Geometria kół pojazdów użytkowych (cz. 2)

Herkules Truck, Bogusław Raatz

Problemy z geometrią kół pojazdów użytkowych

O konieczności kontroli i regulacji parametrów geometrii układu jezdnego pojazdu wiedzą wszyscy użytkownicy samochodów. Jednym z powodów dbałości o właściwe ustawienie kół i osi jest chęć wydłużenia żywotności opon. Bardziej wtajemniczeni próbują również zapobiec nadmiernemu zużyciu paliwa. Ten drugi aspekt dotyczy głównie pojazdów użytkowych, a w szczególności tych zarabiających na długodystansowych trasach i maksymalnie eksploatowanych.

Geometria kół pojazdów użytkowych (cz. 1)

Niedoceniane parametry
Większość kierowców, myśląc o geometrii układu jezdnego, ma na uwadze zbieżność kół, i to wyłącznie przednich. Od diagnostów i mechaników należy jednak wymagać szerszej wiedzy na ten temat i stosowanie jej w codziennej praktyce warsztatowej. Oto kilka parametrów, których omówienie może pomóc w zrozumieniu, jak ważne jest diagnozowanie wszystkich zależności układu jezdnego. Jedynym ograniczeniem dla wykonującego pomiary powinny być możliwości urządzenia diagnostycznego.

Pochylenie osi sworznia zwrotnicy (KPI)
We współczesnych konstrukcjach układów zawieszenia coraz rzadziej występuje sworzeń zwrotnicy jako fizyczny element. Dlatego w definiowaniu zależności związanych z tą częścią układu kierowniczego stosuje się określenie „oś sworznia zwrotnicy”. Jest to oś teoretyczna, znajdująca się w miejscu „wirtualnego” sworznia zwrotnicy.

Dodatnie pochylenie osi sworznia występuje wtedy, gdy patrząc od przodu pojazdu, jego dolna część jest bardziej oddalona od środka pojazdu niż górna.

Warto w tym miejscu wspomnieć o pewnej, prawie zupełnie nieznanej, a istotnej zależności wynikającej z ustawienia osi sworznia zwrotnicy. Jest to tak zwany kąt sumaryczny, czyli scrub radius (SR).

Scrub radius, co można potocznie przetłumaczy jako „kąt szorowania”, ma bardzo duży wpływ na toczenie się kół podczas skrętu układu kierowniczego i stabilność pojazdu toczącego się po nierównościach. Z doświadczenia wiadomo, że im wyższa wartość SR, tym układ jezdny charakteryzuje większa tendencja do odchylania toru jazdy (jest to odczuwalne zwłaszcza na nierównym podłożu). Parametr ten nie podlega bezpośredniej regulacji, a wynika z zależności pomiędzy innymi parametrami. Służy on do dodatkowej oceny właściwego ustawienia geometrii układu jezdnego.

Wyprzedzenie osi sworznia zwrotnicy (Caster)
Starsze pojazdy ciężarowe miały dość duże wartości wyprzedzenia sworznia zwrotnicy, co ułatwiało prowadzenie pojazdów na nierównościach. Dodatkowo pojazd dobrze utrzymywał kierunek jazdy na wprost bez konieczności ciągłej ingerencji kierowcy. Było to również spowodowane brakiem układu wspomagania w dawnych ciężarówkach lub nie był on tak skuteczny, jak we współczesnych.

Zmniejszony kąt wyprzedzenia sworznia zwrotnicy powoduje, że pojazd staje się bardziej czuły na nierówności oraz pochylenie jezdni. Zwiększa się również reagowanie na wszelkie nieprawidłowości układu kierowniczego, czego efektem może być tzw. ściąganie. Kąt wyprzedzenia jest bardzo ważny i powinien podlegać sprawdzeniu przy każdej kontroli układu jazdy. Parametr ten musi mieścić się w zakresie tolerancji podawanej przez producenta pojazdu, ale warto dołożyć starań, aby po obu stronach układu kierowniczego był jak najbardziej zbliżony. Nawet wtedy, gdy mieści się w zakresie tolerancji, trzeba tak ustawić wyprzedzenie, aby jego wartość po obu stronach była możliwie taka sama. Im bardziej różni sie ona pomiędzy lewą a prawą stroną, tym występuje większa tendencja do ściągania.

Wspólny punkt skrętu kół (Pivot point)
Dla płynnej zmiany kierunku jazdy oba koła muszą obracać się względem tego samego punktu, który nazywany jest Pivot point (PP). Samochody są tak konstruowane, aby punkt obrotu był wspólny dla lewego i prawego koła (rys. 4).

Ewentualne odstępstwa od właściwego ustawienia mogą być wynikiem intensywnej eksploatacji pojazdu, a często również są efektem powypadkowych uszkodzeń elementów zawieszenia. Dodatkowym parametrem mającym wpływ na właściwy skręt, który (w odróżnieniu od PP) podlega diagnostyce warsztatowej, jest różnica skrętu kół przy skręcie 20°.

Kąt Ackermana (TOOT)
Zasadę wspólnego punktu skrętu kół najlepiej opisuje TOOT, czyli kąt Ackermana (Toe Out On Turn). Można ją również nazwać zbieżnością kół kierowanych przy skręconych kołach. Zbieżność kół kierowanych zmienia się zależnie od stopnia skrętu. Dlatego tak ważne jest precyzyjne ustawianie ich do jazdy na wprost podczas pomiaru i regulacji zbieżności (rys. 5).

Matematyczny opis zależności kątów ustawienia kół podczas skrętu względem punktu ich obrotu (Pivot point) znajdującego się na przedłużeniu osi tylnej (stałej) wygląda następująco:
X/Y = ctg RL + ctg RP

Zasada Ackermana interpretowana w sposób opisany powyżej ma zastosowanie jedynie do pojazdów z jedną osią skrętną i jedną stałą (2x2). Samochody z kilkoma osiami skrętnymi i stałymi (6x2, 6x4 lub 8x4) wymagają nieco innego ustawienia.

Najkorzystniejsze dla układu jezdnego jest usytuowanie punktu Ackermana pomiędzy osiami stałymi. W przypadku modyfikacji długości ram pojazdów użytkowych, gdy zmienia się odległość pomiędzy osiami kół, występuje zjawisko niezgodności punktu Ackermana i punktu Pivota.

Geometria pojazdów z dwoma osiami skrętnymi
Nie ma specjalnych różnic w ustawieniu i diagnozowaniu pojazdów z dwoma osiami kierowanymi. Należy jednak zwrócić uwagę na następujące zasady:

diagnostyka i regulacja każdej osi kierowanej musi się odbywać przy ustawieniu do jazdy na wprost względem jednej bazy, czyli tej samej osi stałej;
każda oś kierowana ma inny punkt Ackermana; zmienia się odległość Y, co jest naturalnym efektem konstrukcji pojazdu;
skręty podczas pomiarów należy wykonywać przy włączonym silniku, czyli z wykorzystaniem układu wspomagania.

Jak wspomniano na wstępie, geometria układu jezdnego pojazdu często rozpatrywana jest jako geometria osi kierowanej. Wieloletnie doświadczenia producentów urządzeń diagnostycznych wskazują jednak, że zaledwie 20% nadmiernego zużycia opon i elementów zawieszenia kół jest wynikiem niewłaściwego ustawienia kół skrętnych. Pozostałe 80% to efekt błędów w regulacji osi tylnej.