X-Tracker, az aszimmetrikus kerékagy

 A fék munkahenger visszahúzódása megnöveli a fékpedál útját erős kanyarodás után, így hatással van a fékezés reakcióidejére és a menetstabilizáló (Electronic Stability Control - ESC) rendszerre. Ez akkor fordul elő, ha deformálódik a csonkállvány, a kerékagy és a féknyereg egység (1. ábra).

X-Tracker csapágy, golyós-csapágyas kivitel

Az úttest és az abroncs között kialakuló keréktalpponti nagy oldalirányú erő okoz ilyen alakváltozást. Amikor a kerékagy deformálódik, a féktárcsa és a fékdugattyú közötti elmozdulás megnöveli a fékdugattyú mozgását. Amikor a relatív elmozdulás nagyobb, mint a fékdugattyú tömítés „sajáterős” visszahúzási határa, a dugattyú a tömítés felületén megcsúszik, hátrább jár, és a tömítés a dugattyút ezután a mélyebb visszahúzási pozícióban tartja. Ez túlságosan megnöveli a rést a féktárcsa és a fékbetét között. A fékdugattyú ebben az állapotában marad a következő fékezési művelet elvégzéséig. Ez azt jelenti, hogy az egymás után következő fékezések során hosszabb lesz a fékpedál útja, mielőtt a fékbetét eléri a féktárcsát (2. ábra).

1. ábra: a féknyereg és féktárcsa metszete az agy alakváltozásának bemutatásához
1 – féktárcsa, 2 – nyomóerő,
3 – fékbetét, 4 - fékmunkahenger
 

Nagy teljesítményű fékezés

A nagyteljesítményű járművekkel szemben természetes elvárás a különlegesen jó kezelhetőség és fékhatás, ami biztosítja a kiszámítható válaszreakciót minden vezetési körülmény között. Miután a nagyteljesítményű járműveket gyakran a dinamikus teherbírási határuk közelében használják, ezért alkalmasnak kell lenniük arra, hogy a kanyart gyorsan tudják bevenni, abszolút megbízhatóan fékezzenek, hiszen ezek kritikusak a jármű képességeinek kihasználása szempontjából.

2. ábra: fékpedál út az agy deformációja nélküli és az agy deformációja mellett

A helyzet iróniája, hogy azok a stratégiák, amelyekkel javítani kívánták a jármű teljesítőképességét - a különleges fékek és gumiabroncsok - fordított hatást értek el: növelték a fokozott munkahenger visszajárás kialakulásának esélyét. Főképp azért, mert a kerékagy nagyobb terhelésnek lett kitéve, ami még inkább megnövelte a kerékagy deformációját, ráadásul a nagyobb átmérőjű féktárcsa felnagyítja a geometriai hibákat, így az agynál kialakuló deformációt is.
A túl nagy fékdugattyú visszahúzódás kedvezőtlen hatást gyakorol az ESC rendszer hatékonyságára, miután megnöveli a rést a féktárcsa és a fékbetétek között. A megnőtt rés fokozza a rendszer holtjátékát, amit az ESC-nek kell megszüntetnie, mielőtt a fékerő kialakul. Ez az ESC működését késlelteti és hatékonyságát csökkenti.

3. ábra: Az eredeti és az új kerékagy kialakítás összehasonlítása
A – a váll rész vastagságát növelték, B - peremezett csapágygyűrű megfogás a rugalmas rögzítőgyűrű helyett, C – a csapágy nyomáspontok távolsága növekedett, D - növelték a golyósorok távolságát és a külső sor osztókör átmérőjét

A probléma azonosítása

Mielőtt az SKF mérnök csapata, a General Motors mérnökeivel, kifejlesztette a megoldást, rendszertechnikai elemzést végzett. Járművizsgálatokkal pontosan feltárták a problémákat, és laboratóriumi körülmények között reprodukálták azokat. Megállapították azokat a lehetséges szempontokat, amelyeket a kerékagy továbbfejlesztésénél figyelembe kell venni. Ezek a következők voltak:
·A gépjármű alapfelépítése rendkívül korlátozza azokat a lehetőségeket, amelyekkel az agy nyomatékmerevsége növelhető.
·A szélesebb gumiabroncs gyakran előnytelen nyomtávnövekedéssel jár, ami kedvezőtlenül befolyásolja a csapágyak terhelését.
·A szélesebb gumiabroncs jobban tapad az úttesthez, ami nagyobb nyomatékterhelést jelent.
·A nagyobb kerék gyakran nagyobb statikus terhelt keréksugarat is jelent, ami adott érintkezési felületi erő esetén nagyobb nyomatékterhelést okoz.
·A nagyobb átmérőjű féktárcsa felnagyítja az agy deformációjából eredő alakváltozásokat a fékdugattyúnál.
·A fix dugattyús féknyergek kevésbé képesek felvenni a deformációkat, így érzékenyebbek az agy szögdeformációjából eredő elmozdulásokra.

4. ábra: a váll deformáció és a feszültségek végeselemes (FEM) számításának eredményei
(balra az eredeti kivitel, jobbra az új szerkezeti megoldás)

A kerékcsapágy-egység fejlesztése

Hagyományosan a kerékcsapágy egységeket a radiális és axiális terhelések alapján tervezik úgy, hogy kis gördülési ellenállású relatív szögelhajlás jöjjön létre a kerék és a csonkállvány között, valamint megfelelő felfogatást biztosítson a kerék és a féktárcsa számára. Ami a csapágyegységet illeti, tervezéskor a következő paramétereket kell figyelembe venni:
·a csapágy teherbírása,
·a tömítés,
·a támasztó vállak szilárdsága és
·a csapágy megfogás mechanizmusa.

Előnyös továbbá, ha a csapágyegységen kívüli környezetet is figyelembe veszik: a csapágyegység hatását a környező karosszéria és a fékelemekre.
Miután a jármű felépítése és felépítménye korlátokat jelent, fontos, hogy a mérnökök kreatívak legyenek, és úgy növeljék maximumra a nyomatékmerevséget, hogy közben megtartsák az összeépíthetőséget a már meglévő járműalkatrészekkel.
Négy fő sajátosság gyakorol hatást az agy merevségére:
·az agy geometriai kialakítása,
·a csapágy előfeszítése,
·a csapágyak nyomtávolsága.
Ez utóbbi a csapágyak nyomáspontjai közötti távolság, melyet a két gördülőelem-sor közötti távolság, azok osztókör átmérője és hatásszöge határoz meg. Az utolsó paraméter az a pont, amely körül az agy válla a deformáció hatására elhajlik.

A mérnökcsapat felismerte, hogy képesek olyan változtatásokat végrehajtani, ami javítja a merevséget. Növelték a váll rész vastagságát, a rugalmas rögzítőgyűrűs előfeszített megfogást peremezettre cserélték, növelték a gördülőelem sorok távolságát és a külső sor osztókör átmérőjét az agy deformációjának csökkentésére, illetve a csapágy nyomtávolság további növelésére (3. és 4. ábra).
Ez határozta meg az aszimmetrikus kerékcsapágy elképzelést. A belső golyósor osztókör átmérője viszonylag kicsi, hogy illeszkedhessen a meglévő befoglaló méretekbe, míg a külső golyósor osztókör átmérője nagyobb, hogy a merevség növelés érdekében több golyót tartalmazzon. Ezen kívül a váll rész vastagságát 3 mm-el megnövelték. Ezek hatására előre láthatólag a teljes merevség növekedés a régi kerékcsapágy egységhez viszonyítva nagyobb, mint 40%. Ez csökkenti a fékdugattyú visszahúzódását, ezáltal javítja a fék válaszidejét, a jármű stabilitását, melynek következményeként nagyobb biztonságot ad. Az X-Tracker-t először 2006-ban használták a GM nagyteljesítésű Cadillac STS-V járművén.

5. ábra: fékpedál út, ami kapcsolatban van a munkahenger visszahúzódással
(kék - eredeti csapágyazás; piros - új szerkezeti megoldás)

A szerkezet jelentősen megnövelte a nyomatékmerevséget, és jól illeszkedik a meglévő járműalkatrészek méreteihez. Vizsgálatok azt mutatták, hogy az eredeti szerkezethez képest 56%-al csökkent a dugattyú visszahúzódás, ami a járműnél következetes, kiszámítható fékezést és pontos ESC működést ad, még forszírozott vezetés esetén is. Eddig az SKF az X-Tracker három változatát fejlesztette ki: tisztán golyós csapágyas (lásd a címképet), a golyós és kúpgörgős csapágyas (6. ábra), valamint a tisztán kúpgörgős csapágyas változatot (7. ábra).

6. ábra: X-Tracker, golyós és kúpgörgős csapágyas változat

7. ábra: X-Tracker, kúpgörgős csapágyas változat

A cikk eredetileg az SKF Evolution 2008/1. számában jelent meg. A közlési engedélyért köszönetet mondunk az SKF Zrt.-nek.