Přední náprava osobního automobilu

Tags: Automotive | CAD | náprava

Přední náprava osobních automobilů prošla asi největšími vývojovými fázemi ze všech mechanických částí podvozku. Pokud si vzpomeneme na přední nápravy prvních automobilů, kterými byly v mnoha případech motorizované kočáry, a porovnáme je s předními nápravami současných moderních automobilů, musíme tomu dát za pravdu. Tato fakta nás iniciovala k napsání samostatného článku s popisem jednotlivých řešení tohoto komplikovaného mechanického celku.

Trocha historie řešení pohonu vozidel

Prvotním úkolem přední nápravy byla možnost změny směru jízdy vozidla. Vzhledem k tomu, že v počátcích automobilismu byl jedinou možností pohon zadní nápravy, přední náprava byla co nejjednodušší (obr. 1). Starší dobře znají nápravy automobilů Škoda 1000/1100–105/120/125/136. Byly to nápravy lichoběžníkové s dvojicí ramen nad sebou – spodní a horní ramena (obr. 2). Lichoběžníková přední náprava se využívala hlavně jako nepoháněná náprava u automobilů s řešením motoru vzadu a zadním náhonem (zmiňovaná Škoda 1000/1100–105/120/125/136), ale i u automobilů s motorem vpředu a pohonem zadní nápravy pomocí kardanového hřídele. Toto řešení bylo u nás známé z automobilů LADA 2101–2107, které se přestaly vyrábět až počátkem letošního roku.

Nevýhodou vozidel s motorem vzadu byl problém odvození verzí kombi, respektive jiných užitkových variant jako pick-up a podobně. Automobilka VW tento problém řešila uložením motoru typu Boxer vzadu pod podlahou, ale následně vznikl problém zvýšeného zatížení zadní nápravy a lehké přední části vozidla. Automobily s motorem vpředu a pohonem zadní nápravy zase potřebovaly v podlaze místo pro tunel kardanového hřídele a částečnou nevýhodou byl problém s trakcí zadních kol, hlavně v zimním období. Přestože u automobilů Škoda se koncepce vše vzadu udržela až do 90. let minulého století, Citroën Traction Avant nabídl poháněnou přední nápravu už kolem roku 1934. Ale problémem stále zůstávala spolehlivost kloubových hřídelí, které by dokázaly přenášet hnací sílu i při zalomení do velkých úhlů při maximálním vytočení kol.

Přelomem 60. a 70. let se datuje jak konstrukční, tak i technologické a materiálové zdolání problému výroby kvalitních kloubových hřídelí, a tak začala nastupovat silná generace vozidel s motorem vpředu a pohonem přední nápravy. Jedny z nejznámějších byly Renault 16, Fiat 128, Renault 4, Citroën 2 CV, Citroën 19 DS, Mini Morris, VW Golf, FIAT 127, Simca 1307/1308 (jednalo se většinou o zavěšení typu McPherson, obr. 3) a s tím spojené převážně 5dveřové karosérie s variabilním užitným prostorem.

Přechod na přední náhon měl své výhody i nevýhody. Mezi výhody patřilo hlavně již zmíněné využití úložného prostoru, možnost variability interiéru i jednoduché možnosti odvození karosářských variant (hlavně kombi, pick-up, sanitní verze, užitkové verze, atd.), dobré trakční vlastnosti při normálních podmínkách, příznivé rozložení hmotnosti vozidla, jednoduchost konstrukce zadní nápravy, náporové chlazení motoru a jednoduchost topení interiéru.
Mezi nevýhody patřila komplikovanější konstrukce přední nápravy, horší trakční vlastnosti hlavně při stoupání a kluzkém povrchu, větší zatížení přední nápravy a nedotáčivost vozu. Mnoho z těchto neduhů vyřešila moderní technika v podobě posilovače přední nápravy, stabilizační systém ESP automobilu, protiprokluzové elektronické systémy při rozjezdu do kopce, ale i řešení 4x4 pohonu všech kol.

Funkce zavěšení kol a základní charakteristiky geometrie

Pod pojmem zavěšení kol rozumíme způsob připojení kol k rámu nebo karosérii vozidla. Zavěšení přenáší svislé síly (zatížení vozidla), podélné síly (hnací a brzdné síly), příčné síly (odstředivé síly) a momenty podélných sil (hnací a brzdný moment) [1].

Zavěšení kol

• Umožňuje svislý relativní pohyb kola vzhledem ke karosérii, resp. rámu, potřebný z hlediska pružení
• Na přijatelnou hodnotu eliminuje nežádoucí pohyby kola, tlumí vertikální, horizontální, ale i boční síly působící na kolo
• Udržuje co nejlepší kontakt kola s vozovkou
• Zabezpečuje dobré jízdní vlastnosti a stabilitu automobilu

Úhel odklonu kol

Úhel mezi osou kola a vertikální osou při pohledu zepředu nebo zezadu vozidla (obr. 4).

• Odklon je negativní, pokud je horní část kola nakloněná do vnitřku vozidla
• Odklon je pozitivní, jestliže je horní část kola nakloněná ven z karosérie
• Odklon se při pohybech zavěšení mění
• Větší rychlosti průjezdu zatáček se dosahují s negativním odklonem [1]

Úhel sbíhavosti

Kolo je sbíhavé, pokud je přední část kola přikloněna k podélné ose vozidla. Správná sbíhavost přispívá ke stabilitě vozidla v přímém směru a eliminuje kmitání kol způsobené vůlemi v řízení (obr. 5) [1].

Úhel záklonu čepu řízení

Záklon čepu řízení je úhel (obr. 6), který svírá osa otáčení s příčnou rovinou kolmou na podložku. U vozidel s předním pohonem je záklon blízký nule. Vzdálenost průsečíku osy řízení s vozovkou se středem styku pneumatiky promítnutá do roviny rovnoběžné s podélnou rovinou vozidla je závlek, kolo je vlečené a má tendenci se po průjezdu zatáčkou vracet se do přímého směru jízdy. Pokud je průsečík před středem styku pneumatiky, hovoříme o kladném závleku (obr. 6), pokud je za ním, jde o záporný závlek, tzv. předvlek [3].

Možnosti zavěšení kol přední nápravy

Přední náprava sestává většinou z příčných ramen, nosného třmenu uchycení kola, nábojů ložisek kol, stabilizátoru, brzdového ústrojí, řízení, odpružení, tlumičů, stabilizátoru, u sportovních verzí to může být ještě rám, resp. nápravnice, případně pomocný výztužný rám (obr. 11).

Z výše vyjmenovaných prvků je nám funkce většiny z nich dobře známá. Pozornost si zaslouží možná popis funkce stabilizátoru. Ten slouží k redukci naklánění vozu při zatáčení. Mechanismus fungování: při zatáčení dochází k přenosu hmotnosti na vnější stranu a tím ke kompresi zavěšení na dané straně vozidla, stabilizátor se snaží tento pohyb přenést i na opačnou stranu nápravy, dochází k torznímu odporu stabilizátoru a následné redukci naklánění vozidla (obr. 7).

Zavěšení kol McPherson

Dnes nejvíce používané zavěšení kol typu McPherson navrhl Američan Earle Steele MacPherson ve čtyřicátých letech minulého století. Náprava McPherson (paradoxně se dnes používá pojmenování, kde vypadlo písmeno „a" ze jména tvůrce tohoto řešení) je odvozena z lichoběžníkové nápravy, u které je horní rameno nahrazeno posuvným vedením, zahrnujícím otočný tlumič a pružinu (vzpěra McPherson). Tím se získává vnitřní prostor pro motor nebo zavazadlový prostor.

V současnosti je to nejčastěji používané zavěšení předních kol u osobních automobilů evropského původu. Tato náprava je velmi jednoduchá. Sestává ze 3 základních částí – spodního příčného ramene, nosného třmenu kola a vzpěry McPherson (obr. 8, 9).

Kolo se pomocí nosného třmenu připojuje ke spodnímu příčnému ramenu kulovým kloubem. Horní závěs tvoří axiální valivé ložisko (případně dvě ložiska), které přenáší hmotnost příslušné části automobilu na vinutou pružinu a zároveň umožňuje natáčení kola. Pružina se opírá spodním koncem o misku pevně spojenou s vnějškem tlumiče. Při řízení dochází k natáčení kol kolem středu ložiska teleskopické vzpěry a kulového kloubu na spodním rameni.

Jelikož vzpěra přenáší boční síly, pístnice je mnohem silnější než u normálního tlumiče (při přenosu příčné síly dochází k ohybovému namáhání). Ve většině automobilů se používá šikmé uložení pružiny z důvodu redukce ohybového namáhání pístnice (obr. 9) [1].

Lichoběžníkové zavěšení

Zavěšení je realizováno pomocí dvou nestejně dlouhých příčných ramen, přičemž horní rameno je kratší. Prostřednictvím těchto ramen jsou kola zavěšena na nápravnici nebo rámu. V průmětu do půdorysné roviny tato ramena tvoří lichoběžník, odtud vznikl název nápravy. Konce obou ramen jsou spojeny svislým čepem, resp. třmenem, na kterém je uloženo kolo (obr. 10).

Ve většině případů je tlumič s pružinou upevněn na spodní příčné rameno, protože vykonává vzhledem ke své větší délce při pružení menší úhlové výchylky. V tomto případě je více zatíženo spodní rameno, které je blíže působišti sil, proto je robustnější konstrukce [1].

U vozidel s motorem vpředu agregát vyžaduje více místa v oblasti horního ramene, proto je horní rameno podstatně kratší než spodní.

Výhodou lichoběžníkové nápravy oproti McPherson jsou lepší jízdní vlastnosti, proto se používá převážně u sportovních, ale i u luxusních automobilů. Zabírá však více místa a její konstrukce je nákladnější [1].

Počítačový model přední nápravy

Proces návrhu a výroby automobilových komponentů je silně podporován výpočetní technikou a implementací CAD/CAM systémů. V této části poukážeme na důležitost tvorby třídimenzionálních virtuálních modelů při návrhu přední nápravy automobilu. Virtuální model umožňuje provést mnoho analýz, které nám nápravu otestují už ve stadiu návrhu. V našem případě si ukážeme vytvoření modelu přední nápravy sportovního automobilu Subaru Impreza WRX, jejíž 3D model byl vytvořen v rámci řešení diplomové práce.

Všechny části byly vytvořeny postupně v programu SolidWorks a následně z nich byla vytvořena sestava.

Tvarově i konstrukčně nejkomplikovanějšími částmi bylo spodní rameno (obr. 12, 13) a třmen kola (obr. 14, 16). Postupně byly tyto komponenty skládány do podsestav.

Následně bylo vytvořeno uchycení vzpěry McPherson k třmenu kola (obr. 17) a samotná vzpěra (obr. 18). Jako další část byla vytvořena nápravnice (obr. 19).

Na závěr byly vytvořeny komponenty řízení (obr. 20 vpravo), kulové čepy (obr. 20 vlevo), stabilizátor (obr. 20 vpravo), spodní pomocný rám a horní rozpěrná výztuha uchycení vzpěr McPherson (obr. 21).

Závěr

Těžko předpovídat další vývoj konstrukce předních náprav. Hybridní a elektrické pohony si nárokují uložení elektromotoru v nábojích kol. Brzdy budou časem zřejmě elektronické, ovládané po drátě. Tradiční hydraulika už nebude zapotřebí ani u posilovačů řízení. Vize firmy Siemens zavěšení kol budoucnosti je na obr. 22. Posuďte sami. Ale motorističtí nadšenci věří, že to ještě nějaký čas potrvá, než se tato „instantní" řešení stanou realitou. Mnohé studie potvrzují, že elektromobily nejsou až tak ekologické, jak se prezentují. Vždyť i výroba elektřiny zatěžuje životní prostředí emisemi. Ale dokážeme „ekologicky" vyrobit tolik elektřiny?

Článek byl vypracovaný v rámci řešení grantového úkolu VEGA 1/0085/12.

Literatura

[1] Vlk F.: Podvozky motorových vozidel, 2. vydání, Vlk, Brno, 2003, ISBN 80-239-0026-9
[2] Gallo, M.: Tvorba virtuálneho 3D modelu prednej nápravy osobného automobilu strednej triedy, DP, SjF TU v Košiciach, Košice 2010
[3] Autorubik, Geometria kolies, [cit. 10. 7. 2012], dostupné na:
[4] Svetlík, J., Daneshjo, N.: Prehľadová štúdia CAx technológií. In: TRANSFER 2008, Trenčín: Digital Graphic 2008, ISBN 9788080753573
[5] The Suspension Bible, [cit. 6. 1. 2010], dostupné na: http://www.carbibles.com/suspension_bible.html/
[6] Autolexicon.net, Náprava MacPherson (McPherson), [cit. 25. 11. 2009], dostupné na: http://sk.autolexicon.net/articles/naprava-macpherson-mcpherson/
[7] SIEMENS, Siemens VDO štartuje vývoj projektu eCorner, [cit. 1. 12. 2009], dostupné na:
https://www.cee.siemens.com
[8] Stanová, E., Olejníková, T.: Zobrazovacie metódy v deskriptívnej geometrii, Košice: TU, SvF, 2009. ISBN 978-80-553-0186-0
[9] Molnár, V., Fedorko, G.: Catia – základy projektovania 2 , Košice: FBERG TU, 2007. ISBN 978-80-8073-804-4