3.4.2 Geometrie kol automobilu Jízdní vlastnosti každého vozidla závisí na správné geometrii polohy kol a to p i všech jízdních režimech, v p ímém sm ru i zatá ce. K tomu je t eba, aby za jízdy docházelo jen k odvalování kol. Jestliže p i odvalování dochází zárove i ke smýkání (i když jen velmi malému), pak tento stav snižuje spolehlivé vedení vozidla na vozovce v p íslušném požadovaném sm ru, chování vozidla vykazuje zhoršené jízdní vlastnosti, na pneumatikách se po jistém ase projevuje zvýšené opot ebení. Potvrzují to také celosv tové statistiky, které uvád jí, že více než polovina všech používaných pneumatik má sníženou životnost jenom proto, že geometrie kol není správná. Podívejme se nyní na princip ízení p edních kol automobilu v p dorysném uspo ádání (obr. 75). Ve styku kola s vozovkou, díky fyzikální vlastnosti zvané adheze, vznikají p i hnacím momentu na obvodu kol podélné síly tažné (znaménko plus), p i brzdném momentu síly brzdné (znaménko mínus); obojí je pot eba k p ekonám jízdního odporu, setrva nosti a zm n jízdní rychlosti (v etn úplného zastavení). Prvním požadavkem na ízení kol je funk ní stabilita, kdy žádná ást nekmitá (nechv je ani nehlu í) a p i úhlové výchylce p edních kol z rovnovážné polohy se vrací zp t do p vodního (p ímého) sm ru. Geometrickou (obecnou) polohu uložení p edních kol v rejdovém (vodicím) epu charakterizují geometrické parametry, vztažené k rovin vozovky; jsou to geometrie kola odklon kola sbíhavost kola (p ípadn rozbíhavost kola) geometrie rejdového epu p íklon rejdového epu (vyvolává ur itý polom r rejdu) záklon rejdového epu (vyvolává ur itou míru zvanou závlek) První geometrickou polohu uložení kola a jeho natá ení sledujeme na obr. 73. Kolo spo ívá svým dezénem na vodorovné vozovce, v ose rotace je uchyceno svislým rejdovým epem, který umož uje natá eni kola p i p edjížd ní nebo v zatá ce. V obrázku jsou vyzna eny dva geometrické parametry;? odklon kola ze svislé roviny a? p íklon rejdového epu (p íklon vzhledem ke kolu); oba parametry mají stabilizovat jízdu vozidla v p ímém sm ru. (Tento princip samostatného zav šení kol byl znám již na ko ských jízdních ko árech.) Odklon kola m že být sm rem vn i dovnit. Abychom uvedené mohli rozlišit, ozna ujeme naklon ní naho e sm rem vn jako plus a obrácen mínus. Odklon bývá 1 až 2 úhlové stupn. Jeho ú elem je stabilizovat > vymezit p í né v le v uložení ložisek. Vnit ní kolo je tak trvale zatíženo jednosm rn a p sobí axiáln do st edu nápravy. Odklon také znamená, že osa rotace kola protíná vozovku a vytvá í kužel odvalování se základnou kruhu kola, který má snahu vytá et levé i pravé kolo sm rem ven od podélné osy automobilu. Toto rozbíhání se kompenzuje dalším parametrem: sbíhavostí kol; vrchol valivého kužele se tím zárove posouvá dop edu a op t se vymezuje pohyb kola vzhledem k vozovce i vzhledem k uložení kola na rejdovém epu (zvýšené stability). Sbíhavostí se také zmenšuje vn jší opot ebení pneumatik. U užitkových (nákladních) vozidel sbíhavost bývá 0 až 1 úhlový stupe. Tím jsme došli k obr. 76., kde krom d íve zmín ného odklonu kola a p íklonu epu je v p dorysu znázorn na sbíhavost pro uvedené kolo. Osa rejdového epu leží stále v rovin nákresny papíru. Její stopník (jako pr se ík s vozovkou, bod B) je st edem pro vychylování kola kolem osy rejdového epu. Vytvá ený polom r je polom rem rejdu, který uleh uje ízem vozidla. P esn polom r platí pro rovinu kolmou na osu rejdového epu a nikoli pro rovinu vozovky.
Bod dotyku A se p i vychylování kola však m že pohybovat jen ve vodorovné rovin (po vozovce). Tím se kolo musí p i svém vychylování (volantem) zvedat a výsledná potenciální energie - vracející kolo zp t do p vodní nevychýlené polohy - je dalším stabilizujícím ú inkem. Zakloníme-li osu rejdového epu (vzhledem ke sm ru jízdy, obr. 74.) p edsune se bod B z p vodní sledované roviny do bodu D. úhel záklonu vyvolá, že pr se ík osy s vozovkou nyní leží p ed dotykovým bodem kola A (viz bo ní pohled), dochází k tažení (vle ení) kola, a nikoli jeho tla ení. Zárove dvojice suvné síly a odporu valem v míst styku kola a vozovky vytvá í p i jízd vratný moment v rovin vozovky, který p sobí proti sbíhavosti kol; dochází op t k vymezenému stabiliza nímu ú inku za jízdy. P itom vle ení kola je d ležitým prvkem, který má podstatný vliv na stabilitu jak v p ímé tak i zatá ce. Velikost záklonu bývá 2 až 7 úhlových stup (i více). Na záv r dodejme ješt, že p i vychylování kola v zatá ce, bod dotyku A opisuje elipsu, kterou vytíná p íslušný kužel (viz obr. 76..), a že záklonu epu [jeho uhlu] odpovídá závlek kola [vzdálenost v milimetrech]. 1 Obr. 73. Výchozí schema pro nástin ízení p edního kola automobilu. Kolo je uchyceno v samostatném svislém rejdovém epu. Toto uspo ádání má nejen velký polom r rejdového epu r v (natá ení vytvá ející válec), ale nevratný moment kola (do p vodní polohy). Takto navržené uspo ádání pro ízení kola má i další nestabilní charakteristiky za jízdy. Proto nazna íme dva parametry kola, vedoucí k jeho stabilit. Je to odklon kola ze svislé roviny a p íklon rejdového epu (vyvolávající pr se ík jeho osy 1 Obdobné parametry lze sledovat i na okolku železni ního kola p i nabíhání dvojkolí na vn jší kolejnici v oblouku, kdy "závleku" kola odpovídá "p edsun" okolku dvojkolí.
Obr. 74 Schema ke studiu geometrie samostatn zav šených kol p ední nápravy v podvozku automobilu. Sledujeme parametry nastavení: odklon kola, p íklon rejdového epu, sbíhavost kola, polom r rejdového epu Obr. 75. P dorysné schema uspo ádání ízení kol p ední nápravy automobilu
. Obr. 76 Schema ke studiu geometrie kol v bokorysu. Záklonem rejdového epu se m ní i jeho polom r. Sledujeme-li vzájemnou polohu p sobení suvné síly F a odporu valení O, kolo je jednak vle eno (díky pozitivnímu závleku) a momentem dvojice sil (F a O, neuvažujeme-!i zm nu výšky kola natá ením do rejdu), kolo má tendenci se rozbíhat, ovšem levé a pravé kolo ú inkem dvojice sil trochu jinak, nebo jedno kolo nato ením do rejdu se natá í dovnit a druhé vn a jejich poloha nato ením je r zná.
Obr. 77. Polom r otá ení kola kolem osy rejdového epu m že být kladný, nulový, nebo negativní. Pojem negativního polom ru otá ení kola" byl zaveden firmou Audi ve spojení s diagonálním brzdovým systémem. Negativní polom r otá ení má stabilizující ú inek na p ímou jízdu p i jednostrann táhnoucích brzdách a nesymetrických odporech vozovky. Vozidlo má zpravidla sklon k tomu, že p i brzd ní táhne ve sm ru siln ji brzd ného kola. Tato Spatná vlastnost se z ásti koriguje negativním polom rem otá ení kola. V takovém p ípad brzdná síla otá í kolo k nebrzd né stran, a to m že bránit stranovému vybo ení vozidla. Obrázek ukazuje vzájemné vztahy a polom r otá ení kol okolo rejdového epu jako výsledek odklonu kola, p íklonu rejdového epu a prohnutí zatížené pneumatiky. Obr. 78. Zm nou zatížení vozidla se m ní výšková úrove. P itom se sou asn m ní i geometrie kol podvozku vozidla. Diagram ukazuje vliv zm n hodnot geometrie podvozku v závislosti na výškové úrovni kol p i propružení sm rem dol nebo vypružení sm rem nahoru (m ení z vozu BMW E36).
Poznámky ke geometrii kol Sbíhavost kol nápravy je rozdíl vzdáleností mezi koly jedné nápravy m ený mezi vnitrními okraji ráfk p ed a za osou kola ve výši rotace kol. Kola musí být nato ena do p ímého sm ru. Sbíhavost je stav, kdy zadní rozm r je v tší než p ední. Uvádí se v [mm]. Nastavení sbíhavosti i rozbíhavosti závisí na tom, která náprava na vozidle je hnací. P i pohonu zadní nápravy mají ízená p ední kola sklon se rozbíhat, nebo suvná síla se p enáší do karoserie, jejíž sou ástí jsou i rejdové epy, které táhnou p ední kola. Vytvá í se tak dvojice sil - suvné v rejdovém epu a odporu kola v jízdní plošce p íslušného kola, která p sobí tak, že kola se rozbíhají. Aby se tento ú inek kompenzoval, musí se ob kola nastavit sbíhav. P i pohonu p edních náprav, uvedené dvojice zm ní smysl, nebo prvotní silou je suvná síla na obvodu p edních kol, které p es rejdový ep táhnou celou karoserii a tím i zadní nápravu; proto se musí nastavit rozbíhav, aby oba tyto ú inky se vzájemn stabiliza n eliminovaly. U užitkových vozidel, kdy je pohán na zadní náprava vybavená radiálními pneumatikami je dnes sbíhavost nastavována velmi blízko nule. Sbíhavost kol p ední nápravy stabilizuje vozidlo v p ímém sm ru a zabra uje kmitání kol za jízdy. Jak jsme již ekli, vymezuje v le v ložiskách a má významný vliv na chování vozidla p i pr jezdu zatá kou. Protože sbíhavost kol ízení nápravy závisí i na ostatních parametrech geometrie kol, nutno dodržovat po adí montážních prací jak je uvádí výrobce. Odklon kola u nápravy s tuhou nápravnicí je pevn dán konstrukcí a nelze jej se izovat. M ení úhlu odklonu kola se provádí pomocí opticko-mechanických p ístroj na principu optické projekce. Pokud je u p ední nápravy použito lichob žníkového zav šení kol, vkládají se nebo ubírají pod horní rameno lichob žníku plechové podložky. U náprav typu McPherson se úhel odklonu se izuje posunem horního uchycení tlumi e v uložení do skelety. Ú elem odklonu kola je vyvození tlaku na vnit ní ložiska. Tím dochází nejen k vymezení v lí, ale i snížení hlu nosti. Dále se zmenšují síly v ízem a na ízené náprav vzniká ur itá nedotá ivost se sou asným zmenšením polom ru zatá ení. V tším odklon ním kola se sjížd jí vn jší okraje pneumatik, ízená kola jsou nedotá ivá a zmenšuje se polom r zatá ení. V krajním p ípad to m že vést až ke zhoršení stability vozidla. Malý nebo nulový odklon kola vede k opa ným jev m. Pneumatika se sjíždí na vnit ním obvodu, zhoršuje se natá eni kol a více se namáhá celé ízem. Není-li hodnota levého a pravého odklonu kola shodná, m že docházet k tažení vozidla do strany a není zaru en p ímý sm r vozidla bez korekce volantem (nehled na opot ebení pneumatik). P íklon rejdového epu je úhel, o který se odklání osa rejdového (oto ného, vodícího) epu od svislice k podélné rovin soum rnosti vozidla. M í se ve stupních pomocí p ístroj. U náprav s tuhým oto ným epem je pevn stanoven vztah mezi odklonem kola a p íklonem epu.
Obr. 79. Tak jako správné nastavení geometrie kol ovliv uje opot ebení pneumatik, tak zp tn i pneumatika ovliv uje více než 50% jízdních vlastností podvozku. Životnost pneumatiky (ujetá dráha v [km]) ovliv uje ada provozních parametr a dalších faktor ; n které jsou vyjád eny na dalších ty ech grafech.
Obr. 80. Pneumatika pro nákladní automobily (Dunlop) Když britský léka J. B. Dunlop p išel s vynálezem "obutí" silni ních motorových vozidel (v minulém století), pneumatika tehdy vypadala jinak než dnes; m la pouze p ispívat k pohodlí cestujících tím, že tlumila ot esy vozidla p i jízd. Dnes žádáme od pneumatiky pro nákladní automobily nejen tlumení, ale aby m la vynikající jízdní vlastnosti z hlediska aktivní i pasivní bezpe nosti, jízdního pohodlí a v neposlední ad, aby vyhovovala p ísným požadavk m minimálních dopad na ekologii. Díky po íta ové tomografii firma vyvinula pneumatiku nové koncepce s p ednostmi stejnom rného opot ebení, v tší hospodárnosti provozu, lepší vzduchot snosti, novou konstrukcí patky a kvalitní kostrou k protektorování. Záklon rejdového epu je odklon jeho osy od svislé roviny procházející osou rotace kola. Pr se ík prodloužené osy otá ení rejdového epu leží p ed dotykovým bodem kola s vozovkou ve sm ru jízdy. Tím dochází k vle ení kola, nikoli jeho tla ení. M ení úhlu p íklonu a záklonu je náro n jší než m ení sbíhavosti a odklonu kola. Prostorová poloha rejdového epu, definovaná úhly p íklonu a záklonu, má p ímý vliv na polom r rejdu. Práv tyto úhly zp sobují reálné nadzvednutí p ední ásti vozidla p i nato ení kol na kteroukoli stranu, což zp sobuje samovoln vracení vychýlených kol do p ímého sm ru p i pr jezdu zatá kou. Polom r rejdu kola je vzdálen mezi st edem dotykové plochy kola s vozovkou a pr se íkem prodloužené osy otá ení oto ného epu s vozovkou. Rozlišujeme - pozitivní polom r rejdu, kdy pr se ík osy otá ení rejdového epu leží mezi st edy dotykových ploch kol - negativní polom r rejdu, kdy pr se ík osy otá ení rejdového epu leží vn st ed dotykových ploch kol - nulový polom r rejdu, kdy osa otá ení rejdového epu protíná vozovku v míst dotykové plochy kola. Polom r rejdu je pevn stanoven a nelze jej m nit. Ovliv uje síly v ízení jak za klidu tak i za pohybu vozidla. P edstavuje páku, na níž p sobí síly valení od vozovky, p ípadn brzd ní. Dalšími pojmy v geometrii kol je bo ní p esazení náprav, úhlové vychýlení náprav a diferen ní úhel rejdu vnit ního a vn jšího ízeného kola p i pr jezdu zatá kou.
Obr. 81. P ední lichob žníková náprava osobního automobilu (Renault Laguna) ve schematickém uspo ádání. Je tvo ena dv ma p í nými rameny zobrazující tvar lichob žníku. Její koncepce a provedení je p edpokladem dobrých jízdních vlastností vozidla. Sestává z pravé a levé ásti, které musí být symetrické, aby byly v rovnováze. V horním obrázku je zakreslený svislý rejdový ep s polom rem rejdu d. Z d vod stability t eba jeho hodnotu zmenšit, p ípadn rejdový ep p iklonit tak, aby hodnota rejdu byla negativní (dolní obrázek) Poznámka ekli jsme si, že odklon kola a p íklon rejdového epu zmenšují polom r rejdu, který má být malý nebo n kdy dokonce negativní. Tím se totiž: - zamezuje p enosu ú ink nerovností od kol p es ízení až do volantu - stabilizuje výjezd ze zatá ky do p ímého sm ru. Dojde-li k nárazu na kolo p i kladném polom ru rejdu, mají kola snahu se rozbíhat (zv tšovat rozbíhavost). P i záporném (negativním) polom ru rejdu je tomu obrácen. Odklon kola, který má být malý, zp sobí jeho zv tšení rychlé opot ebení pneumatiky: kladný -> vn jší strany, záporný -> vnit ní strany. P íliš velký kladný odklon zp sobuje tah na levou stranu, záporný odklon zp sobuje p i jízd v zatá ce tah na pravou stranu. Z d vod diagnostiky se n kdy ozna uje sou et p íklonu rejdového epu a odklonu kola plus pravý úhel jako celkový úhel, jež musí mít na levé i pravé stran stejnou hodnotu. Neodpovídá-li celkový úhel hodnotám podle výrobce, signalizuje to deformaci rejdového epu kola (opak však nemusí znamenat správnou polohu kola a rejdového epu).
Záklon rejdového epu slouží nejen k stabilizaci výjezdu ze zatá ky (tím, že zaru uje dynamické vracení ízení kol do p ímého sm ru), ale také tla í kolo ve sm ru sbíhavosti kol. Je-li záklon rejdového epu menší, vozidlo táhne na jeho stranu. ím je však záklon p edních rejdových ep v tší, tím obtížn ji se kola natá ejí do rejdu, avšak vozidlo je na vozovce stabiln jší. U b žných vozidel se zpravidla setkáváme s kladnými úhly záklonu, tj. odklon ní osy rejdového epu je sm rem dozadu (vyvolává kladný závlek). Existují však konstrukce, které mají negativní úhel záklonu (rejdový ep odklon n sm rem dop edu). N které hodnoty geometrie kol automobilu Zna ka Renault 20 Škoda 120 Škoda Felicia Karosa B Liaz 110 Tatra 815 vozidla osobní bus nákladní P ední náprava! p íklon epu [ ]! záklon epu [ ]! odklon kola [ ]! sbíhavost [mm] 13 2 30 0 20' -2 až 0 7 45' 4 45' 1 15' 2 11 45' 1 20' - 0 30 ' 1 8 27' 2 0 33' 0 až l 6 30' 2 1 30' 0 až l 6 2 30' 3 30' 0 až 3 Uložení kol osobních automobilu Obr. 82.