Autonaprawa 2/2011

Pomiar i kontrola geometrii ustawienia kół i osi pojazdów. Część I.

Zadaniem układu kierowniczego jest zmiana kierunku jazdy zgodnie z wolą kierowcy. Układ ten poza tym musi zapewniać samoczynne utrzymywanie się kierunku jazdy przy ustawieniu kół do jazdy na wprost, toczenie się kół kierowanych bez poślizgu przy skręcie oraz ich samoczynny powrót do jazdy na wprost po wykonanym skręcie. Warunki te są możliwe do spełnienia poprzez nadanie konstrukcyjne poszczególnym elementom układu kierowniczego odpowiednich parametrów określanych mianem „geometrii ustawienia kół i osi pojazdów”.

Geometria kół i osi pojazdów samochodowych opisuje zjawiska zachodzące w trakcie przemieszczania kół, wynikające z warunków pracy zawieszenia i układu kierowniczego. Istotne znaczenie przy konstruowaniu współczesnych samochodów ma elastokinematyka, czyli ogół zachowań związanych ze zmianą ustawienia kół, wywoływanych siłami i momentami oddziaływującymi pomiędzy oponą a nawierzchnią oraz przemieszczaniem wzdłużnym kół mającym przeciwdziałać kinematycznym zmianom ich ustawienia.

W celu zapewnienia odpowiednich właściwości ruchowych, zdolności utrzymywania prostoliniowego kierunku jazdy oraz przeciwdziałania nadmiernemu zużywaniu się opon określone są przez konstruktorów pojazdów wymagane wartości kątów ustawienia kół wraz z dopuszczalnymi odchyłkami od tych wartości. Dotyczy to kół przednich wszystkich pojazdów oraz kół tylnych w przypadku, gdy tylnym zawieszeniem nie jest napędzana oś sztywna.

Do wielkości regulowanych parametrów ustawienia kół należą: zbieżność, kąt pochylenia koła, kąt wyprzedzenia osi obrotu zwrotnicy. Pozostałe, czyli kąt pochylenia osi zwrotnicy, promień zataczania, przesunięcie osi zwrotnicy względem osi koła oraz różnica kątów skrętu koła wewnętrznego i zewnętrznego nie są regulowane i nadane są konstrukcyjnie w trakcie konstruowania pojazdu.

Zarówno pierwsza jak i druga grupa parametrów geometrii kół musi być poddawana badaniom kontrolnym pod kątem prawidłowych wartości poszczególnych wielkości ze względu na bezpieczeństwo ruchu drogowego. Nieprawidłowe wartości pierwszej grupy parametrów wynikać mogą z warunków eksploatacyjnych pojazdu oraz źle przeprowadzonych czynności naprawczych i regulacyjnych. Niemieszczące się w granicach dopuszczalnych odchyłek wartości drugiej grupy parametrów wynikają najczęściej ze znacznego okresu eksploatacji pojazdu i jego złego ogólnego stanu technicznego, a przede wszystkim dotyczą pojazdów powypadkowych, w których nastąpiło odkształcenie elementów odpowiedzialnych za utrzymanie nadanych konstrukcyjnie wielkości osadzenia i mocowania elementów zawieszenia.

Do podstawowych wielkości charakteryzujących geometrię kół i osi pojazdów należą:

- rozstaw osi – jest to odległość mierzona od środka osi przedniej do środka osi tylnej. Wielkość ta ma znaczny wpływ na własności ruchowe pojazdu. Większy w stosunku do długości pojazdu rozstaw osi zapewnia większą przestrzeń kabiny, zmniejszając tym samym wpływ zmian obciążenia na rozkład masy przypadającej na poszczególne osie, mniejszy przedni i tylny zwis nadwozia, co ogranicza tendencje do przechyłów wzdłużnych, umożliwiając jednocześnie stosowanie bardziej miękkiego zawieszenia, co wpływa na zwiększenie komfortu jazdy. Za stosowaniem mniejszego rozstawu przemawia natomiast zwiększenie zwrotności pojazdu, co powoduje uzyskanie mniejszego promienia skrętu przy tym samym kącie skrętu kół. Rozstaw osi samochodów osobowych mieści się zwykle w granicach 2160-3040 mm;

- rozstaw kół – jest odległością pomiędzy środkami kół danej osi. Parametr ten ma istotny wpływ na zachowanie się pojazdu w ruchu na zakręcie oraz na jego przechyły poprzeczne. Zaleca się aby był jak największy, niemniej nie może przekraczać w stosunku do szerokości pojazdu pewnej określonej wartości. Wynika to z faktu, iż w przypadku kół przednich przy pełnym ugięciu zawieszenia i maksymalnym kącie skrętu nie mogą one dotykać błotników. W przypadku kół napędzanych, dotyczy to zarówno kół przednich, jak i tylnych musi być ponadto zachowana wystarczająca odległość zapewniająca możliwość założenia łańcuchów śniegowych. Rozstaw kół samochodów osobowych wynosi zwykle od 1210 do 1600 mm. Ze względu na niemożliwe do uniknięcia zmiany rozstawu kół wynikające z pionowych ruchów kół zawieszeń niezależnych przy wymaganym wysokim położeniu środka bocznego przechyłu zachodzi niekorzystne zjawisko bocznego znoszenia opon i wywołane przez nie (zwłaszcza w przypadku opon niskoprofilowych) siły boczne, znacznie zwiększające opór toczenia oraz utrudniające utrzymywanie prostoliniowego kierunku jazdy;

- kąt pochylenia koła α – który jest kątem pomiędzy płaszczyznami symetrii koła a płaszczyzną prostopadłą do powierzchni drogi przy kołach ustawionych symetrycznie względem wzdłużnej płaszczyzny symetrii pojazdu. Przyjmuje wartość dodatnią, gdy koło pochylone jest na zewnątrz, a ujemny, gdy pochylone jest do wewnątrz.

Przy obciążeniu konstrukcyjnym, czyli obciążeniu dwiema lub trzema osobami wskazane byłoby teoretycznie niewielkie dodatnie pochylenie kół przednich, co powodowałoby prostopadłe do wypukłej powierzchni jezdni toczenie się kół przy równomiernym zużyciu i niewielkim oporze toczenia. Jednak, aby opony miały lepsze własności prowadzące przy pokonywaniu zakrętów w celu poprawy kierowalności w praktyce przewiduje się dla samochodów nie obciążonych ujemne wartości kątów pochylenia kół, wynoszące od 0⁰ do 1⁰20’. Poza wartością nominalną kąta pochylenia koła bardzo ważne jest określenie jego tolerancji, czyli dopuszczalnych odchyłek od zalecanych wartości oraz dopuszczalnej różnicy pomiędzy kątem pochylenia koła prawego i lewego. W praktyce przyjmuje się zwykle odchyłki ±30’, a różnica kątów pochylenia kół nie powinna przekraczać 30’. W praktyce w konkretnych warunkach jazdy dochodzi do dodatkowych zmian kątów pochylenia kół wynikających z:

- kinematyki,

- przechyłów poprzecznych podczas jazdy na zakręcie,

- elastyczności zawieszenia.

Zmiany kątów pochylenia kół uwarunkowane kinematyką wynikają z charakterystyki zawieszeń niezależnych, w których na zakręcie koła pochylają się wraz z nadwoziem, co powoduje, że koło zewnętrzne uzyskuje w stosunku do powierzchni jezdni dodatni kąt pochylenia. Zmniejsza się wówczas odporność na boczne znoszenie koła (w porównaniu z wewnętrznym) bardziej obciążonego. W celu przeciwdziałania temu zjawisku zawieszenia są konstruowane w taki sposób, aby przy skoku dobicia koła uzyskiwały ujemny kąt pochylenia, a przy skoku odbicia-dodatni. Zmiany kątów pochylenia wynikające z przechyłów poprzecznych podczas jazdy na zakręcie wyznacza wraz z kinematycznym kątem poprzecznego przechyłu nadwozia współczynnik zmian kąta pochylenia koła.

W trakcie pokonywania zakrętu poza zmianami wynikającymi z przechyłów poprzecznych dochodzą również zmiany pochylenia kół wynikające z działania sił bocznych. Chodzi tu o tę część składową kąta pochylenia koła, która wynika z podatności zawieszenia i układu kierowniczego i wywołana jest siłami między kołem a jezdnią lub ich momentami;

- kąt pochylenia osi zwrotnicy β – to kąt zawarty pomiędzy rzutem osi zwrotnicy na pionową płaszczyznę prostopadłą do wzdłużnej płaszczyzny symetrii pojazdu, a prostą pionową leżącą na tej samej płaszczyźnie. Wartość tego kąta mieści się w granicach od 11⁰ do 15⁰30’;

- promień zataczania koła – to odległość pomiędzy punktem przecięcia się osi zwrotnicy z płaszczyzną jezdni i linią przecięcia się środkowej płaszczyzny koła z płaszczyzną jezdni. Wartość promienia zataczania koła mieści się w granicach -18 do +20 mm. W celu uzyskania małego lub ujemnego promienia zataczania, wymagane jest stosowanie większych kątów pochylenia osi zwrotnicy;

Kolejnymi parametrami geometrii ustawienia kół i osi pojazdów są:

- zbieżność – czyli różnica odległości pomiędzy krawędziami obrzeży obręczy kół tej samej osi mierzona z przodu (b) i z tyłu (a) osi w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny jezdni i przechodzącej przez środek kół ustawionych do jazdy na wprost. Zbieżność ma wartość dodatnią (+), kiedy a>b, a ujemna (-), kiedy b>a. Zbieżność ujemna określana jest terminem „rozbieżności”.

Kąt zbieżności koła jezdnego to kąt pomiędzy środkową płaszczyzną koła jezdnego, a płaszczyzną pionową równoległą do wzdłużnej płaszczyzny symetrii pojazdu przy kołach ustawionych do jazdy na wprost. Jeżeli kąt zbieżności koła lewego i prawego są sobie równe, to taki kąt nazywany jest kątem połówkowym zbieżności. Suma kątów zbieżności koła lewego i prawego jest zbieżnością całkowitą, wyrażoną w mierze kątowej.

Zgodnie z teorią najmniejsze zużycie opony i najmniejszy opór toczenia uzyskuje się w sytuacji, gdy koła są ustawione dokładnie do jazdy na wprost. Jednak w trakcie toczenia się koła w płaszczyźnie styku opony z nawierzchnią drogi występuje siła oporu toczenia, skierowana do tyłu, która działając na odpowiednim ramieniu wywołuje moment powodujący nieznaczne przesunięcie kół do tyłu. Dlatego też, żeby w czasie jazdy uzyskać ustawienie koła do jazdy na wprost, w pojeździe stojącym koło ustawione jest zbieżnie. Przy przednim napędzie siły napędowe skierowane są do przodu, powodując zbliżanie się do siebie przednich części kół, dlatego też bardziej wskazane byłoby zastosowanie w tym przypadku rozbieżności kół, czyli zbieżności ujemnej. Jednak ze względu na własności zawieszeń samochody o napędzie przednim również mogą mieć koła ustawione zbieżnie. Poza wartością nominalną zbieżności określana jest również jej tolerancja, która wynosi ±5’ na koło. Zbieżność dla kół przednich regulowana jest poprzez zmianę długości drążka poprzecznego. Średnie wartości zbieżności wynoszą dla pojazdów o napędzie przednim o±10’, a dla pojazdów o napędzie tylnym +15’±10’.

W przypadku kół tylnych regulacja zbieżności możliwa jest w zawieszeniach z wahaczami skośnymi poprzez regulację osi obrotu wahaczy, a w zawieszeniu z podwójnymi wahaczami poprzecznymi przez zmianę długości jednego z drążków. Kąt zbieżności kół tylnych samochodów osobowych wynosi od 10’ do 20’.

Znacznie ważniejsze od ustawienia zbieżności w pojeździe stojącym jest zachowanie parametrów w czasie jazdy. Ich zmiana może być wywołana:

- kinematyką,

- przechyłami poprzecznymi nadwozia,

- działaniem sił bocznych,

- działaniem sił wzdłużnych,

- działaniem sił napędowych kół przednich.

Jedną z przyczyn nie właściwej zbieżności w trakcie jazdy może być nieprawidłowo dobrana kinematyka układu kierowniczego. W celu ograniczenia zużywania się opony i wzrostu oporów toczenia, a także zakłócenia stateczności ruchu prostoliniowego na skutek znoszenia opony nie powinna praktycznie występować żadna zmiana zbieżności przy pionowych ruchach zawieszenia. Zmiana zbieżności w takiej sytuacji spowodowana może być nieodpowiednią długością drążków poprzecznych lub niewłaściwym ich położeniem.

Zmiana zbieżności w trakcie jazdy może być wywołana również przechyłami poprzecznymi nadwozia. Wynika to z faktu, iż podczas pokonywania zakrętu koło bardziej obciążone (zewnętrzne) ustawia się rozbieżnie, a mniej obciążone (wewnętrzne) zbieżnie. Na skutek przechyłu nadwozia kąt skrętu zmniejsza się w niewielkim stopniu oddziałując na przednie zawieszenie w kierunku podsterowności w celu zmniejszenia tendencji do nadsterowności. Również w przypadku zawieszenia tylnego wprowadza się zmiany ustawienia kół w kierunku podsterowności, wywoływane przechyłami nadwozia. W przypadku zawieszenia niezależnego koło bardziej obciążone (zewnętrzne) powinno ustawiać się zbieżnie, a mniej obciążone (wewnętrzne) rozbieżnie.

Zmiana zbieżności występuje w trakcie jazdy również pod wpływem działania sił bocznych. Siły boczne starają się sprowadzić skręcone koła przednie do ustawienia do jazdy na wprost i na skutek elastyczności układu kierowniczego powodują zmniejszenie kąta skrętu kół. Aby uzyskać ten efekt w zawieszeniu tylnym, koło zewnętrzne powinno ustawiać się zbieżnie, a wewnętrzne rozbieżnie.

Kolejnym czynnikiem mającym wpływ na zmianę zbieżności jest wpływ sił wzdłużnych (zarówno w trakcie hamowania, jak i wywołanych siłami napędowymi kół przednich). Stosowanie zbieżności kół powoduje stabilizację ruchu pojazdu w czasie hamowania. W trakcie hamowania zawieszenie przednie pojazdu podlega ugięciu. Jeśli przy poprzecznych przechyłach nadwozia zawieszenie działa w kierunku podsterowności, to w czasie hamowania oba koła ustawiają się rozbieżnie. Wymagane przeciwne oddziaływanie w kierunku zbieżności w tym wypadku można osiągnąć jeśli promień zataczania ma wartość zerową lub niewielką wartość dodatnią;

- kąt wyprzedzenia osi zwrotnicy – to kąt () pomiędzy rzutami osi sworznia zwrotnicy i osi pionowej koła jezdnego na wzdłużną płaszczyznę symetrii pojazdu;

- odcinek wyprzedzenia osi zwrotnicy – to odległość między rzutami na płaszczyznę pionową równoległą do płaszczyzny wzdłużnej symetrii pojazdu punktów: punktu przecięcia osi zwrotnicy płaszczyzną jezdni i punktu przecięcia osi pionowej koła jezdnego z płaszczyzną jezdni. W większości przypadków parametr ma wartość dodatnią, jednak w niektórych konstrukcjach pojazdów z przednim napędem z powodu zwiększonego momentu stabilizacyjnego opon, wywołanego siłami napędowymi, stosowany jest ujemny odcinek wyprzedzenia osi zwrotnicy, uzyskiwany poprzez przeciwne nachylenie osi zwrotnicy;

- maksymalny kąt skrętu koła jezdnego – jest to kąt pomiędzy rzutem osi symetrii pojazdu i krawędzią przecięcia się środkowej płaszczyzny koła z nawierzchnią drogi. Zgodnie z teorią ruch pojazdy przy pokonywaniu zakrętu z niewielką prędkością odbywa się bez zakłóceń wówczas, kiedy linie będące przedłużeniami osi wszystkich czterech kół przecinają się w jednym punkcie, czyli w środku okręgu, po którym się on porusza. W przypadku nie skręcanych kół tylnych kąty skrętu przedniego koła wewnętrznego i zewnętrznego muszą być różne. Kąt skrętu koła wewnętrznego musi zatem być większy od kąta skrętu koła zewnętrznego.;

- różnica kątów skrętu kół – jest to różnica kątów pomiędzy kołami przednimi, a osią symetrii pojazdu, przy skręcie jednego z tych kół o 20⁰ (dopuszcza się inny kąt skrętu, ale wynik pomiaru powinien być odniesiony do kąta skrętu koła o 20⁰). Różnica kątów skrętu kół musi mieć zawsze wartość dodatnią.

Na podstawie wartości kąta skrętu koła zewnętrznego można wyznaczyć teoretyczną średnicę zawracania, czyli średnicę okręgu, po którym porusza się po drodze przednie koło zewnętrzne przy jego największym kącie skrętu. W celu osiągnięcia jak największej okrąg zawracania powinien być jak najmniejszy. Kąt skrętu koła wewnętrznego jest ograniczony przez konieczność uwzględnienia przy jego maksymalnej wartości i największym ugięciu zawieszenia ewentualną kolizją z elementami zawieszenia i nadwozia pojazdu. Zdecydowanie mniej ograniczony jest natomiast kąt skrętu koła zewnętrznego. Może być on równy wewnętrznemu, jednak wówczas zakłócony zostanie proces toczenia się obu kół przednich. Dzięki zrównaniu obu kątów skrętu korzystne jest z kolei uzyskanie mniejszej średnicy zawracania oraz przejęcie przez oponę zewnętrzną większej części siły bocznej. Z tych właśnie względów w pojazdach osobowych odchodzi się od wyznaczonych teoretycznych kątów skrętu i zwiększa się w stosunku do nich kąt skrętu koła zewnętrznego.

Przy kontroli i pomiarze geometrii ustawienia kół i osi pojazdów istnieje jeszcze kilka ważnych parametrów, do których zalicza się:

- oś symetrii pojazdu – linia prosta łącząca środki osi przedniej i tylnej pojazdu;

- geometryczna oś jazdy – dwusieczna kąta zbieżności całkowitej kół tylnych;

- odchylenie geometrycznej osi jazdy od osi symetrii – kąt zawarty pomiędzy geometryczną osią jazdy a osią symetrii pojazdu. Kąt ma wartość dodatnią (+), jeśli geometryczna oś jazdy jest odchylona w lewo od osi symetrii pojazdu, a ujemny (-) jeśli oś jazdy jest odchylona w prawo;

- nierównoległość osi (różnica rozstawu osi) – różnica między rozstawem osi kół z lewej strony pojazdu (L_L) i rozstawem osi kół z prawej strony pojazdu (L_P). Różnica ta może być wyrażana w mierze kątowej;

- śladowość kół (symetryczność ustawienia kół między stroną lewą i prawą), czyli przesunięcie boczne kół osi pojazdu względem osi symetrii pojazdu, wynikające z kąta odchylenia geometrycznej osi jazdy od osi symetrii.