Jak funguje mechanismus hřebenového řízení automobilu?

V tomto článku se podíváme na vlastnosti dvou nejběžnějších typů převodky řízení: hřebenové řízení a převodka řízení s kulovou maticí.

Povíme si také o posilovači řízení a dozvíme se o zajímavých technologiích pro vývoj systémů řízení, které dokážou zvýšit účinnost.

Možná vás překvapí, že při zatáčení vytvářejí kola na přední nápravě jinou trajektorii (umožňující snadné zatáčení). Proto musí být vnitřní kolo (nejblíže zatáčce) natočeno více než vnější. Jak již bylo uvedeno výše, je zde hřebenové řízení a převodka řízení s kulovou maticí.

Hřebenové řízení je široce používáno u osobních automobilů, malých nákladních automobilů a SUV. Tento typ mechanismu řízení je nejjednodušší a nejlehčí. Převodovka na hřídeli řízení je v záběru s hřebenem. Když otočíte volantem, ozubené kolo se začne otáčet a uvede hřeben do pohybu.

Špička řízení na konci hřebenu je spojena s dvojnožkou řízení na vřetenu (viz obrázek výše). Funkcí hřebenu a pastorku je poskytnout převodový poměr, který usnadňuje otáčení kola. Většina aut je konstruována tak, že k otočení kol o 180 stupňů stačí tři až čtyři plné otáčky volantu. Převodový poměr řízení je poměr stupně řízení ke stupni natočení kol. Například: řekněme jedno celé otočení volantem (360 stupňů) otočí volantem o 20 stupňů, potom je převodový poměr řízení 18:1 (360 děleno 20).

Čím vyšší je převod, tím větší je úhel natočení volantu a tím menší úsilí musíte vynaložit. Lehká sportovní auta mají obvykle nižší převod řízení než větší auta a nákladní auta. S nízkým převodovým poměrem řízení nemusíte při zatáčení silou otáčet volantem. Existují také vozy s proměnným převodem řízení. V tomto případě mají hřeben a pastorek různé rozteče zubů (počet zubů na palec) uprostřed a po stranách, v důsledku toho vůz rychleji reaguje na zatáčky.

Když je hřeben v systému řízení, objeví se následující obrázek. V hřebenu je umístěn válec s pístem s otvory na koncích. Zesilovač pohybuje vysokotlakou kapalinou z jednoho konce pístu na druhý, čímž způsobí jeho (píst) pohyb, což zase způsobí pohyb hřebenu.

Převodka řízení s kulovou maticí

Kuličkové matice řízení lze nalézt na mnoha nákladních a SUV. Tento systém se poněkud liší od systému hřebenového řízení. V mechanismu řízení s kulovou maticí je tzv. šnek.

Můžete mentálně rozdělit červa na dvě části. První částí je kovový blok se závity (zuby), který otáčí dvojnožkou řízení (viz obrázek výše). Volant je spojen se závitovou tyčí, jako je šroub, připevněný k bloku. Když se volant otáčí, šroub se otáčí s ním. Namísto šroubování do bloku jako běžné šrouby je tento šroub zajištěn tak, že když se otáčí, pohybuje blokem, který zase pohybuje šnekem.

Šroub nemá závity v kontaktu s blokem, protože jsou vyplněny kuličkovými ložisky, která obíhají mechanismem a snižují tření, opotřebení a nečistoty. Pokud v mechanismu řízení nejsou kuličky, nějakou dobu se zuby vzájemně nedotýkají a vy budete mít pocit, že volant ztratil tuhost. Hydraulický posilovač v mechanismu řízení s kulovou maticí funguje přesně stejným způsobem jako v mechanismu řízení s hřebenem a pastorkem. Nyní se podíváme na další komponenty řízení.

Posilovač řízení

Hydraulický posilovač se skládá z čerpadla a otočného ventilu. Lopatkové čerpadlo zásobuje mechanismus řízení hydraulickou energií (viz schéma níže).

Pomocí řemene a řemenice motor pohání čerpadlo. Čerpadlo je vybaveno sadou lopatek otáčejících se uvnitř oválné komory. Při otáčení lopatek přesouvají nízkotlakou hydraulickou kapalinu z vratné trubky k výstupu (zvyšuje se tlak). Síla proudění závisí na počtu otáček motoru automobilu. Čerpadlo musí poskytovat požadovaný tlak i při volnoběhu motoru.

Výsledkem je, že čerpadlo pohybuje více kapaliny, když motor běží ve vyšších otáčkách. Čerpadlo má pojistný ventil, který pomáhá regulovat tlak, zejména při vysokých otáčkách motoru, kdy je čerpáno velké množství kapaliny.

Posilovač řízení by měl fungovat pouze tehdy, když řidič vyvine sílu k otočení volantu. Pokud řidič nevyvíjí žádné úsilí (například při jízdě v přímém směru), systém by neměl fungovat. Zařízení, které reaguje na zvýšení působící síly při otáčení volantem, se nazývá rotační ventil. Nedílnou součástí rotačního ventilu je torzní tyč.

Torzní tyč je tenká kovová tyč, která se kroutí pod vlivem točivého momentu. Jeden konec torzní tyče je spojen s volantem a druhý s ozubeným kolem nebo šnekem (který se používá k otáčení kol) a počet otáček torzního momentu v torzní tyči se rovná počtu otáček točivý moment potřebný k otáčení kola. Čím větší je točivý moment potřebný k otáčení kola, tím více se torzní tyč kroutí.

Vstupní hřídel tvoří vnitřek šoupátka, který se také připojuje k horní části torzní tyče. Spodní část torzní tyče je spojena s vnější stranou ventilu. S torzní tyčí souvisí i mechanismus řízení, spojený buď s ozubeným kolem nebo šnekem (podle typu volantu). Při kroucení torzní tyč otáčí vnitřní částí šoupátka, zatímco vnější část zůstává nehybná. Protože vnitřek ventilku je spojen i s hřídelí řízení (a tedy volantem), závisí počet otáček vnitřku ventilku na počtu otáček volantu.

Když volant stojí, obě hydraulické trubky dodávají do převodky řízení stejný tlak. Ale pokud je šoupátko otočeno, kanály jsou otevřené a kapalina jimi proudí do hydraulických trubek pod vysokým tlakem. Jak ukazuje praxe, tento typ systému řízení je docela iracionální.

Co dál s posilovačem řízení?

Protože čerpadlo posilovače řízení u většiny vozidel nepřetržitě čerpá kapalinu, využívá výkon a přenáší palivo. Díky tomu se můžete těšit na řadu inovací, které zlepší spotřebu paliva. Jedním z nejúspěšnějších nápadů je počítačově řízený systém. Tento systém zcela eliminuje mechanické spojení mezi volantem a mechanismem řízení a nahrazuje jej elektronickým řídicím systémem.

Volant vlastně funguje stejně jako ten určený pro počítačové hry. Volant bude vybaven senzory, které budou vozu signalizovat směr pohybu kol, a motory, které poskytují zpětnou vazbu na činnost vozu. Síla z těchto senzorů bude využita pro ovládání elektrického mechanismu řízení, v takovém případě není potřeba hřídel řízení a v motorovém prostoru je více místa.

General Motors představil koncepční vůz Hy-wire, který již má takový systém nainstalovaný. Skvělá věc na systému ride-by-wire od GM je, že si můžete přizpůsobit ovládání vozu pomocí nového počítačového softwaru. V elektronicky řízených vozech budoucnosti si budete moci upravit řídicí systém tak, aby vám vyhovoval, pouhým stisknutím několika tlačítek. Je to velmi jednoduché! Systémy řízení se za posledních padesát let příliš nezměnily. Příští desetiletí však zahájí éru vozů s nižší spotřebou paliva a pohodlnější jízdy.