9. fejezet - Közúti járművek kényszerkormányzási és sajátkormányzási tulajdonságai

A közúti járművek kanyarodási vizsgálata során különböző kormányzási tulajdonságok fordulnak elő:

Kényszerkormányzást gyakorol a jármű vezetője, amikor a kormánykerekeket elfordítja és a kormánykerékkel közvetlen mechanikus kapcsolatban álló kormányzott kerekeket meghatározott kinematikai összefüggések szerint elfordítja, és ezáltal kijelöli a kanyarodás sugarát és középpontját. Ennek a vezérlési folyamatábrája a (9.1. ábra) ábrán látható.

A 9.1. ábra jelölései:

Ha a jármű minden zavaró körülménytől mentesen kanyarodik, akkor a kerék sebességvektora belesimul a kerék középpontjába, szakkifejezéssel a kerék a saját síkjában gördül. Ilyenkor az elméletileg kiszámított, névleges paraméter értékek azonosak a valós, tényleges értékekkel. A 8. fejezet fejezetben ezeket a paraméter értékeket határoztuk meg.

Kényszerkormányzásnak minősíthető a hátsókerék kormányzású csuklós autóbuszokon a hátsó kocsitest kanyarodásának irányítása is. Az első kocsitest kényszerkormányzását a kormánykerék szög irányítja, míg a hátsó kocsitest kormányzását a kormánykerék szög által meghatározott becsuklási szög (γ) vezérli. Ennek a kormányzásnak a folyamatábráját a 9.2. ábra szemlélteti.

A 9.2. ábra jelölései:

A paraméterek egyenlősége azt fejezi ki, hogy mind a két kocsitest kerekei a saját síkjukban gördülnek, a kanyarodási sugár és középpont a névleges kiszámított értékeket megtartja, vagyis a névleges a valós helyzetet is jelenti egyben.

A sajátkormányzás a gumiabroncs rugalmas viselkedéséből következik. A rugalmas abroncsú kerekekre egyenes haladás vagy kanyarodás közben valamilyen oldalerő hat, amit előidézhet centrifugális erő, oldalszél, az útfelület oldalirányú lejtése, aminek következtében a gumiabroncs deformálódik és a saját síkjával meghatározott δ szögben, ferdén gördül, vagyis a kerék sebességének vektora δ szöget zár be a kerék síkjával. Ennek következtében megváltoznak a kormányzási paraméterek valós értékei, miközben a vezető által kivezérelt értékek változatlanok maradnak. Az eltérés utolsó mozzanataként megváltozik a kanyarodás sugara és a kanyarodás középpontja is. Tehát a jármű önállóan, saját maga kormányzási műveletet végez. Innen ered a sajátkormányzás megnevezés. A sajátkormányzással kiegészített, megváltozott kanyarodás folyamatábrája a (9.3. ábra) ábrán követhető.

A 9.3. ábra új jelölései:

A változó nagyságú oldalerő hatására a jármű változó kanyarodási sugarakat ír le, vagyis változó pályán halad, miközben a kormánykerék elkormányzási szöge, a kerekek elkormányzási szögei nem változnak, tehát a jármű sajátkormányzást folytat.

Önkormányzást az intelligens futóművek végeznek, amikor ki-berugózás, erőhatás változására a kerekek összetartását módosítják, vagyis ténylegesen a kerekeket a kormánykerék rögzített állásában is képesek elkormányozni. Ezt magyarázza a 9.4. ábra.

A 9.4. ábra új jelölései:

A talajkormányzás, más néven önbeálló kormányzás nem igényel mechanizmust. A kerék csapgeometriájának megfelelő értékei, elsősorban nagy utánfutás (n_a) esetén a saját síkjának irányában gördül és nem vesz fel oldalerőt, a kerék talppontja (N) mindig az elkormányzási tengelynek az útfelülettel képzett döféspontját (D) követi.

A talajkormányzott kerék csak a tengelyterhelés felvételben vesz részt, de a jármű iránystabilitását nem támogatja.

Vezetéken keresztüli kormányzás (steer-by-wire) rendszerében a jármű vezetője nincs mechanikus kapcsolatban a kormányzott kerekekkel. A haladás irányára, annak megváltoztatására csak szándékát fejezi ki, majd a fedélzeti számítógép a jármű állapotára, a közeli és távoli környezetére vonatkozó információk alapján elkormányozza a jármű kerekeit. A rendszer meghibásodása esetén nem tudja a jármű menetirányát változtatni, az esetleges balesetveszélyt elhárítani. A nemzetközi előírások jelenleg még nem engedélyezik a teljes steer-by-wire rendszert. Az új kutatások, fejlesztések arra irányulnak, hogyan lehetne egymástól független többkörös szabályzási rendszert beépíteni a teljes biztonság érdekében.

A felsorolt kormányzási tulajdonságok a jármű kanyarodása közben különféle variációkban jelentkezhetnek. Például egy multilink futóműves jármű nagy oldalgyorsulású kanyarodásakor a kényszerkormányzás paramétereit módosítja a kerekek ferdefutás és a kerekek összetartás változása is. Viszont parkolás közben nincs jelentősége a sajátkormányzási tulajdonságnak és a kerekek önkormányzási képességének. Egyenes haladásakor oldalszélben a jármű kényszerkormányzás nélkül is kanyarodni kényszerül, éppen a gumiabroncsok ferdefutása miatt. A következőkben a kényszerkormányzás és a sajátkormányzás együttes dinamikai hatását vizsgáljuk kéttengelyes jármű esetén.

A rugalmas gumiabronccsal rendelkező járműkerék oldalerő hatására eldeformálódik. Ha a deformálódott kerék gördül az útfelületen, akkor a sebesség vektor nem simul bele a kerék szimmetria síkjába, hanem azzal egy meghatározott szöget zár be, vagyis a kerék oldalra gördül. Ha ez az oldalazás csak olyan mértékű, hogy a kerék felfekvő felülete nem csúszik oldalra, akkor a szakirodalom ezt a gumiabroncs ferdefutásának nevezi. (9.5. ábra)

A δ szöggel határolt ferdefutási tartomány egy biztonsági zónát jelent, amelyen belül nincs még makroszkópikus oldalirányú csúszás, így a hossz - és keresztirányú erőkapcsolati viszonyok alig változnak. A δ szög egy adott gumiabroncsra, annak beépítési és működési körülményeire vonatkoztatható. Nagyságát befolyásolja a gumiabroncs mérete, mintázata, anyaga, szövetvázának szerkezete, felületi hőmérséklete, kerék függőleges és oldalirányú terhelése, a jármű sebessége, az útfelület minősége, szennyezettsége, nedvessége, az út felületi hőmérséklete. Az oldalirányú megcsúszást még nem okozó δ ferdefutási határszög elnevezése a kerék saját ferdefutási szög. Ezzel szemben megkülönbözteti az úgynevezett kikény­szerített ferdefutási szöget, melyet általában α-val jelölünk. A kikényszerített ferdefutás leginkább a kerék dőléséből, összetartásából, széttartásából, nyomtáv megváltozásából, hibás kormánygeometriából adódik. A két szög egymáshoz mért nagysága alapvetően befolyásolja a gumiabroncs kopását, és a jármű menetstabilitását. Ha a kikényszerített ferdefutási szög (α) kisebb a kerék oldalcsúszást még nem okozó saját ferdefutási szögnél (δ), akkor a gumiabroncs felfekvő felülete nem csúszik oldalra (nem radíroz), a kerék továbbra is felveszi a hossz és keresztirányú erőket (vonóerő, fékerő, centrifugális erő), a jármű haladása stabil marad, a gumiabroncs nem kopik rendellenesen (fűrészfogasan). Ezzel szemben, ha különböző műszaki okokból (leginkább kompromisszumokból) összeadódó, kikényszerített ferdefutású szög (α) nagyobb a kerék saját ferdefutású szögénél (δ), akkor a kerék oldalra megcsúszik, aminek a következtében gumikopás lép fel, a kerék által a felvehető hossz és keresztirányú erők hirtelen lecsökkennek, a jármű elvesztheti a stabilitását. Ez különösen a kanyarodás közbeni fékezéskor lehet veszélyes mértékű.

Az utóbbi időben egyes korszerű gépkocsiknál is jelentkező gumikopások, nagyrészt erre az egyenlőtlenségre vezethetőek vissza.

A gumiabroncs ferdefutási tulajdonságának leírására különböző paraméterek, karakterisztikák szolgálnak. Ezeket számítógépes modellezéssel, laboratóriumi és országúti tesztelésekkel határozzák meg. Ezek a paraméterek a futómű tervezés és beszabályozás kiinduló adatai. A legértékesebb karakterisztikák a gumiabroncs függőleges terhelése, a kerék által felvett oldalerő, a kerék visszatérítő nyomatéka, a jármű sebessége, a gumiabroncs utánfutása és a gumiabroncs ferdefutási szöge közötti összefüggéseket ábrázolják. Ezeket a karakterisztikákat egy korszerű autóbusz gumiabroncsára vonatkoztatva mutatja be a (9.6. ábra, 9.7. ábra, 9.8. ábra) ábrán.

A gumiabroncs ferdefutási tulajdonságai a jellemző paraméterek értékeitől függően jelentősen megváltoztatják a jármű kanyarodás közbeni viselkedését, menetstabilitását. A (9.9. ábra) ábrán kinematikailag jól követhető az a változás, melyet a rugalmas gumiabroncs ferdefutása idéz elő.

A Θ elkormányzási szöggel kanyarodásra kényszerített jármű lassú sebességen, ideális köríven halad, melynek sugara:

A kerékre nem hat oldalerő, mindegyik kerék oldalcsúszás nélkül a saját síkjában gördül, vagyis a kerekek sebességvektorai belesimulnak a kerék szimmetria síkjába, a futóművek közepének sebességvektorai irányukat, nagyságukat tekintve egyértelműen meghatározhatóak. A sebesség növelésével a kerekekre ható centrifugális erő fokozódik, a rugalmas gumiabroncsok deformálódnak, és ferdefutásba kezdenek. Ennek eredményeként a jármű oldalirányba kúszik, és letér a kényszerkormányzás által kijelölt körpályáról. De mindaddig, amíg a kerekek nem csúsznak meg oldalra, vagyis ferdefutásuk nem oldalra, vagyis ferdefutásuk nem lépi túl a ferdefutási határsebességet, addig mozgása korrigálható, menetstabilitását nem veszti el. Ebben a stabil tartományban nevezhetjük ezt a dinamikai mozgásállapotot a jármű sajátkormányzásának. A kerekek ferdefutásából adó­dóan kialakulnak az első és hátsó futóművek eredő ferdefutási (oldalkúszási) szögei, va­gyis a futóművek tényleges sebességvektorainak irányai eltérnek a kormánykerék elfordítá­sából következő eredeti irányoktól, ezáltal a kanyarodás középpontja eltolódik, a kanyarodás sugara megváltozik. Úgy tűnik, mintha a jármű saját magát elkormá­nyozná, miközben a kormánykerék elfordítási pozíciója, és így a kerekek elkormányzási szögei változatlanok maradnak.

A 9.9. ábra jól mutatja a rugalmas gumiabroncs okozta dinamikai változásokat. A kerekek ferdefutási szögeinek eredőjeként kialakul a jármű első és hátsó futóműveinek középpontjára vonatkoztatott sebességvektorok irányszögének változása, azaz eltérése a statikus mozgás irányaitól. Az első futóműnél az eltérési, kúszási szög δ₁, a hátsó futóműnél δ₁. A kanyarodás középpontja (O) eltolódik, a kanyarodás sugara módosul (R). A geometriai adatokkal felírható változás:

A kanyarodás effektív, valós sugara:

Az összefüggések további elemzéséhez egy olyan kanyarodási szituációt választunk, amikor a kormányzott futómű elkormányzási szöge (Θ) kisebb 8 foknál. Ilyen kis szögeknél a tangens függvény helyett magát a szögértéket vehetjük figyelembe, de radián egységben kifejezve. Így a kanyarodás sugara jó közelítéssel:

Ebből az összefüggésből jól kiolvasható, hogy a jármű valós kanyarodási sugara a két futómű oldalkúszási szögének különbségétől függ. Ez alapján három jellemző dinamikai helyzetet lehet megkülönböztetni:

A jármű vezethetősége szempontjából kedvező a semleges vagy az alulkormányzott, kedvezőtlen a túlkormányzott jármű. Alulkormányzott jármű dinamikus vezetése közben a vezető a kormánykereket a kanyarodás kezdetekor β_L szöggel fordítja el, de a jármű a vártnál nagyobb íven kanyarodik. A vezetőnek korrekciós mozdulatot kell végeznie, tovább kell a kormánykereket (Δβ_L) szöggel fordítani, tehát a vezérlő jel β_L0 és a Δβ_L korrekciós jel azonos előjelű, a szabályzás stabilnak minősíthető. A túlkormányzott járműnél β_L0 vezérlőjel hatására a jármű kisebb körön kanyarodik, a kormánykerekeket visszafelé kell fordítani, a korrekciós jel -Δβ_L. A negatív szabályozás következtében a jármű hajlamos a túllendülésre, a vezető elbizonytalanodik, fennáll a stabilitás teljes elvesztésének veszélye.

Általánosságban alulkormányzott sajátkormányzású az orrmotoros elsőkerék-hajtású jármű, és túlkormányzott a farmotoros, hátsókerék-hajtású jármű. De megismételve a 2. fejezet fejezetben a járművek sajátkormányzásának vizsgálatára irányuló előírásokat és teszteket, összefoglalásként kijelenthető, hogy a járművek sajátkormányzási tulajdonsága az oldalgyorsulás növekedésével megváltozhat, kedvezőtlenebbé is válhat. A különböző intelligens rendszerek a kedvezőtlen változásokat mérsékelhetik.