Nezávislé řízení kol zadní nápravy osobního automobilu

(1)

Pavel Herm

Nezávislé řízení kol zadní nápravy osobního automobilu

Diplomová práce

2005

strojní

Technická univerzita v Liberci

(2)

Katedra strojů průmyslové dopravy Studijní program:

M2301 Strojní inženýrství Obor:

2302T010 Konstrukce strojů a zařízení Zaměření:

Kolové dopravní a manipulační stroje

Nezávislé řízení kol zadní nápravy osobního automobilu Independent steering of back axle by personal car

Unabhängige Lenkung der Hinterachse bei PKW

KSD – DP – 458 Pavel Herm

Vedoucí diplomové práce: Ing. Robert Voženílek

Konzultant diplomové práce: Doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.

Rozsah práce:

Počet stran: 54 Počet obrázků: 51 Počet tabulek: 07 Počet příloh: 10 Počet výkresů: 04

27. května 2005

strojní

Technická univerzita v Liberci

(3)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – Anotace

Diplomová práce – HERM Pavel 2005 3

Anotace:

Tato diplomová práce se zabývá konstrukcí nezávislého řízení zadní nápravy u osobního automobilu. Práce popisuje současné systémy řízení a navrhuje další možné varianty řešení. Pro jednu variantu je provedena konstrukční zástavba do automobilu, na které jsou analyzovány zatěžující stavy nápravy a je provedena výsledná pevnostní a deformační kontrola. V závěru práce je uveden návrh řídícího obvodu řiditelné zadní nápravy.

Annotation:

Diploma work is engaged in design of independent steering of back axle by personal car. DW describes current systems of steering and designs next possible variants of solution. For one alternate is made construction of back axle to the car, on that are analysed weighting of axle and is effected resulting solidity and deformation verification. At the close of DW is introduced design of control circuit of stearing back axle.

Annotation:

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich um Konstruktion der unabhängigen Lenkung der Hinterachse bei PKW. Diplomarbeit beschreibt heutige Lenksysteme und schlägt weitere mögliche Lösungsalternativen vor. Für eine Alternative wird der Aufbau ins Fahrzeug vorgenommen, auf dem die Lastzustände der Hinterachse untersucht werden und resultierende Festigkeits- und Deformationskontrolle vorgenommen wird. Auf dem Schluss der Diplomarbeit wird ein Lenkkreiskonzept der Hinterachse gestellt.

Klíčová slova:

Řízení kol zadní nápravy; Nezávislé řízení zadních kol; Řízení všech kol; Řízení čtyř kol;

Řízená zadní náprava; 4WS;

Keywords:

Steering of back axle; Independent steering of back vheels; All wheel steering;

Four wheel steering; Rear axle control; 4WS;

Schlüsselwörter:

Lenkung der Räder bei hinterer Achse; Unabhängige Lenkung der hinteren Räder;

Lenkung der allen Räder; Lenkung vier Räder; Gelenkte Hinterachse; 4WS;

(4)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – Prohlášení

Prohlášení k využívání výsledků diplomové práce

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb.

o autorském právu, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé diplomové práce a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

Beru na vědomí, že si svou diplomovou práci mohu vyzvednout v Univerzitní knihovně TUL po uplynutí pěti let od obhajoby.

V Liberci 27.5.2005 ……….

Pavel Herm

Prohlášení o původnosti diplomové práce

„Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury“

V Liberci 27.5.2005 ……….

Pavel Herm

(5)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – Poděkování

Poděkování

Na tomto místě bych chtěl poděkovat vedoucímu této diplomové práce Ing. Robertu Voženílkovi, z Katedry strojů průmyslové dopravy TU v Liberci za poskytnutý čas a rady při řešení problémů. Rád

bych také poděkoval konzultantovi doc. Ing. Miroslavu Malému, CSc. za velmi vstřícné jednání a poskytnutí potřebných informací a dále své rodině za podporu během celého studia.

(6)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – Obsah

OBSAH

1 Úvod...10

1.1 Řízení kol zadní nápravy ...10

1.1.1 Pasivní řízení kol zadní nápravy ...11

1.1.2 Aktivní řízení kol zadní nápravy...11

1.1.3 Závislé a nezávislé řízení kol...12

1.2 Požadavky na řízení...13

1.3 Srovnání konvenčního řízení kol 2WS se systémy 4WS...14

2 Současné způsoby řízení kol zadní nápravy...16

2.1 Pasivní řízení...16

2.1.1 Elastokinematické zavěšení ...16

2.2 Aktivní řízení...17

2.2.1 Mechanický systém řízení Honda 4WS...17

2.2.2 Elektrohydraulický systém řízení Mazda ...19

2.2.3 Elektromechanický systém řízení Delphi Quadrasteer...20

2.2.4 Elektromechanický systém řízení Honda E-4WS...21

2.2.5 Budoucí řídící systémy ...22

3 Studie konstrukce řiditelné zadní nápravy...24

3.1 Specifikace automobilu nižší střední třídy...24

3.1.1 Sériová zadní hnací náprava automobilu...25

3.2 Varianty řešení řízení zadní nápravy...26

3.2.1 Elektromechanická varianta EM ...26

3.2.2 Elektrohydraulické varianty HD a HF ...27

3.2.3 Srovnání a výběr nejvhodnější varianty ...28

3.3 Konstrukce a zástavba elektrohydraulické varianty HF ...29

3.3.1 Geometrie zavěšení řiditelné zadní nápravy ...29

3.3.2 Návrh nových součástí nápravy ...30

3.3.3 Úpravy původních součástí nápravy ...32

3.3.4 Zástavba varianty HF ve vozidle...33

4 Kontrola hlavních částí zadní nápravy...34

4.1 Statická analýza zatěžujících stavů...34

4.1.1 Brzdění vozidla na mezi adheze (Zatěžující stav A) ...34

4.1.2 Průjezd zatáčkou (Zatěžující stav B)...36

4.1.3 Vratný moment kola a řídící síla (Zatěžující stav C)...38

4.2 Pevnostní a deformační analýza hlavních částí varianty HF...40

4.2.1 Podélné rameno zadní nápravy...42

4.2.2 Rejdový čep...43

4.2.3 Pomocný rám hydraulického řízení ...45

(7)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – Obsah

4.2.4 Vratné pružiny ...46

5 Řídící obvod a specifikace prvků hydraulického řízení...48

5.1 Elektrohydraulický obvod a jeho řízení ...48

5.2 Hydraulické válce ...50

5.2.1 Kontrola návrhu hydraulických válců ...50

5.2.2 Měřící systém polohy pístu ...51

6 Závěr ...53

7 Použitá literatura...54

SEZNAM PŘÍLOH

Příloha 01.: Sériová zadní náprava P1

Příloha 02.: Varianty řešení řízení zadní nápravy P3

Příloha 03.: Výpočet brzdění vozidla na mezi adheze P7

Příloha 04.: Výsledky simulace brzdění v systému MSC.ADAMS P9

Příloha 05.: Výpočet průjezdu zatáčkou P14 Příloha 06.: Simulace průjezdu zatáčkou v programu MSC.ADAMS P16

Příloha 07.: Pevnostní a deformační kontrola podélného ramene zadní nápravy P21

Příloha 08.: Pevnostní a deformační kontrola rejdového čepu P26 Příloha 09.: Pevnostní a deformační kontrola pomocného rámu hydrauliky P31

Příloha 10.: Uložení elektrohydraulické varianty HF ve vozidle P34

SEZNAM VLOŽENÝCH PŘÍLOH

Pohledový výkres zadní nápravy

Pohledový výkres podélného ramene zadní nápravy Sestavný výkres vidlice podélného ramene

Výrobní výkres dolního držáku vidlice CD-ROM

(8)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – Seznam zkratek

SEZNAM ZKRATEK

ESP Elektronisches Stabilitäts-Programm

EHB Elektrohydraulische Bremse

4WS Four wheel steering

R [mm] Teoretický poloměr zatáčení

b0 [mm] Vzdálenost os rejdových čepů

β1 [°] Úhel natočení vnějšího kola

β2 [°] Úhle natočení vnitřního kola

B [N] Brzdná síla

ABS Antiblockiersystem

lV [mm] Délka vozu

bV [mm] Šířka vozu

hV [mm] Výška vozu

L [mm] Rozvor náprav

bP [mm] Rozchod kol vpředu

bZ [mm] Rozchod kol vzadu

hS [mm] Světlá výška

cW [-] Součinitel odporu vzduchu

m [kg] Pohotovostní hmotnost

mPP [kg] Zatížení přední nápravy při pohotovostní hmotnosti mPZ [kg] Zatížení zadní nápravy při pohotovostní hmotnosti

mU [kg] Užitečné zatížení

mC [kg] Celková hmotnost

mP [kg] Zatížení přední nápravy při celkové hmotnosti mZ [kg] Zatížení zadní nápravy při celkové hmotnosti

hT [mm] Výška těžiště

LP [mm] Vzdálenost těžiště od osy přední nápravy LZ [mm] Vzdálenost těžiště od osy zadní nápravy

β [°] Příklon rejdového čepu

ε [°] Odklon kola

γ [°] Záklon rejdového čepu

j [mm] Poloměr rejdu

BP [N] Brzdná síla na přední nápravě

BZ [N] Brzdná síla na zadní nápravě

zid [-] Poměrné zpomalení

ϕ [-] Součinitel adheze

χ [-] Poměrná výška těžiště vozidla

φ [-] Poměrná vzdálenost osy přední nápravy k těžišti

(9)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – Seznam zkratek

ZP [N] Reakce přední nápravy

ZZ [N] Reakce zadní nápravy

G [N] Tíhová síla

BPid [N] Brzdná síla na přední nápravě při ideálním rozdělení

brzdných sil

BZid [N] Brzdná síla na zadní nápravě při ideálním rozdělení

brzdných sil

ZZL [N] Reakce zadního levého kola

ZZP [N] Reakce zadního pravého kola

bZn [mm] Nově konstruovaný rozchod kol zadní nápravy

mZ [kg] Celková hmotnost vozidla

vV [m.s^-1] Rychlost vozidla

BPneu [mm] Šířka pneumatiky

dPneu [mm] Účinná délka stykové plochy pneumatiky bPneu [mm] Účinná šířka stykové plochy pneumatiky

MV [N.m] Vratný moment

FL [N] Řídící síla

rL [mm] délka ramene řízení

cdyn [-] Dynamický koeficient

MBZPid [N.m] Brzdný moment na pravém zadním kole

dK [mm] Průměr kola

BZPTid [N] Brzdná síla ve třmenu zadního pravého kola

dBT [mm] Činný průměr brzdového kotouče F1A [N] Minimální pracovní síla vnější pružiny F8A [N] Maximální pracovní síla vnější pružiny F1I [N] Minimální pracovní síla vnitřní pružiny F8I [N] Maximální pracovní síla vnitřní pružiny FHL [N] Pracovní síla levého hydromotoru

FHP [N] Pracovní síla pravého hydromotoru

ECU Elektronická řídící jednotka

pHYDmax [MPa] Maximální pracovní tlak hydromotoru

FHLmax [N] Maximální pracovní síla hydromotoru na straně pístnice FHPmax [N] Maximální pracovní síla hydromotoru na volné straně

DH [mm] Průměr válce hydromotoru

dH [mm] Průměr pístnice hydromotoru

pHYDprac [MPa] Pracovní tlak hydromotoru

(10)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – 1. Úvod

1 ÚVOD

Cílem této diplomové práce je úprava stávající nápravy osobního automobilu nižší střední třídy s pohonem všech kol 4x4, délky cca 4500 mm a pohotovostní hmotnosti cca 1300 kg, na systém řízení všemi koly 4WS.

Snahou výrobce je všeobecně zvýšit výkony automobilů a při tom dostatečně zajistit jejich ovladatelnost s cílem zvyšovat komfort automobilů. Jednou z možností dosažení lepších jízdních vlastností je právě využití řídící zadní nápravy. Úprava stávajícího řešení zadní nápravy (viz.

Příloha 01.) na řízenou nápravu musí být navržena tak, aby zadní kola mohla být ovládána nezávisle na sobě a neměla tedy mezi sebou žádnou pevnou mechanickou vazbu. Zároveň má být úprava konstrukčně jednoduchá a zástavba nové nápravy s řídícím systémem nesmí komplikovat konstrukci pohonu zadních kol a stavbu karoserie a příslušenství.

První část diplomové práce se zabývá popisem problematiky řízení kol zadní nápravy s ukázkou stávajících řešení. V druhé části jsou rozpracovány konkrétní varianty řešení řízení a pro vybranou vhodnou variantu je provedena konstrukční zástavba do automobilu.

1.1 Řízení kol zadní nápravy

S rostoucím výkonem osobních a užitkových automobilů rostou požadavky na zajištění stability a ovladatelnosti vozidla při mezních jízdních situacích jako je např. předjíždění a vyhýbání se překážce za vyšších rychlostí nebo při jízdě v zatáčce. V současnosti je tento problém řešen u vozidel středních a vyšších tříd montáží elektronických stabilizačních programů (např.ESP), které jsou svou činností navázány na funkci brzdových systémů. V případě potřeby rychlého zásahu tj. riziku ztráty řiditelnosti nebo stability dochází k přibrzdění jednoho kola tak, aby nedošlo u vozidla ke ztrátě adheze a tím ke smyku. Dalším vývojem dospěli výrobci automobilů a příslušenství k nové generaci elektrohydraulických brzd (např.EHB), u kterých již chybí přímá vazba mezi brzdovým pedálem řidiče a brzdami na kolech a které standardně obsahují funkce stabilizačních programů. Hlavním smyslem elektrohydraulických brzd je svojí funkcí mezním krizovým situacím předcházet a tím ESP použít pouze v krajních případech.

Koncem minulého století se konstruktéři vážně zabývali myšlenkou jak zvýšit stabilitu a obratnost osobních a užitkových vozidel jinou vhodnou variantou. Někteří výrobci automobilů nabídly vozidla s řiditelnou zadní nápravou. Řízení kol mohlo být jak pasivní, tak i aktivní. U aktivních systémů se v první řadě jednalo o užitkové automobily a autobusy, u kterých bylo cílem dosáhnou co nejlepší obratnosti při pomalé jízdě a manévrování na omezeném prostoru (parkování apod.). V pozdější době se začalo rozšiřovat i u osobních automobilů s cílem zlepšit stabilitu při změnách směru jízdy za vysokých rychlostí.

(11)

1.1.1 Pasivní řízení kol zadní nápravy

Pro zlepšení jízdních vlastností z hlediska směrové dynamiky u zadních náprav moderních osobních automobilů, k ovlivňování přetáčivosti a nedotáčivosti, slouží tzv. elastokinematické zavěšení kol, tzn. že jednotlivé díly zadní nápravy jsou k sobě připevněny pomocí pružných uložení. Pružná uložení mají navržený tvar tak, aby umožnily vzájemný pohyb jednotlivých dílů vůči sobě v určitém směru. U nezávisle zavěšené zadní nápravy dochází při brzdění nebo ubírání plynu v zatáčce vlivem této pružnosti, která je hlavně nutná pro izolaci hluku a chvění směrem ven od podélné osy vozidla, k vychylování ramen nápravy a tím k natáčení kola. K pasivnímu řízení kol dochází zcela nezávisle na vůli řidiče, záleží tedy pouze na konstrukci vlastní nápravy [1]. Přiklad takovéto nápravy je uveden v Kap. 2.

1.1.2 Aktivní řízení kol zadní nápravy

Zavedením aktivně řízených kol zadní nápravy jsou sledovány dva cíle. Jednak zlepšení obratnosti při pomalé jízdě, ale také zlepšení stability při jízdě vysokou rychlostí.

Ovládání výchylky zadních kol je prováděno zpravidla v závislosti na natočení volantu, ale ve dvou fázích, které jsou voleny s ohledem na rychlost vozidla. První fáze přísluší jízdě nízkou rychlostí.

V této fázi jsou zadní kola natáčena proti smyslu natočení kol přední nápravy, tzv. nesouhlasné řízení kol (Obr. 1.1a), dochází k redukci poloměru zatáčení – pól pohybu se vozidlu přiblíží a trajektorie pohybu vozidla může být více zakřivena. Druhá fáze přísluší jízdě vysokou rychlostí a zadní kola jsou

a) b) c)

Obr. 1.1 Způsoby řízení kol zadní nápravy

a) nesouhlasné řízení – pro pohyb velmi nízkou rychlostí (přibližně do 40 km/h) b) konvenční řízení – kola zadní nápravy se nevychylují

c) souhlasné řízení – pro zvýšení stability při rychlé jízdě (nad 40 km/h)

(12)

natáčena ve smyslu natočení kol přední nápravy, tzv. souhlasné řízení (Obr. 1.1c), dochází k nárůstu poloměru zatáčení, současně však celé vozidlo vybočuje z původní dráhy.

Pro tyto protichůdné požadavky je proto nutné najít takové technické řešení, které podle zamýšleného jízdního manévru zajistí souhlasné nebo nesouhlasné řízení zadních kol. Z technického hlediska je zajištění natáčení zadních kol poměrně náročné, neboť je třeba aby konstrukce zavěšení zadních kol umožnila jejich natáčení, a je také nutné použít řídicí systém, který akčním členům řízení vydá potřebné instrukce a zajistí požadované řídící síly.

Ovládací systémy se mohou lišit podle konstrukčního uspořádání. V letech 1985–1987 přicházejí japonští konstruktéři (Honda Prelude a Mazda 626) s řešením cestou mechanického i elektrohydraulického ovládání zadních kol. Nejčastěji se aplikují tři systémy pro ovládání zadních kol:

• Mechanický systém (např. Honda 4WS)

• Elektrohydraulický systém (např. Mazda 626 4WS, Nissan, Mitsubishi)

• Elektromechanický systém (např. Honda E-4WS, Delphi Quadrasteer)

Mechanický systém využívá mechanických převodů (např. planetový převod), je konstrukčně jednodušší, ale jeho parametry jsou nastaveny již při konstrukci. Neumožňuje tedy potřebnou variabilitu nastavení při provozu. Proto jsou z hlediska řízení výhodnější systémy elektrohydraulické a elektromechanické [9].

1.1.3 Závislé a nezávislé řízení kol

Natočení řízených kol v zatáčce musí splňovat určité geometrické podmínky, aby se kola pouze odvalovala a nevznikalo smýkání pneumatik (opotřebení pneumatik). Za předpokladu, že kola jsou bočně nepoddajná, musí střed otáčení vozidla ležet na prodloužené ose zadní nápravy (jestliže jsou řízena jen přední kola), Obr. 1.2a. Hovoříme o teoretické, tzv. Ackermannově geometrii řízení. Je-li l rozvor náprav, R teoretický poloměr zatáčení, b0 vzdálenost os rejdových čepů, β1 úhel natočení vnějšího kola a β2 úhel natočení vnitřního kola, potom podle Obr. 1.2a platí:

l cot b

cot β₁ − β₂ = ⁰ (1.1)

Podmínka (1.1) je splněna, jestliže přímky kreslené ze středů rejdových čepů pod úhly β1 a β2

se protínají na přímce vedené ze středu přední nápravy do bodu na ose zadní nápravy ve vzdálenosti b0/2 od podélné osy vozidla.

Závislé řízení kol, které má oba rejdové čepy propojené mechanismem řízení tzn., že pohyby obou rejdových čepů jsou navzájem závislé, podmínku (1.1) nesplňuje. Při geometrické kontrole závislého řízení dostaneme křivku chyb (Obr. 1.2b), závislou na konstrukci lichoběžníku řízení. Tato křivka vypovídá o tom, že při natáčení kol dochází nejen k odvalování kol, ale i k částečnému smýkání kol a tím opotřebení pneumatik a zvýšenému hluku.

Oproti tomu přináší nezávislé řízení velkou výhodu v individuálním natáčení jednotlivých kol (mezi rejdovými čepy není pevná mechanická vazba) a tím k dodržení podmínky bezkluzového

(13)

odvalování kol (1.1). Křivka geometrie nezávislého řízení (Obr. 1.2c) přesně kopíruje křivku ideálního natočení kol pro daný poloměr zatáčky [6].

1.2 Požadavky na řízení

Řízení musí splňovat řadu podmínek, které jsou specifikovány v homologačních předpisech (např. EHK 79) a zákonech (např. Vyhláška o podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích). Obecně musí splňovat následující požadavky:

• Snadná, rychlá a bezpečná ovladatelnost. Mechanismus řiditelné nápravy a geometrie řízení musí být konstruovány tak, aby nevznikaly kmity a rázy v řízení;

• Řízená kola se po projetí zatáčky musí samovolně vracet do přímého směru, nebo aby k vrácení kol do přímého směru byla potřebná podstatně menší síla než pro pohyb do zatáčky (neplatí pro vozidla se strojním řízením);

• Řídící ústrojí nesmí mít větší vůle;

a další požadavky, které jsou detailněji popsány v legislativě [1].

Všechny tyto legislativní požadavky jsou však jmenovány pro závislé řídící systémy. Pro aktivní nezávislé řídící systémy zatím ještě legislativa neexistuje. Automobilový výrobci však tyto systémy intenzivně zkoušejí a výsledky své práce představují na světových autosalonech. Většímu rozšíření aktivních nezávislých řídících systémů a tím vydáním potřebné legislativy by mohlo dojít při masové výrobě takto vybavených automobilů a při zřetelném přínosu pro bezpečnost a komfort cestování.

R

l

b

β β

2

β1 1

0

β₂

β₁

β₂ β₁ β₂ a)

b)

c)

Obr. 1.2 Ackermannova geometrie řízení

a) Geometrický model automobilu projíždějícího zatáčkou, b) Křivka chyb získaná grafickou kontrolou geometrie závislého řízení, c) Křivka geometrie nezávislého řízení,

(14)

1.3 Srovnání konvenčního řízení kol 2WS se systémy 4WS

Porovnáním automobilu vybaveného konvenčním řízením 2WS a systémem EHB s funkcí ESP a srovnatelného automobilu vybaveného aktivním systémem řízení všech kol 4WS např. při mezní jízdní situaci (Obr. 1.3) je zřejmé, že vozidlo s 4WS konná výrazně bezpečnější pohyb oproti vozidlu s 2WS. Navíc vozidlo s 4WS nepotřebuje k tomuto manévru žádný výrazný zásach stabilizačních systémů.

Vozidlo s 2WS potřebuje k udržení stabilního

manévru zásahy EHB a ESP, a to tím že působí na kola různě velkými brzdnými silami popř. rozdělí nesymetricky hnací moment na kola hnací nápravy.

Při jízdě malou rychlostí do 30 km/h v zatáčce nebo při parkování pracuje systém řízení zadních kol nesouhlasně a tím zmenšuje poloměr zatáčení vozidla (Obr. 1.4). Oproti klasickému řízení přední nápravy přinášejí systémy 4WS lepší manévrovatelnost vozidel a pohyblivost v omezených prostorech.

Při jízdě vyššímy rychlostmi v zatáčkách (Obr. 1.5) pomáhá systém 4WS vhodným přiřizováním zadních kol k potlačení nedotáčivých nebo přetáčivých vlastností vozidel. Vhodným naprogramováním systému 4WS je možné vytvořit stabilizační program, který ke svojí činnosti nepotřebuje zásahy brzdového systému nebo sytému dělení toku hnacího momentu od převodovky.

a) b)

Obr. 1.3 Porovnání vyhýbajícího manévru a) Automobil s konvenčním řízením – 2WS b) Automobil vybavený řízením všech kol – 4WS

4WS 2WS

Obr. 1.4 Porovnání průměrů zatáčení vozidel

4WS 2WS

Obr. 1.5 Porovnání průjezdů zatáčkou

(15)

Oproti výhodám, které aktivní řídící systémy 4WS přinášejí, existuje řada nevýhod, které použití těchto systému omezují. Aktivní systémy jsou technicky velmi nákladné, kvůli konstrukční komplikovanosti zadní nápravy a nutnosti použití dalších akčních a řídících členů (samostatnou převodkou řízení nebo přídavným hydraulickým zařízením), což zvyšuje jednak celkovou hmotnost vozidla a zároveň výslednou prodejní cenu.

(16)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – 2. Současné způsoby řízení kol zadní nápravy

2 SOUČASNÉ ZPŮSOBY ŘÍZENÍ KOL ZADNÍ NÁPRAVY

V této části diplomové práce jsou popsány konstrukční řešení řízení kol zadní nápravy užívaná u současných vozů některých výrobců automobilů a příslušenství. U každého typu řízení je uveden popis jednotlivých částí a základní princip funkce.

2.1 Pasivní řízení

2.1.1 Elastokinematické zavěšení

U většiny osobních automobilů s nezávisle zavěšenou zadní nápravou se dnes k pasivnímu řízení zadních kol používá tzv. elastokinematické zavěšení. Konstrukčních řešení existuje celá řada a jejich provedení závisí na typu zadní nápravy. S rostoucím podílem víceprvkových náprav např. typu multilink je možné přesněji definovat a navrhnout pohyb zadních kol vlivem kinematického nastavení zavěšení kol a změny geometrie zavěšení při propérování a působení vnějších sil. Výsledná natočení zadních kol bývají řádově do velikosti 1° až 1,5°. Jako příklad je uvedeno konstrukční řešení zadní poháněné lichoběžníkové nápravy automobilu Porsche 928 (Obr. 2.1).

Na Obr. 2.2 je znázorněné funkční schéma nápravy Porsche 928, označované „Weissach“.

K nápravnici je upevněno nahoře jednoduché příčné rameno a dole plochá příčná tyč (1), přenášející výhradně boční síly z kola na vozidlo. Dopředu směřuje suvné rameno (2), které je pružně uloženo na řídícím vahadlu (3). Na Obr. 2.2 vlevo je systém Weissach při jízdě stálou rychlostí; vpravo při ubrání plynu (brzdění motorem) nebo při normálním brzdění. Působením brzdné síly B mění lichoběžníková soustava svůj tvar jednak vlivem kloubového a pružného uložení svých prvků, jednak vlivem poddajnosti příčného ramene z ploché oceli vetknutého do podélného ramene. Brzdná síla natočí

Obr. 2.1 Náprava Porsche 928

Obr. 2.2 Princip nápravy Porsche 928 1. Plochá příčná tyč

2. Suvné rameno 3. Řídící vahadlo

(17)

vnější kolo směrem do sbíhavosti; kolo se natáčí kolem pólu P o úhel β. Také při náhlém ubrání plynu během zatáčení zachovává vozidlo původní dráhu a nevzniká tzv. vjíždění do zatáčky (přetáčivost, zmenšující se poloměr zatáčení). Pryžové uložení zavěšení nápravy ke konstrukci karoserie zaručuje navíc při nerušené přímé jízdě dokonalou izolaci hluku a chvění od radiálních pneumatik a vozovky [1].

2.2 Aktivní řízení

2.2.1 Mechanický systém řízení Honda 4WS

Systém řízení všemi koly Honda 4WS má mechanicky propojeny převodky řízení přední a zadní nápravy (Obr. 2.3). Přední převodka řízení je kloubovým spojovacím hřídelem propojena se zadní převodkou řízení, ze které vedou řídící tyče k oběma zadním kolům. Zadní převodka řízení určuje kdy, jakým směrem a jak intenzivně mají být zadní kola řízena.

Konstrukce zadní převodky, přesto, že plní několik úloh je poměrně jednoduchá: dva excentry, jeden planetový věnec s planetovým kolem a smýkadlo.

Princip činnosti převodky

1. 2. 3. 4.

Obr. 2.3 Blokové schéma řízení Honda 4WS

1. Přední převodka řízení, 2. Řízení, 3. Spojovací hřídel, 4. Zadní převodka řízení,

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Výstupní pohyb

A A

Obr. 2.4 Princip funkce převodky řízení

1. Excentrický hřídel, 2. Planetový věnec (pevný), 3. Planetové kolo (otočné), 4. Suvná tyč, 5. Smýkadlo, 6. Vedení smýkadla,

(18)

řízení pro zadní nápravu je znázorněno zjednodušeně na Obr. 2.4 . Rozhodující je pohyb osy A-A.

Točí-li se planetové kolo ve směru šipky (Obr. 2.4), pohybuje se osa A-A nejdříve mírně doprava (Obr. 2.5b), zadní kola se vychýlí ve stejném smyslu (max. 2°). Tento děj se odehrává při středních a vysokých rychlostech. Při zvětšujícím se úhlu natočení volantu se pohybuje osa A-A nejdříve nahoru a

s ní také smýkadlo. Je-li natočení volantu více než 240° pak mění zmíněná osa svůj vodorovný směr pohybu, pohybuje se doleva (Obr. 2.5c), zadní kola se vychylují opačně než přední kola (nesouhlasné řízení), maximální rejd zadních kol je 5°, a to když úhel předních kol dosáhne 35°. Tak velké hodnoty rejdu jsou zapotřebí jen pro zaparkování nebo otočení vozidla do protisměru, v oblasti nízkých

rychlostí.

Závislost úhlu rejdu předních kol a zadních na úhlu natočení volantu je v diagramu na Obr. 2.6.

Závisle na úhlu natočení volantu se pohybují zadní kola. Pro malé natočení volantu souhlasně, pro velké nesouhlasně s předními koly [1].

a) b) c)

Obr. 2.5 Poloha součástek převodky zadní nápravy při zatáčení a) Přední a zadní kola jsou natočena v přímém směru

b) Přední kola jsou natočena v malém úhlu, zadní kola jsou natočena souhlasně c) Přední kola jsou natočena ve velkém úhlu, zadní kola jsou natočena nesouhlasně

-10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Natočení volantu [°]

Natočení kol [°]

Obr. 2.6 Závislost úhlů rejdu předních a zadních kol na úhlu natočení volantu

● Natočení předních kol

● Natočení zadních kol

Natočení kol [°]

Přední

kola Zadní kola

Natočení volantu

[°]

0,0 0,0 0 3,8 1,3 50 7,5 1,9 100 11,3 2,0 150 15,0 1,7 200 18,8 0,0 250 22,5 -2,6 300 26,3 -4,6 350 30,0 -5,0 400 Tab. 2.7 Tabulka hodnot diagramu na

Obr. 2.6

(19)

2.2.2 Elektrohydraulický systém řízení Mazda

Řízení všemi koly elektrohydraulickým způsobem používá osobní automobil Mazda 626. Základní blokové schéma řízení je na Obr. 2.8. Vlastní řízení zadních kol je regulováno podle rychlosti jízdy a

podle úhlu natočení předních kol.

Rychlost jízdy je snímána z otáček kol čtyřmi senzory (4), které jsou umístěny na náboji každého kola a jsou součástí brzdového systému ABS. Výsledná rychlost vozidla je vypočítána ze čtyř hodnot a předána ke zpracování elektronické řídící jednotce (5) systému řízení kol zadní nápravy. Úhel natočení předních kol je přes ozubený převod v převodce řízení přední nápravy přenášen pomocí kloubového hřídele (3) do fázové řídící jednotky (11). Fázová řídící jednotka (11) je hlavním výkonovým členem řízení zadních kol.

V závislosti na obou snímaných veličinách nastavuje prostřednictvím řídícího ventilu (10) posun pístu v hydraulickém válci (9) a tím vlastní natočení zadních kol.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

13. 12. 11. 10. 9.

Obr. 2.8 Blokové schéma elektrohydraulického řízení Mazda

1. Olejové čerpadlo, 2. Hydraulický válec, 3. Hřídel od předních kol, 4. Snímače rychlosti, 5. Řídící jednotka, 6. Odpojovač řízení, 7. Snímač úhlu natočení, 8. Krokový motor, 9. Hydraulický válec, 10. Řídící ventil, 11. Fázová řídící jednotka,

12. Elektrický obvod, 13. Hydraulický obvod

Obr. 2.9 Fázová řídící jednotka zadní nápravy

Obr. 2.10 Princip funkce fázové řídící jednotky

(20)

Zdrojem hydraulického tlaku pro celý systém řízení je olejové čerpadlo (1), které dodává hydraulickou kapalinu jak pro řízení zadní nápravy, tak pro posilovač řízení kol přední nápravy.

Na Obr. 2.9 je skutečné provedení fázové řídící jednotky zadní nápravy, která ve vozidle tvoří s řídícím ventilem a hydraulickým válcem společný celek. Na Obr. 2.10 je ukázáno funkční schéma této jednotky. Zjednodušeně je zde znázorněna ovládací spojka, která řídí činnost řídícího ventilu a hydraulického válce. Úhel natočení ovládací spojky nastavuje krokový motor podle rychlosti vozidla vypočtené řídící jednotkou. Zároveň se v drážce ovládací spojky pohybuje kámen, jehož polohu

ovlivňuje velikost úhlu natočení předních kol. Výsledkem obou těchto pohybů je právě potřebné nastavení řídícího ventilu a tím výsledné natočení zadních kol. Úhel natočení zadních kol kontroluje snímač, který předává údaje o poloze kol řídící jednotce. V případě poruchy systému řízení uzavře řídící jednotka hydraulický okruh zadních kol. Navíc jsou uvnitř hydraulického válce z bezpečnostních důvodů umístěny pružiny, které v nouzovém případě vrátí píst do střední polohy a natočí tak zadní kola do přímého směru.

Pro snadnou manévrovatelnost jsou kola až do rychlosti 35 km/h řízena nesouhlasně (tzn. proti smyslu předních kol). Při vyšších rychlostech je řízení všech kol souhlasné. Diagram (Obr. 2.11) znázorňuje relativní úhel rejdu zadní nápravy vyjádřený v procentech (je-li např. při rychlosti 60 km/h úhel rejdu předních kol 10°, pak úhel zadních kol podle Obr. 2.11 je 1,5°) [3].

2.2.3 Elektromechanický systém řízení Delphi Quadrasteer

Delphi Quadrasteer je chráněný systém řízení obou náprav firmy General Motors pro osobní automobily a pikapy větší hmotnosti, dodávky a SUV (Obr. 2.13). Quadrasteer doplňuje konvenční řízení předních kol elektricky ovládaným systémem řízení kol zadní nápravy. Skládá se ze čtyř hlavních komponentů: z čidla úhlů natočení předních kol, řiditelné tuhé zadní nápravy s hypoidním stálým převodem, elektromotorem, a především z hlavní řídící jednotky systému řízení [12].

Charakteristický algoritmus práce systému Quadrasteer je uveden na Obr. 2.14.

-30 -20 -10 0 10 20 30

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Rychlost jízdy [km/h]

Úhel rejdu zadních kol v [%] úhlu rejdu předních kol

Obr. 2.11 Závislost relativního úhlu rejdu zadní nápravy na rychlosti jízdy

Relativní úhel rejdu zadních kol

[%]

Rychlost jízdy [km/h]

-25 0 -15 20 0 35 15 60 30 100 Tab. 2.12 Tabulka hodnot

ke grafu na Obr. 2.11

(21)

2.2.4 Elektromechanický systém řízení Honda E-4WS

Blokové schéma systému Honda E-4WS je na Obr. 2.15. Zadní kola jsou natáčena hlavním ovladačem zadních kol (6) a motor je řízen silovým obvodem ovládaným řídící jednotkou. Aktuální úhel řízení zadních kol je zjišťován z hlavního (7) a pomocného snímače (8) natočení zadních kol. Řídící

jednotka (4) upravuje úhel podle rozdílu mezi zjištěným a vypočteným úhlem natočení zadních kol.

Systém E-4WS používá elektronický obvod pro obsluhu a kontrolu natočení zadních kol. Rozhoduje o optimálním natočení zadních kol ve shodě s rychlostí vozidla, mírou natočení a rychlosti natočení volantu. Řídící jednotka E-4WS je umístěna v zavazadlovém prostoru. Získává signály z každého

Obr. 2.13 Elektromechanický systém Delphi Quadrasteer pro SUV

Obr. 2.14 Algoritmus práce Delphi Quadrasteer A – Nesouhlasná fáze, B – Neutrální fáze,

C – Souhlasná fáze,

p – Poměr úhlů natočení kol přední a zadní nápravy

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Obr. 2.15 Blokové schéma elektromechanického systému řízení Honda E-4WS

1. Snímač rychlosti, 2. pomocný snímač otáček volantu, 3. Hlavní snímač otáček volantu, 4. 4WS řídící jednotka, 5. Snímač otáček zadního kola, 6. Ovládání řízení zadních kol, 7. Hlavní snímač řízení zadních kol, 8. Pomocný snímač

řízení zadních kol,

(22)

snímače a rozhoduje o vhodném úhlu a fázi natočení zadních kol a kontroluje správnost těchto údajů.

Zadní řídící člen je umístěn mezi zadními koly a ovládá je podle signálu z řídící jednotky. Řídící tyč je na jedné straně spojena s ovladačem a na druhé straně je spojena s kulovým kloubem. Otáčení motoru je převedeno valivým závitem na posuv řídícího hřídele (tyče). Tento posuv určuje úhel natočení zadních kol. Na řídící tyči je umístěna vratná pružina, která v případě poruchy systému udržuje zadní kola v přímém směru. Snímač úhlu natočení volantu je umístěn ve sloupku řízení a skládá se z magnetického rotoru, magneticko-resistivních (MR) členů, Hallova snímače, výstupního obvodu a krytu senzoru. Magnetický rotor se otáčí společně s hřídelem volantu. MR element poskytuje řídící jednotce údaje o úhlu, směru a rychlosti otáčení hřídele volantu. Poloha jižního pólu magnetického rotoru umožňuje pomocí Hallova snímače detekovat polohu volantu pro přímý směr.

Výstupy z Hallova snímače jsou přivedeny do řídící jednotky. Hlavní snímač natočení zadních kol je umístěn na ovladači řízení zadních kol. Jeho konstrukce a princip jsou podobné jako u magnetického typu hlavního snímače natočení volantu. Magnetický rotor se otáčí společně s maticí valivého závitu a výstupní signál se používá v řídící jednotce k určení velikosti úhlu a směru natočení zadních kol. Další výstupní signál detekuje polohu kol pro přímý směr [3].

Charakteristický algoritmus práce systému Honda E-4WS je na Obr. 2.16.

2.2.5 Budoucí řídící systémy

Trend, který ukazují výrobci na světových automobilových výstavách v řadě svých prototypů a studií, směřuje k aplikaci nezávislých elektronických řídících systémů na každém kole vozidla zvlášť.

-7,00 -6,00 -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Úhel natočení volantu [°]

Úhl natočení zadních kol [°]

0-7 km/h 30 km/h 60 km/h 100 km/h 180 km/h

Obr. 2.16 Algoritmus práce systému Honda E-4WS

(23)

Příkladem může být studie automobilu Hy-wire automobilky GM poháněná elektrickou energií, jejímž zdrojem jsou palivové články (Obr. 2.17). Prototyp je vybaven řízením kol přední nápravy bez mechanické vazby mezi nimi, které umožňuje natáčet kola obě přední kola pod libovolným úhlem, a tím splňovat podmínku geometrie řízení (1.1). Hlavními akčními členy jsou dva krokové rotační elektro-

motory, které podle signálů z jednotlivých snímačů a instrukcí z řídící jednotky uskutečňují vlastní řízení. Podobný systém řízení by bylo možné s výhodou použít i na zadní nápravu. Lze předpokládat, že s rozvojem nových alternativních pohonů automobilů bude v budoucnu možné využít ve velké míře elektroniku i tam, kde bylo dříve užíváno mechanických, elektrických a hydraulických způsobů řízení nebo jejich kombinací.

Obr. 2.17 Studie automobilu GM Hy-wire

(24)

Nezávislé řízení kol zadní nápravy – 3. Studie konstrukce řiditelné zadní nápravy

3 STUDIE KONSTRUKCE ŘIDITELNÉ ZADNÍ NÁPRAVY

V této kapitole diplomové práce jsou navrženy studie variant řešení úpravy sériové zadní nápravy na nápravu řízenou a pro vybranou variantu je zpracována zástavba do automobilu. Hlavními požadavky na úpravy zadní nápravy jsou:

Nová zadní náprava by měla být konstrukčně jednoduchá s použitím co největšího počtu stávajících součástí, zároveň nesmí výrazně zasahovat do původní konstrukce karoserie a komplikovat ústrojí pohonu kol.

Jednotlivé konstrukční celky by měli být koncipovány jako svařence složené z jednoduchých obrobků a vypálených plechových dílů.

3.1 Specifikace automobilu nižší střední třídy

Osobní automobil má samonosnou karoserii vyrobenou z ocelových výlisků. Hnací agregát je umístěn vpředu napříč a pohání kola obou náprav. Přenos hnací energie zajišťuje pětistupňová mechanická převodovka s ručním řazením rychlostních stupňů. Zavěšení předních kol je provedeno pomocí vzpěr typu McPherson s příčným zkrutným stabilizátorem. Řízení vozu je mechanické hřebenové doplněné hydraulickým posilovačem účinku řízení. Provedení zadní nápravy popisuje Kap. 3.1.1. Hydraulické kotoučové brzdy vybavené systémem ABS a podtlakovým posilovačem brzd působí na všechna kola. Základní technické údaje o automobilu shrnuje tabulka Tab. 3.1.

Parametr Označení Hodnota Jednotka

Délka vozu lV 4513 mm

Šířka vozu bV 1731 mm

Výška vozu (podle zatížení) hV 1481± 20 mm

Rozvor náprav při konstrukční hmotnosti L 2520 mm

Rozchod kol vpředu/vzadu bP / bZ 1516 / 1487 mm

Světlá výška při pohotovostní hmotnosti hS 151 mm

Součinitel odporu vzduchu cW 0.32 -

Pohotovostní hmotnost m 1400 - 1510 kg

Zatížení přední nápravy při m mPP 785 - 857 kg Zatížení zadní nápravy při m mPZ 615 - 653 kg

Užiteční náklad mU 550 - 440 kg

Celková hmotnost mC 1950 kg

Zatížení přední nápravy při mC mP 890 - 979 kg Zatížení zadní nápravy při mC mZ 1060 - 971 kg

Výška těžiště hT 494 mm

Vzdálenost od přední nápravy k těžišti při mC LP 1255 mm Vzdálenost od zadní nápravy k těžišti při mC LZ 1265 mm

Rozměr pneumatik - 195 / 65 R 15 -

Tab. 3.1 Základní technické údaje o automobilu

(25)

3.1.1 Sériová zadní hnací náprava automobilu

Náhon zadní nápravy je řešen kuželovým převodem v rozvodovce zadní nápravy, které je předřazena spojka HALDEX. Pevné kuželové kolo (pastorek) je součástí spojky. Skříň spojky HALDEX je sešroubována se zadní rozvodovkou a tímto spojem se současné vymezuje i vzájemná postavení kuželových kol. Oba montážní celky mají samostatné (a tedy oddělené) olejové náplně. V zadní rozvodovce je opět diferenciál. Hnací hřídele kol jsou spojeny s unášeči rozvodovky stejnoběžnými klouby podobné jako hnací hřídele kol přední nápravy.

Spojka HALDEX je elektronicky ovládanou elektrohydraulickou spojkou a obsahuje soustavu lamel v olejové lázni, které jsou přitlačovány hydraulickým tlakem, čímž je možné dosáhnout přenosu momentu do zadní rozvodovky. Velikost momentu je potom přímo úměrná tlaku. Pracovní tlak zajišťují dvě axiální pístová čerpadla poháněná axiální vačkovou deskou v závislosti na rozdílu otáček mezi vstupním a výstupním hřídelem spojky HALDEX.

Zadní náprava (Obr. 3.2) označovaná jako náprava typu LDQ (Längs-Doppel-Querlenker), tj. se dvěma vlečnými rameny a čtyřmi příčnými rameny, je jako montážní celek upevněna do karoserie pomocným rámem s příčníkem pro uchycení rozvodovky a příčného stabilizátoru. Pomocný rám je přišroubován do karoserie ve čtyřech bodech. Vlečená ramena, na kterých jsou hlavy kol, jsou spojena se zadní rozvodovku horními a spodními příčnými rameny. Přední konce vlečných ramen jsou opatřeny pryžokovovými lůžky, jejichž prostřednictvím jsou přišroubovány ke karoserii. Na vlečných ramenech jsou pryží opatřené kotouče pro vložení vinutých pružin pérování. Šikmo (cca 45°) dozadu skloněné tlumiče jsou ve spodní části upevněny k hlavám kol, nahoře do karoserie. Příčný stabilizátor je spojen

1.

2.

3.

5. 4.

7. 6.

8.

9.

1.

2.

3.

5. 4.

7. 6.

8.

9.

Obr. 3.2 Sériová zadní hnací náprava osobního automobilu

1. Pryžokovové lůžko, 2. Podélné vlečné rameno, 3. Spodní příčné rameno, 4. Horní příčné rameno, 5. Příčný zkrutný stabilizátor, 6. Pomocný rám zadního pohonu, 7. Rozvodovka zadní nápravy, 8. Spojka HALDEX, 9. Tlumič,

(26)

s hlavami kol výkyvnými tyčemi. Všechna spojení jsou opatřena pryžovými prvky, čímž je snížen přenos hluku do karoserie [5].

Třípohledový nákres zadní nápravy je uveden v Příloze 01.

3.2 Varianty řešení řízení zadní nápravy

3.2.1 Elektromechanická varianta EM

Na Obr. 3.3 je zobrazena první možná varianta způsobu řízení zadních kol. Hlavními akčními členy řízení jsou dva krokové elektromotory (5). Rotory obou krokových elektromotorů konají hlavní pohyb rotační, který je pomocí ložiskových tyčí přenášen na lineární pohyb posuvný. Ložiskové tyče jsou vyrobeny tak, že mají po svém obvodu vybroušenou drážku pro ložiskové kuličky, a jezdec, který je připevněn na rotoru elektromotoru, má na svém vnitřním průměru také vybroušenou drážku.

Výsledný systém převodu je potom velmi podobný pohybu matice po závitu šroubu, přičemž šroub je ložiskovou tyčí, jezdec maticí a kuličky tvoří „závit“. Pohyb obou závitových tyčí působí přímo na spojovací táhla, které dále pomocí kulových čepů umožňují natáčet rejdové čepy (těhlice) obou kol podle předem stanoveného programu.

Druhé možné provedení elektromotorů je použití klasických rotačních krokových elektromotorů, které mají na konci rotorové kotvy pastorek, který dále zabírá do ozubené tyče. Ozubená tyč vyvozuje posuvný pohyb a natáčí přes spojovací táhla rejdovými čepy kol.

Celý systém pracuje s řadou snímačů umístěných ve vozidle. Podle aktuálních hodnot ze snímačů rychlostí jednotlivých kol, příčného, podélného a svislého zrychlení karoserie, natočení úhlu

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Obr. 3.3 Elektromechanická varianta EM

1. Rozvodovka zadního pohonu, 2. Podélné rameno, 3. Horní příčné rameno, 4. Spodní příčné rameno, 5. Lineární pohon řízení, 6. Hnací poloosa, 7. Rejdový čep, 8. Uchycení rejdového čepu,

(27)

volantu a rychlosti natočení volantu vypočítá řídící jednotka právě potřebný počet kroků natočení kotvy obou elektromotorů k natočení zadních kol.

3.2.2 Elektrohydraulické varianty HD a HF

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Obr. 3.4 Elektrohydraulická varianta HD

1. Rozvodovka zadního pohonu, 2. Podélné rameno, 3. Horní příčné rameno, 4. Spodní příčné rameno, 5. Uchycení rejdového čepu, 6. Rejdový čep, 7. Hnací poloosa, 8. Hydraulický válec, 9. Spojovací tyč, 10. Pomocný rám hydrauliky,

1.

2.

3.

4.

6.

7.

8.

9. 10.

11.

12.

1.

2.

3.

4.

6.

7.

8.

9. 10.

11.

12.

Obr. 3.5 Elektrohydraulická varianta HF s vratnými pružinami

1. Rozvodovka zadního pohonu, 2. Podélné rameno, 3. Horní příčné rameno, 4. Spodní příčné rameno, 6. Uchycení rejdového čepu, 7. Rejdový čep, 8. Hnací poloosa, 9. Válec s vratnými pružinami, 10. Hydraulický válec,

11. Pomocný rám hydrauliky, 12. Spojovací tyč,

(28)

Na Obr. 3.4 a Obr. 3.5 jsou dvě elektrohydraulické varianty HD a HF. Tyto varianty používají podobný systém řízení kol zadní nápravy jako předchozí elektromechanická varianta EM. Hlavním rozdílem je použití hydraulických válců jako hlavních akčních členů řízení zadní nápravy. Oba hydraulické válce působí svými pístnicemi přímo na spojovací tyče řízení a tím natáčí kola o předem vypočtený úhel. Varianta HF je navíc vybavena bezpečnostními prvky v případě výpadku jednoho nebo obou hydromotorů. Bezpečnostní prvek tvoří válec ve kterém jsou umístěny dvě pružiny působící svými silami proti sobě. V klidové poloze jsou obě pružiny v rovnováze a pístnice v nulové pozici. Při natáčení kola se pístnice začne pohybovat jedním směrem a zároveň se jedna pružina stlačuje a druhá prodlužuje. Druhá pružina navíc svým silovým účinkem pomáhá pístnici při natáčení kola a stlačování první vratné pružiny. Při náhlém selhání hydromotoru potom první stlačená pružina zajistí navrácení kola do přímého směru (rovnovážné polohy obou pružin).

3.2.3 Srovnání a výběr nejvhodnější varianty

Hlavní výhodou elektromechanické varianty EM je v jejím jednoduchém principu činnosti.

Elektronické signály snímačů se zpracovávají opět na elektronické signály pro řízení motorů a tím má celý systém rychlou odezvu a pracuje velmi přesně. Nevýhodou varianty EM je vytvoření bezpečnostních prvků v případě výpadku řízení. Bezpečnostní systém mohou tvořit dvě pružiny, které natočí kola zpět do přímého směru. Pro toto řešení musí však konstrukce lineárního pohonu uzpůsobena tak, aby nebyla příliš samosvorná, a nebylo potřeba velmi tuhých pružin. Druhou nevýhodou varianty EM je v rozměrech a váze elektromotorů. Pro vyvození potřebných řídících sil je nutné použít výkonných elektromotorů s větším příkonem než jsou schopny produkovat dvanácti voltové palubní sítě většiny nynějších osobních automobilů. Výkonnější lineární pohony mají také nižší výstupní rychlost posuvu, která následně jejich využití omezuje.

Proti variantě EM mají obě elektrohydraulické varianty HD a HF velkou výhodu v použití hydraulických válců. Hydraulické válce jsou schopné vyvodit velké řídící síly a rychlé posunové rychlosti při zachovaní malých vnějších rozměrů, které umožňují kompaktní zástavbu do automobilu.

Jako bezpečnostní prvek se dají bez komplikací využít vratné pružiny, které reagují spolehlivě při výpadku systému řízení. Nevýhodou elektrohydraulických systémů je v potřebě dalších prvků v obvodu, např. čerpadel, tlakových zásobníků, rozvaděčů, převodníků apod., což zvyšuje složitost obvodu a zároveň výslednou cenu. V porovnání s elektromechanickými systémy má elektrohydraulické řízení řádově delší odezvu na pokyny řídící jednotky.

Pro vlastní zástavbu do osobního automobilu nižší střední třídy je nejvhodnější použít elektrohydraulické varianty HF s vratnými pružinami, protože lze bez větších problémů a s minimem úprav zastavět do omezeného prostoru stávající zadní nápravy. Pro čerpadlo hydraulického oleje a ostatní řídící prvky obvodu je možné využít úložného místa rezervního kola v podlaze zavazadlového prostoru. Elektrický pohon hydraulického čerpadla lze napojit do palubní sítě automobilu bez nároků na další zdroj energie.

Detailní obrázky jednotlivých variant jsou uvedeny v Příloze 02.

(29)

3.3 Konstrukce a zástavba elektrohydraulické varianty HF

3.3.1 Geometrie zavěšení řiditelné zadní nápravy

Geometrie nového zavěšení kol je volena s ohledem na co nejmenší ovládací síly v řízení zadní nápravy a co nejlepší jízdní stabilitu zadních kol. Úkolem příklonu rejdového čepu β při natočení kola je vytvářet stabilizační moment, který samočinně pomáhá při navracení kol do přímého směru po projetí zatáčky. Příklon rejdového čepu je navržen tak, aby osa otáčení kola procházela středem kloubu hnací poloosy, a aby vzdálenost mezi průsečíkem osy otáčení kola s rovinou vozovky a podélnou rovinou symetrie kola byla negativní (negativní poloměr rejdu j). Čím menší je poloměr rejdu j, tím menší jsou potřebné řídící síly. Negativní poloměr rejdu j má výhodu v tom, že při brzdění vytváří klopný moment kola, který působí na kolo a snaží se jej stáčet do sbíhavosti kolem jeho svislé osy. Základní úhel odklonu kola ε je zvolen jako nulový. Odklon kola ε se volí k vyvození axiální síly zatěžující ložisko v náboji kola, která trvale vymezuje axiální vůle a zamezuje axiálnímu kmitání kol (konstrukční význam). Vzhledem k použitému typu ložiska v náboji kola, nemá příliš praktický význam.

Navíc při propérování kola dochází vlivem konstrukce víceprvkové zadní nápravy ke změnám odklonu kola. Záklon čepu γ se zpravidla pro řídící nápravu konstruuje jako nulový, aby nedocházelo ke zvětšování vratného momentu kol působením hnacích sil.

Obr. 3.6 Geometrie zavěšení zadního řiditelného kola

β – Příklon rejdového čepu, ε – Odklon kola, γ - Záklon rejdového čepu, j – Poloměr rejdu,

(30)

3.3.2 Návrh nových součástí nápravy

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Obr. 3.7 Podélné rameno řiditelné zadní nápravy

1. Zkrácené původní podélné rameno, 2. Podložka pružiny, 3. Uchycení rejdového čepu, 4. Pryžokovové lůžko, 5. Uchycení příčných ramen, 6. Držák tlumiče,

1.

2.

3.

4.

a)

b) 1.

2.

3.

4.

a)

b)

Obr. 3.8 Rejdový čep zadní nápravy

a) Nastrojený rejdový čep, b) Rejdový čep bez přislušenství

1. Náboj kola, 2. Držák brzdového třmenu, 3. Rameno řízení, 4. Uchycení kulových čepů

(31)

Všechny nově konstruované součástky řiditelné zadní nápravy jsou soustředěny do následujících třech hlavních sestav. Každá sestava vystupuje samostatně a lze zamontovat do stávajících míst karoserie.

Základem nového podélného ramene zadní nápravy (Obr. 3.7) je sériové podélné rameno, které tvoří dva plechové výlisky svařené po obvodě švu. Kvůli zástavbě nového nosníku rejdového čepu bylo od sériového rameno oddělena původní nosná část náboje zadního kola v místě za miskou pružiny pérování viz. přiložené výkresy. Na vzniklou plochu je přivařen nový nosník řízení prostřednictvím příruby. Většina součástek nosníku řízení jsou plechové výpalky vyřezávané laserem nebo plasmou z tabulového plechu. Držáky tlumiče a obou příčných ramen jsou koncipovány jako jednoduché obrobky. Všechny součástky jsou k sobě sestaveny pomocí zámků, tak aby již před svařováním utvářeli kompaktní celek a aby později během svařování nevznikali problémy se sestavováním dílů vlivem teplotních deformací. V horní a spodní části nosníku jsou umístěny plechy pro uložení kulových čepů, které mají zajistit přenos sil od rejdového čepu a umožňovat natáčení kol.

Horní držák tvoří dva plechy mezi které se vloží základna kulového čepu a oba plechy potom zajišťují přenos sil při zatěžování i odlehčování zadní nápravy. Spodní držák tvoří jeden silnější plech, na který se montuje základna druhého rejdového čepu. Jeden plech je zde z důvodu možnosti podkládání základny spodního kulového čepu podložkami a tím jeho polohování a vymezování vůlí.

Hlavní součástí nového rejdového čepu řízení (Obr. 3.8) je jednoduchý obrobený díl ve kterém je nalisováno ložisko kola. Z vnějšku je k válci přivařen nosný prvek (2), na kterém je uchycen brzdový třmen. Na hlavní nosný prvek jsou přivařeny další součástky horního a spodního závěsu rejdového

1.

3. 2.

4.

5.

1.

3. 2.

4.

5.

Obr. 3.9 Rám elektrohydraulického řízení

1. Rám, 2. Hydraulické válce, 3. Válce s vratnými pružinami, 4. Místa uchycení rámu k rozvodovce zadní nápravy, 5. Řídící tyče,

(32)

čepu včetně ok pro zamontování kulových čepů. Průřezy ve spodním závěsu je provlečeno řídící rameno, které je složeno ze dvou samostatných plechových výpalků. Rejdový čep se svařuje opět jako celek.

Rám elektrohydraulického řízení (Obr. 3.9) má za úkol nést hlavní prvky řízení, tj. hydraulické válce a prvky bezpečnostního systému. Základem rámu jsou plechové výpalky z tabulového plechu a tenkostěnné trubky u válců s pružinami. Hlavní součást tvoří svislý plech s navařenými výztužnými žebry, držáky pružinových válců a soustruženými válečky pro připevňovací šrouby. Tento celek je přišroubován na původní pomocný rám rozvodovky zadní nápravy. Druhý samostatný montážní celek tvoří hydraulické a pružinové válce. Pružinový válec s řídící tyčí se podle schéma na Obr. 3.10 přišroubuje k pístnici hydraulického válce a jako sestavu je lze potom namontovat do základního rámu.

Konstrukce pružinového válce je patrná na průřezu sestavou rámu elektrohydraulického řízení (Obr. 3.10). Pro správnou funkci musí mít pružiny vhodnou tuhost a poměrně velký pracovní zdvih (cca 50mm). Pro splnění těchto podmínek jsou však pružiny poměrně dlouhé a jejich průměr je navíc omezen velikostí volného prostoru u zadní nápravy, proto je zde zvolena konstrukce dvou soustředných pružin různých středních průměrů, ale blízkých pracovních vlastností. Princip funkce pružinového válce byl popsán v Kap. 3.2.2.

3.3.3 Úpravy původních součástí nápravy

Kvůli novým komponentům zadní řiditelné nápravy bylo nutné upravit některé stávající díly.

Největší úpravy se týkají horního a spodního příčného ramene, které musejí být zkráceny podle konstrukce nového podélného ramene, a tvar trubky zadního dílu výfuku mezi expanzní komorou a úplným tlumičem výfuku. Upraveno je také uchycení stabilizátoru zadní nápravy, který musel být z prostorových důvodů posunut o 15 mm výše. Dílčí úpravy byli provedeny také na štítu zadní

Obr. 3.10 Schéma konstrukce válce s vratnými pružinami

1. Čep, 2. Řídící tyč, 3. Vnější vratná pružina, 4. Píst, 5. Vnitřní vratná pružina, 6. Válce s rámem, 7. Pístnice, 8. Hydraulický válec,