3. KERÉKMOZGÁS KINEMATIKÁJA ÉS ELASZTOKINEMATIKA
3.1. A futómű beállító értékek célja
A kívánatos menettulajdonságok és az egyenesen futási képesség biztosítása, továbbá a túlzott abroncskopás megakadályozása érdekében a járműgyártók bizonyos beállítási érté-keket, köztük az első tengelyeken megengedett tűréshatárokat írnak elő valamennyi mo-dellre. Ugyanez érvényes a hátsó tengelyekre is, kivéve, ha nem meghajtott merevtengely-ről van szó. A kerékösszetartást a nyomtávrúddal és egy külső excenterrel (3.62. ábra) le-het beállítani. Többnyire beállítható a kerékdőlés és az utánfutás szöge is. A csapterpesz-tésre, az elkormányzási sugárra, a lengőcsapszeg hátradőlésének kiegyenlítésére és a kerékösszetartási szögre vonatkozó többi gyári adatnál nem egyszerűen mérhető szerkezeti adatokról van szó, amiket csak azért használnak, hogy a balesetet szenvedett vagy régóta nem használt jármű forgalombiztonságát ellenőrizni lehessen.
A tengelyek beállítási értékei a rakománytól és a teherelosztástól függenek, ahogy azt a következő fejezetekben bemutatjuk. Hogy a szervizhelyek munkáját szükségtelenül ne nehezítsék, kizárólag csak az önsúlyt kell mérési alapként használni a DIN 70020 szab-vány szerint (ld. 5.3.1.1. fejezet).
3.2. Tengelytáv
Az l tengelytáv – melyet az első tengely közepétől a hátsó tengely közepéig mérnek – nagy befolyással bír a menettulajdonságokra. A jármű hosszához képest nagy tengelytáv lehető-vé teszi az utasok kedvező elhelyezését a tengelyek között, és csökkenti a rakománynak a tehereloszlásra gyakorolt befolyását (5.3.6. fejezet). A karosszéria túlnyúlása elöl és hátul rövid, a bólintó lengésre való hajlam pedig csökken, meg lehet valósítani a puha rugózást
és a magas színvonalú utazási kényelmet. A rövid tengelytáv ugyanakkor megkönnyíti a kanyarban való haladást, azaz azonos elkormányzási szögek mellett kisebb lesz a forduló-kör (3.7.2. fejezet).
Manapság hosszú tengelytávra törekednek az elsőkerék-meghajtású személyautóknál és a standard gyártású személyautóknál egyaránt. Ez azonban a karosszéria alakjától függ (ld. [8] 1.1. fejezete és [20] irodalom. A meredek farú kombi limuzinok kompaktabbak,– a járműhosszhoz képest – nagyobb a tengelytáv, mint a lépcsőshátú limuzinok, és a belőlük fejlesztett kombi-autók esetében.
Támpontként az
(3.1)
arányszám érvényes, aminek a lehető legnagyobbnak kell lenni. Értéke
kombi limuzinoknál között
lépcsőshátú limuzinoknál között Kupéknál az érték 0,56 alatt is lehet, kisautóknál pedig max. 0,72.
A tengelytáv a gyártók prospektusaiból és a szaksajtóból tudható meg, szeélyautóknál l = 2160 és 3040 mm között van az értéke.
3.3. ábra: Az ISO 4130 és DIN 70000 szabvány szerinti koordinátarendszer. A pozitív Z irány felfelé és – menet- (X) irányból nézve – az Y nyíl balra mutat (ld. 3.101. ábrát is).
3.4. ábra: Ikerkerekek esetén a megadott br nyomtáv a középtávolságra vonatkozik.
3.3. Nyomtáv
A bf elöl ésbr hátul mért nyomtáv nagysága (3.4. és 3.90. ábra) irányadó befolyást gyakorol a jármű kanyarodási viselkedésére és billenésre való hajlamára (ld. 5.4.3.1. fejezet). Lehe-tőleg nagynak kell lennie, de – a járműszélességhez viszonyítva – egy bizonyos értéket mégsem léphet túl. Az első tengelyen a berugózó, teljesen elkormányzott kerék nem érint-heti a sárvédő nyílását (2.8. ábra), és a meghajtott tengelyen (mindegy, hogy az első, hátsó vagy mindkét tengelyről van szó) hely szükséges a felszerelendő hólánc számára. A kere-kek be- és kirugózásakor nem érinthetik a futómű vagy a karosszéria egyetlen elemét sem.
A nyomtáv személyautóknál normál esetben a következő:
bf, ill. r = 1210 és 1602 mm között,
és a szélesség kihasználásának mértékeként az ib arányszám szolgálhat, aminek a lehető legnagyobbnak kell lennie:
= 0,84 és 0,87 között (3.1a)
A kerekek ki- és berugózásának következtében megváltozik a nyomtáv szinte az összes független kerékfelfüggesztésnél, aminek funkcionális oka van, vagy elkerülhetetlen, ami-kor – ahogy azt a következő fejezetben bemutatjuk – magasabban fekvő billenési központ-ra van szükség. A nyomtáv megváltozása hátrányos módon a guruló abroncs ferdefutását (3.5. és 3.6. ábra), és ezzel (különösen a lapos abroncskeresztmetszeteknél) oldalerők ki-alakulását, magasabb gördülési ellenállást és az egyenes futási képesség romlását okozza.
Ehhez még hozzájárulhat a kormányzás befolyásolása is.
3.5. ábra: független kerékfelfüggesztésnél a kerekek be- és kirugózása a talaj egyenetlenségein haladva a nyomtáv változását eredményezheti, ami α szöggel történő ferdefutást okozhat. Ezáltal – különösen egyoldalú
berugózásnál– zavaró oldalerők keletkeznek, romlik az egyenes haladási képesség és a gördülési ellenállás.
3.6. ábra: A keréknyomtáv megváltozásának következtében az abroncstól a talajnak leadott FY,W oldalerők egy 175/65 R 14 82 H öves szerkezetű, 1,9 bar-ra felpumpált abroncson bemutatva 380 kg terhelés és 80
km/h sebesség mellett.
3.7. ábra: A nyomtávváltozás rajzi meghatározása (a kerék W felfekvési pontjában) és a külső U nyomtávrúd csuklóútjának meghatározása a kettős keresztlengőkaros kerékfelfüggesztésnél a 3.8. ábrán bemutatott
sab-lon segítségével.
3.8. ábra: Sablon a nyomtávváltozás egyszerű meghatározásához, mely a kettős keresztlengőkaros (3.7. ábra) és a hosszlengőkaros futóműnél használható (3.9. ábra).
A futómű kialakítása előzetesen az első és hátsó tengelyen bekövetkező nyomtávváltozás vizsgálatát igényli számítógéppel segített CAE eljárással, korábban ezt rajzon végezték.
Ehhez a kettős keresztlengőkaros kerékfelfüggesztésnél fel kell venni a C és D pont körüli c és f lengőkar hosszúságú köríveket (azaz a lengőkarok forgástengelyeit), valamint be kell jelölni a külső gömbcsukló közepeit 1-gyel és 2-vel jelölt pontként. A tengelycsonk és a kerék ábrázolásához sablont (3.8. ábra) lehet készíteni, ami az 1-gyel és 2-vel jelölt pon-tokon kívül tartalmazza furatként a W kerékfelfekvési pontot és szükség esetén a külső nyomtávrúd csukló U középpontját is (ld. 4.6.3. fejezet).
Ahogy azt a 3.7. ábra mutatja, ekkor a sablon 1-es és 2-es pontját a körívek mentén C és D körül kell vezetni, mégpedig fölfelé, amíg a sablon W pontja el nem éri a korábban a padlóhoz húzott párhuzamossal jelölt s1 berugózási utat, lefelé pedig az s2 kirugózási úton.
W és U útját itt lépésről lépésre be kell jelölni ceruzával. Az így kijelölt pontok összekötő vonala adja a nyomtáv változását és a nyomtávrúd csukló útját, de nincsenek figyelembe véve a lengőkar csapágyazásában jelen lévő rugalmasság (3.18. ábra).
Hosszlengőkar esetén lent ismét fel kell venni egy körívet D pont körül, fent pedig merőlegest kell emelni a lengőkar forgástengelyére (3.9. ábra), aminek át kell mennie az 1-gyel jelölt ponton. A 3.8. ábrával megegyező sablon segítségével a nyomtávváltozás meg-határozásához egyidejűleg kell haladni a köríven és a merőleges mentén.
A MacPherson rugóstagos felfüggesztéseknél a lökhárító belső lemezében van az E csapágypont, a kerék berugózásakor megrövidül, a kirugózáskor meghosszabbodik az alsó gömbcsukló (2) és a C pont közötti távolság (3.11. ábra). A sablont hozzá kell igazítani ehhez a hosszváltozáshoz (3.10. ábra). Egy rést nyitnak rajta a lökhárítótag EE középvona-lának irányában (az E2 tengely irányába csak akkor, ha a 2-es pont ugyanennek a meg-hosszabbításában található, ld. ehhez a 3.29., 3.30. és 4.46. ábrát). A sablonon lévő 2-es ponttal a D körüli köríven kell haladni, miközben a C pont fölötti rést el kell csúsztatni. A rajztáblán jelölje ezt egy tű.
3.9. ábra: A nyomtávváltozás és a külső U nyomtávrúd csukló útjának meghatározása a 3.8. ábrán bemuta-tott sablon használatával a hosszlengőkaros futóműnél. Ennek a kerékfelfüggesztésnek a leírása a 3.32. és
3.157. ábrán, valamint a [2] irodalom 9.4. fejezetében található.
3.10. ábra: A nyomtávváltozás McPherson kerékfelfüggesztésnél történő rajzi meghatározásához szükséges sablonnak réssel kell rendelkeznie a lengéscsillapító E középvonalának irányában.
3.11. ábra: Az egyik kerék nyomtávváltozásának és a külső U nyomtávrúdcsukló útjának meghatározása McPherson kerékfelfüggesztésnél a 3.10. ábrán bemutatott sablon segítségével. C a rugóstag támasztó
csap-ágyának közepét jelöli. Az 1.8. és 3.139. ábrán ez a pont E-vel van jelölve.
3.12. ábra: A lengőtengely P forgáspontjainak mélyebbre helyezése csökkenti a nyomtávváltozást a kétcsuk-lós lengőtengelyen, valamint a billenési központ Ro1-ből Ro2 helyzetbe való lesüllyedését és a nyomtáv széle-sedését okozza. Rakomány esetén negatív kerékdőlés alakul ki a kerekeken, aminek előnye, hogy az abron-csok nagyobb mértékben tudják felvenni az oldalerőket, de hátránya a rövidebbé váló berugózási út. A
lengő-tengelyt a [2] irodalom 9.1. fejezete írja le.
Ha körívet húzunk a P pólusok körül, a kétcsuklós lengőtengely nyomtávváltozása köny-nyen ábrázolható rajzon. A 3.12. ábra ezt mutatja, egyúttal szemlélteti a jármű farának le-süllyedéséből eredő előnyöket is (kedvezőbb – mert kisebb – letámasztási szög, magasabb kerékdőlési oldalerő kanyarodáskor).
A P pólus helyzete az összes egyedi kerékfelfüggesztésnél meghatározza a pillanat-nyi (kis rugózási tartományban fennálló) ±b változást (3.14. ábra). Ha P a talajon helyez-kedik el, és a lengőkar hosszát kettős keresztlengőkaros kerékfelfüggesztésen úgy határoz-ták meg, hogy a pólus a kerekek ki- és berugózásakor ezen oldalirányban ide-oda vándo-roljon, minden nyomtávváltozás elkerülhető (3.1.3 ábra). Ez a tény számításokkal, rajzilag
vagy modellek segítségével s = ±70 mm keréklöket útig bizonyítható. A jelen lévő rugal-masságokat itt nem vesszük figyelembe (3.18. ábra).
3.13. ábra: A nulla felé tendáló nyomtávváltozás előfeltétele a talajon (vagy a végtelenben, ld. 3.25. ábra) elhelyezkedő billenési központ. Kedvezőbbek lesznek a kinematikai tulajdonságok, amikor a pólus szintén a
talajon helyezkedik el.
3.14. ábra: A független kerékfelfüggesztés két kereke közötti b nyomtáv a terhelési állapottól függ.
A kész járművön úgy mérhető a nyomtávváltozás, hogy meghatározzuk a keréklöket út (s1
és s2) függvényeként a két párhuzamosan vezetett lemez oldalirányú eltolódását, amelye-ken a tengely két kereke áll. A párhuzamos vezetés szükséges követelmény, mert a beru-gózásnál fellépő kinematikai nyomtávváltozás (ld. 3.6.2. fejezet) a lemezeket valamennyire elfordíthatná, és a mérést meghamisíthatná.
A grafikus ábrázolásban a keréklöket utat az ordinátatengelyen (3.14. ábra) lehet fel-venni, és – a tengely mozgásirányának megfelelően – a berugózás pozitív értékként (s1) felfelé, a kirugózás lefelé (s2) ábrázolható. A nulla helyzet a tervezési súlynak (ld. 5.3.4.
fejezet), tehát az egyenként 68 kg súlyú három (ill. kettő) személlyel megterhelt autónak felel meg. Az üres autó vizsgálata ellentmondana a valóságnak.
3.15. ábra: Az elsőkerék-meghajtású Audi A6 (1996), Opel Astra (1996) és Honda Accord (1996) első tenge-lyein mért nyomtávváltozás egy keréken. A személygépkocsik között egyedül a Honda készül kettős
keresztlengőkaros kerékfelfüggesztéssel. A kinematikai előnyök jól felismerhetők.
A hRo,f billenési központ magassága mm-ben:
tervezési helyzet megengedett tengelyterhelésnél
Opel 40 15
Audi 77 30
Honda 138 111
3.16. ábra: Alacsony építésű VW Golf II GTi első tengelyének két kerekén mért nyomtávváltozás. A gyár által megadott normál helyzetben a billenési központ az útpálya magasságában helyezkedik el. 30 mm-rel való le-süllyesztésével 115 mm-re a talaj alá került, aminek következménye a hosszabb billenési erőkar és a billenés-re való elméletileg nagyobb hajlam. A korábban bekövetkező nyomáscsökkenés (Druckanschlag) miatt még
alig jelentkező berugózási út csökkenti a görbe gradiensét.
Az abszcisszán a két kerék b (ill. egy kerék esetén b/2) nyomtávváltozása jelenik meg, ahol a növekedést (plusz értékként) jobbra, a csökkenést (mínusz értékként) balra kell fel-vinni. Fontos értékként meg kell adni a nullhelyzeti bf, ill. r nyomtávot. A „teljes terhelésű”
(ill. az „üres”) helyzethez viszonyított b nyomtávkülönbség a rugózási jelleggörbe segít-ségével határozható meg. Itt leolvasható a nulla helyzettől a megengedett tengelyterhelésig fennálló s1 berugózási út (ill. az „üres” állapotig tartó s2 kirugózási út), hogy aztán a b nyomtávváltozási görbéts függvényében meg lehessen határozni.
Az 5.9. ábra egy elsőkerék-meghajtású autó első kerekének rugózását mutatja, ahol a 80 mm-t le kell vonni a 115 mm-ből, hogy a nulla helyzetből (ebben az esetben egyenként 68 kg súlyú két személy) kiindulva megkapjuk a s2 = 35 mm kirugózási utat. A megenge-dett keréknyomásnál a járműnek (a nulla helyzettől) s1= 92 – 50 = 42 mm berugózása van. A 3.14. ábrán be vannak jelölve az utak. s1esetén b1 = + 4 mm, és s2 esetén b2 = -8 mm. A nyomtávot meg kell adni az üres állapotra: bf = 1286 mm.
A 3.7., 3.15. és 3.18. ábra a kettős keresztlengőkaros kerékfelfüggesztések és a McPherson rugóstagos felfüggesztések nyomtávváltozását mutatja. Jól felismerhetők a berugózáskor kisebb változásértékek. Ahogyan azt a 3.4.1. fejezetben közelebbről bemu-tatjuk, a görbe alakja határozza meg a billenési központ magasságát. Mindhárom személy-autónál Rof a talaj fölött helyezkedik el, és (a Honda kivételével, 3.15. ábra) terheléskor észrevehetően lesüllyed.
A billenési központ kedvezőtlen helyzetbe kerül, ha a járműgyártó a szériában azt az útpálya magasságába helyezte, és a kocsi utólag mélyebbre kerül (3.16. ábra). Rof a talaj alá kerül, és különösen széles abroncsokkal romolhat az egyenesen haladási képesség.
A kettős keresztlengőkaros kerékfelfüggesztéseknél a rugók a felső vagy alsó lengő-karokon találhatók. Mindkét esetben erőpár jön létre (3.17. ábra), ami – a lengőkar csap-ágyazásaiban meglévő rugalmasság miatt – kisebb mértékben megváltozott nyomtávválto-zási görbét eredményez, és ezzel valamelyest más lesz a billenési központ helyzete (3.18.
ábra). A (rugózott) járművön méréssel meghatározott változásgörbe minden esetben a he-lyes magasságot adja.
Tipikus hátsókerék-felfüggesztések nyomtávváltozási görbéit mutatja a 3.19., 3.20., 3.74. és 3.12. ábra. A nem meghajtott merev tengelyeken és torziós lengőkartengelyeken megnövekedhet, ill. lecsökkenhet a nyomtáv a rugalmas kerékdőlés-változás következmé-nyeképpen (3.55. ábra).
3.17. ábra: A kerék felfekvési pontján ható Fz,W erő és az alsó tartócsuklón ható FG,z erő nyomatékot képez, ami oldalt a lengőkarokra támaszkodik le, és ott előidézi a +FE,y és –FG,y erőpárt. A felső és alsó lengőkar
egyszerűsítve vízszintesen elhelyezkedőnek van feltételezve.
3.18. ábra: Kettős keresztlengőkaros felfüggesztésen a két kerék rugózással és rugózás nélkül mért nyomtáv-változása a rugózási út függvényében. A görbület különböző, ami azt jelenti, hogy a menetkész kocsin a bille-nési központ az elméletileg (rugózási ellenerő nélkül) meghatározottnál, ill. számoltnál magasabban van (ld.
ehhez 3.7. ábrát).
3.19. ábra: Egy kerék nyomtávváltozása, Mercedes (ld. [2] irodalom 5.3.4. fejezete), 3. sorozatú BMW meg-hajtott hátsó tengelyén és Honda Accord nem megmeg-hajtott tengelyén mérve. A Mercedes térbeli lengőrudas futóműnél a görbe görbülete rakomány esetén lesüllyedő billenési központra utal (3.22. ábra). hRo,r
magassá-ga mm-ben:
tervezési helyzetben megengedett tengelyterhelésnél
BMW 122 92
Honda 74 58
Mercedes 65 -
3.20. ábra: Opel Omega (1996) többlengőkaros hátsótengelyének kinematikája. Ennél a mérésnél csak egy kerék nyomtávváltozása jelenik meg. A kerékösszetartás változásának görbéje a hátsó tengely alulkormány-zottság felé tendáló imbolygó kormányzására (Wanklenken) utal. Ezt egy pótlengőrúd beépítésével érték el. A
hátsó billenési központ terheléskori lesüllyedését kedvező módon csökkenti (az elsőhöz képest) a keréknyo-más áthelyeződése a görbén: ezáltal a jármű alulkormányzottabbá válik. Az fékletámasztási szög és
ferde-rugózási szög a 3.160. ábrán van ábrázolva.