Uk³ady kierownicze Logistyka 1 - Instytut Eksploatacji Pojazdów i

Uk³ady kierownicze Logistyka 1 - Instytut Eksploatacji Pojazdów i

Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny
im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu
Wydział Mechaniczny
Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn
BUDOWA POJAZDÓW
INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA
Układy kierownicze.
Spis treści
1.
Układy kierownicze, wymogi i zadania im stawiane ......................................... 3
2.
Klasyfikacja układów kierowniczych ................................................................. 6
3.
Budowa układu kierowniczego ........................................................................... 6
4.
Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego ....................................................... 8
5.
Mechanizm kierowniczy .................................................................................... 10
5.1.
Przekładnie kierownicze .................................................................................. 10
5.2.
Przekładnia śrubowo-kulowa ........................................................................... 12
5.3.
Kolumna kierownicy ........................................................................................ 13
6.
Urządzenia wspomagające w układzie kierowniczym .................................... 14
7.
Wytyczne do sprawozdania ............................................................................... 16
2
1.
Układy kierownicze, wymogi i zadania im stawiane
Układ kierowniczy pojazdu powinien zapewniać dobrą zwrotność pojazdu, a cały
pojazd powinna cechować dobra kierowalność i stateczność ruchu.
Przez zwrotność rozumie się zdolność do wykonywania skrętów o małym promieniu.
Decydujący wpływ na zwrotność samochodu mają podstawowe wymiary samochodu:
długość, szerokość, rozstaw osi, rozstaw kół, maksymalne kąty skrętu kół kierowanych.
Bardzo waŜne znaczenie w manewrowaniu samochodem ma przełoŜenie kinematyczne
układu kierowniczego. WyraŜa się ono stosunkiem kąta obrotu koła kierownicy do kąta skrętu
kół kierowanych samochodu. WaŜne jest, aby niezbyt duŜym obrotem koła kierownicy
kierowca mógł uzyskać maksymalny skręt kół kierowanych. Warunek taki prowadzi do
stosowania
małych
przełoŜeń
w
mechanizmie
kierowniczym,
co
jest
sprzeczne
z wymaganiem uŜycia małej siły koniecznej do obracania kołem kierownicy.
Aby przy jeździe po łuku koła samochodu mogły się toczyć bez poślizgów bocznych,
powinien być spełniony warunek przecinania się osi wszystkich kół w jednym punkcie
rys. 1.1. W przypadku pojazdu z kierowanymi kołami osi przedniej oznacza to w praktyce, Ŝe
kąt skrętu koła wewnętrznego δW musi być większy od kąta skrętu koła zewnętrznego δZ.
Między tymi kątami powinna zachodzić następująca zaleŜność:
Rys.1.1.
Toczenie się kół bez poślizgów bocznych
3
Terminem kierowalność określa się zdolność samochodu do szybkiego i precyzyjnego
reagowania na ruchy kierownicy. Wynika z tego, Ŝe kierowalność samochodu wiąŜe się
ściśle z zagadnieniem zwrotności i stateczności i jest od nich uzaleŜniona.
Do najwaŜniejszych czynników, decydujących o kierowalności samochodu, naleŜą:
• rozkład sił bezwładności działających na samochód przy jeździe po torze
krzywoliniowym oraz oddziaływanie tych sił na koła kierowane;
• rozkład masy samochodu;
• kinematyka zawieszeń kół kierowanych;
• kinematyka mechanizmu zwrotniczego;
• powiązanie kinematyczne układu kierowniczego z elementami prowadzącymi
zawieszenia;
• stopień odwracalności przekładni kierowniczej;
• charakterystyka opon i ich przyczepność do nawierzchni drogi;
• stabilizacja kół kierowanych.
Kierowalność samochodu ocenia się według:
• szybkość reakcji samochodu na ruchy koła kierownicy;
• stopnia ułatwienia czynności kierowania samochodem;
• liczby obrotów koła kierownicy, potrzebnych do pełnego skrętu kół kierowanych od
jednego skrajnego połoŜenia do drugiego;
• łatwość utrzymania samochodu na zewnętrznym torze, zwłaszcza przy wzroście
prędkości jazdy.
Stateczność rozumiana jest jako zdolność zachowania przez samochód zadanego
kierunku ruchu mimo działania impulsów zakłócających oraz szybkość wygaszania drgań
procesu przejściowego, wywołanego zmianą kąta skrętu kół.
Samochód o dobrej stateczności poddany krótkotrwałemu impulsowi, np. uderzeniu kół
o nierówności drogi lub podmuchowi bocznego wiatru, spychającemu go z zamierzonego
toru, samoczynnie dąŜy do poprzedniego stanu ruchu.
Pojęcie nadsterowności i podsterowności odnosi się do wzajemnej relacji kątów
znoszenia opon kół przednich i tylnych, tzn. samochód jest podsterowny, jeśli kąty znoszenia
przednich opon są większe niŜ tylnych. W takim przypadku, chcąc aby pojazd poruszał się po
łuku o zadanym promieniu, naleŜy kierownicę obrócić o większy kąt niŜ wynikałoby to
z kształtu toru jazdy. Większe kąty znoszenia opon kół tylnych oznaczają, Ŝe pojazd jest
nadsterowny i kierownica musi być obracana o mniejszy kąt niŜ to wynika z promienia skrętu.
4
Przy projektowaniu samochodu naleŜy dąŜyć do tego, aby samochód był lekko
podsterowny, gdyŜ zwiększa to bezpieczeństwo ruchu. Podsterowna (w pewnych granicach)
charakterystyka polepsza stateczność ruchu pojazdu przy jeździe na wprost i czyni go mniej
czułym na boczny wiatr.
Zadaniem układu kierowniczego jest zachowanie moŜliwie jednoznacznej zaleŜności
między kątem obrotu koła kierownicy, a kątem skrętu kół oraz przekazywanie za
pośrednictwem koła kierownicy zwrotnej informacji o stanie ruchu pojazdu. Układ
kierowniczy powinien odpowiadać następującym warunkom:
• zaleŜność kinematyczna między kątami skrętu kół kierowanych powinna być
moŜliwie bliska zaleŜności teoretycznej;
• koła skręcone powinny samoczynnie powracać do połoŜenia odpowiadającego
kierunkowi jazdy na wprost oraz zapewniać utrzymywanie tego kierunku mimo
działania sił bocznych niezaleŜnych od kierowcy;
• pionowe przemieszczanie kół kierowanych wywołane nierównościami drogi nie
powinny powodować zmiany kierunku jazdy;
• kierowanie pojazdem powinno być łatwe i skuteczne, z uŜyciem moŜliwie małych
sił na kole kierowniczym;
•
uderzenia wywołane nierównościami nawierzchni nie powinny być odczuwalne na
kole kierowniczym.
Przyjęto, Ŝe nowoczesny układ kierowniczy musi spełniać następujące parametry:
• maksymalna siła przykładana do obwodu kierownicy, potrzebna do przekręcenia kół
kierowanych gdy samochód stoi, nie moŜe przekraczać 300N;
• reakcja kół na ruch kierownicy nie moŜe być dłuŜsza niŜ 0,05s;
• zmiana połoŜenia kół kierowanych z jednego skrajnego połoŜenia w drugie nie moŜe
wymagać więcej niŜ czterech obrotów koła kierownicy.
W najnowszych konstrukcjach układów kierowniczych są instalowane progresywne
układy wspomagające. Ich działanie jest odwrotnie proporcjonalne do prędkości jazdy
samochodu: największą wydajność układ zapewnia na postoju i przy małych prędkościach.
Taki układ zabezpiecza kierowcę przed przypadkowym (obsunięcie ręki z kierownicy,
prowadzenie samochodu jedną ręką itp.) manewrem przy szybkiej jeździe.
5
2.
Klasyfikacja układów kierowniczych
UKŁADY KIEROWNICZE
Układy kierownicze
w samochodach z zawieszeniem zaleŜnym
Układy kierownicze
w samochodach z zawieszeniem niezaleŜnym
Układy kierownicze ze względu na rozwiązania konstrukcyjne dzielimy na:
1. Układy w samochodach dwuosiowych z kołami kierowanymi przedniej osi.
2. Układy w samochodach dwuosiowych z kołami kierowanymi osi przedniej
i tylnej.(Samochód taki zwykle ma mechanizm zwrotniczy, który skręcając w bok koła
przednie jednocześnie skręca koła tylne w przeciwną stronę).
3. Samochody trójosiowe:
• układy z kołami kierowanymi przedniej osi i zbliŜonych do siebie osi środkowej
i tylnej,
• układy z kołami kierowanymi dwóch do siebie zbliŜonych osi - przedniej
i środkowej,
• układy z kołami kierowanymi dwóch osi - przedniej i środkowej o symetrycznie
rozstawionych osiach,
• układy z kołami kierowanymi dwóch osi — przedniej i tylnej o symetrycznie
rozstawionych osiach.
3.
Budowa układu kierowniczego
Układ kierowniczy składa się z dwóch mechanizmów:
• mechanizmu zwrotniczego,
• mechanizmu kierowniczego.
Rys.3.1.
Podstawowe elementy układu kierowniczego w zawieszeniu zaleŜnym: 1 - ramię zwrotnicy,
2 - dźwignie zwrotnic, 3 - drąŜek poprzeczny, 4 - drąŜek podłuŜny, 5 - przekładnia
kierownicza, 6 - ramię przekładni kierowniczej, 7 - wał kierownicy, 8 - koło kierownicy,
9 -zwrotnica, 10 - czopy zwrotnic, 11 - belka osi przedniej
Podstawowymi elementami wchodzącymi w skład mechanizmu zwrotniczego są:
• zwrotnice kół,
• drąŜki poprzeczne,
• drąŜki podłuŜne,
• przeguby łączące drąŜki.
Rys.3.2.
Stosowane mechanizmy zwrotnicze przy zawieszeniu niezaleŜnym
Budowa końcówek drąŜków kierowniczych
Typowa końcówka drąŜka składa się z obudowy 4, w której segmenty gniazda kulistego
2 obejmują sworzeń kulowy 1, osadzony nieruchomo w części współpracującej z drąŜkiem
(np. w dźwigni zwrotnicy). SpręŜyna 3 słuŜy do kasowania luzu. Gniazdo kuliste jest
napełnione smarem stałym.
7
Rys.3.3.
4.
Przykłady konstrukcji końcówek drąŜków kierowniczych: a) nierozbieralna, b) rozbieralna,
1- sworzeń kulowy, 2 - segmenty gniazda kulistego, 3 - spręŜyna, 4 -obudowa
Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego
Samoczynne powracanie skręconych kół do połoŜenia odpowiadającego jeździe na
wprost, czyli tzw. skłonność samochodu do wychodzenia z zakrętu oraz utrzymywanie przez
samochód kierunku jazdy na wprost, pomimo działania niewielkich sił bocznych uzyskuje się
przez odpowiednie pochylenie kół oraz sworzni zwrotnic. Prawidłowe ustawienie kół wpływa
korzystnie na stateczność kierunkową samochodu i ułatwia prowadzenie go, a nieprawidłowe
- nie tylko utrudnia kierowanie samochodem, lecz moŜe być takŜe przyczyną szybkiego
zuŜywania się opon.
Ustawienie kół kierowanych określają następujące wielkości geometryczne:
• kąt wyprzedzenia sworzni zwrotnicy α;
• kąt pochylenia sworzni zwrotnicy β;
• kąt pochylenia koła γ;
• zbieŜność kół.
Rys.4.1.
Geometria kół i mechanizmu zwrotniczego
8
Kąt wyprzedzenia sworznia zwrotnicy α to kąt jaki tworzy z pionem oś sworznia
zwrotnicy, mierzony w rzucie na płaszczyznę pionową, równoległą do podłuŜnej płaszczyzny
symetrii samochodu. Ustawienie sworznia zwrotnicy pod kątem α sprawia, Ŝe punkt A
przecięcia osi sworznia z płaszczyzną jezdni wyprzedza teoretyczny punkt B styku ogumienia
z jezdnią. Kąt wyprzedzenia sworznia zwrotnicy (osi zataczania zwrotnicy) jest dodatni, jeśli
górna część sworznia skierowana jest do tyłu.
Kąt pochylenia sworznia zwrotnicy β to kąt, jaki tworzy z pionem oś sworznia
zwrotnicy (mierzony w rzucie na płaszczyznę pionową, prostopadłą do podłuŜnej płaszczyzny
symetrii samochodu).
Kąt pochylenia koła γ to kąt między płaszczyzną koła i płaszczyzną pionową,
równoległą do podłuŜnej płaszczyzny symetrii samochodu, mierzony, gdy koła są ustawione
symetrycznie do osi podłuŜnej samochodu.
ZbieŜność kół to róŜnica (b1-b2) między rozstawem kół kierowanych mierzonym z tyłu
i z przodu, w płaszczyźnie równoległej do jezdni i przechodzącej przez środki kół
ustawionych symetrycznie względem podłuŜnej osi samochodu.
Promień zataczania
Kąty pochylenia sworznia zwrotnicy β i pochylenia koła γ umoŜliwiają dobranie
najkorzystniejszej odległości między punktami C i D. Odległość ta zwana promieniem
zataczania, powinna wynosić kilka do kilkunastu milimetrów.
JeŜeli oś sworznia zwrotnicy przebija podłoŜe po „wewnętrznej" stronie płaszczyzny
symetrii koła (A), mamy do czynienia z dodatnim promieniem zataczania zwrotnicy (przy
skręcaniu kół). Przeciwnie gdy przebija on płaszczyznę podłoŜa po „zewnętrznej" stronie od
płaszczyzny symetrii koła (B), ów promień zataczania jest ujemny.
9
Rys.4.2.
5.
Promień zataczania zwrotnicy: A - dodatni, B - ujemny. Symbole: r - promień zataczania,
1 — punkt przebicia płaszczyzny podłoŜa przez płaszczyznę symetrii koła (w rzucie
podłuŜnym), 2 - punkt przebicia płaszczyzny podłoŜa przez oś sworznia zwrotnicy,
3 - płaszczyzna symetrii koła, 4 - oś sworznia zwrotnicy
Mechanizm kierowniczy
Mechanizm kierowniczy w klasycznym układzie składa się z następujących
podstawowych elementów:
• koła kierownicy;
• wału kierownicy z osłaniającą go kolumną;
• przekładni kierowniczej wraz z wałkiem poprzecznym;
• ramienia kierowniczego;
• mechanizmu wspomagania.
Mechanizm kierowniczy słuŜy do przekazania obrotowego ruchu koła kierownicy na
zwrotnice w celu skręcania kół kierowanych. Obrót koła kierownicy powoduje odchylenie
o pewien kąt ramienia przekładni kierownicy i przesunięcie związanego z nim drąŜka
podłuŜnego. DrąŜek ten drugim końcem jest połączony z ramieniem zwrotnicy tak, Ŝe jego
przesunięcie powoduje obrócenie koła wokół osi sworznia zwrotnicy.
5.1. Przekładnie kierownicze
Przekładnia
kierownicza
jest
jednym
z
podstawowych
elementów
układu
kierowniczego. Jej zadaniem jest przekazanie ruchu obrotowego koła kierownicy na
mechanizm zwrotniczy w taki sposób, aby uzyskać odpowiedni ruch kątowy zwrotnic kół
oraz zwiększenie momentu doprowadzanego do zwrotnic.
10
PrzełoŜeniem kinematycznym ik przekładni kierowniczej nazywamy stosunek kąta
obrotu αk koła kierowniczego do kąta obrotu αw wałka, na którym jest osadzone ramię
przekładni kierowniczej.
Przekładnia zębatkowa
Rys.5.1.
Trzy typy zębatkowej przekładni kierowniczej najczęściej stosowane w samochodach
osobowych z kierownicą umieszczaną po lewej stronie.
Rys.5.2.
Przekładnia zębatkowa z zębatką stanowiącą część drąŜka poprzecznego: 1 - zębnik,
2 - zębatka, 3 - wał kierownicy.
Wady i zalety przekładni zębatkowej
11
Podstawowe zalety przekładni zębatkowej to:
• prosta budowa;
• niskie koszty produkcji;
• małe opory ruchu dzięki duŜej sprawności;
• automatyczna regulacja luzu pomiędzy listwą zębatą a zębnikiem i równomierne
tłumienie;
• moŜliwość zamocowania drąŜków poprzecznych bezpośrednio do listwy zębatej;
• duŜa sztywność;
• małe wymiary (zaleta, dla której stosowana jest w europejskich i japońskich
samochodach o przednim napędzie);
• brak ramienia prowadzącego (i jego łoŜyskowania) i środkowej części drąŜka
poprzecznego.
Główne wady to:
• duŜa wraŜliwość na drgania i uderzenia kół;
• duŜe obciąŜenie skośnymi siłami w drąŜkach poprzecznych;
• za mała długość drąŜków poprzecznych w wypadku ich mocowania do końców
listwy zębatej;
• brak przełoŜenia kątowego i związane z tym duŜe siły podczas manewrowania na
parkingu w razie braku wspomagania;
• brak moŜliwości stosowania w wypadku sztywnej osi.
5.2. Przekładnia śrubowo-kulowa
Wał wejściowy przekładni 1 ma nacięty gwint o zarysie kołowym, w którym
przetaczają się kulki, powodujące podczas obrotu koła kierownicy przesuwanie się nakrętki 3.
Kulki, które (w zaleŜności od kierunku obrotu) z jednego lub drugiego końca opuszczają
gwint, prowadzone są przez rurkę. Nakrętka 3 jest z jednej strony zaopatrzona w zębatkę,
zazębiającą się z wycinkiem zębatym 4 wału wyjściowego 5. Dzięki czemu ruch posuwisty
nakrętki 3 powoduje obrót wału 5, do którego przymocowane jest ramię przekładni
kierowniczej.
12
Rys.5.3.
Przekładnia śrubowo-kulkowa. 1- wał kierownicy, 2 - śruba, 3 - nakrętka. 4 -wycinek zębaty,
5 - wał główny .
5.3. Kolumna kierownicy
Kolumna kierownicy składa się z mocowanej do nadwozia obudowy wału kierownicy.
Wał łoŜyskowany jest tylko u góry (lub u góry i u dołu) i przenosi moment od koła
kierownicy do przekładni kierowniczej.
Do kompensacji małych odchyleń kątowych słuŜy sprzęgło podatne (10 na rys. 5.4).
Izoluje ono jednocześnie koło kierownicy od uderzeń w układzie kierowniczym i tłumi
drgania pochodzące z hydraulicznego układu wspomagania.
13
Rys.5.4.
6.
Bezpieczny wał kierownicy i ukształtowane w formie dzwonu koło kierownicy firmy
Mercedes-Benz. Wał jest połączony ze śrubowo-kulkową przekładnią kierowniczą za pomocą
sprzęgła podatnego. Na dolnym rysunku pokazano wygięcie falistego odcinka wału wskutek
zderzenia czołowego
Urządzenia wspomagające w układzie kierowniczym
Zwiększone wymagania dotyczące bezpieczeństwa jazdy i komfortu pracy kierowcy jak
teŜ konieczność sprostania wymaganiom norm określających wartości dopuszczalnych sił na
kole kierowniczym powodują, Ŝe układy kierownicze ze wspomaganiem są coraz
powszechniej stosowane we wszystkich pojazdach samochodowych.
MoŜna sformułować następujące wymagania, które powinny być spełnione przez
współczesne mechanizmy wspomagające układy kierownicze:
• moŜliwość łatwego manewrowania podczas ruchu pojazdu z niewielką prędkością
przy duŜych kątach skrętu kół kierowanych;
• samopowracalność do kierunku jazdy na wprost w szerokim przedziale prędkości
i kątów obrotu kierownicy;
• tłumienie wstrząsów spowodowanych uderzeniami kół o nierówności drogi przy
jednoczesnym zachowaniu moŜliwości przekazywania kierowcy informacji o stanie
ruchu pojazdu, kącie skrętu kół i rodzaju nawierzchni;
• zachowanie moŜliwości sterowania pojazdem w przypadku uszkodzenia układu
wspomagającego;
14
• przełoŜenie kinematyczne nie powinno być zbyt duŜe, aby zapewnić moŜliwość
szybkiego wykonania manewru skręcania. Pełny skręt kół kierowanych powinien
wystąpić przy maksimum 2 obrotach kierownicy;
• moŜliwość dopasowania charakterystyk i parametrów elementów sterujących
i wykonawczych do róŜnych rodzajów lub odmian pojazdów;
• wysoka niezawodność działania, duŜa trwałości, niewielka masa.
Rys.6.1.
Układ kierowniczy ze wspomaganiem samochodu Opel Vectra. 1- pompa łopatkowa
napędzana od silnika, 2 - przewód wysokiego ciśnienia prowadzący od pompy do zaworu
sterującego, 3 - uchwyty przewodów tłumiące drgania, 4 - zbiornik oleju z dokładnym filtrem,
5 - przewód powrotny prowadzący od zaworu sterującego do zbiornika, 6 - przewód dolotowy
prowadzący od zbiornika do pompy, 7 - pasek klinowy, 8 - koło pasowe silnika,
9 - przekładnia kierownicza mocowana do przegrody czołowej pojazdu, 10 - obrotowy zawór
sterujący, 11 i 12 - przewody prowadzące do lewego i prawego cylindra siłownika,
13 - siłownik hydrauliczny, 14 i 15 - uchwyty do mocowania przekładni kierowniczej,
16 - uszczelnienie przegrody czołowej
15
7.
Wytyczne do sprawozdania
Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny
im. K. Pułaskiego w Radomiu
IEPiM INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN
LABORATORIUM (z przedmiotu) BUDOWA POJAZDÓW
Ćwiczenie nr
(wg harmonogramu)
Temat ćwiczenia: .....................................................................................................................
Data wykonania ćwiczenia ................ Prowadzący ....................................
Wydział MECHANICZNY Kierunek LOGISTYKA
Rok akademicki ......................Semestr ..............
Wykonawcy ćwiczenia
Grupa ...........
OCENY (uwagi Prowadzącego)
sprawdziany
sprawozdanie końcowa
1. Nazwisko Imię
.................
.................
................
2. .................................................
.................
.................
................
3. .................................................
.................
.................
.................
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z róŜnymi rodzajami oraz budową układów kierowniczych.
Wyznaczenie charakterystyki kinematycznej układu kierowniczego.
2. Przebieg ćwiczenia
Zadania do wykonania podczas ćwiczenia laboratoryjnego:
1. Opisać budowę wskazanego układu kierowniczego na podstawie stanowiska
dydaktycznego oraz wskazać wymienione elementy zabudowane na pojeździe.
2. Wyznaczenie kinematyki układu kierowniczego
1) Wprowadzenie na temat układów kierowniczych w samochodowych.
2) Wykonać pomiary charakterystyki kinematycznej układu kierowniczego (tabela pomiary wykonujemy 2 razy).
δH – kąt obrotu koła kierownicy,
δ1 – kąt skrętu prawego koła przedniego,
δ2 – kąt skrętu lewego koła przedniego,
δśr – średni kąt skrętu kół kierowanych
δśr =
δ1 + δ 2
2 ,
il =
il – przełoŜenie kinematyczne układu kierowniczego
δH
δśr
3) Wykonać wykresy następujących zaleŜności δ1(δH), δ2(δH) na jednym wykresie
oraz il(δH).
4) Wyznaczyć minimalne promienie zawracania dla badanych samochodów.
5) Wnioski na temat maksymalnych kątów obrotu koła kierownicy w lewo i w prawo,
maksymalnych kątów skrętu kół kierowanych, przełoŜenia kinematycznego układu
kierowniczego, minimalnych promieni zawracania.
Samochód:
Rodzaj układu kierowniczego:
δ1 [o]
δH [o]
Ip
δ2 [o]
IIp
Ip
δśr [o]
IIp
Ip
0
90
180
270
360
450
540
630
720
630
540
450
360
270
180
90
0
17
il
IIp
Ip
IIp
δH [ ]
δ1 [o]
o
Ip
δ2 [o]
IIp
Ip
δśr [o]
IIp
Ip
0
-90
-180
-270
-360
-450
-540
-630
-720
-630
-540
-450
-360
-270
-180
-90
0
3. Wnioski
18
il
IIp
Ip
IIp