Emner:
- Frihetsgrader i hjulføringen
- Hengsler i hjulføringen
- Guider i hjulføringen
- Beregn frihetsgrader
Frihetsgrader i hjulføringen:
Fjæringen til en bil inneholder en rekke hengsler (blant annet på bærearm og støtdemper) som gir frihetsgradene i hele fjæringen. Hjulføringen sikrer at de mulige frihetsgradene for de mulige hjulbevegelsene begrenses til kun én eller to. Hvis et hjul ikke holdes "fast", vil det kunne rotere fritt, vippe (i x- og y-retninger), snu, bevege seg opp og ned. Hjulet er da i prinsippet "løst" fra fjæringen. Den kan bevege seg i alle retninger uten "veiledning". Hver bevegelse som nettopp er nevnt er én grad av frihet.
Hjulopphenget, det vil si hjulføringen, sørger for at bevegelsesfriheten begrenses til 1 frihetsgrad. Dette betyr at hjulet kan bevege seg "fritt" i kun 1 retning, uten påvirkning fra føreren. Den frie bevegelsen er opp-og-ned-bevegelsen av kompresjonen og returen. Hjulet kan sprette uhindret inn og ut over ujevn veibane.
Hjulopphenget til en bil er konstruert med en rekke linehengsler, kuleledd og roterende glidende hengsler. Disse hengslene påvirker alle hverandre. Ett for mange hengsler skaper for mange frihetsgrader (så hjulet kan utilsiktet bevege seg i forskjellige retninger) eller 0 frihetsgrader (hjulet kan ikke bevege seg og kan derfor ikke komprimeres og komprimeres).
Hengsler i hjulføringen:
Linjehengsel:
Dette linjehengslet kan bevege seg i én retning; opp og ned. Dette gir 1 grad av frihet.
Kuleledd:
Med dette hengslet kan de aktuelle delene gjøre 3 bevegelser i forhold til hverandre; en nikkende, rullende og dreiende bevegelse. Dette hengslet har 3 frihetsgrader, fordi når hengslet er "løst", kan det gjøre 3 frie bevegelser (se piler).
Svingbart glidende hengsel:
Dette hengslet kan gjøre 2 bevegelser; en roterende og en inn og ut glidende bevegelse. I prinsippet er dette et eksempel på en støtdemper (fra en McPherson-fjærben). Disse 2 bevegelsene sørger for at det roterende glidende hengslet har 2 frihetsgrader.
Guider i hjulguiden:
For å lage et hjuloppheng fra ulike typer hengsler, må hengsler noen ganger kombineres på 1 objekt, for eksempel et bærearm. Vi kaller da denne støttearmen en guide. Nedenfor er noen eksempler på disse lederne:
Linjehengsel med kuleledd:
Dette er et typisk eksempel på et bærearm, som er koblet til karosseriet (eller underrammen) på linehengselsiden og koblet til styreknoken på kuleleddsiden. Når hele dette hengslet er løst, kan det bevege seg både i linjehengslets bevegelsesretning (1 retning) og kuleleddets 3 retninger. Linjehengslet har tross alt 1 frihetsgrad og kuleleddet har 3. Fordi denne delen ses på som 1 leder kan frihetsgradene legges sammen. 1-en og 3-en gjør det da til 4 frihetsgrader.
Dobbelt kuleledd:
Et eksempel på en føring med dobbelt kuleledd er strekkstangen med de indre og ytre trekkstagkulene. Hvert kuleledd har 3 frihetsgrader, så siden det er 1 leder bør disse legges sammen. Imidlertid har de samme selvrotasjon, for hvis 1 kuleledd gjør en roterende bevegelse, så gjør den andre det også. Så 1 frihetsgrad for selvrotasjonen teller ikke (se de røde pilene). Frihetsgradene for denne lederen er totalt 6, men i beregningen som følger, skriv inn tallet 1 under "selvrotasjoner r". Denne 1 trekkes så fra i regnestykket.
Svingbart glidende hengsel med kuleledd:
Som nevnt tidligere er en støtdemper et roterende glidende hengsel. Hvert McPherson-stag har imidlertid også et kuleledd over seg, selv om du ikke ville tro det med det første. Det er en annen gummi på toppen av støtdemperen. Denne gummien gir en viss bevegelsesfrihet for støtdemperen og har derfor også egenskapene til et kuleledd. En støtdemper har derfor både de 2 frihetsgradene til det roterende glidende hengselet og de 3 frihetsgradene til kuleleddet, som til sammen utgjør 5. Også her er det en naturlig rotasjon, fordi rotasjonsbevegelsen til det roterende glidende hengselet er den samme bevegelsen som kuleleddets rotasjonsbevegelse. Så 1 må legges til "r" til selvrotasjon.
Beregn frihetsgrader:
Antall frihetsgrader kan beregnes basert på suspensjonsdataene. For å fullføre formelen riktig, må hengslene og guidene deles inn i kategorier:
- L for antall ledere
- g for antall ledd og hengsler
- r for antall naturlige rotasjoner (som med det doble kuleleddet i 1 guide)
I tillegg kommer bokstavene:
- k for antall hjulholdere (i de fleste tilfeller 1, fordi dette er styreknoken)
- εfi for antall frihetsgrader for det totale antallet ledd og hengsler lagt sammen.
F = 6 (k + L – g) -r + εfi
Eksempel:
Et hjuloppheng inneholder: k 1 hjulholder (knoke), L 2 føringer, g 5 ledd, r 2 selvrotasjoner, εfi 15 totale frihetsgrader
I formelform er dette:
F = 6 (1 + 2 – 5) – 2 + 15
F = 6 x (-2) – 2 + 15
F=1
Så nå er det 1 frihetsgrad, så dette er bra. Hjulet kan gjøre en ren opp og ned bevegelse.
For å avklare dette, her er et eksempel med et bilde av et hjuloppheng:
Bildet nedenfor er av et McPherson-stag med tilhørende legende. Bokstavene A, B og C representerer føringene og tallene 1 til 6 representerer hengslene/skjøtene.
εfi er frihetsgradene til hengslene lagt sammen; altså 3 frihetsgrader per kuleledd (altså 4 x 3), 1 frihetsgrad for linehengslet og 2 frihetsgrader for det roterende glidende hengslet.
Formelen kan fullføres med dette:
F = 6 (k + L – g) -r + εfi
F = 6 (1 + 3 – 6) – 2 + 15
F = 6 x (-2) – 2 + 15
F = -12 – 2 + 15
F = -14 + 15
F= 1 grad av frihet
