Parametry diagnostyczne i kryteria oceny stanu układów kierowniczych

Struktura układu kierowniczego
Układem kierowniczym pojazdu samochodowego nazywamy zespół mechanizmów umożliwiających kierowanie pojazdem, tj. utrzymanie kierunku jazdy wybranego przez kierowcę. Układy kierownicze współczesnych samochodów na ogół składają się z:
- mechanizmu kierowniczego,
- mechanizmu zwrotniczego,
- mechanizmu wspomagającego.
Mechanizm kierowniczy jest zespołem, na który bezpośrednio działa kierowca i za jego pomocą utrzymuje koła kierowane w położeniu środkowym lub dokonuje ich skrętu. Mechanizm zwrotniczy umożliwia jednoczesne skręcanie kół kierowanych, zapewniając wymaganą współzależność chwilowych kątów ich skrętu. Mechanizm wspomagający jest urządzeniem, które wykonuje część pracy kierowania kosztem energii pobieranej z zewnętrznego źródła. Urządzenia wspomagające ułatwiają pracę kierowcy i zmniejszają jego wysiłek, a tym samym zwiększają bezpieczeństwo jazdy. W ostatnich latach w układach kierowniczych pojazdów powszechnie stosuje się hydrauliczne mechanizmy wspomagające.

Podstawowe pojęcia dotyczące procesu kierowania
W procesie kierowania pojazdem samochodowym istotne są zagadnienia dotyczące zwrotności, kierowalności i stateczności ruchu pojazdu. Pod tymi pojęciami rozumiemy zespół cech konstrukcyjnych i eksploatacyjnych prowadzących do polepszenia procesu kierowania samochodem. Dotyczy to w równym stopniu wymiarów i ciężaru pojazdu, rozmieszczenia jego układów i mechanizmów, konstrukcji układu kierowniczego oraz opon i ich odkształcalności. Zwrotność samochodu dotyczy możliwości manewrowania nim na ograniczonej przestrzeni, tj. łatwości wykonywania skrętów o małym promieniu. Pod pojęciem kierowalności samochodu rozumiemy jego zdolność do utrzymania żądanego kierunku ruchu i zmian tego kierunku zgodnie z życzeniem kierowcy. Samochód o dobrej stateczności poddany krótkotrwałemu impulsowi zewnętrznemu spychającemu go z zamierzonego toru, samoczynnie dąży do poprzedniego stanu ruchu. Pojazd odznaczający się złą statecznością jest trudny do prowadzenia i wymaga dużego napięcia uwagi kierowcy. Stabilizacją kół kierowanych samochodu nazywamy zdolność skręconych kół kierowanych do samoczynnego powrotu w czasie jazdy do położenia na wprost oraz zdolność utrzymania prostoliniowego kierunku ruchu samochodu na drodze poziomej. Własności stabilizacyjne kół kierowanych uzyskuje się przez oddziaływanie na nie momentu stabilizacyjnego, powstającego pod działaniem sił reakcji podłoża. Moment stabilizacyjny kół kierowanych uzyskiwany jest głównie przez odpowiednie ustawienie osi obrotu zwrotnic oraz przez sprężystość opon pojazdu. Stateczność i kierowalność pojazdu oraz stabilizacja kół kierowanych są ze sobą powiązane i niektóre warunkujące je czynniki są wspólne (np. kąty ustawienia kół kierowanych).

Metodyka diagnozowania układu kierowniczego
Stan techniczny układu kierowniczego ma bardzo istotny wpływ na bezpieczeństwo ruchu i stopień zmęczenia kierowcy. Podczas eksploatacji pojazdu, na skutek zużywania i osłabienia mocowania elementów, następuje pogorszenie stanu technicznego układu kierowniczego. Utrzymanie podczas eksploatacji zalecanych przez producenta pojazdu parametrów ustawienia kół kierowanych zapewnia ich stabilizację, stateczność i kierowalność samochodu, zmniejszenie zużycia opon i elementów osi przedniej oraz zużycia paliwa. Znajomość wartości kątów skrętu kół przednich pozwala ocenić, czy mechanizm zwrotniczy działa właściwie. Przyczyną zmiany określonych przez wytwórcę kątów skrętu kół może być niewłaściwa regulacja długości oraz odkształcenia drążków mechanizmu zwrotniczego.
Badania diagnostyczne układu kierowniczego mają na celu uzyskanie odpowiedzi na pytania:
- Czy aktualne wielkości zużycia elementów badanego układu nie przekraczają dopuszczalnych wartości?
- Czy parametry ustawienia kół i osi jezdnych mieszczą się w dopuszczalnych granicach (założonych przez producenta)?
- Czy badany układ działa prawidłowo?
W przypadku wykrycia nieprawidłowości w działaniu układu kierowniczego, należy określić przyczyny tych nieprawidłowości oraz ustalić zakres czynności regulacyjnych lub naprawczych celem ich usunięcia.
Po zrealizowaniu procesu diagnozowania układu kierowniczego należy opracować diagnozę, która powinna zawierać odpowiedzi na pytania:
- Jaki jest aktualny stan techniczny układu kierowniczego?
- Jakie wykonać czynności obsługowe lub naprawcze w przypadku wystąpienia usterek w badanym układzie?
Aby rozwiązać ten podstawowy z diagnostycznego punktu widzenia problem, należy uprzednio znać:
- przeznaczenie układu (zespołu, mechanizmu),
- charakterystykę techniczno-eksploatacyjną badanego układu,
- wymagania eksploatacyjne stawiane układowi,
- warunki zdatności technicznej określające stan techniczny układu,
- możliwą do realizacji metodykę badań,
- zasady interpretacji wyników wykonanego badania układu.
Warunkiem wyjściowym prawidłowego diagnozowania i prawidłowej obsługi układu kierowniczego jest zawsze znajomość charakterystyki technicznej (cech konstrukcyjnych układu, jego budowy i zasady działania) oraz charakterystyki eksploatacyjnej (węzłów regulacyjnych i obsługowych, materiałów eksploatacyjnych, wartości parametrów diagnostycznych) układu kierowniczego danego typu pojazdu.

Wymagania eksploatacyjne
Zmienną podczas eksploatacji pojazdu część zbioru wymagań konstrukcyjnych, które powinien spełniać dany układ nazywa się wymaganiami eksploatacyjnymi. Dla użytkownika wymagania eksploatacyjne stanowią bezpośrednie kryteria prawidłowości działania układu. Niespełnieniu określonego wymagania towarzyszą określone objawy oraz skutki niezdatności. Z diagnostycznego punktu widzenia wymagania eksploatacyjne stawiane danemu układowi pojazdu stanowią symptomy stanu technicznego.
Układom kierowniczym pojazdów samochodowych stawiane są następujące wymagania eksploatacyjne:
1) stateczność kierunkowa pojazdu (dążność do samoczynnego utrzymywania prostoliniowego toru ruchu),
2) dążność do samoczynnego powrotu skręconych kół kierowanych do położenia środkowego (jazdy na wprost),
3) prawidłowa kinematyka skrętu kół kierowanych,
4) optymalne opóźnienie zadziałania układu kierowniczego,
5) nieprzenoszenie drgań kół kierowanych na koło kierownicy,
6) płynne działanie układu kierowniczego,
7) symetria działania układu kierowniczego,
8) brak istotnego wpływu na zużycie bieżników opon.
Warunki zdatności technicznej
Warunki zdatności technicznej układu kierowniczego określają jego stan techniczny. Część warunków zdatności technicznej układu wyrażana jest w sposób opisowy (np. kompletność, prawidłowość zamocowania, brak uszkodzeń mechanicznych), a pozostała część za pomocą parametrów diagnostycznych. Zakres spełnienia opisowych warunków sprawności technicznej oceniany jest głównie w sposób organoleptyczny, natomiast do pomiaru wartości parametrów diagnostycznych są stosowane metody przyrządowe.
Warunki zdatności technicznej układu kierowniczego można podzielić na dwie grupy:
- określające stopień zużycia układu kierowniczego,
- określające geometrię układu kierowniczego (jezdnego).

Warunki zdatności technicznej określające stopień zużycia układu kierowniczego
Warunki należące do tej grupy można zestawić następująco:
a) Kompletność układu - układ kierowniczy powinien być skompletowany zgodnie z dokumentacją techniczną pojazdu.
b) Prawidłowość zamocowania elementów - praktycznie dotyczy pewności zamocowania przekładni i kolumny kierowniczej, wsporników, zespołów mechanizmu wspomagającego itp.
c) Właściwy stan zewnętrzny elementów układu - brak uszkodzeń mechanicznych (pęknięcia, zgięcia drążków, wycieki z przekładni itp.).
d) Prawidłowy luz sumaryczny w układzie kierowniczym.
O wartości luzu sumarycznego w układzie kierowniczym decydują:
n luzy na sworzniach zwrotnic i w ułożyskowaniu piast kół,
n luzy w połączeniach przegubowych mechanizmu zwrotniczego i kierowniczego,
n luzy w przekładni kierowniczej.
e) Prawidłowa wartość oporów skrętu kół kierowanych (siły na kole kierownicy).

Pomiaru siły na kole kierownicy dokonuje się w celu określenia:
- oporów tarcia w układzie kierowniczym (układ kompletny),
- wartości luzów zazębienia przekładni kierowniczej i w łożyskach wału kierownicy (po odłączeniu mechanizmu zwrotniczego od mechanizmu kierowniczego).
f) Odpowiednia wartość parametrów określających stan mechanizmu wspomagającego (np. szczelność instalacji, wydatek pompy hydraulicznej itd.).

Warunki zdatności technicznej określające geometrię układu kierowniczego
Do tej grupy warunków zdatności technicznej należą:
a) Odpowiednia wartość parametrów ustawienia kół.
Ustawienie kół przednich samochodu jest określone przez: zbieżność kół (z), kąt pochylenia koła (a), kąt pochylenia sworznia zwrotnicy (b), kąt wyprzedzenia sworznia zwrotnicy (g).
Istotna jest zarówno wartość poszczególnych parametrów ustawienia kół, jak i współzależność pomiędzy nimi. Dlatego należy uwzględnić:
- a1, a2, Da
- b1, b2, Db
- (a+b)1, (a+b)2, D(a+b)
- g1, g2, Dg
- z1, z2, Dz
gdzie:
- indeksy 1 i 2 dotyczą wartości parametrów ustawienia kół odpowiednio po lewej i po prawej stronie pojazdu,
- D oznacza różnicę wartości parametrów ustawienia kół tej samej osi między lewą i prawą stroną pojazdu.
b) Prawidłowa wartość parametrów określających kinematykę skrętu kół kierowanych.
O poprawności kinematyki skrętu kół kierowanych (działania trapezu kierowniczego) decydują:
- kontrolne kąty skrętu kół kierowanych (współzależność kątów skrętu kół),
- maksymalne kąty skrętu kół kierowanych.
Współzależność kątów skrętu kół określa się przez kontrolę ustawienia kątowego kół po uprzednim ich skręceniu o określoną wartość w stosunku do położenia wyjściowego.
Istotnym parametrem jest również kątowa wielkość pełnego skrętu kół kierowanych samochodu.
c) Odpowiednia wartość parametrów ustawienia osi:
- odchylenie geometrycznej osi jazdy od osi symetrii pojazdu,
- nierównoległość osi kół,
- przesunięcie boczne kół (nieśladowość kół).
Odchylenie geometrycznej osi jazdy od osi symetrii samochodu ocenia się mierząc kąt zawarty pomiędzy osiami: geometryczną i symetrii.
Kontrolę nierównoległości osi samochodu dokonuje się na ogół przez równoczesny pomiar rozstawu osi kół z lewej i prawej strony samochodu (różnica rozstawu jest miarą nierównoległości osi).
Nieśladowość kół ocenia się sprawdzając wartość poprzecznego przesunięcia kół tylnych w stosunku do kół przednich lub boczne przestawienie kół względem osi symetrii samochodu.

dr inż. Kazimierz Sitek