A személygépkocsik rugózása

A gépkocsi kerekei és a kocsiszekrény közé a minél komfortosabb utazás érdekében rugókat szerelnek. A fúvott gumiabroncsok rugalmassága is ezt a célt szolgálja, de önmagában nem tudják a komfort igényeket kielégíteni.

Az utasok kényelmét az ülések rugózása tovább fokozza. Ezeket a rugalmas elemeket egymással össze kell hangolni.

A rugózás révén a gépkocsi több tömegű lengő rendszerré válik. Saját lengésszámát a saját tömeg, a rugó- és a lengéscsillapító karakterisztikák határozzák meg.

2.1. A gépkocsi, mint két tömegű lengőrendszer

A matematikai modellalkotásnál a gépkocsi tömegét két részre osztjuk. A kerekek, a kerékfékszerkezet, a kerékfelfüggesztés és a hajtó féltengely tömegének egy része alkotják a rugózatlan tömeget. A rugózott tömeg pedig a karosszéria és az abba szerelt egységek.

3.1. ábra - A két tömegű lengő rendszer matematikai modellje.

A kéttömegű lengőrendszer mozgási egyenletei

A fenti kettébontásnak megfelelően írhatjuk fel az egyes részekre a mozgásegyenleteket.

A mozgásegyenletek összevonásából adódik a következő összefüggés:

Az egyenletrendszer megoldása és grafikus ábrázolása után vizsgálhatók, elemezhetők a különféle futómű konstrukciók viselkedése.

Az egyenlet megoldásaként adódik a felépítmény gyorsulás és a dinamikus kerékterhelés nagyítási tényezője. A következő ábra az egyszerű lengő rendszerre vonatkozó összehasonlításokat teszi meg. A kéttömegű lengő rendszerként modellezett „D” változatnál két rezonancia csúcs mutatkozik. Az egyik a felépítmény saját frekvenciájánál, a másik pedig a futómű saját frekvenciájánál. Jelentős különbség látszik az „A” és a „B”

modellnél, melyeknél nincs rugózás a felépítménynél sem és a keréknél sem, illetve az utóbbinál ahol a keréknél nincs rugózás. A felépítmény gyorsulás és a dinamikus kerékterhelés változás végtelen nagy. A frekvencia növekedésével véges értékű marad. Ez a probléma a rugózott fúvott abroncsokkal megszűnik. A „C” modellnél már a menetkomfort és a menetbiztonság is kedvezőbbé válik. Csak a „D” modellnél lesz kisebb a nagyítási tényező a rezonancia frekvenciáknál. Ez a jármű 240 km/h sebességgel is közlekedhet anélkül, hogy kerékpattogás lépne fel. biztonsági okból a „C” jelű modellnek megfelelő jármű csak 8 km/h sebességgel közlekedhet.

3.2. ábra - A különböző futómű konstrukcióknál a dinamikus kerékterhelések változása.

2.2. A személygépkocsiknál menet közben kialakuló lengések

Menet közben, amikor a gépkocsi kereke az útfelület mélyedésein, vagy kiemelkedésein gördül át, a kerekek és a karosszéria is lengéseket végeznek. Ha a kerék felfelé mozdul, összenyomja a rugót, ezért a rugóerő felfelé gyorsítja a kocsiszekrényt. A kirugózáskor során csökken a rugóerő és lassul a karosszéria, majd eléri a felső holtpontot. A rugóerő csökkenésekor a nehézségi erő a karosszériát függőlegesen felfelé gyorsítja, és áthalad a nyugalmi helyzeten. Ennek során a rugó összenyomódik, a létrejövő rugóerő a karosszéria mozgását az alsó holtpontig lefékezi. A felsőtől az alsó holtpontig tartó utat a lengés amplitúdójának nevezik. Ez a mozgásfolyamat addig ismétlődik, ameddig a rugó és a kerékfelfüggesztés elemeinek belső súrlódása és a beépített lengéscsillapító a mozgási energiát hővé alakítja. A csillapító fontos szerepet játszik a lengés amplitúdójának mérséklésében.

3.3. ábra - A személygépkocsi rugózó elemei.

A gumiabroncsok, a futómű és a kocsiszekrény közötti és az ülésekbe beépített rugók.

2.3. Rugózott és rugózatlan tömegek

A gépjármű rugózott tömege a kocsiszekrény, az utasok és szállítmány együttes tömege. Ennek a résznek az önfrekvenciája személygépkocsiknál 10 – 16 Hz közötti tartományban van. A rugózatlan tömeg a kerék, a kerékagy, a fékszerkezet és a kerékfelfüggesztés elemeinek egyes részéből adódik össze. Ennek a résznek az önfrekvenciája 1 – 1,5 Hz közötti tartományban van. Ezeket a frekvenciákat elsődlegesen a tömegek és a rugóállandók határozzák meg. A nagyobb tömeg és a lágyabb rugó kisebb frekvenciát eredményez. Az előzőekben említett részeket a rugók kapcsolják egymáshoz. Emiatt azok kölcsönösen hatnak egymásra. A két tömeg egymástól függetlenül különböző frekvencia tartományokban leng. A két tömeg közé szerelt lengéscsillapító csökkenti az amplitúdót és a lengés lecsengése rövidebb lesz.

Fontos, hogy a rugózatlan tömeg minél kisebb legyen, mivel így csökken a tehetetlenségi erő és a periodikusan ható erők miatt a kerék nem fog elválni az útfelületről. Ha ez mégis megtörténik, azért veszélyes, mert ilyenkor a gumiabroncs nem tud erőt átadni az útfelületre.

3.4. ábra - A személygépkocsi rugózott és a rugózatlan részei és az ott ébredő lengések.

A kényelem szempontjából a lágy rugózás kedvező, de ennél a kocsiszekrény terhelésének kis változása (pl.

csomagok elhelyezése) nagy rugóelmozdulást okoz. Lineáris karakterisztikájú rugónál a deformáció egyenesen arányos a terhelés tömegével. Progresszív rugót alkalmazva lassabban nő az alakváltozás a terheléstől függően.

Állandó felépítmény magasságot (pl. rakodásnál) csak szintszabályozással lehet megvalósítani. Ehhez például pneumatika, vagy hidraulika alkalmazása válik szükségessé.

3.5. ábra - A tömeg hatása a rugózásra.

A rugózás miatt kialakuló kellemetlen hatások közé sorolandó, hogy vízszintes irányú erő következtében a jármű megbillen, megdől. Ez történik kanyarodáskor, amikor a centrifugális erő hatására a karosszéria kifelé billen, valamint amikor a jármű gyorsításkor hátul, illetve fékezéskor elől lesüllyed (bólintó mozgás). A kanyarban bekövetkező billenést stabilizátorok beszerelésével és a súlypont alacsonyabbra helyezésével, illetve a nyomtáv növelésével lehet csökkenteni.

A karosszéria önlengésszáma a kerekeket megtámasztó rugók jellemzőiről tájékoztat. A lengésszám tengelyenként határozható meg, a kocsi első és hátsó részének lenyomásával és elengedésével, tehát lengetésével. Egy teljes lengés be- és kirugózásból áll, a percenkénti lengések száma adja meg a karosszéria lengésszámát. A lengéscsillapítók a lengésszámot nem befolyásolják, csak be- és kirugózás számára jelentenek ellenállást, aminek következtében az amplitúdó csökken. Nagy szerepe van viszont a tömegnek. Minél nehezebb a jármű, illetve a rakomány, annál kisebb a lengésszám.

A percenként hatvannál kisebb lengésszám a nagyon lágy rugózás jellemzője, egyes embereknél rosszullétet okoz. Az erős csillapítás megakadályozza, hogy a rugó több teljes lengést végezhessen, és így a rosszullét oka megszűnik. Kemény, percenként 90 körüli lengésszámú rugózás rázza a gerincet, a hátsó futómű nagy terhelhetősége miatt mégis gyakran szükséges. Harmonikusan hangolt csillapítással azonban még ebben az esetben is megvalósítható a kényelmes rugózás. A saját tömeg és a maximális terhelés kedvezőtlen aránya miatt kisebb kocsikban keményebb rugózást kell alkalmazni, aminek mérsékelt utazási komfort a következménye (percenként száznál nagyobb lengésszám). Leginkább a nagy és nehéz járművek esetében fordulnak elő a kis lengésszámok.