Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
TRENDY VE VÝVOJI NÁPRAV OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ Bakalářská práce
Brno 2009
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
Doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc.
Ondřej Hradil
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Trendy ve vývoji náprav osobních automobilů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituju a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Zároveň souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a tím zpřístupněna dalším studentům.
Dne……………………………. Podpis………………………….
Poděkování: Děkuji tímto vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. Za odborné vedení, cenné rady a připomínky ke zpracování tématu bakalářské práce. Děkuji také rodičům za podporu při studiu.
ANOTACE Tématem mé bakalářské práce jsou Moderní trendy ve vývoji náprav osobních automobilů. V úvodní části popisuji problematiku a historii vývoje. V další části se zaměřuji na podrobný popis a konstrukci jednotlivých částí podvozku osobních automobilů. Jako jsou: nápravy, odpružení, tlumiče, stabilizátory, řízení a brzdová zařízení. Také se zabývám jednotlivými konstrukčními úpravami různých automobilových firem. V závěru bakalářské práce pojednávám o moderních trendech ve vývoji.
Klíčová slova: náprava, pružina, tlumič, stabilizátor, brzda
ANNOTATION The theme of my bachelor theses is “Modern trends in progress axletrees of cars“. In the beginnig of theses I discribe issues and history of development. It is focused on detailed discription and construction of particular parts of undercart of cars such as: axletrees, spring suspensions, shock absorbers, stabilizers, steerings, brake device in the next part. I also deal with construction arrangements by different automobile companies. In the conclusion of my bachelor theses I handle with modern trends in automobile progress. Keywords : axeltree, spring, shock absorbes, stabilizer, brake
OBSAH: 1. ÚVOD DO TÉMATU BAKALÁŘSKÉ PRÁCE .................................................................. 8 2. TUHÉ NÁPRAVY ............................................................................................................... 11 2.1 Nápravnice ..................................................................................................................... 11 2.1.1 Nápravnice rozvidlená............................................................................................. 11 2.1.2 Nápravnice nerozvidlená ......................................................................................... 12 2.2 Mostové nápravy ............................................................................................................ 12 3. NÁPRAVA DE-DION ......................................................................................................... 12 4. VÝKYVNÉ NÁPRAVY ...................................................................................................... 13 4.1 Nápravy kyvadlové s jedním kloubem ........................................................................... 13 4.2 Nápravy kyvadlové s dvěma klouby .............................................................................. 14 4.3 Náprava úhlová .............................................................................................................. 14 4.4 Náprava lichoběžníková ................................................................................................. 16 4.5 Rovnoběžníková náprava ............................................................................................... 18 4.6 Náprava Kliková ............................................................................................................ 20 4.6.1 Kliková náprava s propojenými rameny ................................................................. 22 4.7 Náprava McPherson ....................................................................................................... 23 4.8 Náprava multi-link ......................................................................................................... 25 5. PRVKY DOTVÁŘEJÍCÍ NÁPRAVY ................................................................................. 28 5.1 Stabilizátory ................................................................................................................... 28 5.1.1 Konstrukce .............................................................................................................. 28 5.1.2 Činnost stabilizátoru ................................................................................................ 29 5.1.3 Kapalinové stabilizátory .......................................................................................... 29 5.2 Tlumiče pérování ............................................................................................................ 29 5.2.1 Konstrukce .............................................................................................................. 30 5.2.2 Základní rozdělení ................................................................................................... 30 5.2.2.1 Tlumiče kapalinové .......................................................................................... 31 5.2.2.2 Tlumiče plynokapalinové ................................................................................. 32 5.2.2.3 Elektronicky ovládaný tlumič .......................................................................... 34 5.2.2.4 Tlumiče „ SENSA – TRAC“ ............................................................................ 35 5.3 Vinuté pružiny ................................................................................................................ 36 5.4 Listová pera .................................................................................................................... 37 5.5 Torzní tyče...................................................................................................................... 38 5.6 Pryžové a polyuretanové pružiny ................................................................................... 38 5.7 Hydropneumatické pružiny ............................................................................................ 39 5.8 Systém odpružení AIR-SPRING .................................................................................... 39 6. ŘÍZENÍ ................................................................................................................................. 40 6.1.1 Maticová převodka .................................................................................................. 40 6.1.2 Maticová převodka s kuličkami .............................................................................. 40 6.1.3 Šneková převodka se segmentem ............................................................................ 41 6.1.4 Šneková převodka s kladkou ................................................................................... 41 6.1.5 Šneková převodka s kolíkem................................................................................... 41 6.1.6 Hřebenová převodka................................................................................................ 42 6.2 Posilovače řízení ............................................................................................................ 42 6.2.1 Hydraulické posilovače ........................................................................................... 42 6.2.2 Elektrické posilovače .............................................................................................. 43 7. BRZDOVÁ SOUSTAVA .................................................................................................... 43 7.1 Bubnové brzdy ............................................................................................................... 44 7.1.1 Simplex.................................................................................................................... 44
7.1.2 Duplex ..................................................................................................................... 44 7.1.3 Duo-Duplex ............................................................................................................. 44 7.1.4 Servo........................................................................................................................ 44 7.1.5 Duo-Servo ............................................................................................................... 44 7.2 Kotoučové brzdy ............................................................................................................ 45 7.2.1 Kotoučová brzda s pevným třmenem ...................................................................... 45 7.2.2 Kotoučová brzda s plovoucím třmenem.................................................................. 46 7.3 Posilovač brzd ................................................................................................................ 46 8. ZÁVĚR................................................................................................................................. 48 9. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................................. 49 10. SEZNAM OBRÁZKÚ ....................................................................................................... 50
1. ÚVOD DO TÉMATU BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Každý automobil se skládá z několika konstrukčních prvků, a to karoserie, hnací soupravy, výstroje a výbavy, příslušenstvím a v neposlední řadě podvozku, který má v sobě zakomponován různé části, kterými se budu v jednotlivých úsecích práce věnovat. Náprava je tvořena několika funkčními celky a to zavěšením kol, uložení kol, odpružení, brzdami a řídícím nebo hnacím ústrojím. Účelem náprav je nést tíhu vozidla a přenášet ji na kola. Přenášet hnací, brzdné a boční síly mezi kolem a rámem nebo karoserií, umožňuje odpružení vozidla pomocí pružin, které jsou uloženy mezi nápravami a vozidlem. Nápravy jsou umístěny pod rámem nebo karoserií, a to podle konstrukce buď úplné, nebo částečné. Máme dvě základní dělení náprav, a to hnané a hnací. Hnané přenášejí pouze tíhu vozidla oproti hnacím, které navíc umožňují přenášet točivý moment motoru na kola.
Části podvozku: 1) Disk s pneumatikou – Hlavními úkoly této části je zajištění přenosu sil na vozovku, nesení hmotnosti vozidla a v neposlední řadě doplnění pružícího systému vozidla. Jsou kladeny vysoké požadavky na adhesní vlastnosti pneumatik z důvodu vysokého výkonu motoru a velkých brzdných sil. Disk může být smontován z několika části, jestliže se jedná o materiály lehkých slitin nebo je to prvek z ocelového plechu. [1]
2) Zavěšení kola – Umožňuje svislý relativní pohyb kola vzhledem ke karoserii nebo rámu, potřebný z hlediska propružení a eliminuje na přijatelnou hodnotu nežádoucí pohyby kola. Přenáší síly a momenty mezi kolem a karoserii, tj. svislé, podélné, příčné, hnací a brzdné. [2]
3) Uložení kola – Vozidlové kolo, aby se mohlo odvalovat, musí být vzhledem k pevné části kluzně uloženo. Kromě tohoto uložení kola je u řízených kol ještě uložení rejdového čepu, aby bylo možno kolo natáčet řídícími pohyby. Pro uložení kola se výhradně používá valivých ložisek, uložení rejdového čepu je řešeno kluzným ložiskem. [2]
4) Odpružení – Odpružením se zmenšuje přenos kmitavých pohybů náprav vozidla na jeho podvozkové části a karoserii. Chrání tak posádku popřípadě náklad před 8
nežádoucími otřesy. Odpružení také zvyšuje životnost některých dílů podvozku a zajišťuje stálý styk pneumatik s vozovkou. Tím je zajištěn přenos obvodových sil. [2]
5) Brzdy – Vytváří brzdné sily. Máme čtyři základní druhy dle účelu:
- Provozní – snižují rychlost vozidla až do zastavení - Nouzové – při poruše provozních brzd snižují rychlost vozidla až do zastavení - Parkovací – zajišťují stojící vozidlo proti pohybu - Zpomalovací - snižují rychlost vozidla, ale nemají za účel vozidlo úplně zastavit Podle konstrukce se dělí na kotoučové, které mají výhradní postavení v dnešní době a bubnové které postupně upadají do zapomnění. [1] 6) Řízení – Slouží k natáčení kol do rejdu. Podle konstrukce se dělí na řízení jednotlivými koly a řízení celou nápravou. [2]
obr. 1 Části podvozku
9
1.2 Cíl práce Cílem mé práce je seznámit Vás s historií, současností a budoucností vývoje náprav osobních automobilů a jejich příslušenství.
10
2. TUHÉ NÁPRAVY Tuhá náprava je nejstarší a dnes stále ještě používaný druh zavěšení kol. Je zejména požívána pro zadní nápravy osobních automobilů. U tuhých náprav jsou obě kola spojená pevně. Není možná změna rozchodu a náprava je odpružená jako celek. Tento typ náprav je konstrukčně jednoduchý a takřka bezúdržbový. Většinou představují velkou neodpruženou hmotu. Poháněná pevná náprava obsahuje centrální diferenciál, ze kterého vycházejí kloubové hřídele k poháněným kolům. Diferenciál je s pohonným agregátem spojen kloubovou hnací hřídelí. Celá náprava může být odpružena typicky listovými či vinutými pružinami nebo vzduchovými měchy. Některé pevné nápravy používají vlečená či polovlečená ramena, Panhardovu tyč nebo Wattův přímovod pro vymezení svislého a příčného pohybu nápravy. Jinak je konkrétně na starších vozidlech použito řešení Hotchkiss, kde listové pružiny zajišťují jak odpružení, tak i vymezení polohy nápravy. [1,2,4]
2.1 Nápravnice Je tvořena plným profilovým nosníkem. Slouží pouze jako nosná, u vozidel s menší konstrukční rychlostí se používají í jako řídící. Nápravnice se dělí na rozvidlené a nerozvidlené. [1] 2.1.1 Nápravnice rozvidlená Oko na čepu kola zasahuje do rozvidlené nápravnice, spojením je provedeno rejdovým čepem, který je pevně spojen s čepem kola a uložen otočně v nápravnici. [1]
obr. 2 Rozvidlená nápravnice
11
2.1.2 Nápravnice nerozvidlená Rozvidlený čep kola je pevně spojen s nápravnicí. Patní ložisko rejdového čepu může být provedeno jako kuličkové, což usnadňuje řízení. Toto provedení se používá víc než rozvidlené.[1]
obr. 3 Nerozvidlená nápravnice
2.2 Mostové nápravy Používá se jako hnací. Náprava se skládá z mostových trubek. Ve kterých jsou uloženy hnací hřídele kol se skříní rozvodovky. Vyrobena z ocelolitiny, která vytváří značnou neodpruženou hmotu. Může být v několika provedeních a to jako jednodílná nebo až čtyř dílná. [1]
obr. 4 Mostová náprava
3. NÁPRAVA DE-DION Tato náprava představuje jakýsi přechod mezi tuhou a výkyvnou nápravou. Využívá se pouze jako hnací. Aby se zmenšila neodpružená hmota je skříň rozvodovky spojená s rámem. Přenos sil zajišťují hřídele osazené stejnoběžnými klouby. Obě kola jsou spojena nápravnicí, takže si konstrukce zachová vlastnosti tuhé nápravy. U této nápravy je použít velice specifický prvek a to wattův přímovod, který je tvořen dvěma příčnými táhly uchycenými jedním koncem otočně na nápravě, a druhým koncem jsou spojeny dohromady pomocí otočné objímky uložené na nápravnici. Při propružení se střed kola pohybuje kolmo k oblouku „S“ 12
nahoru a dolů. Tím nedochází k samořízení. Nápravnice se jak při stejnoběžném tak protiběžném propružení pohybuje přesně kolmo k podélné ose vozidla. Tato náprava vyžaduje kloubové hnací hřídele kol s možností osového posuvu. [1,2]
obr. 5 Náprava De-Dion
4. VÝKYVNÉ NÁPRAVY Moderní trendy a požadavky na jízdní vlastnosti donutily výrobce k vývoji výkyvných náprav. Tyto druhy náprav mají značně menší neodpruženou hmotu. Kola jsou uchycena na samostatně na polonápravách, které umožňují kolům se vykyvovat nezávisle na sobě. Mají jednoduchou konstrukci. Poprvé byla tato náprava používána u prvních letadel, např. Sopwith a Fokker, obvykle s gumovým lanem a bez tlumení. Mnoho pozdějších zadních náprav na motorových vozidlech má křížové klouby spojující hnací hřídele s diferenciálem připevněným na rámu vozidla. U kol nejsou křížové klouby - kola jsou vždy souosá s hřídelemi. Výkyvná náprava tradičně používala listové pružiny a tlumiče pérování. Vozy Volkswagen z období před rokem 1967 používaly k odpružení torzní tyče. [1,4]
4.1 Nápravy kyvadlové s jedním kloubem Každé kolo je zavěšeno na samostatném rameni. Obě ramena se vykyvují kolem společného středu. Náprava není vhodná jako řídící. Je však často používána jako hnací. Zlepšení vlastností lze dosáhnout snížením středu vykyvování. [1]
obr. 6 Kyvadlová s jedním kloubem
13
4.2 Nápravy kyvadlové s dvěma klouby Vlastnosti této nápravy jsou podobné jako u náprav s jedním kloubem. Z kinematického hlediska je ještě méně vhodná. Kyvadlové polonápravy jsou vyrobeny z ocelových trubek. Vzpěrná podélná ramena jsou spojená přes pryžové vložky s polonápravami a upevněná na karoserii pomocí pryžových bloků zachycujících brzdné a suvné síly. Pryžové bloky tvoří současně ložiska pro kyvné pohyby ramen při propružení. [1]
obr. 7 Kyvadlová s dvěma klouby
4.3 Náprava úhlová Používá se zásadně jako zadní. Kola jsou uchycena na dvou rozvidlených ramenech. Tato náprava má podobné vlastnosti jako kyvadlová s jedním čí dvěma klouby. Nepoužívá se jako řídící. Náprava je tvořena podélnými a šikmými rameny. Šikmá ramena jsou svařená s hlavou ložisek hřídelů zadních kol a pružně uložena na příčce rozvodovky. Podélná ramena jsou přišroubována k šikmým a jsou pružně uložena v karoserii. Osa kývání ramene je v půdorysu šikmá, proto se někdy používá pro toto zavěšení kol název „šikmý závěs“. Většinou je osa kývání šikmá i v nárysu. Tímto opatřením vzniká při propružení samořízení, které má na chování vozidla nedotáčivý účinek. Okamžitý pól klopení kola je dán průsečíkem
14
osy otáčení kola a osy kývání ramene. U poháněných provedení nápravy musí být z důvodu změny rozchodu zajištěno vyrovnání délky hnacích hřídelí. [1,2]
obr. 8 Úhlová náprava
Firma Opel přišla s inovací v podobě dopředu posunutých soudečkových vinutých pružin za účelem získání většího zavazadlového prostoru s rovnou podlahou. Tlumiče jsou umístěny dozadu za osu otáčení kol a potřebují proto při dlouhém zdvihu vykonávat jen malé sily. Kromě toho mají velké množství kapaliny a méně se zahřívají. Aby nedocházelo k nadměrnému samořízení vlivem klopení a změně sbíhavosti při ubírání plynu, musí šikmá ramena volně kývat v co nejtužších uloženích. Ramena jsou zavěšena na pomocném rámu, resp. nápravnici tvaru „V“, jehož střední část nese rozvodovku. Pro přesné vedení výkyvných trojúhelníkových ramen slouží dvojce přídavných táhel. Celá konstrukční skupina je připevněna ke karoserii pryžovými bloky, které zachycují chvění radiálních pneumatik a které zamezují natáčení nápravnice kolem svislé osy. Ve svislém směru jízdy musí uložení výkyvných ramen zachycovat hnací a brzdné momenty. [1,2]
15
4.4 Náprava lichoběžníková Čtyřprvkový mechanismus lichoběžníkové nápravy způsobuje změnu odklonu kola vozidla v zatáčce, což pomáhá udržet kontakt pneumatiky s vozovkou a zlepšuje schopnosti vozidla projíždět ostré oblouky. Též to snižuje opotřebení vnější hrany pneumatiky. Lichoběžníkové nápravy lze klasifikovat jako nízké, kdy je horní kloub na závěsu kola uvnitř průměru kola, a vysoké, kde je tento kloub nad úrovní pneumatiky. Kola jsou zavěšena na nápravnici, rámu, případně na skříni rozvodovky pomoci dvou nestejně dlouhých příčných ramen, horní rameno je kratší. Vhodnou volbou vzájemného poměru délky obou ramen lze dosáhnout velmi příznivé kinematiky. Jedno případně obě ramena mohou být nahrazena příčnými listovými pery. Ve srovnání s odpružením vinutými pružinami je tato konstrukce jednodušší. Náprava je velmi vhodná jako řídící a může být i hnací. Skládá se z nosné nápravnice, kloubově připojených ramen, zkrutného stabilizátoru a je odpružena vinutými pružinami. Při použití na nehybnou karoserii se při malých pohybech kola kolem výchozí polohy nemění vůbec odklon a jen zcela nepatrně se mění rozchod kol. Pro nestejně dlouhá příčná ramena toto při větších výkyvech neplatí, poněvadž ramena nezůstávají navzájem rovnoběžná. Naklopí-li se naopak karoserie, vznikne v každém případě změna odklonu kol. Výhodou lichoběžníkové nápravy je, že polohou ramen lze určit jak výšku středu klopení, tak výšku středu klonění. Okamžitý střed klonění kola je myšlený bod, který je pevně spojen s karoserií vozidla a kolem něhož se kolo při svém propružení otáčí v podélné rovině. Střed klonění náprav leží v rovině rovnoběžné s podélnou rovinou symetrie vozidla a procházející dotykovým bodem pneumatiky s vozovkou a jeho poloha závisí na druhu zavěšení kol. Poněvadž v uložení ramen musí být zachycovány dvojce sil, jsou pro každé rameno zapotřebí dvě úložná místa. Proto mají ramena tvar trojúhelníku. Spodní rameno je více zatěžováno než spodní, poněvadž leží blíže k působišti sil. Vozidlové pružiny jsou většinou uloženy na spodním rameni lichoběžníkové nápravy. Poněvadž spodní rameno vzhledem ke své délce koná při propružení jen malé úhlové pohyby, může být pružina pevně vetknuta. Kdyby byla uložena na horním rameni, musela by být uložena kloubově, poněvadž jinak by vznikalo velké vykloubení. Výhoda lichoběžníkové nápravy je že může být velmi nízká na rozdíl od nápravy Mc Pherson. [1,2,4]
16
Přední náprava Opel Kadett C má závěsná ramena uložena otočně v pryžových pouzdrech na společném příčném nosníku, takže celá náprava tvoří jeden montážní celek, který je dalšími pryžovými bloky uchycen ke karoserii. Tímto řešením lze výrazně snížit přenos hluku. Otočný čep kola je otočně spojen se závěsnými rameny kloubovými čepy, čímž je umožněné natáčení kola při řízení. Osa natáčení kola je dána spojnicí středů těchto čepů. Odpružovacím prvkem je vinutá pružina umístěná na spodním ramenu a doplněná pryžovou přídavnou pružinou. [2]
obr. 9 Lichoběžníková náprava Opel
Se zvláštním konstrukčním provedením lichoběžníkové nápravy přišla automobilka Jaguar. Jako horní ramena lichoběžníkového závěsu jsou využity kloubové hřídele hnacích kol. Rozvodovka je pevně spojena s pomocným rámem, který je vepředu upevněn k podlaze karoserie dvěma programovanými kovopryžovými pouzdry, vzadu je upevněn na každé straně šikmou vzpěrou. [1]
obr. 10 Lichoběžníková náprava Jaguar
17
Automobilky vyrábějící sportovní automobily se i v dnešní době ubírají směrem lichoběžníkových náprav. Porsche přišlo s inovací lichoběžníkové nápravy s názvem „Weissach“. K nápravnící je upevněno nahoře jednoduché příčné rameno a dole plochá tyč, přenášející výhradně boční sily z kola na vozidlo. Dopředu směřuje pouze suvné rameno, které je pružně uloženo na řídícím vahadlu. [2]
obr. 11 Lichoběžníková náprava Porsche
4.5 Rovnoběžníková náprava Rovnoběžníková náprava je konstrukce automobilové nápravy pro nezávislé odpružení, používající pro připojení závěsu kola dvě rovnoběžná A-ramena. Každé rameno má dva montážní body ve skeletu a jeden v závěsu kola. Pro ovlivňování svislého pohybu se používá tlumič pérování a vinutá pružina. Rovnoběžníková náprava umožňuje konstruktérům vozidel pečlivě ovládat pohyb kola po jeho dráze, při dodržení parametrů jako je odklon kola, záklon rejdového čepu, sbíhavost kol, střed naklánění, poloměr řízení, tření atd. Rovnoběžníková náprava může být též označována jako dvojité A-rameno. Pokud mají horní a dolní rameno různou délku, jedná se o lichoběžníkovou nápravu. Náprava se skládá ze dvojice horního a dolního ramena. Horní rameno je obvykle kratší, aby se zajistil záporný odklon kola při jeho poklesu. Je-li vozidlo v zatáčce, náklon karoserie se projeví kladným odklonem vnějšího kola. Vnější kolo však také poklesne, čímž získá záporný odklon díky kratšímu ramenu. Konstruktéři nápravy se pokouší vyvážit tyto dva efekty, aby udrželi pneumatiku kolmo k zemi. To je zvlášť důležité pro vnější pneumatiku, protože se na ni v zatáčce přenáší váha. Mezi vnějšími konci ramen je závěs kola s rejdovým čepem a případně svislou vzpěrou. V závěsu je ložisko kola. Závěs s integrovaným diskem obvykle neumožňuje, aby bylo kolo řízeno. Pokud je potřeba řízení kola, používá se šroubové řešení.
18
Kvůli odolnosti vůči zátěži v podélném směru, jako je akcelerace a brzdění, potřebují ramena na konci u skeletu dva otočné nebo kulové klouby. Na konci u závěsu kola se typicky používá jeden kulový kloub, kdy se řídicí síly přenášejí přes řídicí rameno a kyvná ramena mají tvar A nebo L. Rameno ve tvaru L je na osobních vozidlech obecně preferováno, protož umožňuje lépe vyladit kompromis mezi ovladatelností a komfortem. Čepy v jedné ose s kolem jsou poměrně tuhé z hlediska zátěže v ostrých obloucích, zatímco čepy mimo osu jsou měkčí a dovolují kolu pod podélnou zátěží vybočovat. Pro zadní nápravy lze použít dva klouby na obou koncích ramen, čímž pak z půdorysného pohledu připomínají spíše tvar H. Z bočního pohledu jde o čtyřprvkovou nápravu a je snadné vyřešit zisk odklonu a další parametry pro danou sadu umístění jednotlivých kloubů. Výhodou rovnoběžníkové nápravy je, že je velmi snadné vyhodnotit účinek přemístění každého kloubu, takže lze jednoduše ladit kinematiku nápravy a optimalizovat pohyb kola. Rovněž je snadné řešit zátěž různých částí a optimalizovat tak odlehčování jednotlivých částí. Nevýhodou je větší složitost oproti jiným systémům, jako je náprava MacPherson. [4]
obr. 12 Rovnoběžníková náprava
19
4.6 Náprava Kliková Každé kolo je zavěšeno na jednom nebo dvou podélných ramenech. Kola se vykyvují kolem osy kolmé k podélné ose vozidla. Určitou nevýhodu této nápravy jsou problémy se zachycováním bočních sil, které vznikají při průjezdu zatáčkou. Náprava je vhodná jako zadní hnaná. Používá se však i jako hnací. Kliková ramena jsou spojena U profilem, který působí jako příčný stabilizátor. Ramena jsou uložená v lůžkách s proměnlivou tuhosti. Náprava zabírá málo místa a je vhodná zejména pro vozidla typu kombi a pro osobní automobily s velkými pátými dveřmi. V porovnání s kyvadlovou nápravou má kliková náprava nevýhodu zvětšeného klopení karoserie v zatáčce. Změny odklonu vznikají u podélných klikových náprav jen následkem klopení karoserie. [1,2]
obr. 13 Kliková náprava
Firma Citroën přišla s inovací klikové nápravy úpravou příčného profilu ve kterém je uložen zkrutný stabilizátor. Odpružení je provedeno systémem Hydractive II. Náprava je uložena ve čtyřech kovopryžových pouzdrech se směrovou proměnlivou tuhostí. Tento způsob uložení zajišťuje při průjezdu zatáčkou přiřízení nápravou, a to tak, že se kola natáčejí ve směru shodném s koly přední nápravy. [1]
obr. 14 Kliková náprava Citroen Xantia
20
Další inovaci provedla rovněž firma Citroën jejichž velmi prostorově náročná náprava je odpružené zkrutnými tyčemi a má velmi šikmé tlumiče. Také tato nápravy vykazuje přiřizovací účinek, který se do určité míry liší od účinku předchozí. Při rychlé jízdě zatáčkou se natáčí kola do rejdu o určitý úhel, čímž usnadňuje průjezd, ale při rychlém předjížděcím manévru se kola natáčí opačným směrem, což má za následek spíše sunutí vozidla a tak nehrozí jeho rozkývání. [1]
obr. 15 Kliková náprava ZX Aura
Mitshubishi Colt bylo taktéž vybaveno inovovanou klikovou nápravou. Podélná ramena svařená příčnými trubkami a to otočně uložená na kluzných ložiscích. U tohoto provedení nevznikali téměř žádné změny sbíhavosti nebo odklonu kol. Další výhodou je, že tato náprava má podobně jako tzv. spřažená kliková náprava jen dva otočné body mezi nápravou a nástavbou a krátkým stabilizátorem může být jednoduše připevněn k levé a pravé trubce. Pryžová manžeta poddajná na krut zajišťuje těsnění mezi trubkami. Boční pohyby zachycuje uložení. Vinuté pružiny jsou uloženy velmi nízko a o karoserii se opírají pryžovými kroužky. [2]
obr. 16 Kliková náprava Colt
21
4.6.1 Kliková náprava s propojenými rameny Vzhledem k výhodám klikových náprav se u vozidel s výklopnou zádí (hatchback) se sklopitelnými sedadly prosadil nový druh podélné klikové nápravy tzv. spřažené nápravy. Tato prostorově úsporná konstrukce zadní nápravy snižuje úroveň podlahy a zvětšuje využitelnou ložnou výšku. Obě podélná ramena jsou navzájem spojena ohybově tuhou příčkou, která je však torzně měkká a slouží jako příčný stabilizátor. Z kinematického hlediska je spřažená náprava přechodem mezi podélnou klikovou nápravou a tuhou nápravou. Při stejnoběžném propružení kol vznikne jejich mírná změna odklonu podmíněná tuhostí. Při protiběžném propružení dochází k výrazné změně odklonu. Kinematickou zvláštností je, že okamžité osy otáčení jsou při stejnoběžném a protiběžném propružení rozdílné. Spojovacím prvkem je většinou otevřená příčka s průřezem tvaru U, která se při stejnoběžném propružení nedeformuje a při protiběžném zkrucuje a tím nahrazuje příčný stabilizátor. Pokud by příčná příčka byla posunuta do středu kol, pak by takové provedení mělo vlastnosti tuhé nápravy. Spřažená kliková náprava má řadu výhod a to snadnou montáž či demontáž, malý potřebný prostor, jednoduché upevnění pružících a tlumících teleskopických vzpěr, malá změna sbíhavosti, rozchodu a odklonu kol. Mezi nevýhody se řadí nemožnost použití jako hnací a přetáčivost. [2]
22
4.7 Náprava McPherson Prvním vozem využívajícím nápravu MacPherson byl Ford Vedette v roce 1949. Tato náprava představuje určitou obdobu lichoběžníkového závěsu. Kolo je uchyceno kulovým kloubem na výkyvném rameni, uloženém šikmo s podélné ose vozidla. Horní závěs tvoří axiální valivé ložisko, které přenáší hmotnost příslušné části vozu na vinutou pružinu. Pružina se opírá svým spodním koncem o misku, spojenou s vnější částí tlumičové vzpěry McPherosn. Tlumičová vzpěra McPherson je vlastně vhodně upravený teleskopický tlumič, který na rozdíl od normálního má zesílenou pístnici. Pístnice má za následek zvětšení třecích sil, které můžou mít za následek při malých nerovnostech zablokování pohybu pístnice, tak že vozidlo kmitá jen na pneumatikách. Pro odstranění tohoto nežádoucího jevu se někdy vinutá pružina ukládá šikmo. Dalším opatřením je uložení horního kloubu do měkké pryže, která umožňuje relativní pohyb mezi teleskopickou vzpěrou a karoserii. Kola se otáčejí do rejdu kolem spojnice středu ložiska a kulového kloubu, která představuje virtuální osu. Tato spojnice tvoří také osu zatěžování pružiny. Předností tohoto uspořádání je zvýšení stability vozu v zatáčce. Slouží především jako řídící hnaná i hnací. Mírnou úpravou jí lze použít i jako zadní. [1,2]
obr. 17 Mc Pherson
U vozidel s předním pohonem vyžaduje hnací hřídel průchod pod teleskopickou vzpěrou. U přední náprava vozu Lancia H.P. Exluzive se teleskopická vzpěra skládá z nosného třmene a vodící částí tlumiče. Obě části jsou navzájem spojeny šrouby. Spodní miska vinuté pružiny je pevně spojená s teleskopem a slouží současně jako doraz pro případnou pružinu. Natáčení kola při řízení umožňuje opěrné ložisko, které se přizpůsobuje poloze pružiny při zdvihu kola. Pryžový blok přenáší pružící síly a měkký díl zachycuje 23
tlumící síly. Kotouč slouží jako horní doraz a talíř jako spodní doraz. Střed stejnoběžného kloubu leží v ose řízení. Náboj kola je veden dvouřadým kuličkovým ložiskem. Spodní kulový čep je uložen v kuželovém otvoru spodního přítlačného ramene a rouby připevněn k nosnému třmenu. Příčný stabilizátor je dvěma kulovými čepy spojen se spodním závěsným ramenem. Toto řešení se používá dodnes. [2]
obr. 18 McPherson Lancia
24
4.8 Náprava multi-link Víceprvková náprava je typ nápravy typicky používané pro nezávislé odpružení. Má tři nebo více příčných a jedno či více podélných ramen. Tato ramena nemají stejnou délku a mohou se odklánět od svého "zjevného" směru. Typicky má každé rameno na každém svém konci kulový nebo pružný kloub. V důsledku toho jsou ramena zatěžována v podélném směru, tedy v tahu nebo tlaku, ale nikoli v ohybu. Některé víceprvkové nápravy používají vlečená ramena nebo A-ramena, mající na jednom z konců dva klouby. Na přední nápravě je jedno z příčných ramen nahrazeno tyčí spojující převodovou skříň nebo převodku řízení se závěsem kola. Jedná se o prostorově složitý systém, který zajišťuje optimální kinematiku náprav. Požadavky na kinematiku se liší podle toho, jedná-li se o nápravu přední nebo zadní. Víceprvková náprava umožňuje konstruktérovi, aby měl vůz jak kvalitní jízdní vlastnosti, tak dobrou ovladatelnost. V nejjednodušší formě je víceprvková náprava pravoúhlá - tedy, že lze v jednom okamžiku měnit jeden parametr nápravy, aniž by se změnily ty ostatní. To je v přímém kontrastu s nápravou se dvěma A-rameny, kde se při posunu ukotvení nebo při změně vůle v uložení mění dva nebo více parametrů. Další výhody se týkají jízdy mimo silnice. Víceprvková náprava činí vozidlo flexibilnější, to znamená, že se náprava snadněji přizpůsobí měnícím se úhlům v terénu. Tedy vozidla s víceprvkovými nápravami jsou ideální pro sporty, jako je jízda po skalách nebo v poušti. Malá poznámka k použití víceprvkové nápravy pro závody v poušti: pro vyrovnání se s houpáním je potřeba dobrý příčný stabilizátor. Víceprvková náprava je drahá a složitá. [1,4]
25
Při použití jako přední je základním úkolem zajištění optimální polohy rejdové osy. U vozidla Mitschubishi Galant je kolo nahoře zavěšeno pomocí horního dvojitého ramene. Dole prostřednictvím dvou samostatných příčných ramen, z nichž je jedno přímé a druhé je zahnuto směrem dozadu. Zavěšení zajišťuje negativní poloměr rejdu, což je z hlediska směrové stability vozidla vhodné. Automobilka Audi u modelové řady A8 používá přední nápravu taktéž víceprvkového uložení. Přední náprava je provedena pomocí čtveřice příčných ramen, z nichž každé je samostatně spojeno s těhlicí prostřednictvím kulových kloubů. Tím se dosahuje při zatáčení přesně definované změny polohy fiktivní rejdové osy. [1]
obr. 19 MultiLink Galant
Při použití jako zadní je základním úkolem zajištění vysokého komfortu jízdy, což se projevuje zejména stabilitou vozidla. Zadní nápravy tohoto druhu umožňují tzv. pasivní řízení. Zadní náprava automobilu Honda Accord se vyznačuje pětiprvkovým zavěšením. Ta svým uspořádáním zajišťuje optimální geometrii zadního kola při všech jízdních režimech a jakémkoliv zatížení automobilu. Proti tříprvkovému a čtyřprvkovému uspořádání je každé rameno umístěno tak aby přenášelo pouze axiální zatížení. Podélní sily, působící mezi kolem a vozovkou, jsou zachycovány šikmým vlečeným a šikmým vodícím ramenem. Zachycení bočních sil zajišťují příčná ramena různé délky. Uspořádání vlečného a vodícího ramene umožňuje pohyb kola při propružení spíše po úsečce než po zakřivené dráze. Tímto způsobem se silně omezí „nadzvednutí“ zádi při brzdění a její „ponoření“ při akceleraci vozidla. Protože je spojnice kotvících bodů vodícího a spodního ramene rovnoběžná se spojnicí upevňovacích pouzder vlečného horního ramene, dochází k výraznému omezení sbíhavosti zadních kol a
26
zvýšení přilnavosti pneumatik k vozovce. Přednosti pětiprvkového závěsu se projeví při ostrém průjezdu zatáčkou. Sbíhavost při takovém manévru vzrůstá, protože vzdálenost mezi středem kola a řídícím ramenem je vetší než vzdálenost mezi středem kola a spodním ramenem. Kotvící pouzdro spodního ramene se tak pohybuje oproti pouzdru ramene řídícího po delší dráze. Tímto způsobem se značně zvyšuje stabilita vozidla a eliminuje se jeho nedotáčivost. [1]
obr. 20 MultiLink Honda
27
5. PRVKY DOTVÁŘEJÍCÍ NÁPRAVY Většina náprav obsahuje další konstrukční prvky a to stabilizátory, tlumiče pérování, vinuté pružiny, listová pera, torzní tyče, pryžové pneumatické a hydropneumatické pružiny. Jako hlavní účely těchto prvků vidíme zajištění trvalého styku pneumatiky s vozovkou a ochranu nákladu a posádky před nežádoucími otřesy.
5.1 Stabilizátory Jako hlavní účel stabilizátoru považujeme zmenšit naklopení karosérie při průjezdu vozidla zatáčkou. Umisťuje se napříč vozidla a je společný pro obě kola téže nápravy. [1] 5.1.1 Konstrukce Základem je zkrutná tyč, která je na dvou místech upevněna otočně (např. pomocí kovopryžových pouzdrech) na rám (karoserii) vozidla, je spojen pryžovými bloky s podélnými rameny, nebo je tvořen jednoduchou torzní tyčí uloženou v podélných ramenech. Konce jsou spojeny s pravým a levým kolem téže nápravy tak, aby se výchylky přenášely na zkrutnou tyč. Průměr tyče bývá od 10 do 60 mm. Nejčastější provedení stabilizátoru je do tvaru “U“. Stabilizátor se používal výhradně jen na přední nápravy ale v dnešní době z důvodu komfortnosti a stabilizaci jízdy je používán na obě. [1,2]
obr. 21 Druhy provedení stabilizátorů
28
5.1.2 Činnost stabilizátoru Najedou-li obě kola téže nápravy na stejně vysokou nerovnost, zkrutná tyč se pouze pootočí v pryžových pouzdrech, aniž by se zkrucovala. Jestliže jedno z kol stejné nápravy najede na překážku a bude se pohybovat směrem k vozidlu a rameno stabilizátoru se bude natáčet. Zkrutná tyč tento pohyb přenese i na druhé rameno, které se bude pohybovat ve stejném smyslu a tím začne stlačovat příslušnou pružinu. Tento přenos sil zmenší naklopení karoserie. Při průjezdu zatáčkou se budou vnější pružiny stlačovat více než vnitřní. Na vnitřní straně se rameno zkrucuje směrem nahoru a působí proti pružině. Opačné rameno stabilizátoru se bude zkrucovat rovněž nahoru a bude působit proti stlačující se pružině, čímž se bude naklopení karosérie dále zmenšovat. Velikost stabilizace závisí na tuhosti stabilizátoru. Čím je stabilizátor tužší, tím bude naklopení karosérie menší. Nadměrná tuhost tyče vede k nadměrnému odlehčování vnitřního kola a tím ke snižování směrové stability. [1] 5.1.3 Kapalinové stabilizátory Tyto stabilizátory jsou tvořeny hydraulickými členy. Na každé straně vozidla je umístěn jeden člen. Navzájem jsou spojeny potrubím s oboustranným škrtícím ventilem. Při průjezdu zatáčkou se olej přetlačuje z vnějšího členu do vnitřního a tím se naklopení karoserie zmenší. [1]
5.2 Tlumiče pérování Jako hlavní účel tlumičů považujeme tlumit vlastní kmity pružiny, které vznikají při průjezdu kola automobilu přes nerovnost a tím zabraňují nadměrnému vertikálnímu rozkmitání karosérie. V dnešní době se výhradně používají teleskopické dvojčinné kapalinové tlumiče, jejichž hlavní výhodou je, že pracují v obou směrech tj. pří pohybu nápravy do vozidla i do vozidla. Tlumiče pracují na principu“katraktu“, což znamená přetlačování oleje z jednoho vnitřního prostoru do druhého skrz předem definovaný otvor, což má za následek přeměnu mechanické energie na jinou. Na průřezu otvoru závisí velikost škrcení průtoku oleje a tím také velikost tlumení z čehož se stanovuje účinnost tlumiče. [1]
29
5.2.1 Konstrukce Tlumič je tvořen jedním nebo dvěma plášti. Prostor uvnitř vnitřního pláště je pracovní. Kvůli zvýšení životnosti tlumiče je opatřen ochranným krytem. Uvnitř pracovního pláště se pohybuje píst ovládaný pístnicí spojenou s ochranným krytem. Píst obsahuje otvory se samočinnými ventily, které svojí velikostí nebo počtem zajišťují různou účinnost v jednotlivých směrech. Tlumič může být doplněn dalším “vyrovnávacím“ prostorem, který je taktéž oddělen od pracovního pomocí ventilů. S vozidlem je tlumič spojen přes kovopryžová pouzdra. [1] 5.2.2 Základní rozdělení Již od prvotních tlumičů se používá jako pracovní látka olej, který byl později doplněn o plyn. Z čehož plyne, že se tlumiče dělí na dva základní typy. Kapalinové kde je pracovní látka pouze olej a prostor nad kapalinou je vyplněn vzduchem z atmosféry, se kterou je spojen. Druhým typem je plynokapalinový, u nichž je prostor nad kapalinou uzavřený to znamená, není spojen s atmosférou a je vyplněn dusíkem. V dnešní době se vývoj tlumičů upíra směrem k elektronickému řízení. U moderních, drahých luxusních automobilů se používají elektronicky ovládané tlumiče. [1]
30
5.2.2.1 Tlumiče kapalinové Můžou byt provedeny pouze jako dvouplášťové. Tlumič využívá pro pohlcení pohybové energie kapalinového tření, k němuž dochází škrcením kapaliny při průchodu příslušnými ventilky. Při pohybu nápravy ke karoserii je jedním ventilem v pístu protlačován olej z prostoru pod pístem do prostoru nad pístem. Protože se objem pracovního prostoru zmenšuje o objem pístnice, je přebytečný olej vytlačován ventilem ve dnu do vyrovnávacího prostoru mezi vnitřním a vnějším pláštěm. Tím, že není tlumič uzavřen se do oleje dostávají nečistoty a při průtoku kapaliny přes ventilky pění tím se účinnost tlumiče zhoršuje. Z těchto důvodu se od této konstrukce upustilo a výhradně se používají jen plynokapalinové tlumiče. [1]
obr. 22 Dvoupláštový kapalinový tlumič
31
5.2.2.2 Tlumiče plynokapalinové Konstrukce tlumiče je složitější. Vnitřní prostor není vyplněn vzduchem s atmosféry ale dusíkem uzavřeným uvnitř. Pří průchodu kapaliny přes příslušné ventilky nedochází ke zpěnění. U plynokapalinových rozlišujeme dva druhy a to jedno a dvouplášťové. [2]
5.2.2.2.1 Jednoplášťový plynokapalinový tlumič U tohoto druhu není vytvořen samostatný vyrovnávací prostor. Místo toho je zde pružná plynová náplň s tlakem plynu 0,3 až 0,6 MPa. Tlumičová kapalina je od plynu oddělena dělícím pístem volně posuvným ve válci. Při zatlačování pístnice směrem dolu kapalina protéká ventily v pracovním pístu do prostoru nad tímto pístem. V tomto prostoru je však tlak 0,3 až 0,6 MPa a není zde proto nebezpečí tvoření bublin. Při průtoku kapaliny vznikne sice tlakový rozdíl v obou komorách, ale nikdy neklesne pod kritickou hodnotu, proto je tento tlumič citlivý i na velmi malé zdvihy. Jednoplášťové tlumiče mohou být také bez dělicího pístu, tzn. povrch kapaliny je přímo ve styku s plynem. V tomto případě je nutné zabránit možnosti smíšení kapaliny s plynem při práci tlumiče, což by mělo nepříznivý vliv na jeho funkci. Toho lze docílit přidáním odrazné příčky nebo uklidňovacího pístu. Tlumič pracuje s tlakem 2 až 3 MPa. [1,2]
obr. 23 Jednoplášťový plynokapalinový
32
5.2.2.2.2 Dvouplášťový plynokapalinový tlumič V dnešní době nejpoužívanější druh tlumiče u všech automobilek. V pracovním válci vyplněném kapalinou se pohybuje píst s průtokovými ventily, který je upevněn na konci pístnice. Při pohybu pístu se kapalina protlačuje otvory průtokových ventilů z jedné oblasti pracovního prostoru do druhé. Hydraulický odpor vznikající při tomto škrceném průtoku je příčinou vzniku tlumicí síly závisící na rychlosti pohybu pístu. Mezi pracovním a vnějším válcem tlumiče je tzv. vyrovnávací prostor, naplněný přibližně do poloviny kapalinou. Pracovní a vyrovnávací prostor jsou navzájem propojeny vyrovnávacím ventilem ve spodní části tlumiče. Vyrovnávací prostor slouží na vyrovnávání rozdílu skutečného objemu pracovního prostoru, který se při zasouvání pístnice postupně zmenšuje o její objem, a na vyrovnávání rozdílů objemu tlumičové kapaliny, který je závislý na její teplotě. Přebytečná kapalina, která je při stlačování tlumiče vytlačena zasouvající se pístnicí, proudí vyrovnávacím ventilem do vyrovnávacího prostoru. Při roztahování tlumiče proudí nazpět do pracovního prostoru. Horní konec pracovního a vyrovnávacího prostoru je uzavřen víkem, ve kterém je vodící pouzdro pístnice a ucpávka. Tlak dusíku na hladinu oleje se pohybuje mezi 0,2 až 0,8 MPa. [1,2]
obr. 24 Dvouplášťový plynokapalinový
33
5.2.2.3 Elektronicky ovládaný tlumič Tento typ tlumičů má v dnešní době uplatnění pouze u drahých luxusních automobilu. Uvnitř pístu je umístěno šoupátko ovládané elektromotorem. Elektromotor je řízen řídicí jednotkou, která se řídí údaji ze snímačů rychlosti kol, polohy volantu, regulátoru světlé výšky vozidla, atd. Účinnost tlumiče je dána průřezem otvorů, kterými je olej přetlačován z vnitřního prostoru do druhého. V tomto případě nejsou písty opatřeny ventily ale již zmiňovaným šoupátkem. Šoupátko je stavitelné do třech poloh. Z čehož vyplývá, že máme tři stupně “tvrdosti“ tlumiče. [1]
Základní
-
průtok oleje přes šoupátko je částečně škrcen (poloha M)
Komfortní
-
průtok oleje přes šoupátko není škrcen (poloha C)
Sportovní
-
průtok oleje je zastaven přes šoupátko (poloha S)
obr. 25 Elektronicky ovládaný tlumič
34
5.2.2.4 Tlumiče „ SENSA – TRAC“ Firma Monroe zavedla koncepci tlumení závislého na poloze pístu. Ta vychází ze skutečnosti, že během klidné jízdy s malou zátěží je zapotřebí pouze mírná tlumicí síla, která zajišťuje potřebný jízdní komfort. Jakmile dojde k většímu zatížení podvozku, je třeba k tomu, aby kola neztratila přítlačnou sílu k vozovce rozhodující o stabilitě vozidla. Pracovní tlaková trubka, ke které se pohybuje píst, má ve své střední části boční rozšíření, které slouží tlumící kapalině jako obtok a ta nemusí protékat všemi ventilky v pístu. Střední část je označována jako oblast komfortu, protože jízda je mimořádně měkká. [2]
obr. 26 Tlumič SENZA-TRAC
35
5.3 Vinuté pružiny Pružiny se vyrábí již po mnoho let ze silného drátu kruhového průřezu. Pružiny jsou uloženy tak, aby síla, která je stlačuje, působila v její ose. Tvrdost závisí na průměru drátu, počtu pružících závitů, stoupání závitu, průměru pružiny. Progresivitu lze zařídit pomocí nestejného stoupání závitu, proměnným průměrem tj. kuželové nebo soudečkové a doplněním o pryžový blok. Umisťují se mezi nápravu a rám nebo samonosnou karoserii. V dnešní době se výhradně používají pro nápravy pouze vinuté pružiny a to z důvodů:
- konstrukční jednoduchost - nulová údržba - malá hmotnost i rozměry oproti listovým - progresivita je zaručena konstrukčními úpravami
Jako hlavní nevýhodu vidíme, že pružina nemá schopnost vést nápravu, ale tento problém odstraníme konstrukčně pomocí nápravy. [1]
obr. 27 Provedení pružin
36
5.4 Listová pera Listová pera se používali v dávných dobách jak pro osobní tak i nákladní automobily. Dnes se pera považují za zastaralé a nachází uplatnění pouze u hrstky užitkových aut. U nákladních automobilů byly vyměněny za pneumatické odpružení a u osobních za vinuté pružiny. Listová pera jsou většinou umístěny v rovinách rovnoběžných s podélnou rovinou vozidla. Pero je tvořeno hlavním listem s oky a dalšími listy. Pevné spojení jednotlivých listů je provedeno pomocí třmenů se sponami, ale musíme zaručit, aby při propružení mohlo pero změnit svoji délku. Z téhož důvodu musí být jeden konec pera uchycen posuvně s rámem. Tuhost pera záleží na pružící délce hlavního a vedlejších listu a jejich počtu. Progresivitu lze dosáhnout přidáním per čímž nám vzniknou pera dvou a tří stupňová. Na vozidlo se umisťují podélně, příčně a ve zvláštních případech i kolmo. Hlavní podíl na tom že listová pera nejsou oblíbena má:
- konstrukční složitost - náročná na údržbu - vysoká hmotnost
Mezi výhody patří schopnost vést nápravu a samotlumicí účinek zajištěný třením mezi listy. [1]
obr. 28 Provedení listových pružin
37
5.5 Torzní tyče Princip odpružení spočívá na zkrucování tyče, obvykle kruhového průřezu. Tyč je broušená po celé délce na stejný průměr. Konce jsou zesíleny a opatřeny šestihranem nebo jemným drážkováním. Tyč může být uložena v plastovém obalu, který ji chrání před poškozením nebo v ocelovém pouzdře který taktéž chrání a zvyšuje progresivitu. Umisťují se podélně nebo příčně. Konstrukčně jednoduché, bezúdržbově. Tyč nemá schopnost vést nápravu. [1]
5.6 Pryžové a polyuretanové pružiny Pryž se používá prakticky u každého vozidla jako přídavný pružící prvek. Pryžový blok je namáhán zejména smyk, ale také na tlak. Vhodným poměrem obou dílčích namáhání lze docílit velmi progresivní deformační charakteristiku. Použití pryže jako materiálu pro vozidlové pružiny má několik výhod: nízká cena, vysoká životnost, žádná údržba, vysoké vlastní tlumení. Na druhou stranu má hodně nevýhod: citlivost na teplotu, počasí, chemikálie a olej. Časem klesá statická únosnost pryžového elementu, modul pružnosti a modul smyku závisí na tvaru, pryžové směsi, teplotě a mění se zatížením. Rovněž absorpce hluku a mez únavy jsou proměnlivé. Přes tyto nevýhody se pryž široce uplatňuje nejen jako materiál přídavných odpružovacích elementů a dorazových bloků, ale jako pružící prvek silentbloků k uložení motoru, karoserie i jiných dílů hnacích skupin a podvozku motorových vozidel. V současné době se přídavné pružiny vyrábí také z pěnového polyuretanu. Velká pružnost tohoto materiálu dovoluje stlačitelnost až o 80%. Je odolný proti oleji a chemikáliím. Snese teplotní zatíženi v rozmezí -40°C - +80°C. Je snadno obrobitelný a jej možno snadno přilepit na kovové díly. [2]
obr. 29 Odpružení BMC
38
5.7 Hydropneumatické pružiny Hydropneumatická pružina se skládá ze dvou částí a to z válce pružiny, který zajišťuje přenos sil z nápravy na stlačený plyn, a zásobníku stlačeného plynu. Obvyklou plynovou náplň tvoří dusík, který je stlačen na 10 – 20 MPa a zároveň slouží jako vlastní pružící látka. V zásadě jsou dvě možné konstrukce. Válec pružiny a zásobník jsou odděleny a navzájem spojeny tlakovým potrubím nebo válec i zásobník tvoří jeden celek. U tohoto způsobu odpružení, podobně jako u pružin pneumatických, lze samočinně udržovat konstantní vzdálenost podlahy vozidla od náprav. Dosahuje se toho tak, že při zvětšení zatížení se plyn stlačí a do válce se doplní takové množství tlakového oleje, aby byla podlaha v požadované úrovni. Konstrukční složitost tohoto systému je značná. Využití materiálu se dá obecně těžko posoudit. Postrádáme zde schopnost vést nápravu. Progresivita je zajištěna samočinně. [2]
obr. 30 Hydropneumatická pružina
5.8 Systém odpružení AIR-SPRING Základem technologie Air-Spring jsou uzavřené gumové vaky s regulovatelnou vnitřní atmosférou, které se vkládají do vinutých pružin v podvozku automobilu. Při natlakování přídavných vaků vzduchového pérování na předepsanou hodnotu (0.6 až 2.0 bar) dojde ke zvýšení tuhosti podvozku, a vzhledem k zatížení i k zvýšení světlé výšky automobilu. Přídavné vaky vzduchového pérování byly vyvinuty pro prodloužení životnosti a zvýšení stability podvozku osobních automobilů v náročných podmínkách provozu. Jejich úkolem je udržovat původní vlastnosti vinutých pružin a zlepšovat stabilitu vozu při převozu těžkých nákladů uvnitř vozu. Výhodou je prodloužení životnosti tlumičů a pružin. Přídavné vaky se montují přímo do vinutých pružin bez tlumiče uvnitř.
39
6. ŘÍZENÍ Řízení slouží k udržování nebo ke změně směru jízdy vozidla. Podle konstrukce se řízení dělí na řízení jednotlivými koly a řízení celou nápravou. Řízení celou nápravou se používá běžně jen u nákladních přívěsů. Motorová vozidla jsou obvykle řízena natáčením předních kol kolem rejdového čepu. Vedlejší části řízení tvoří: volant, bezpečnostní hřídel volantu, řídící tyč, spojovací tyč, řídicí páky. Hlavní části je převodka řízení s hlavní pakou řízení, která může mít několik provedení. Mezi dnes nepoužívané se řadí: maticová, maticová s kuličkami, šneková se segmentem, šneková s kladkou, šneková s kolíkem. V dnešní době se používá výhradně hřebenových převodek. [2] 6.1.1 Maticová převodka Převodku tvoří šroub s pohybovým závitem a bronzová matice. Matice se otáčením šroubu posunuje, pohyb se přenáší z matice přes kulisu na hřídel a řídicí páku. [1]
obr. 31 Maticová převodka
6.1.2 Maticová převodka s kuličkami Pro snížení třecích ztrát mezi maticí a šroubem se začaly používat ocelové kuličky, které obíhají mezi závity šroubu a matice. Začátek a konec závitu jsou spojeny trubkou naplněnou rovněž kuličkami tak, že je vytvořen jejich uzavřený okruh. [1]
obr. 32 Kuličková převodka
40
6.1.3 Šneková převodka se segmentem Pohybem volantu se natáčí šnek a tím i šnekový segment spojený s hřídelem hlavní řídicí páky. [1]
obr. 33 Převodka se segmentem
6.1.4 Šneková převodka s kladkou Do globoidního šnekového šroubu zabírá kladka uložená ve valivých ložiskách na rameni, které je spojeno s hřídelem. Vůle se vymezuje posunem výstředně uložené kladky do záběru. [1]
obr. 34 Převodka s kladkou
6.1.5 Šneková převodka s kolíkem Kuželový kolík zasahující do lichoběžníkového závitu šnekového šroubu je uložen otočně v oku ramene, které je spojeno s hřídelem hlavní páky. Často jsou používány dva kolíky na jednom rameni. Vůle se vymezuje axiálním posuvem kolíku do lichoběžníkového závitu šroubu. [1]
obr. 35 Převodka s kolíkem
41
6.1.6 Hřebenová převodka V dnešní době je používaná převodka s hřebenem a posilovačem řízení bud elektrickým nebo hydraulickým. Pastorek, který je uložen ve skříni převodky řízení a spojen s hřídelem volantu, zabírá do šikmého ozubení hřebenové tyče. Aby se vymezily vůle v ozubení, je hřebenová tyč přitlačována k pastorku pružinou. Otáčením volantu se posouvá hřebenová tyč, která prostřednictvím řídicích tyčí a pák natáčí kola do rejdu. Tato převodka je výrobně jednoduchá, vyznačuje se přesným řízením, které se lehce vrací do původní polohy. [1]
obr. 36 Převodka hřebenová
6.2 Posilovače řízení U vozidel s velkým zatížením řídicí nápravy je pro natočení rejdových kol nutná velká ovládací síla. Ovládací sílu je sice možno snížit použitím většího mechanického převodu, ale pak je pro natočení kol do krajních poloh potřeba příliš mnoho otáček volantu. Pro snížení ovládací síly při běžném převodu řízení se používá hydraulických nebo elektrických posilovačů. [1] 6.2.1 Hydraulické posilovače Řízení s hydraulickým posilovačem se skládá z obvyklých částí a to čerpadla, zásobníku oleje, pracovního válce a řídícího ventilu. Tlak oleje potřebný pro vytvoření posilovacího účinku je vytvářen vysokotlakým olejovým čerpadlem, které je spojeno se zásobníkem a poháněno motorem kterému odebírá část výkonu. Řídicí ventil v závislosti na natočení volantu přepouští tlakový olej na jednu nebo druhou stranu pracovního pístu, který pak provádí vlastní natočení kol do rejdu. Z důvodu zvýšení komfortnosti byl vyvinut posilovač s progresivní závislostí na krouticím momentu torzního členu na pastorku řízení. Čím je síla potřebná k natočení volantu větší, tím větší je zkroucení torzního členu a tím je větší i posilovací účinek. [1]
42
obr. 37 Hydraulický posilovač
6.2.2 Elektrické posilovače V poslední době dochází k nahrazování dosavadních hydraulických posilovačů řízení jejich elektrickou variantou. Hlavní výhodou je snížení nákladů na palivo a usnadnění progresivity ovládání. Dosavadní posilovače byly neustále poháněny od motoru, aniž by bylo potřeba natáčet kola do rejdu. Elektrické řešení spočívá v nahrazení spalovacího motoru elektromotorem, který je spínán pomocí opticko-elektronického snímače umístěného na tyčce řízení. Progresivitu leze, dosáhnou pomocí tlačítka“ city“, který zvýší otáčky elektromotoru tím i otáčky čerpadla, což má za následek zvýšení tlaku oleje v soustavě a snížení ovládací síly potřebné k natočení kol do rejdu. [1]
7. BRZDOVÁ SOUSTAVA Máme několik druhů brzdových soustav. Jako hlavní bereme brzdy provozní, které snižují rychlost vozidla, případně až do jeho úplného zastavení, přičemž se vozidlo nesmí odchýlit od přímého směru. Jako další jsou nouzové, které plní úkoly provozních při jejich poruše. Brzdy parkovací zajišťují stojící vozidlo proti pohybu a v neposlední řadě brzdy zpomalovací, které snižují rychlost vozidla, ale ne až do úplného zastavení. U osobních automobilů se používá zcela výhradně kapalinových brzd s posilovačem. Na předních nápravách se všude používá brzdových větraných kotoučů u zadních záleží na celkové hmotnosti nebo výkonu automobilu. U méně výkonných se na zadní nápravu umisťují bubny. U vykonějších a těžších se používá kotoučových brzd. Pro ovládání se požívá
43
dvouokruhový brzdový válec. Jako kapalina se používá tzv. „brzdová kapalina“, která musí splňovat určité předpisy. Kapalina je značně hydroskopická, musí mít vysokou teplotu varu. U profesionálních se teplota varu pohybuje kolem 260°C. [1,2]
7.1 Bubnové brzdy Podle ovládání a uložení brzdných čelistí rozlišujeme brzdy jednonáběžné (Simplex), dvounáběžné (Duplex), dvounáběžné obousměrné (Duo-duplex), brzdy se spřaženými čelistmi (Servo) a obousměrné dvounáběžné se spřaženými čelistmi (Duo-servo). Přítlačnou sílu u všech druhů vytváří brzdový váleček. [1] 7.1.1 Simplex Nejjednodušší typ bubnové brzdy, která je tvořena náběžnou a úběžnou brzdovou čelistí. Přítlačná síla obou čelistí je vytvářena společným rozpěrným zařízením. Každá čelist má svůj otočný čep nebo opěrnou plochu. Brzda má stejnoměrný, ale malý samoposilující účinek. Opotřebení obložení je nerovnoměrné a brzdný účinek je při jízdě vpřed i vzad stejný. [1] 7.1.2 Duplex Při jízdě vpřed má brzda obě čelisti náběžné, což vyžaduje rozpěrné zařízení pro každou čelist zvlášť. Nejčastěji se používají dva jednopístkové brzdové válečky. Brzdný účinek je při jízdě vpřed větší než při jízdě vzad. [1] 7.1.3 Duo-Duplex Brzda má dva dvoupístkové brzdové válečky. Brzdný účinek je v obou směrech stejný. [1] 7.1.4 Servo Čelisti jsou sklopeny tak, že na sebe působí navzájem. Při jízdě vpřed působí obě čelisti jako náběžné, při jízdě vzad jako úběžné. [1] 7.1.5 Duo-Servo Vzhledem ke směru působení třecí síly a vytvořenému momentu se projeví samoposilovací účinek u obou čelistí. Čelisti jsou spojeny pohyblivou opěrkou a pracují v obou směrech otáčení bubnu jako náběžné. Brzda má při obou směrech jízdy stejný brzdný účinek a vyžaduje pouze malou ovládací silu. V dnešní době se výrobci ubírají směrem k používaní tohoto systému z důvodu nízké ceny a vysoké účinnosti.[1]
44
obr. 38 Druhy provedení bubnových brzd
7.2 Kotoučové brzdy Z důvodů zvýšení bezpečnosti se vyvinuli kotoučové brzdy, které vykazují nižší hmotnost a větší brzdící účinek. Při dlouhodobém brzdění se součinitel mění jen velmi nepatrně. Na přední nápravy se používají dvojité vzduchem chlazené kotouče a na zadní jednoduché. Známe dva druhy a to s pevným třmenem a s plovoucím třmenem. [1] 7.2.1 Kotoučová brzda s pevným třmenem Třmen může být dvoupístkový nebo čtyrpístkový u moderních, vysokovýkonných sportovních vozů šestí až osmipístkový. Třmen obepíná brzdový kotouč. Třmen je složen ze dvou částí a to víka a přírubové skříně, které jsou navzájem spojeny šrouby. Každá z těchto části obsahuje dutiny pro pístky, které jsou zajištěny těsnícími manžetovými kroužky. Dutiny na každé straně jsou navzájem spojeny kanály nebo brzdovým potrubím. Při brzdění tlačí brzdová kapalina pístky proti obložení a obložení je přitlačováno s obou stran na brzdový kotouč. Seřizování je prováděno automaticky pomocí těsnících kroužků. [1]
45
7.2.2 Kotoučová brzda s plovoucím třmenem Oproti kotoučovým brzdám s pevným třmenem mají menší rozměry a hmotnost. Vzhledem k tomu že pístek je umístěn pouze na jedné straně, snižuje se možnost vzniku parních bublin v brzdové kapalině při intenzivním brzdění. Držák brzdy je pevně spojen s některou částí zavěšení kola. V držáku jsou vytvořeny dvě válcové dutiny, ve kterých jsou umístěna teflonová vodící pouzdra. Třmen je vodícími pouzdry posuvně uložen na vodících čepech držáku brzdy. Hrozí zde zadření posuvné části třmene v držáku. [1]
obr. 39 Druhy kotoučových brzd
7.3 Posilovač brzd Jediné známé posilovače řízení využívají principu podtlaku. U zážehového motoru je podtlak vytvářen od sacího potrubí. U vznětových motorů je podtlak vytvářen vývěvou poháněnou vačkovým hřídelem. Hlavní brzdový válec je připevněn k posilovači pomocí příruby. Pracovní píst s membránou rozděluje skříň posilovače na podtlakovou komoru, ke které je připojen přívod podtlaku se zpětným ventilem a na pracovní komoru. Pracovní komora je střídavě propojena s atmosférou nebo podtlakovou komorou prostřednictvím dvojitého ventilu. Dvojitý ventil je ovládán posuvem tlačné tyčinky pedálu brzdy. Můžou nastat tři situace a to klidová poloha, částečné brzdění a plné brzdění. 46
Při klidové poloze je atmosférický ventil uzavřen a pracovní komora je přes otevřený podtlakový ventil spojená s podtlakovou komorou. Na obou stranách pracovního pístu je stejný tlak. U částečného brzdění se podtlak v pracovní komoře snižuje, pokud tlak kapaliny v hlavním brzdovém válci nezastaví posun tlačné tyčinky a tím i posuv pryžového kotouče a ventilového pístku. Potom ventilový pístek dosedne na dvojitý ventil a uzavře ventil atmosféricky. Tlakový rozdíl mezi pracovní komorou a komorou podtlakovou poskytuje posilovací účinek. Působí-li na brzdový pedál maximální ovládací síla, je pryžový kotouč deformován tlačnou tyčinkou brzdového pedálu a reakční silou tlačné tyčinky hlavního brzdového válce. Tato deformace umožní plné otevření atmosférického ventilu a dosažení největšího možného tlakového rozdílu mezi oběma komorami a tím i největšího posilovacího účinku.[1]
obr. 40 Posilovač brzd
47
8. ZÁVĚR Vývoj náprav a jejich součástí neprošel zase až tak velkým vývojem jako by se dalo očekávat. Automobilové firmy pracují pořád se stejnými druhy náprav jen s různými obměnami jednotlivých prvků. Nynější systémy plně dostačují požadavkům ostatních částí automobilu. Nároky kladené na komfortnost jízdy zcela zajišťuje automobilka Citroen se svým systémem Hydractive. U sportovních vozů značky Porsche a Ferrari se dodnes používá lichoběžníkových náprav z důvodu nízké výšky nápravy a dobrým vlastnostem. Obecně by se dalo říct, že většina automobilek používá koncepci motoru vepředu a pohaněné přední kola za použití náprav McPherson. Na zadní nápravy se od střední třídy používá víceprvkového zavěšení. U nižších tříd je použita jednoduchá kliková náprava, která plně vyhovuje městskému provozu. Tuhé nápravy jsou již nepoužívaným přežitkem. O odpružení se starají moderní dvouplášťové plynokapalinové tlumiče společně s progresivními vinutými pružinami. U vozů SVU či terénních je použit systém nastavitelného podvozku, kde je možnost nastavování světlé výšky za pomocí speciálních tlumičů. Nynějším i budoucím požadavkům zcela vystačuje pětibodové zavěšení kol použitelné jak na zadní tak i přední nápravu. Automobilky jsou s tímto systémem spokojeny a neinvestují peníze do tohoto odvětví výzkumu a raději se zabývají designem a pohonnými jednotkami automobilu. Horkou novinkou v nápravách je upravená přední náprava McPherson automobilkou Ford, která dostala označení "revo-knuckle". Toto novátorské řešení přenáší na vozovku 300 koní výkonu automobilu Ford Focus RS. Původně otočná pružící a tlumící jednotka je ve Focusu umístěná pevně a spojená se spodním příčným ramenem. Zatáčení kol má na starosti rozvětvená těhlice. Tímto řešením bylo dosaženo přiblížení skutečné osy kola a osy řízení, které zajišťuje minimální změny odklonu kol v celém rozsahu propružení, a tím i lepší trakci v různých jízdních situacích.
48
9. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1) JAN, Zdeněk, BRONISLAV, Ždánský. Automobili 1 : Podvozky. 2. vyd. Brno : Avid s.r.o. Brno, 2001. 211 s. 2) VLK, František. Podvozky motorových vozidel. 1. vyd. Brno : VLK, 2000. 389 s. 3) Internetový odkaz http://www.autovaky.cz 4) Internetový odkaz http://cs.wikipedia.org
49
10. SEZNAM OBRÁZKÚ OBR. 1 ČÁSTI PODVOZKU ............................................................................................................................................... 9 OBR. 2 ROZVIDLENÁ NÁPRAVNICE .................................................................................................................................. 11 OBR. 3 NEROZVIDLENÁ NÁPRAVNICE .............................................................................................................................. 12 OBR. 4 MOSTOVÁ NÁPRAVA ......................................................................................................................................... 12 OBR. 5 NÁPRAVA DE-DION .......................................................................................................................................... 13 OBR. 6 KYVADLOVÁ S JEDNÍM KLOUBEM ......................................................................................................................... 13 OBR. 7 KYVADLOVÁ S DVĚMA KLOUBY ............................................................................................................................ 14 OBR. 8 ÚHLOVÁ NÁPRAVA ........................................................................................................................................... 15 OBR. 9 LICHOBĚŽNÍKOVÁ NÁPRAVA OPEL ........................................................................................................................ 17 OBR. 10 LICHOBĚŽNÍKOVÁ NÁPRAVA JAGUAR .................................................................................................................. 17 OBR. 11 LICHOBĚŽNÍKOVÁ NÁPRAVA PORSCHE ................................................................................................................ 18 OBR. 12 ROVNOBĚŽNÍKOVÁ NÁPRAVA ............................................................................................................................ 19 OBR. 13 KLIKOVÁ NÁPRAVA ......................................................................................................................................... 20 OBR. 14 KLIKOVÁ NÁPRAVA CITROEN XANTIA .................................................................................................................. 20 OBR. 15 KLIKOVÁ NÁPRAVA ZX AURA ............................................................................................................................ 21 OBR. 16 KLIKOVÁ NÁPRAVA COLT.................................................................................................................................. 21 OBR. 17 MC PHERSON ................................................................................................................................................ 23 OBR. 18 MCPHERSON LANCIA ...................................................................................................................................... 24 OBR. 19 MULTILINK GALANT ....................................................................................................................................... 26 OBR. 20 MULTILINK HONDA ........................................................................................................................................ 27 OBR. 21 DRUHY PROVEDENÍ STABILIZÁTORŮ .................................................................................................................... 28 OBR. 22 DVOUPLÁŠTOVÝ KAPALINOVÝ TLUMIČ................................................................................................................. 31 OBR. 23 JEDNOPLÁŠŤOVÝ PLYNOKAPALINOVÝ .................................................................................................................. 32 OBR. 24 DVOUPLÁŠŤOVÝ PLYNOKAPALINOVÝ ................................................................................................................... 33 OBR. 25 ELEKTRONICKY OVLÁDANÝ TLUMIČ ..................................................................................................................... 34 OBR. 26 TLUMIČ SENZA-TRAC ................................................................................................................................... 35 OBR. 27 PROVEDENÍ PRUŽIN ........................................................................................................................................ 36 OBR. 28 PROVEDENÍ LISTOVÝCH PRUŽIN ......................................................................................................................... 37 OBR. 29 ODPRUŽENÍ BMC .......................................................................................................................................... 38 OBR. 30 HYDROPNEUMATICKÁ PRUŽINA ......................................................................................................................... 39 OBR. 31 MATICOVÁ PŘEVODKA .................................................................................................................................... 40 OBR. 32 KULIČKOVÁ PŘEVODKA .................................................................................................................................... 40 OBR. 33 PŘEVODKA SE SEGMENTEM .............................................................................................................................. 41 OBR. 34 PŘEVODKA S KLADKOU .................................................................................................................................... 41 OBR. 35 PŘEVODKA S KOLÍKEM ..................................................................................................................................... 41 OBR. 36 PŘEVODKA HŘEBENOVÁ ................................................................................................................................... 42 OBR. 37 HYDRAULICKÝ POSILOVAČ ................................................................................................................................ 43 OBR. 38 DRUHY PROVEDENÍ BUBNOVÝCH BRZD ................................................................................................................ 45 OBR. 39 DRUHY KOTOUČOVÝCH BRZD ............................................................................................................................ 46 OBR. 40 POSILOVAČ BRZD ............................................................................................................................................ 47
50
