Mechanizmy wspomagajace prace kierowcy

Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
Mechanizmy wspomagajace prace kierowcy
Autor: Piort Gębiś
01.03.2010.
Przy większych masach pojazdów, mocach silników i roz- miarach opon siła ludzkich nóg i rąk jest z
reguły niewystarczająca do uruchamiania samochodowych układów hamulcowych i kierowniczych.
Fot. archiwum, TRW, Delphi Elektryczny system wspomagający z silnikiem napędzającym wał kierownicy Wartość siły potrzebnej do skutecznego naciskania pedału hamulca lub obracania koła kierownicy
redukowano początkowo przez stosowanie różnych mechanizmów dźwigniowych i zębatych, lecz
odbywało się to zawsze kosztem wydłużenia roboczego ruchu nogi lub rąk kierowcy. Zwiększał się więc
czas wykonywania poszczególnych manewrów, a tym samym malało bezpieczeństwo jazdy. Problem ten
ze zrozumiałych względów pojawił się najpierw w konstrukcjach ciężkich pojazdów użytkowych. Tam też
zastosowano pierwsze mechanizmy wspomagające w układach hamulcowych i kierowniczych. Istota
wspomagania polega na tym, że energia czerpana ze źródeł zewnętrznych uzupełnia w potrzebie wysiłek
mięśni, lecz nie zastępuje go całkowicie. Przepisy wymagają bowiem, by cały wspomagany układ w razie
awarii urządzeń wspomagających dawał się jeszcze obsługiwać siłami samego kierowcy. Warunku tego
nie spełniają układy pneumatyczne i hydrauliczne, przy których rola kierującego sprowadza się do
zamykania lub otwierania odpowiednich zaworów, więc pojazdy z takim wyposażeniem dopuszczane są
do ruchu dzięki zastosowaniu w nich dodatkowych systemów zabezpieczających. Wspomaganie
hydraulicznych układów hamulcowych Najstarsze rozwiązanie takiego mechanizmu wspomagającego
wykorzystuje do zwiększania nacisku wywieranego przez pedał hamulca na tłok pompy hamulcowej
podciśnienie panujące po przymknięciu przepustnicy w kanałach dolotowych silnika z zapłonem
iskrowym. Pojawiło się w czasach, gdy takie silniki stosowane były jeszcze powszechnie w samochodach
ciężarowych i autobusach. Potem znalazło zastosowanie w dużych luksusowych samochodach osobowych.
Dziś w niezmienionej postaci stanowi standardowe wyposażenie ogromnej większości samochodów
osobowych wszystkich klas, a także lekkich pojazdów dostawczych. Przeponowy siłownik wspomagania
podciśnieniowego umieszczany jest między pedałem hamulca a pompą hamulcową. Przepona dzieli
wnętrze jego obudowy na dwie części, w których przy spoczynkowym położeniu pedału panuje identyczne
podciśnienie dzięki połączeniu obu komór z kolektorem dolotowym silnika. Po naciśnięciu pedału
następuje równocześnie lekkie przesunięcie tłoczka w pompie hamulcowej, otwarcie zaworu łączącego
tylną komorę siłownika z atmosferą i zamknięcie zaworu łączącego obie komory. Różnica ciśnień
panujących po dwu stronach przepony przemieszcza ją ku przodowi, co powoduje dodatkowe dociśnięcie
tłoczka pompy. Działanie to trwa przez cały czas naciskania pedału. Kiedy jednak nacisk ten nie pogłębia
się, ruch przepony powoduje zamknięcie połączenia tylnej komory z atmosferą i pozycja tłoczka
stabilizuje się w dowolnym punkcie jego skoku. Po cofnięciu pedału następuje otwarcie kanału między
komorami i przepona pod naciskiem sprężyny wraca do swego położenia spoczynkowego. W pojazdach
napędzanych silnikami wysokoprężnymi bez przepustnic w układach dolotowych można korzystać
z identycznych urządzeń wspomagających pod warunkiem zainstalowania dodatkowej pompy
wytwarzającej podciśnienie. W pojazdach użytkowych z silnikami wysokoprężnymi stosowano
kilkadziesiąt lat temu do wspomagania hamulców hydraulicznych siłowniki nadciśnieniowe współpracujące
ze sprężarkami, lecz rozwiązanie to nie wytrzymało konkurencji z całkowicie pneumatycznymi układami
hamulcowymi. Rys.: Wspomaganie nadciśnieniowo-hydrauliczne: 1. zasobnik, 2. pompa hamulcowa, 3.
siłownik wspomagający, 4. zawór ładowania, 5. akumulator ciśnienia, 6. pompa hydrauliczna, 7.
wspomaganie kierownicy Obecnie zamiast opisanych mechanizmów podciśnieniowych stosowane bywają
coraz częściej wspomagające siłowniki hydrauliczne. Są one zasilane z akumulatorów ciśnienia
stanowiących niezbędną część systemów ABS lub ESP, bądź też z pomp hydraulicznych używanych w
systemach wspomagania układu kierowniczego. Rys.: Hydrauliczny siłownik wspomagający (w położeniu
spoczynkowym) Wspomaganie układów kierowniczych Ten rodzaj systemów wspomagających stosowany
jest obecnie we wszystkich pojazdach użytkowych, a także w większości samochodów osobowych z
wyjątkiem najlżejszych i najtańszych. W ciężarówkach i autobusach występują niemal wyłącznie
hydrauliczne urządzenia wspomagające, a w samochodach osobowych coraz popularniejsze stają się
mechanizmy elektryczne. Niezależnie od wykorzystanej w nich zasady działania systemy te współpracują
z mechanicznymi układami kierowniczymi. Klasyczny system wspomagania hydraulicznego składa się z
zasobnika płynu roboczego, pompy napędzanej przez silnik samochodu, układu sterującego
uruchamianego kołem kierownicy i siłownika współpracującego z mechanizmem zwrotniczym. W
http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 4-03-2017, 09:28
Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
większych samochodach osobowych, sportowych, ciężarowych i autobusach przekładnia kierownicza ma
przeważnie konstrukcję śrubową z obiegiem kulek. Śruba sprzężona z wałem kierownicy wywołuje
podczas obracania poosiowy ruch nakrętki, a ta z kolei zazębia się z wycinkiem koła zębatego
osadzonego na wspólnej osi z ramieniem przekładni. Nakrętka jest równocześnie tłokiem siłownika,
poruszającym się w cylindrycznym wnętrzu obudowy. Uruchamiany kierownicą zawór sterujący reguluje
ciśnienie oleju (stosownie do szybkości ruchów kierownicy) i kieruje go, w zależności od kierunku
skręcania kół, na jedną lub drugą stronę tłoka. Ciśnienie oleju przesuwa tłok-nakrętkę i tym samym
uruchamia połączone z nią drążki kierownicze w czasie obracania koła kierownicy. Opór stawiany śrubie
przez nakrętkę jest wówczas minimalny. Po zatrzymaniu się kierownicy ciśnienie hydrauliczne staje się
jednakowe po obu stronach tłoka. Układ po wykonaniu skrętu umożliwia też samoczynny powrót
kierownicy do pozycji neutralnej. Rys.: Przekładnia zębatkowa ze wspomaganiem hydraulicznym: 1.
zębatka połączona z tłokiem, 2. oś zębnika, 3. cylinder, 4. zasobnik, 5. pompa skrzydełkowa, 6. przewód
powrotny, 7. zawór ograniczający ciśnienie, 8. przewód ciśnieniowy, 9. oś zaworu obrotowego, 10. wał
kierownicy, 11. obrotowy zawór sterujący, 12. zewnętrzny rowek pierścieniowy, 13. wewnętrzne rowki
pierścieniowe Opisana tu konstrukcja układu wspomagającego nie działa podczas holowania pojazdu z
unieruchomionym silnikiem. Z tego powodu w ciężkich samochodach ciężarowych obowiązkowe jest
stosowanie drugiej pompy hydraulicznej, sprzężonej z układem przeniesienia napędu. W lżejszych
samochodach osobowych znajdują zastosowanie przekładnie zębatkowe ze wspomaganiem
hydraulicznym. Listwa zębata połączona jest w nich z tłokiem przesuwającym się w cylindrze siłownika o
dwustronnym działaniu. Zależnie od kierunku skręcania kierownicy płyn roboczy o płynnie regulowanym
ciśnieniu doprowadzany jest na jedną lub drugą stronę tłoka, a decyduje o tym obrotowy zawór
sterujący, połączony z zębnikiem. Pozostałe części są identyczne, jak w systemach z przekładniami
śrubowymi. Rys.: System z elektronicznie regulowaną wartością siły wspomagania: 1. siłownik
hudrauliczny, 2. przekładnia kierownicza, 3. czujnik momentu obrotowego koła kierownicy W mniejszych
pojazdach istotna wada klasycznego wspomagania hydraulicznego polega na tym, że pracująca w sposób
ciągły pompa zużywa stosunkowo dużą część mocy silnika. Poza tym jej nagłe unieruchomienie podczas
jazdy (np. z powodu zerwania paska napędowego) powoduje skokowy i nieoczekiwany wzrost siły
potrzebnej do obracania kierownicą. Niedogodności te zostały złagodzone przez zastąpienie
mechanicznego napędu pompy silnikiem elektrycznym włączającym się jedynie w momencie
zapotrzebowania na ciśnienie hydrauliczne w układzie. Zużycie energii wynosi wówczas tylko 25%
wartości potrzebnej przy pompie napędzanej mechanicznie. Podobnych wad nie mają w ogóle
elektromechaniczne systemy wspomagania, w których źródłem energii są silniki elektryczne działające
bezpośrednio na wał kierownicy. Są całkowicie niezależne od działania silnika pojazdu, a ich pobór mocy
dostosowany jest precyzyjnie do aktualnego zapotrzebowania. Mają też prostszą, a zatem bardziej
niezawodną konstrukcję. Nie wymagają żadnej eksploatacyjnej obsługi (w systemach hydraulicznych
konieczna jest okresowa wymiana płynu roboczego i regularne sprawdzanie jego poziomu w zasobniku).
Silnik elektryczny układu wspomagania może być umieszczony na wale kierowniczym, obok przekładni
zębatkowej albo wręcz w jej wnętrzu. Sterowanie wartością momentu silnika elektrycznego umożliwia
czujnik momentu obrotowego wywieranego przez kierowcę na koło kierownicy, zainstalowany wprost na
dolnym końcu wału kierowniczego lub na obudowie przekładni ślimakowej. Elektroniczny sterownik
układu odbiera sygnały z czujnika momentu oraz sygnały z czujników prędkości jazdy, aktualnego
przełożenia skrzyni biegów, hamowania itp. Na tej podstawie ustalany jest kierunek i wartość prądu
płynącego do silnika wspomagającego. Elektroniczna regulacja mocy silnika elektrycznego umożliwia więc
powiązanie siły wspomagania z prędkością jazdy (przy większych prędkościach wspomaganie może być
słabsze), momentem obrotowych przekazywanym na koła lub z obciążeniem pojazdu, a nawet uzyskanie
efektu zmiennego przełożenia przekładni kierowniczej. Główną wadą elektrycznych systemów
wspomagających jest niewielka moc silników zasilanych napięciem 12 V, co ogranicza ich stosowanie do
pojazdów o małych obciążeniach osi kierowanej. Rys. poniżej: Hydrauliczne wspomaganie kierownicy z
elektrycznym napędem pompy http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 4-03-2017, 09:28