10. fejezet - Kormányrendszerek jellemző szerkezeti egységeinek elemzése

A nemzetközi előírások szerint a kormánykerék és a kormányzott kerekek között állandó mechanikus kapcsolatnak kell lenni. Ezt a szigorú követelményt úgy kell a csuklókból és rudazatokból álló mechanizmusoknak teljesíteni, hogy a jármű kanyarodása közben a kerekek elkormányzási szögei minden elkormányzási pozícióban megfeleljen az oldalcsúszás-mentes gördülés kinematikájának. A kanyar külső és belső kerekek összehangolt elkormányzását a kormánytrapéz garantálja. A merevhidas futóművel szerelt járműveknél a kormánytrapéz geometriailag is az egyenlő oldalú trapézt jeleníti meg. (10.6. ábra)

Független felfüggesztésű futóműveknél a kormánytrapéz osztott rúdelemekből épül fel. A trapéz összekötő rudazatának szerkezete attól függ, milyen típusú a kormánygép a kilépő mozgató elemet tekintve. Fogasléces kormánygépből szimmetrikusan két mozgató csukló lép ki, a hozzá kapcsolt jobb- és baloldali nyomtávrúd képezi a trapéz összekötő oldalt. (10.7. ábra)

Az egylengőkaros kormánygépek felszerelésekor a trapéz összekötő oldalába egy kormánynégyszöget kell beépíteni a mechanizmus szimmetriájának megteremtése érdekében. (10.8. ábra)

A kormánytrapéz geometriai szerkezetének kiszerkesztése és számítása viszonylag egyszerű feladat a merevhidas első futóművel szerelt járműveknél. Elegendő a trapézkar hosszát és a trapézkar szögét meghatározni. Ehhez jól bevált geometriai eljárás a Causant szerkesztés (10.9. ábra)

A trapézkar y hosszát előzetesen lehet meghatározni a kormányzott tengelycsonk környezetének ismeretében. A trapéz bázistávolságát (b) annak a két pontnak (A, B) a távolsága adja, amelyek az elkormányzási tengelyek és a trapézkaron lévő gömbcsuklók közepén átmenő, és az elkormányzási tengelyre merőleges síkok döféspontja. A tengelytáv (L) ismeretében megrajzolható a jármű alaprajza. Közepes elkormányzási (θ = 18 - 20°) szöget felvéve kiszerkeszthető a kanyarodás középpontja és a belső és külső kerekek elkormányzási szögei (α, β). A további szerkesztést 1:1 léptékben lehet folytatni a következő sarokpontok ismeretében:

A szerkesztés és számítás menetét a vonalak sorszámai mutatják. A Causant szerkesztéssel a hátra illetve az előre nyíló trapézkarok φ és φ’ alapszögeit egyszerre lehet meghatározni. A megszerkesztett kormánytrapéz geometriával felépített kormányrendszer akkor garantálja a szöghiba-mentes kormányzást, ha a kerekek dőlésszöge (γ) kisebb 1°-nál, a csapterpesztés nem haladja túl az 5 fokot, a csaphátradőlés (ε) maximum 5°. Ezeknél nagyobb szögértékeknél a kerekek már oldalazva gördülnek.

A független felfüggesztésű futóművek kormánymechanizmusának pontos geometriai tervezése már összetettebb feladat. A trapézkar hosszának és alapszögének kiszerkesztésével együtt meg kell határozni a nyomtávrudak belső csuklóközéppontjainak térbeli koordinátáit is. Ez a két pont a kormánymechanizmus két póluspontja. Hibás koordináták esetén a kerekek összetartási szöge (α_V) ki-berugózáskor változik, a kerekek „tapsolnak”, ami gumikopást, a jármű imbolygó mozgását, „sétálását” idézheti elő. (lásd a 10.2.4. szakasz fejezetet)

A kormánytrapéz precíz működését a kormányzási hibagörbe és a hibakarakterisztika szemléletesen minősíti. A hibagörbe szerkesztéssel állítható elő, a hibakarakterisztika megrajzolásához a kerekek elkormányzási szögének mérése és az ideális szögértékek kiszámítása szükséges.

A hibagörbe kiszerkesztéséhez méretarányosan ki kell rajzolni a jármű alaprajzát a kormánytrapézzal együtt. A külső kerék meghatározott szöglépcsőnkénti jobbra fordításával a kormánymechanizmuson végigvezetve az elmozdulásokat, megjelenik a belső kerékszög. A két szöget a trapéz bázisvonalára rajzolva metszéspontokat kapunk. Ezek összekötése jeleníti meg a kormányhibagörbét. (10.10. ábra)

Geometriai levezetéssel bizonyítható, hogy ezek a metszéspontok a trapézbázis felezőpontját (C) és a hátsó futóműre vetített csuklópontot (K) összekötő egyenesre esnek. A bizonyítási eljárást a (10.11. ábra) ábrán bemutatott geometriával lehet levezetni.

A (10.11. ábra) ábrán a pontokkal határolt egyenes szakaszokra felírható az alábbi feltételezés:

A háromszögek hasonlósága alapján írható:

Továbbá:

Ezekből következően:

A tangens függvények:

A kormányzási hibagörbe szerkesztésekor meghatározzuk az α elkormányzási szöghöz tartozó tényleges β elkormányzási szöget, de megkapjuk az elméletileg helyes β₀ szöget is, ha az α szög szára és a CK egyenes metszéspontjából vonalat húzunk a B csuklópontig. (10.11. ábra) A szerkesztett adatokból készíthetünk egy kiértékelő táblázatot:

Ebből a táblázatból (Táblázat 10.1) megrajzolható az α szög függvényében a kormányzási hibakarakterisztika. Az α = 20° elkormányzáshoz tartozó Δβ szöghiba 1-1,5° lehet. A nagyobb elkormányzási szögeknél ennél nagyobb is előfordulhat, azonban ilyen kanyarodási helyzetben a jármű kisebb sebességgel halad, a kerekek esetleges oldalcsúszása nem veszélyezteti a jármű stabilitását. Az α = 20° elkormányzásnak kiemelt szerepe van a futómű beállítás és ellenőrzés műveleteiben is. A kormánygeometria minősítéséhez a járműgyárak megadják az α = 20°-os elkormányzáshoz tartozó gyári β szöge és annak tűrésmezejét. A mérést szögmérős forgózsámolyok segítségével lehet elvégezni.

Kormányzás közben a jármű vezetője a kormánykerék elfordításával a jármű kerekeit állítja be a kívánt kanyarodási sugár által meghatározott szöghelyzetbe. Az Ackermann geometriából következően a két kerék elkormányzási szöge különböző, tehát a kormányszög és a kerékszög összefüggését kifejező kinematikai áttétel különböző lesz a kanyar külső és belső kerekére vonatkoztatva. A külső kerékre:

A belső kerékre:

A kormánymechanizmus különböző fogó és egyenes mozgást végző elemekből áll, így tisztán kinematikai sem lineáris az összefüggés. Ráadásul a rugalmas elemek a mozgásviszonyokat erőhatásra még inkább nem lineárissá, a gerjesztés szabálytalanságából következően sztochasztikussá is teszik. Így az egy számértékkel megadott áttétel csak névleges lehet, egy adott állapotra vonatkozhat. A következőkben a kormányrendszer áttételének elemzését csak a kanyar külső kerékre koncentráljuk, és elhanyagoljuk az alkatrészek rugalmasságát. Először a fogasléces kormánymechanizmus mozgásviszonyait elemezzük (10.13. ábra):

A kinematikai áttétel:

Miután az y₀ hosszúságú és φ szögű trapézkar a tengelycsonkkal szilárd egységet képez, ezért:

És így a kinematikai áttétel:

Az áttétel szétválasztható a kormánygép és a rudazat áttételére:

A fogasléces kormánygép áttétele:

Továbbá:

Ahol:

Így:

A rudazat áttétele:

Tehát a kormánymechanizmus áttétele φ trapézkar állásnál:

A kormánymechanizmus névleges kinematikai áttételét a φ=0 trapézkar állásban kapjuk, vagyis amikor egyenes állásból a φ₀ alapszögű trapézkart a jármű hossztengelyével párhuzamos x menetirányba fordítjuk. Ebben a helyzetben az áttétel:

Golyósoros csavarorsós egylengőkaros kormánygépes mechanizmus esetén a kormánygép áttétele: (10.13. ábra)

Vagyis a kormánykerék egy körülfordulása alatt a lengőkar csatlakozó pontja a távolságra mozdul el. (10.13. ábra) A csavarorsó menetemelkedésből (h), a fogaskerék osztókör sugarából (R) a lengőkar hosszából (l_p) felírható hasonlóság alapján:

És így a kormánygép áttétele:

Az egylengőkaros kormánygéppel működtetett mechanizmus kinematikai névleges áttételét a kormánygép, a kormánynégyszög és kormánytrapéz (lásd: 10.8. ábra) áttételének szorzata adja.

A jármű kormányzásakor a vezető a kormánykerekeket forgatja és az állandó mechanizmuson keresztül a rugózás következtében függőlegesen mozgó kereket elfordítja. Az egész irányítási folyamat a kocsitest súlypontjához kötött koordinátarendszerből indul ki. Ennek a koordinátarendszernek a határán elhelyezkedő álló csuklópontból átmegy egy rúdba – amely merevhidas futóműnél tolórúd, független felfüggesztésű futóműnél nyomtávrúd – amely rúd másik vége már beleér a kerék súlypontjához kötött mozgó koordinátarendszerbe és a kerék mozgását követve a rúdirányú elmozdulásával hozza létre a kerék elkormányzási szögét. A két koordinátarendszer határán lévő csuklópontot nevezzük a kormánymechanizmus póluspontjának. Merevhidas futómű esetén egy póluspontja és egy szabályzórúdja van a kormánymechanizmusnak. (10.14. ábra)

Rögzített kormánykerék melletti haladáskor a járműkerék ki-berugózását követve a szabályzó rúd az álló póluspont körül a rúd hosszának megfelelő gömbfelületet tud leírni. A kerék felfüggesztési rendszere és a kormánymechanizmus további rudazata meghatározza azt a felületet, amelyet a szabályzó rúd mozgó csuklópontjának le kell írni ahhoz, hogy a kerék a ki-berugózás közben ne kormányozódjon el. Ha a két felület egybeesik, akkor ténylegesen nincs elkormányzás, ha viszont nem esik egybe, akkor a különbség a kerék önkormányzását idézi elő. Miután a merevhidas futómű kormányrendszerének összekötő rúdja a két kerék mindenkori egyirányú önkormányzását engedélyezi, a kerekek azonos irányú ki-berugózása vagy a kocsitest bólintó mozgása miatt imbolygó, „sétáló” mozgást végez, ami nagyobb sebességnél balesetveszélyes lehet.

Független felfüggesztésű futómű kormányrendszerében szimmetrikusan elhelyezkedő két póluspont található. (10.15. ábra) Ez vagy a fogasléces kormánygép két kimenő gömbcsuklója, vagy kormánynégyszöges mechanizmus esetén a nyomtávkarok belső gömbcsuklói.

A kerék ki-berugózásakor a trapézkar gömbcsuklójának középpontját (U) a mechanizmus póluspontjában (T) kikötött nyomtávrúd körpályára kényszeríti (L), miközben a felfüggesztő rudazat a kerekek elkormányzása nélkül egy meghatározott pályán 1 mozgatná a trapézkar csuklópontját. Ha a két pálya nem azonos, akkor a kerék ki-berugózásakor önkormányzást végez.

A járműfelépítmény egyenes haladáskor lüktető gázadásra, vagy fékezés hatására bólintó mozgást végez, a két kerék azonos fázisban rugózik, a kerekek szimmetrikusan az összetartás vagy széttartás irányába önkormányoznak. A kerekeknek ezt a szimmetrikus önkormányzását a szakzsargon tapsolásnak nevezi. A két kerékre ellentétesen ható oldalerők kiegyenlítik egymást, a jármű iránytartása stabil, de nagyobb önkormányzáskor gumikopás, a kerekek oldalcsúszása is bekövetkezhet, ami balesetveszélyes.

Autóbuszoknál a két futómű és kormányzási rendszer közötti választást elsősorban a menetirány stabilitásának szempontjai döntik el. Városi autóbuszoknál gyakrabban alkalmaznak merevhidas futóművet, ami olcsóbb, egyszerűbb szerkezet, és a kisebb sebességnél a jármű „sétáló” mozgása még nem veszélyes. Távolsági autóbuszokba egyre inkább független felfüggesztésű futóműveket szerelnek. A póluspontok és a nyomtávrudak precíz tervezésével minimálni lehet a kerekek „tapsolását”.

A póluspontok koordinátáinak és a szabályzórudak hosszának megtervezése az irányzókar illetve a trapézkar középpontjainak által leírt, igényelt pálya megszerkesztésével kezdődik. Az igényelt pálya leírhatja az elkormányzás nélküli ki-berugózáshoz vagy valamilyen önkormányzási célfüggvényhez rendelt mozgást. A korszerű elasztokinematikus multilink futóműveknél az utóbbi a jellemző.

Független felfüggesztésű futóművek kormánymechanizmusának póluspontjait kinematikai szerkesztéssel is meghatározhatjuk. A szerkesztés során az egyes csuklópontok pillanatnyi mozgási irányával momentán centrumokat határozunk meg, majd azok eredőjeként kapjuk a mechanizmus póluspontját.

A szerkesztés menetét a két leggyakrabban alkalmazott futómű típuson, a háromszög-trapéz keresztlengőkaros futóművön, és a McPherson-típusú futóművön mutatjuk be.

A (10.16. ábra) ábrán vázolt háromszög-trapéz keresztlengőkaros futóműnél a P₁ momentán centrumot az EC és GD csuklók momentán sugarai metszik ki. A P ponton kell áthaladnia az U pont momentán sugarának is. A GE és DC sugarak metszése adja a P₂ pontot. A P₁ és P₂ momentán pontokat összekötő egyenesre rámérjük az α pozíció szöget, melynek szára és az EU sugár kimetszi a P₃ pontot. Ezen a ponton kell átmennie a C és T pontok momentán sugarának, és így eljutottunk a T pontig, ami a kormánymechanizmus póluspontja, a TV távolság pedig a nyomtávrúd hossza. A T póluspont párja a jármű középvonalán való áttükrözéssel jelölhető ki. A T póluspontok egyben a fogasléces kormánygép csuklópontjainak vagy a kormánynégyszög kimenő csuklóinak középpontjai.

A McPherson-féle futómű kormány póluspontjának szerkesztése hasonlóképpen történik, ezt mutatja be a 10.17. ábra.

A P₁ pólus meghatározásához a támcsapágy E középpontjától merőlegest húzunk a csillapító középvonalára, és meg határozzuk annak metszéspontját a GD lengőkar meghosszabbításával. P₁ U ponttal történő összekötésével megkapjuk a nyomtávrúd helyzetét. G ponton keresztül párhuzamost húzunk EP₁ szakaszhoz, és megkeressük annak az ED szakasz meghosszabbításával való metszéspontját, ez lesz a második, P₂ pólus. A P₁P₂ összekötő vonalra lefelé kell venni az EP₁ és UP₁ által bezárt α szöget, hogy e vonal és az UG szakasz meghosszabbí­tott vonalának metszéspontjaként megkapjuk a P₃ pólust.  Ezt követően a P₃D összekötő vonal meghosszabbítása UP₁ szakaszon megadja a belső nyomtávrúd csukló T középpontját. Végeredményben meghatároztuk a kormánymechanizmus póluspontját és a nyomtávrúd hosszát.

A kormánykerék és a kormánygép közötti alkatrészek kiválasztásakor, tervezésekor lényeges követelmény a geometriailag korrekt tengelyvezetés mellett a határozott balesetbiztonság. Az 1970-es évek elejétől általánosan előtérbe került a vezetőt védő, ütközéskor jelentős deformációt elszenvedő kormánykerék és oszlop. A kormánykerékbe bekerül a légzsák, a kormánykerék tengelye vagy deformálódó, vagy összehúzó csövekből tevődik össze.

A (10.19. ábra) ábrán az Opel gépkocsikon alkalmazott bordás csőtengely látható, amelyik ütközéskor maradó alakváltozást szenved és így jelentős energiát képes elnyelni.

A Mercedes gépjárműveken acél gégecső alkotja a kormánytengelyt, amely a vezetőnek a kormánykerékhez ütődése összenyomódik és kihajlik. A légzsákkal felszerelt kormánykerék deformációja is csökkenti az ütközés energiáját. (10.20. ábra)

A Lemförder Fahrwerktechnik gyár a Volvo gépkocsikhoz kombinált csőtengelyt fejlesztett ki, amelynek felső tagját összecsúszó csövek, az alsó tagját gégecső alkotja. Ez a szerkezet hosszabb deformációs elmozdulást tesz lehetővé, jelentősen csökkenti az ütközés energiáját. (10.21. ábra)

A kormánykerék tengelye és a kormánygép közötti tengelykapcsolatnak több funkciót is kell teljesítenie. A nagyobb szögkitérés miatt kellően rugalmasnak kell lenni, minél kisebb szöglengéseket végezzen forgatáskor, kellő szilárdságú legyen, jó hatásfokkal üzemeljen. A kisebb személyautóknál ezeket a követelményeket az egyszerű gumitárcsás tengelykapcsoló (Hardy-tárcsa) (10.24. ábra) is kielégíti. Nagyobb személyautóknál, haszonjárműveknél már tűgörgős csapágyazású kardáncsuklókat alkalmaznak. A kapcsolóvillák készülhetnek lemezből sajtolással vagy alumíniumból, illetve acélból öntéssel. (10.22. ábra, és 10.23. ábra)

A kormánygépek feladata a kormánykerék forgó mozgását alternáló mozgássá átalakítani. A kormánygépekkel szemben számos kinematikai és gyártási követelmény áll:

A kormánygépeknek a forgómozgás átalakítását megvalósító mechanizmus szerint számos típusa alakult ki. Jelenleg szinte kivétel nélkül három jellemző típusuk fordul elő:

A kormánygép és a kormányzott kerekek trapézkarjai között a kinematikai kapcsolatot a rudak és gömbcsuklók alkotják. A rudazat szerkezetét a kormánygép kimenete, mozgató csuklóinak száma határozza meg. Az egy és kétcsuklós kormánygépekhez kapcsolódó különböző rudazatokat a 10.31. ábra sematikus rajzai mutatják be. A 10.32. ábra a kormánynégyszöges mechanizmus klasszikus típusát egy McPherson futóműves Mercedes személygépkocsi golyósoros csavarorsós hidraulikus kormánygéppel működtetett kormányrendszerével példázza.

A nyomtávrudak gömbcsuklókkal a trapézkarokhoz és a kétcsuklós kormánygépkar (10.33. ábra) illetve a segédirányzókar külső pontjaihoz. Az összekötő rúd a karok belső csuklóit kapcsolja össze. A kormánynégyszög jól észrevehető. A futómű keresztlengőkarját nagytérfogatú önbeálló gumi csapágyak kapcsolják a kocsitesthez. A jármű egyenes haladása közben fékezés hatására a trapézkar gömbcsuklók hátrafelé elmozdulnak és a nyomtávrudak ferde bekötési szögeiből adódóan a széttartás felé elkormányozzák a kerekeket. A kerekek berugózásakor is a nyomtávrudak széttartást idéznek elő. Ez a jármű sajátkormányzási tulajdonságát az alulkormányzás felé változtatja. Ez kedvező a jármű menetstabilitására.

A kormánymechanizmusban háromszabadságfokú gömbcsuklókat építenek be. A gömbcsuklók kotyogása nem megengedett, mert az a kerék vibrációjához, a jármű menetstabilitásának romlásához vezetne. A gömbcsukló háza nemesíthető acélból készül, a menetes csonk átmérője és menetemelkedése M14x1,5 és M12x1,5 mérethatárok között változik. A gömbös csapszeg felület edzhető acélból készül. A műanyag súrlódó gyűrű anyaga poliacetál, a védő-tömítő rugalmas karmantyús anya olajálló gumi vagy poliuretán műanyag. A csuklót molibdén-diszulfidos zsírral feltöltik, további kenésre nincs szükség.

A gömbös csapszeg 1:10 kúposságú szárral önzáróan illeszkedik a karok furatába. A rögzítő csavaranya lehet koronás, ekkor az anya meglazulás ellen csapszeggel rögzíthető. Önzáró anyás rögzítéshez a csapszeg végét belső kulcsnyílásúra kell kiképezni.

A kormánymechanizmus rudazatai vagy acélcsőből, vagy tömör kovácsolt acélból készülnek. (10.34. ábra) Az állítható hosszúságú nyomtávrudak és összekötő rudak csuklói jobb-balmenetes csonkkal illeszkednek a rúd menetes furataiba. A csavarkötés rögzítése történhet kontraanyával vagy a hasítot csővéget összeszorító csavaros bilinccsel. A nyomtávrúd hosszának állíthatósági tartománya általában +-10 mm. A két nyomtávrudaat minden futómű szabályozáskor pontosan egyforma hosszúságúra kell beállítani, egyenlőtlen hosszúságú nyomtávrudak hatására egyenes haladáskor a kocsitest bólintó mozgására a jármű félrehúz, „sétál”.