10. fejezet - Kormányrendszerek jellemző szerkezeti egységeinek elemzése

Tartalom
10.1. A kormányrendszer szerkezeti felépítése, jellemző típusok
10.2. A kormányrendszer geometriai jellemzői
10.2.1. Kormánytrapéz geometriája
10.2.2. Kormányzási hibagörbe, hibakarakterisztika
10.2.3. A kormányrendszer kinematikai áttétele
10.2.4. A kormánymechanizmus póluspontja
10.3. A kormányrendszer jellemző szerkezeti elemei
10.3.1. Kormánykerék, kormánykerék tengely és alkotórészei
10.3.2. Kormánygépek
10.3.2.1. Fogasléces kormánygépek
10.3.2.2. Globoid csigás kormánygépek
10.3.2.3. Golyósoros csavarorsós kormánygép
10.3.2.4. Hidraulikus szervós kormánygépek
10.3.3. Kormánymechanizmus rudazatai és csuklói.

10.1. A kormányrendszer szerkezeti felépítése, jellemző típusok

Az ENSZ-EGB közlekedésbiztonsági előírásai szigorúan meghatározzák a közúti járművek kormányzásának műszaki jellemzőit. Ezek közül a legfontosabb előírás szerint a gépkocsiknál a kormánykerék és a kormányzott kerekek között mechanikus kapcsolatnak kell lenni. Ezt a mechanizmust különösen bonyolulttá teszi az a menetstabilitási követelmény, mely szerint a kerekeknek a jármű felépítményéhez viszonyított mozgásakor (ki-berugózáskor, kanyarodás közbeni oldalbillenéskor, fékezés vagy gyorsítás közbeni bólintáskor stb.) kerekeknek nem szabad elkormányzódni. A mechanizmus hibájából adódó elkormányzódás különösen kedvezőtlen a merevhidas futóműveknél, miután a kormányrudazat kialakításából következően az elkormányzódás azonos irányú a két keréken, ami a jármű sétálásához, sávváltásához vezethet. Független felfüggesztésű futóműveknél az elkormányzódás két keréken ellentétes, ami ugyan a jármű iránytartását nem befolyásolja, de gumikopást, a tapadási erők csökkentését eredményezheti. Egyes korszerű járműveknél gyakran jól megtervezett célfüggvény szerint a kerekek elkormányzódását a ki- és berugózás és/vagy erőhatás függvényében lehetővé teszik éppen a jármű stabilitásának növelése érdekében. Az ilyen futóműveket önkormányzott vagy passzív kormányzású futóműveknek nevezik.

A kormányrendszer felépítését, szerkezeti struktúráját elsősorban a futómű típusa határozza meg. Más szerkezeti egységek alkotják a merevhidas futóművel felszerelt haszonjárművek kormányrendszerét, mint a korszerű személyautók intelligens kormányrendszerét.

Merevhidas futóművel felszerelt jármű kormányrendszere.
10.1. ábra - Merevhidas futóművel felszerelt jármű kormányrendszere.


Független kerékfelfüggesztésű futóművel szerelt jármű kormányrendszere.
10.2. ábra - Független kerékfelfüggesztésű futóművel szerelt jármű kormányrendszere.


A kormányrendszerek mechanikus szerkezetének jellemző típusait a (10.1. ábra és 10.2. ábra) ábrákon mutatjuk be. Mindkét ábrán azonos számozás szerint jelöltük a különböző szerkezeti egységeket:

1 – fékalaplemez

2 - függő csapszeg

3 – trapézkar

4 - merev híd

5 – tengelycsonk

6 – nyomtávrúd

7 - irányzó kar

8 – tolórúd

9 - kormánygép lengőkar

10 – kormánygép

11 - kormánykerék tengely

12 – kormánykerék

13 - összekötő rúd

14 - segédirányzó kar

15 - kerékösszetartást állító csavar.

A (10.2. ábra) ábrán a személyutók két jellegzetes kormányrendszer típusa látható. A közepes és kisebb személyautókban általában fogasléces kormánygépet szerelnek, a nagyobb személyautóknál a kormányzási művelet megkönnyítésére egylengőkaros, hidraulikus szervó kormánygépet és segédirányzókart alkalmaznak.

Autóbuszoknál a független felfüggesztésű és a merevhidas futóműveket és a hozzájuk tervezett kormányrendszereket szinte azonos arányban építik be. A városi közlekedésben üzemelő autóbuszokon a merevhidas, kormányösszekötő rudas rendszerek (10.3. ábra), a távolsági autóbuszokon a független felfüggesztésű futóművek fogasléces kormánygéppel kiegészítve a korszerű konstrukciók. (10.4. ábra) Autóbuszokon speciális kormánygép tengelyhajtást kell alkalmazni abból a szerkezeti adottságból következzen, hogy a kormánykerék a kormányzott futómű előtt 2-3 m távolságban helyezkedik el. A kormánykeréktől a kormánykerék tengely közel függőlegesen lefelé halad, ahonnan egy fogaskerekes szöghajtóművön keresztül jut el a futóműre szerelt kormánygépig.

Városi autóbusz merevhidas futóműve és kormányrendszere (ZF).
10.3. ábra - Városi autóbusz merevhidas futóműve és kormányrendszere (ZF).


Távolsági autóbusz független felfüggesztésű futóműve és kormányrendszere (ZF).
10.4. ábra - Távolsági autóbusz független felfüggesztésű futóműve és kormányrendszere (ZF).


Mercedes Travego autóbusz kormányrendszere
10.5. ábra - Mercedes Travego autóbusz kormányrendszere


10.2. A kormányrendszer geometriai jellemzői

Ebben a fejezetben a kormányrendszer szerkezeti felépítését meghatározó geometriai jellemzőkkel foglalkozunk:

  • Kormánytrapéz geometriája

  • Kormányzási hibagörbe

  • Kormányrendszer kinematikai áttétele

  • Kormánymechanizmus póluspontja.

10.2.1. Kormánytrapéz geometriája

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)

Merevhidas futómű kormánytrapéz mechanizmusa.

1 – Kormánygép; 2 – Összekötőrúd; 3 – Trapézkar; 4 - Kormánygép lengőkar; 5 – Irányzókar; 6 – Kormányrúd; γ – trapézkar alapszöge

10.6. ábra - Merevhidas futómű kormánytrapéz mechanizmusa.


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)

Kormánytrapéz kialakítása fogasléces kormánygéppel.

3 – trapézkar; 4 – nyomtávrúd; 5 – meghajtó fogaskerék; 7 – fogasléc gömbcsukló; 8 – fogasléc

10.7. ábra - Kormánytrapéz kialakítása fogasléces kormánygéppel.


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

Egylengőkaros kormánygéppel működtetett mechanizmus kormánynégyszög és kormánytrapéz rudazattal.

1 – kormánygép; 2 – segédirányzókar; 3 – összekötőrúd; 4 – nyomtávrúd; 5 – trapézkar

10.8. ábra - Egylengőkaros kormánygéppel működtetett mechanizmus kormánynégyszög és kormánytrapéz rudazattal.


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 kormánytrapéz Causant szerkesztése.
10.9. ábra - A kormánytrapéz Causant szerkesztése.


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:

  • D – a trapézkarnak (y) a kanyarodás középpontjától számított végpontja.

  • E – az y sugarú köríven az α+β szöghöz tartozó pont.

  • F – a D-E húr felezőpontja

  • G pontok – a szerkesztés és a számítás így a z távolság ismeretében jelölhető ki.

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 (αV) ki-berugózáskor változik, a kerekek „tapsolnak”, ami gumikopást, a jármű imbolygó mozgását, „sétálását” idézheti elő. (lásd a 10.2.4. szakasz fejezetet)

10.2.2. Kormányzási hibagörbe, hibakarakterisztika

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)

Kormányzási hibagörbe szerkesztése.
10.10. ábra - Kormányzási hibagörbe szerkesztése.


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.

Kormányzási hibagörbe szerkesztésének igazolása.
10.11. ábra - Kormányzási hibagörbe szerkesztésének igazolása.


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

 

F G ¯ = E H ¯    és     C G ¯ = H D ¯

 

A háromszögek hasonlósága alapján írható:

 

E H ¯ M N ¯ = B H ¯ B N ¯

(10.1)

Továbbá:

 

E H ¯ l = b 2 D H ¯ R b 2    és     D H ¯ E H ¯ = b 2 l

 

Ezekből következően:

 

E H ¯ = l b 2 2    és     D H ¯ = b 2 4 R

 

A tangens függvények:

 

t g β = E H ¯ b 2 D H ¯ = l R b 2

(10.2)

 

t g α = F G ¯ b 2 + C G ¯ = E H ¯ b 2 + D H ¯ = l R + b 2

(10.3)

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:

10.1. táblázat - Kormányzási hibakarakterisztika.

α

β

β0

Δβ = β - β0

5

.

.

.

 

.

.

.

 

.

.

.

 

.

.

.

20

.

.

.

α max

.

.

.

βmax

.

.

.

β0max

.

.

.

 


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.

10.2.3. A kormányrendszer kinematikai áttétele

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:

 

i k k = d β L d α

(10.4)

A belső kerékre:

 

i k b = d β L d β

(10.5)

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:

 

i k = d β L d α

 

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

 

d α = d ϕ

 

És így a kinematikai áttétel:

 

i k = d β L d ϕ

(10.6)

Az áttétel szétválasztható a kormánygép és a rudazat áttételére:

 

i k = i g i R

(10.7)

A fogasléces kormánygép áttétele:

 

i g = d β L d x

(10.8)

Továbbá:

 

d x = d β L d 0 2

(10.9)

Ahol:

 

d0

– a fogaskerék osztóköre.

Így:

 

i g = d β 2 d β d v = 2 d 0

(10.10)

A rudazat áttétele:

 

i R = d x d ϕ = y 0 d ϕ cos ϕ d ϕ = y 0 cos ϕ

(10.11)

Tehát a kormánymechanizmus áttétele φ trapézkar állásnál:

 

i k = 2 d 0 y 0 cos ϕ

(10.12)

Fogasléces kormánymechanizmus mozgásviszonyai.
10.12. ábra - Fogasléces kormánymechanizmus mozgásviszonyai.


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:

 

i k 0 = 2 d 0 y 0

(10.13)

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

 

i g = 2 π a

(10.14)

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 (lp) felírható hasonlóság alapján:

 

h R = a L p

(10.15)

És így a kormánygép áttétele:

 

i g = 2 π R h l p

(10.15)

Golyósoros csavarorsós egylengőkaros kormánygép kinematikai sémája.
10.13. ábra - Golyósoros csavarorsós egylengőkaros kormánygép kinematikai sémája.


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

10.2.4. A kormánymechanizmus póluspontja

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)

Merevhidas futómű kormányrendszerének kinematikai vázlata.

1 – Kormánygép, 3 – Irányzókar, 4 – Mechanizmus póluspontja, 6 – Szabályzó tolórúd, 7 – A hídtest mozgási pályája, 8 – Szabályzó gömbcsukló, 9 – Az irányzókar gömbcsuklójának pályája

10.14. ábra - Merevhidas futómű kormányrendszerének kinematikai vázlata.


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.

Független felfüggesztésű futómű fogasléces kormánygépes mechanizmusának póluspontja (T).
10.15. ábra - Független felfüggesztésű futómű fogasléces kormánygépes mechanizmusának póluspontja (T).


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.

Háromszög-trapéz keresztlengőkaros futómű kormányzási póluspontja.
10.16. ábra - Háromszög-trapéz keresztlengőkaros futómű kormányzási póluspontja.


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.

McPherson-féle futómű kormányzási póluspontjának szerkesztése.
10.17. ábra - McPherson-féle futómű kormányzási póluspontjának szerkesztése.


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.

10.3. A kormányrendszer jellemző szerkezeti elemei

A gépjármű kormányrendszerek szerkezetileg három alrendszerre tagolhatók:

  • Kormánykerék, kormánykerék tengely, tengelycsuklók, kormánykerék ház.

  • Kormánygép,

  • Rudazat, csuklók.

Ebben a fejezetben az előző csoportosításból a legjellemzőbb szerkezeteket, elemeket ismertetjük, bemutatjuk működésüket, szerkezeti felépítésüket, kapcsolódásaikat más kormányzási vagy felfüggesztési elemhez. Itt csak a klasszikus elemekre térünk ki. A legkorszerűbb intelligens rendszereket, alkotó elemeket a 11. fejezet fejezetben részletesen vizsgáljuk. Egy klasszikus személygépkocsi kormányrendszert láthatunk a (10.18. ábra) ábrán. Jól felismerhetően a kormányrendszer különböző alkatrészei, nagyobb szerkezeti egységei. Ilyen típusú és szerkezeti felépítésű kormányrendszereket alkalmaznak a kis és középkategóriájú személyautók szinte valamennyi típusában.

A VAZ-2108 Lada Samara kormánymechanizmusa.

1 – Golyóscsapágy; 2 – Kormányoszlop; 3 - Díszburkolat alsó része; 4 – Rögzítőkonzol; 5 – Zárósapka; 6 - Fejes nyomtávrúd; 7 – Gömbcsukló; 8 – Trapézkar; 9 – Biztosítóanya; 10 - Nyomtávrúd állító hüvely; 11 - Baloldali nyomtávrúd; 12 - A nyomtávrudakat a fogasléchez rögzítő csavarok; 13 - Jobb oldali nyomtávrúd; 14 - Kormánygép ágyazat; 15 - A kormánygép rögzítő kengyele; 16 – Porvédőgumi; 17 – Kormánygép; 18 - Kapcsolóhüvely rögzítőcsavarja; 19 - Rugalmas kapcsolóhüvely; 20 - A díszburkolat felső része; 21 - Deformációs elem; 22 – Kormánykerék; 23 – Fogasléc; 24 – Görgőscsapágy; 25 – Fogaskerék; 26 – Golyóscsapágy; 27 – Rögzítőgyűrű; 28 – Zárólap; 29 - Kúpos persely; 30 – Porvédőgumi; 31 - Gömbcsap

10.18. ábra - A VAZ-2108 Lada Samara kormánymechanizmusa.


10.3.1. Kormánykerék, kormánykerék tengely és alkotórészei

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.

Az Opel típusú gépkocsik bordás biztonsági kormánytengelye.
10.19. ábra - Az Opel típusú gépkocsik bordás biztonsági kormánytengelye.


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 Mercedes gépjárművek acél gégecsöves kormánytengelye, a légzsák és a deformálódó kormánykerék együttesen veszik fel az ütközés energiáját.
10.20. ábra - A Mercedes gépjárművek acél gégecsöves kormánytengelye, a légzsák és a deformálódó kormánykerék együttesen veszik fel az ütközés energiáját.


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 Volvo gépkocsikhoz rendszeresített kéttagú csőtengely. A felső tag (2) csőrészei egymásba csúszhatnak, az alsó tag (1) gégecsöves, bordás tengelye maradandóan összenyomódhat.
10.21. ábra - A Volvo gépkocsikhoz rendszeresített kéttagú csőtengely. A felső tag (2) csőrészei egymásba csúszhatnak, az alsó tag (1) gégecsöves, bordás tengelye maradandóan összenyomódhat.


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)

Acél lemezből készült kardáncsukló hasított bordás szorító hüvellyel.
10.22. ábra - Acél lemezből készült kardáncsukló hasított bordás szorító hüvellyel.


Ötvözött alumíniumból osztott kardáncsukló, tűgörgős csapágyazással hasított bordás szorító hüvellyel.
10.23. ábra - Ötvözött alumíniumból osztott kardáncsukló, tűgörgős csapágyazással hasított bordás szorító hüvellyel.


10.3.2. Kormánygépek

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

  • Egyszerű felépítés

  • Gazdaságos gyártás

  • Kis súrlódás, jó hatásfok

  • Kis helyigény

  • Kopásállóság, hosszú élettartam

  • Kis karbantartási igény

  • Minimális holtjáték, azt könnyen lehessen utánállítani,

  • Ne legyen önzáró, engedje a kerék visszatérítő nyomatékát érvényesülni.

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

  • Fogasléces kormánygépek, általában kis és közepes személygépkocsikba szerelik, de szervós változatuk minden kategóriában megjelenik.

  • Globoid csigás kormánygépek, közepes gépjárműveken találhatóak.

  • Golyósoros csavarorsós kormánygépek a nagy személyautók és a haszonjárművek kormányrendszerének elemei.

10.3.2.1. Fogasléces kormánygépek

Korszerű szerkezetük, korrekt geometriájuk, kedvező gyártási, karbantartási tulajdonságaik következtében a leggyakrabban alkalmazott kormánygép típus. A behajtó kis fogaskereket a kormánykerékkel áttétel nélkül lehet forgatni. A kellően megvezetett fogasléc egyenes vonalú alternáló mozgást végez, a nyomtávrudakat közvetlenül a fogasléchez lehet erősíteni, nincs szükség külön közvetítő rudazatrendszerre (például kormánynégyszögre). Rövid nyomtávrudak esetén a fogasléc két végén helyezkednek el a gömbcsuklók (10.24. ábra), hosszabb nyomtávrudak esetén a fogasléc közepén kialakított oldalleágazáshoz lehet kapcsolni. (10.25. ábra) A fogasléc és a kiskerék közötti játék beszabályozására, kopási hézagok utánállítására rugós menetes tőkés alátámasztás szolgál.

Ople Corsa gépkocsi fogasléces kormánygépe, a nyomtávrudak a fogasléc végéhez kapcsolódnak.
10.24. ábra - Ople Corsa gépkocsi fogasléces kormánygépe, a nyomtávrudak a fogasléc végéhez kapcsolódnak.


A fogasléc fogazati moduljának vagy a fogferdeségi szögének változtatásával változó áttételű kormánygépeket is ki lehet alakítani. (10.25. ábra) Nagyobb járműsebesség estén kedvezőbb, ha a kormánykerék elfordítására kisebb szögen kormányzódnak el a kerekek, mint kisebb sebességnél, különösen parkolás közben. Tehát a kinematikai áttétel a fogasléc középhelyzetében nagyobb, a szélső helyzetekben kisebb legyen. Intelligens kormányrendszereknél az áttétel variálását a számítógép vezérlésű állítómű végzi. (11. fejezet)

Jaguár – S típusú gépkocsi kormánygépének az áttételét a változó fogferdeségű fogasléc változtatja.
10.25. ábra - Jaguár – S típusú gépkocsi kormánygépének az áttételét a változó fogferdeségű fogasléc változtatja.


10.3.2.2. Globoid csigás kormánygépek

A globoid csigás kormánygépek egyre inkább kiszorítják a gyártásból a fogasléces és a golyósoros csavarorsós kormánygépek. A globoidcsigás kormánygépek egyszerűbb, de robosztusabb szerkezetük, kis helyigényük miatt évtizedekig, kis helyigényük miatt évtizedekig uralták a kormánygépek választékát.

Szerkezeti kialakításukból következően a jelentős hibájuk, hogy a csiga középső részén nagyobb kopások keletkeznek, mint a széleken, és a kopási hézag utánállítással csak részben csökkenthető, mert az elkormányzás szélső helyzeteiben befeszülhet a szerkezet. Két vagy háromrészes csigagörgőkkel lehet a felületi nyomást, és így a kopást csökkenteni, de az elvi hiba nagyobb élettartam mellett is fennmarad. (10.27. ábra)

A 10.26. ábra szemléletesen mutatja a globoidcsigás kormánygépek jellegzetes struktúráját és beszabályozási szerkezetét. A kormánykerék tengelye által forgatott globoidcsiga a görgők közvetítésével forgatja a pipa alakú, Pittman néven közismert tengelyt, amihez alakzáró rögzítéssel csatlakozik a kormánygép lengőkarja.

A LADA gépkocsik globoidcsigás kormánygépe.

1 - a kormányfőkar tengely szabályzócsavar állító lemez; 2 - a kormányfőkar tengely szabályzó csavar; 3 - szabályozó csavaranya; 4 - oljabetöltő nyílás zárócsavar; 5 - kormányműház fedél; 6 – csiga; 7 – kormányműház; 8 – kormányfőkar; 9 - csavaranya, amely a kormányfőkart a tengelyhez rögzíti; 10 - rugós alátét; 11 – tömszelence; 12 - kormányfőkar tengely bronzpersely; 13 - kormányfőkar tengely; 14 - kormányfőkar tengely görgő; 15 – csigatengely; 16 - felső golyóscsapágy; 17 - alsó golyóscsapágy; 18 - alsó csapágy szabályozó alátét; 19 - csapágybeállító fedél; 20 - görgőtengely

10.26. ábra - A LADA gépkocsik globoidcsigás kormánygépe.


A csiga és a görgő közötti hézagot a Pittman tengely axiális elmozdításával lehet beszabályozni. A súrlódás és a kopás csökkentése érdekében a kormánygépet kenőolajjal kell feltölteni.

Globoidcsigás kormánygép háromrészes görgővel.
10.27. ábra - Globoidcsigás kormánygép háromrészes görgővel.


10.3.2.3. Golyósoros csavarorsós kormánygép

A golyósoros csavarorsós kormánygép nagyobb személygépkocsikon a globoidcsigás kormánygépeket váltotta fel. Rohamos elterjedését a hidraulikus szervókormányú, fejlesztett változatának köszönheti.

A golyósoros csavarorsós kormánygép működését a 10.28. ábra metszetén jól lehet követni. A kormánykerék tengely kardáncsuklón keresztül a kormánygép orsóját forgatja, amely ferde hatásvonalú csapágyazással axiális és radiális irányokon jól megtámasztott. Az orsón nagy emelkedésű félkörös profilú menetet képeznek ki, amely golyósor közvetítésével egy elfordulás ellen megvezetett fogasléces csavaranyát mozgat. A fogasléc közvetlenül forgatja a fogasíves kormánykart. A kopás csökkentése, a biztonság növelése érdekében két egymástól független golyósor teremti meg az alakzáró kapcsolatot az orsó és anya között.

Golyósoros kormánygép, biztonsági okokból két egymástól független golyósorral.
10.28. ábra - Golyósoros kormánygép, biztonsági okokból két egymástól független golyósorral.


A golyókat két önálló visszavezető cső tereli a menetek közé, a kormánygép olajos kenésű. Ennek a gépnek a hátránya a konstrukciójából ered: egy kormánygép kar lévén a két kormányzott kerékhez általában csak bonyolultabb rudazattal lehet eljutni, például kormánynégyszög formációval. Kivételt jelent a független felfüggesztésű futóművel szerelt jármű kormányrendszere hosszú nyomtávrudak esetén. Ilyenkor az egyetlen kormánygépkarnak két csatlakozó pontot alakítanak ki, ahová a hosszú nyomtávrudakat lehet kapcsolni.

10.3.2.4. Hidraulikus szervós kormánygépek

A klasszikus hidraulikus szervókormány rendszerekben (ma ezeket passzív szevókormány rendszereknek nevezi a szakirodalom) kétféle típusú kormánygépet építenek be:

  • Fogasléces hidraulikus szervókormánygépek,

  • Csavarorsós golyósoros hidraulikus szervókormánygépek.

A fogasléces hidraulikus szervókormánygépek döntően a közép és nagykategóriás személyutók kormányrendszerének részei. A hagyományos mechanikus fogasléces kormánygép szerkezeti egységei a hidraulikus változatban is megtalálhatóak. (10.29. ábra)

Fogasléces hidraulikus szervókormány rendszer vázlata.

A – fogasléc a hozzá kapcsolódó dugattyúval és dugattyúrúddal; B – fogaskerék, C – munkahenger, D – olajtartály, E – szárnylapátos szivattyú, F – visszafolyó vezeték, G – nyomás- és térfogatáram-határoló szelep, H – nyomóvezeték, I – alsó kormányorsó; J – torziós rugó; K és L – radiális hornyok; M-től W-ig – a vezérlőegység részei

10.29. ábra - Fogasléces hidraulikus szervókormány rendszer vázlata.


A hidraulikus munkahenger és a szervószabályzó egység ehhez szervesen integrálódik. A fogaslécet a hengeres szakasz középső részére o-gyűrűt szerelnek. A rudat átfogó házrész két szélére rugalmas tömítést építenek. Ezáltal létrejön a kettős munkahengeres aktuátor. A szervó szabályzó egységet a kis behajtó fogaskerék elé építik. Ennek nyomatékszenzora egy torziós rugó, amely a kormánykeréken kifejtett nyomaték arányában elcsavarodik. Ez a deformáció forgatja el a forgó tolattyús, résvezérlésű rendszer forgórészét, ami szabályozza az olaj áramlását a megfelelő hengertérbe. A rásegítés hatására csökken a szenzorrugó elcsavarodása, a szabályzó dugattyú visszafordul és elzárja a szabályzó réseket. Ekkor megszűnik a rásegítés, ismét nő a kormányzó nyomaték. A zárt ciklusú folyamat második köre kezdődik.

A ZF golyósoros hidraulikus kormánygépe és a szervókormányrendszer sémája

1 – kormányház; 2 - dugattyú a kormányanyával; 3 - kormányorsó-csatlakozás; 4 - kormánytengely a fogasívvel; 5 - kormánycsiga a szeleptesttel; 6 – golyók; 7 - cirkulációs cső; 8 - szállítóáram-határoló szelep; 9/10 – szelepdugattyú; 11/12 - beeresztő horony; 13/14 - radiális horony; 15/16 - visszavezető horony; 17 – olajtartály; 18 - torziós rúd; 19 – olajszivattyú; 20 - nyomáshatároló szelep

10.30. ábra - A ZF golyósoros hidraulikus kormánygépe és a szervókormányrendszer sémája


A hidraulikus golyósoros csavarorsós szervókormánygép (10.30. ábra) a mechanikus golyósoros csavarorsós kormánygép kiegészítésével készül. A kettős hidraulikus munkahenger dugattyúját az anyából alakították ki, a hengeres peremén tömítőgyűrűvel látták el. A szervószabályzó egység szenzorát egy torziós rúd képezi, amely a kormánykeréken kifejtett nyomatékkal arányosan csavarodik el. A torziós rúd elcsavarodó vége elforgatja a résvezérlő dugattyút, amely a kettős munkahengeréhez irányítja a hidraulika olajat, amely az anyával egybeépített dugattyút elmozdítja. Ezáltal a torziós rúd visszacsavarodik, zárulnak a vezérlő rések, megszűnik a rásegítő erőhatás, de ekkor újra elcsavarodik a torziós rúd, a zárthurkú szabályozás második üteme kezdődik.

A hidraulikus rendszert vagy a jármű motorja által hajtott szárnylapátos szivattyú, vagy elektromotorral hajtott szivattyú látja el.

10.3.3. Kormánymechanizmus rudazatai és csuklói.

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.

Kormánymechanizmusok szerkezeti sémája különböző kormánygépek alkalmazásakor.
10.31. ábra - Kormánymechanizmusok szerkezeti sémája különböző kormánygépek alkalmazásakor.


McPherson futóműves Mercedes személygépkocsi kormánymechanizmusa kormánynégyszöggel.
10.32. ábra - McPherson futóműves Mercedes személygépkocsi kormánymechanizmusa kormánynégyszöggel.


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.

Kormánymechanizmus gömbcsuklója (Lemförder Fahrwerktechnik)
10.33. ábra - Kormánymechanizmus gömbcsuklója (Lemförder Fahrwerktechnik)


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.

Állítható nyomtávrúd jobb-bal menetes gömbcsuklókkal (Lemförder Fahrwerktechnik)
10.34. ábra - Állítható nyomtávrúd jobb-bal menetes gömbcsuklókkal (Lemförder Fahrwerktechnik)


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”.