8. fejezet - Különböző kormányzási rendszerek geometriai, dinamikai elemzése

Tartalom
8.1. A közúti járművek kormányzási rendszereinek altípusai, általános geometriai jellemzők
8.2. Különböző kormányzási rendszerek elemzése
8.2.1. Tengelykormányzás
8.2.2. Alvázkormányzás
8.2.3. Tengelycsonk kormányzás
8.2.4. Többtengelyes járművek kormányzása

8.1. A közúti járművek kormányzási rendszereinek altípusai, általános geometriai jellemzők

A közúti járművek kormányzásának különböző rendszereit három altípusba lehet sorolni:

  1. Tengelykormányzás

  2. Alvázkormányzás

  3. Tengelycsonkkormányzás

Az alaptípusokon belül további jellegzetes konstrukciók találhatók, amelyek a jármű tengelyeinek számából következőn különböznek egymástól:

  • Kéttengelyes pótkocsik kormányzása

  • Háromtengelyes félpótkocsik kormányzása

  • Kéttengelyes gépjárművek kormányzása

  • Háromtengelyes gépjárművek kormányzása

  • Négytengelyes gépjárművek kormányzása

  • Csuklós autóbuszok kormányzása

A különböző kormányrendszerek geometriai, kinematikai elemzéséhez különböző általános jellemzők, paraméterek szolgálnak. Ezek közül a gyakoribbak:

  • Kerekek elkormányzási szögei: ezek még egy futóművön is különbözőek lehetnek. A kanyarodó jármű kerekei különböző kanyarodási sugáron gördülnek. A kerekek oldalcsúszás nélküli gördülésére vonatkozó követelmény akkor teljesül, ha a kerék síkja a gördülési körhöz húzott érintő irányába, vagyis a kerék kerületi sebesség vektorának irányába esik. Az érintő és a jármű hossztengelye által bezárt szög a kerék elkormányzási szöge. A kanyarodó jármű belső oldalán gördülő kerekek elkormányzási szögei β (β1, β2, … βi) a külső oldali kerekek elkormányzási szögeit α (α1, α2, … αi) betűkkel jelöljük:

  • Az adott futóműre vonatkozó elkormányzási szög jele Θ (Θ1, Θ2, … Θi), amely a futómű geometriai közepe által leírt kör érintője és a jármű hossztengelye által bezárt szög.

  • A kormánykerék elfordítási szöge βL, ami a jármű egyenes irányából az adott sugarú körön haladásig történő elkormányzás szögtartományát jelenti.

  • A kormányrendszer kinematikai áttétele:

  • Kanyarodási sugár, R: a jármű hossztengelyének távolsága a kanyarodás középpontjától

  • Legkisebb kanyarodási sugár, ρ: a kanyar közepétől a legmesszebben gördülő kerék távolsága.

  • Külső fordulási sugár, Rk: a jármű legkülső pontjának távolsága a kanyarodási középponttól.

  • Belső fordulási sugár, Rb: a jármű legbelső pontjának távolsága a kanyarodási középponttól.

  • Nyomtáv, B: az egy futóműhöz tartozó két kerék felfekvő felületeinek súlypontja (talppontja) közötti távolság.

  • Tengelytáv, L: két futómű geometriai tengelye közötti távolság.

8.2. Különböző kormányzási rendszerek elemzése

8.2.1. Tengelykormányzás

A tengelykormányzás geometriája.
8.1. ábra - A tengelykormányzás geometriája.


Ezt a kormányzási rendszert az úgynevezett vonóháromszöges pótkocsiknál ma is használják.

A kerekek forgástengelye a vonóháromszöggel elforgatott futómű tengely révén mindig átmegy a kanyarodás középpontján, így nincs szükség külön kormánymechanizmusra. A kerekek kis sebességnél oldalcsúszás nélkül gördülnek. Nagyobb sebességnél a fellépő centrifugális erő hatására ennél a kormányzási rendszernél is elkezdődik a kerekek rugalmas ferdefutása, majd oldalcsúszása.

Elhanyagolható oldalerők esetén viszonylag egyszerű ennek a kormányzási rendszernek a geometriai összefüggései:

Az elkormányzási szögek egyformák:

 

(8.1)

Így a jármű kanyarodási sugara:

 

(8.2)

A kormányzás szerkezeti felépítése igen egyszerű. Könnyű, kis sebességre tervezett pótkocsiknál elegendő egy függőleges csap, az úgynevezett királycsap kialakítása és az y tengely körül elforduló vonóháromszög beépítése. Korszerű, nagyobb pótkocsiknál a tengely elkormányzását és a vonóerő egyenletes szétosztását golyós koszorú garantálja.

8.2.2. Alvázkormányzás

Alvázkormányzás kinematikai sémája.
8.2. ábra - Alvázkormányzás kinematikai sémája.


Ez a kormányzási rendszer elsősorban a mobil munkagépek, vontatók kormányzását jellemzi. A jármű alváza két részre tagolódik, a két felet egy- vagy kétszabadságfokú csukló kapcsolja össze. Egyszabadságfokú csaukló akkor elegendő, ha az egyes alvázrészekhez tartozó futóművek felfüggesztése és rugózása lehetővé teszi az x tengely körüli elfordulást és a z tengely irányú mozgást. Ilyen konstrukciót alkalmaznak a vontató járműveken, ha a nagyobb sebesség és a jobb minőségű útfelület ezt megkívánja illetve megengedi.

Terepjáró vontatók, mobil munkagépek futóműveit mereven erősítik az alvázhoz, ezért a két alvázrésznek egymáshoz viszonyítva az x tengely körüli elfordulását lehetővé kell tenni. Ezt szolgálja az alvázrészek közötti kétszabadságfokú csukló. A z tengely körüli elfordítás jelenti az ilyen járműveknél a kényszerkormányzást. Kisebb ízelt alvázú járműveknél, mint például kerti kistraktoroknál, könnyű félpótkocsis vontatóknál az elkormányzáshoz elegendő egyszerű mechanikus szerkezet. Nagyobb tömegű járműveknél már hidraulikus szervórendszerek beépítése szükséges.

Az alvázkormányzású járműveknél a kormányzás geometriája viszonylag egyszerű: az alváz becsuklási szöge egyben az elkormányzási szögek (Θ) felel meg. A kerekek elkormányzási szöge egyenlő és megegyezik az elkormányzási szögel:

 

 

A központi alvázcsukló a tengelytáv felében helyezkedik el, így felírható:

 

(8.3)

Ebből a kanyarodás sugara:

 

(8.4)

Hasonlítsuk össze a három kanyarodási rendszert a jármű fordulékonysága szempontjából. Tengelykormányzás és tengelycsonkkormányzás esetén a kanyarodási sugár összefüggése egyaránt:

 

 

45°-os elkormányzást választva:

 

 
 

 

Az eltérés ilyen elkormányzáskor már 20%-os is lehet. Természetesen kis szögeknél a különbség elhanyagolható. Tehát nem a jármű fordulékonyságában mutatkozik meg az alvázkormányzás előnye, hanem a szerkezet egyszerűségében és a kerekek garantált oldalcsúszás nélküli gördülésében. Ugyanakkor jelentős hátránya ennek a kormányzási rendszernek a túl nagy farseprése és az álló helyzetben való elkormányzáskor a kerekek nagymértékű x és y tengely irányú elmozdulása. A hidraulikus szervókormányzású ízelt járművek kormánykerekek mellett gyakran látni a figyelmeztető táblát: „álló helyzetben kormányozni tilos!” Mindezekből következik a nemzetközi előírás, közúti gépjárműveken az alvázkormányzási rendszer nem alkalmazható.

8.2.3. Tengelycsonk kormányzás

A tengelycsonk kormányzás a közúti gépjárművek általánosan alkalmazott járműrendszere, melyet a korábbi szakirodalom feltalálója után Ackermann kormányzás néven is említ.

A tengelycsonk kormányzás szerkezetében a futómű három tengelyrészre tagolódik:

tengelytest és a két komplett kerék. A tengelytest a jármű felépítményéhez csatlakozik és a z tengely körüli elfordulását megfelelő kényszerek akadályozzák. A tengelytesthez a komplett kerék csonkállványán kialakított csuklós szerkezettel kapcsolódik a két kerék. A kerekek a tengelycsonk csuklók által meghatározott elkormányzási tengely körül fordíthatók el a kormánymechanizmus által. Az elkormányzás tengelyét különböző paraméterekkel lehet jellemezni. Ezzel részletesen a csapgeometria témakörének tárgyalásakor a 4. fejezet fejezetben foglalkoztunk.

A tengelykormányzás geometriai vizsgálatakor a jármű kinematikai sémáját a talaj síkjában ábrázoljuk. A járműmozgás sebességvektorait a kerekek talppontjába (N) illetve a tengelytest geometriai középpontjába helyezzük, a kerekek elkormányzásának középpontját az elkormányzási tengelynek a talaj síkjával képzett döféspontjába (D) pozícionáljuk. A 8.3. ábra ezt a kinematikai sémát mutatja.

A tengelycsonk kormányzás geometriája.
8.3. ábra - A tengelycsonk kormányzás geometriája.


A kinematikai séma alapján levezethetőek a kormányzás jellemző paraméterei. A külső kerékre vonatkozóan:

 

(8.5)

Ahol:

 

b

– az elkormányzási tengelyek döféspontjainak távolsága, melyet a trapézmechanizmus bázistávolságának is neveznek.

A belső kerékre vonatkozóan:

 

(8.6)

A tengelytest geometriai középpontjára vonatkozóan:

 

 

A Θ elkormányzási szögből meghatározható a jármű kanyarodási sugara:

 

 

A kormánymechanizmus névleges kinematikai áttételének (ik) ismeretében a kormánykerék elfordítási szögéből (βL) közvetlenül meghatározható a kanyarodási sugár:

 

(8.7)

A járművek kanyarodási tulajdonságára, fordulékonyságára jellemző adat a legkisebb kanyarodási sugár, amelyik ebben a kormányzási rendszerben az első külső kerék gördülési körének sugara a kormánymechanizmus végállásig történő elkormányzása esetén. A kinematikai vázlatból következően:

 

(8.8)

Ahol:

 

ls

– az N és D pontok távolságának y koordinátája, aminek az elnevezése kormánylegördülési sugár, vagy elkormányzási sugár.

A kormányrendszer geometriájának tervezésekor a jármű fordulékonyságának mértéke, a RO sugár a kiinduló adat. Ebből lehet meghatározni a kerekek maximális elkormányzási szögeit.

 

(8.9)

 

(8.10)

A jármű kanyarodása közben a belső és külső kerekeket eltérő szögben kell elkormányozni. Ennek a geometriai követelménynek könnyen eleget lehetne tenni egy olyan kormánymechanizmussal, amelyikkel az egyes kerekeket számítógépes szabályzású aktuátorok fordítják el az ideális szögekbe. A jármű vezetője csak szándékát fejezné ki a kanyarodás pályájára, normagörbéjére vonatkozóan. Ez lenne a Steerbywire kormányzási rendszer, amelynek alkalmazását jelenleg a nemzetközi előírások nem engedélyezik. Ezzel szemben a kormánykerék és a kormányzott kerekek között állandó mechanikus kapcsolatnak kell lenni. Tovább bonyolítja a kormánymechanizmus szerkezeti felépítését a kerekek rugózásából és az alkatrészek deformációjából adódó geometria változások kompenzálása. Ezekkel a kérdésekkel részletesebben a 9. fejezet fejezetben és a 10. fejezet fejezetben foglalkozunk.

8.2.4. Többtengelyes járművek kormányzása

A többtengelyes járművek kormányzása geometriáját és szerkezeti megoldását tekintve is több problémát vet fel. A kerekek kanyarodás közbeni oldalcsúszás-mentes gördülése csak összkerék kormányzással valósítható meg, kettőnél több tengelyes járművek esetén. Ilyen járművek döntő többségben a haszonjárművek, autóbuszok, teherautók, félpótkocsik kategóriájában fordulnak elő. Nehéz teherautóknál gyakori a háromtengelyes konstrukció. Ezeknél az első tengely kormányzott, a hátsó két tengely hajtott, nem kormányzott. (8.4. ábra)

Háromtengelyes teherautó kormányzása.
8.4. ábra - Háromtengelyes teherautó kormányzása.


A kanyarodás középpontja a két hátsó tengely terhelési súlypontján átmenő egyenesre esik. Ennek következtében a hátsó kerekek forgástengelyei már nem futnak át a kanyarodás középpontján. A hátsó kerekek radíroznak, oldalra elcsúsznak. Ezen a harmadik tengely számítógépes szabályzású kormányzásával lehet javítani. Korszerű, nagyméretű autóbuszoknál ilyen megoldás már megjelent. Ilyen kormányzási rendszerrel működik a Mercedes Tourismo háromtengelyes autóbusz.

Mercedes Tourismo autóbusz hátsókerék-kormányzással.
8.5. ábra - Mercedes Tourismo autóbusz hátsókerék-kormányzással.


Ennél az autóbusznál a hajtott B tengely vonalába esik a kanyarodás középpontja, ezek a kerekek oldalcsúszás nélkül gördülnek. Az első kerekek elkormányzása meghatározza a kanyarodás sugarát és a kanyarodási középpont helyzetét. A harmadik, C tengely kerekeit ennek megfelelően kell elkormányozni. Ezt egy hidraulikus szabályzó rendszer végzi. Az első kerekek elkormányzását a kormánygép által működtetett hidraulikus munkahenger érzékeli; a hátsó hidraulikus munkahenger ezt leképezi és a kormánytrapéz mechanizmus elfordításával beállítja a két hátsókerék optimális elkormányzási szögét.

Négytengelyes járműveknél a két első tengely kormányzott, a kanyarodás középpontja a két hátsótengely terhelési súlypontján átmenő egyenesre esik, ennek következtében a hátsó kerekek már nem saját síkjukban gördülnek, radíroznak, esetleg oldalra is csúsznak. Ilyen járművek Európában az ömlesztett áruk szállításának kedvelt, gyakran alkalmazott billenőplatós teherautói.

Négytengelyes teherautók kormányzása.
8.6. ábra - Négytengelyes teherautók kormányzása.


Háromtengelyes tengelykormányzott, vonóháromszöges pótkocsik kormányzásának geometriája hasonló a háromtengelyes, első tengelyen kormányzott teherautókéhoz. Az első kerkek tisztán gördülnek, a hátsó kerekek ferdén futnak. Kis kanyarodási sugárnál már erősen radíroznak, túlzottan igénybe veszik az útburkolatot.

Háromtengelyes nyerges pótkocsiknál a középső tengely vonala minden szabályzó mechanizmus nélkül átmegy a kanyarodás középpontján, így ezek a kerekek oldalcsúszás nélkül gördülnek. Az első és harmadik tengely kerekei viszont már nem tudnak csúszásmentesen forogni. Kis kanyarodási sugárnál már itt fellép a kerekek radírozása, oldalcsúszása is. Ennek csökkentése érdekében gyakran alkalmazott a harmadik tengely úgynevezett talajkormányzása. Ennél a konstrukciónál a harmadik futóművet tengelycsonk kormányzásúvá alakították át és a jelentős utánfutás következtében a két kerék automatikusan beállt a saját kanyarodási körére. Ennek a tengelynek a maximális terhelése 6 tonna lehet. Alapvető hátránya, hogy tolatáskor a kerekek kifordulnának, ezért megfelelő szerkezettel ilyenkor középhelyzetben rögzíteni kell a kormánymechanizmust. Emiatt ma már alig használjuk ezt a kormányzási rendszert. (8.7. ábra, 8.8. ábra)

Háromtengelyes félpótkocsi hátsókerék-kormányzással.
8.7. ábra - Háromtengelyes félpótkocsi hátsókerék-kormányzással.


BPW légrugós talajkormányzott pótkocsi futómű.
8.8. ábra - BPW légrugós talajkormányzott pótkocsi futómű.


Csuklós autóbuszok kormányzási rendszerét alapvetően a hajtásrendszer struktúrája határozza meg. Farmotoros csuklós autóbuszoknál a harmadik (C) tengely hajtott és nem kormányzott. Autóbuszok nagyobb teherbírású teherautók hajtott futóművei – a katonai futóműveket leszámítva – szinte kizárólag merevhidasak, lap- vagy légrugósak. A padló alatti motoros csuklós autóbuszok középső (B) tengelye hajtott és nem kormányzott.

A hátsókerék hajtású, tolócsuklós autóbuszok kormányzása könnyen és precízen teljesíti a geometriai paramétereket. A csuklós busz első kocsiteste hagyományos kéttengelyes járművel azonos kormányzási tulajdonságokkal rendelkezik. (8.9. ábra)

Hátsókerék-hajtású tolócsuklós autóbusz kormányzása.
8.9. ábra - Hátsókerék-hajtású tolócsuklós autóbusz kormányzása.


A kormánykerék elfordítási szöge meghatározza a kanyarodás sugarát és középpontját, a hátsó kocsitest kerekei tisztán gördülve, a gumiabroncsok tapadásából adódó oldalerő kényszerítő hatására olyan körpályát követnek, amelyiknél a kerék talppontjában húzott érintőre merőleges sugár átmegy az első kocsitest kanyarodási középpontján. Ettől eltérés, vagyis a hátsó kerekek oldalcsúszása akkor következik be, amikor a vezető álló helyzetben kormányoz, vagy amikor a hátsó hajtás miatt csúszós úton a hátsó kocsitest oldalra kicsúszik, becsuklik, „bebicsaklik”. Ezeknél a buszoknál a csuklószerkezet becsuklásgátló szerkezettel együtt készül, amelynek elsődleges referenciajelei a kormánykerék elfordítási szöge és a becsuklási szög. A becsuklásgátló nem kormányszerkezet, a kormányzást aktívan nem szabályozza, hanem a hátsó kocsitestnek a szabályos mozgásállapottól való eltérését akadályozza passzívan.

A hátsókerék-kormányzású csuklós autóbuszoknál az első kocsitest kormányzása klasszikus kialakítású, viszont a hátsó futómű kényszer-kormányzású. (8.10. ábra)

Csuklós autóbusz hátsókerék-kormányzással.
8.10. ábra - Csuklós autóbusz hátsókerék-kormányzással.


A két kereket kormánytrapéz mechanizmus köti össze, az elkormányzást a két kocsitest összekapcsoló főcsuklótól oldalra eltolt irányzó csuklóhoz kapcsolódó tolórúd végzi. A hátsó kerekek gördülési pályáját a két csukló távolságával lehet meghatározni. A hátsókerék-kormányzású autóbuszok nagy előnye a kisebb kanyarodási folyosó szélesség, ami belvárosi közlekedésben különösen előnyös. Viszont konstrukciós hátrányuk, hogy a padló alatti motorbeépítés miatt alacsonypadlós kivitelben nem gyárthatóak.