karakterisztikát képviseli. A jármű mindig enyhén túlkormányzott a vezető által végrehajtandó kormánykorrekció iránya megegyezik az elkormányzás kezdő irányával. Túlkormányzott jármű esetén a vezető korrekciós kormánymozdulata ellentétes az elkormányzás kezdő irányával, majd a keresztirányú növekvő amplitúdójú belengése. A változó kormányzottságú járművek irányítása a vezetőtől az átlagosnál nagyobb koncentrációt, nagyobb rutint igényel. Gyakorlati tapasztalatok, balesetelemzések alapján általános következtetésként megállapítható, az a jármű vezethető biztonságosabban, melynek a sajátkormányzottsági tulajdonsága 0,5 g értékig nem változik vagy a változás az alulkormányzottság felé mutat.
A járművek sajátkormányzási tulajdonságát leginkább meghatározza az első és hátsó futóművek billenése merevsége, momentán centruma, a kerekek, különösen a hátsó kerekek összetartás változási tulajdonsága. A sajátkormányzás mértékét keresztstabilizátorral illetve a hátsó kerekek kényszerkormányzásával jelentősen lehet csökkenteni. A körpályás teszteléssel minden felsorolt szerkezeti elem paramétert gyorsan és egyértelműen lehet minősíteni.