Przedmioty:
- Stopnie swobody w prowadzeniu koła
- Zawiasy w prowadnicy koła
- Prowadnice w prowadnicy koła
- Oblicz stopnie swobody
Stopnie swobody w prowadzeniu koła:
Zawieszenie samochodu zawiera szereg zawiasów (m.in. na wahaczach i amortyzatorze), które zapewniają stopnie swobody w całym zawieszeniu. Prowadzenie kół zapewnia, że możliwe stopnie swobody możliwych ruchów kół są ograniczone tylko do jednego lub dwóch. Jeśli koło nie będzie trzymane w pozycji „nieruchomej”, będzie mogło się swobodnie obracać, przechylać (w kierunkach x i y), skręcać, poruszać się w górę i w dół. Koło jest wtedy w zasadzie „luźne” od zawieszenia. Może poruszać się w dowolnym kierunku bez „kierowania”. Każdy wspomniany ruch to jeden stopień swobody.
Zawieszenie koła, czyli prowadzenie koła, zapewnia swobodę ruchu ograniczoną do 1 stopnia swobody. Oznacza to, że koło może poruszać się „swobodnie” tylko w 1 kierunku, bez wpływu kierowcy. Ten swobodny ruch to ruch kompresji i odbicia w górę i w dół. Koło może bez przeszkód wsuwać się i wysuwać na nierównej nawierzchni.
Zawieszenie kół samochodu składa się z szeregu zawiasów liniowych, przegubów kulowych i zawiasów obrotowo-przesuwnych. Wszystkie te zawiasy wpływają na siebie. O jeden za dużo zawiasów tworzy zbyt wiele stopni swobody (więc koło może niezamierzenie poruszać się w różnych kierunkach) lub 0 stopni swobody (koło nie może się poruszać, a zatem nie może się ściskać i ściskać).
Zawiasy w prowadnicy koła:
Zawias liniowy:
Ten zawias liniowy może poruszać się w 1 kierunku; w górę i w dół. Zapewnia to 1 stopień swobody.
Przegub kulowy:
Za pomocą tego zawiasu odpowiednie części mogą wykonać 3 ruchy względem siebie; ruchem kiwającym, toczącym się i obracającym. Zawias ten posiada 3 stopnie swobody, gdyż gdy zawias jest „luźny” to może wykonać 3 swobodne ruchy (patrz strzałki).
Zawias obrotowo-przesuwny:
Zawias ten może wykonać 2 ruchy; ruch obrotowy oraz ruch przesuwny do wewnątrz i na zewnątrz. W zasadzie jest to przykład amortyzatora (z kolumny McPhersona). Te 2 ruchy zapewniają, że zawias obrotowo-przesuwny ma 2 stopnie swobody.
Prowadnice w prowadnicy koła:
Aby stworzyć zawieszenie koła z różnych rodzajów zawiasów, czasami trzeba połączyć zawiasy na 1 obiekcie, np. wahaczu. Następnie nazywamy to ramię nośne prowadnicą. Poniżej kilka przykładów takich przewodników:
Zawias liniowy z przegubem kulowym:
Jest to typowy przykład wahacza, który jest połączony z nadwoziem (lub ramą pomocniczą) po stronie zawiasów liniowych i połączony ze zwrotnicą po stronie przegubu kulowego. Gdy cały zawias jest luźny, może poruszać się zarówno w kierunku ruchu zawiasu liniowego (1 kierunek), jak i w 3 kierunkach przegubu kulowego. W końcu zawias liniowy ma 1 stopień swobody, a przegub kulowy ma 3. Ponieważ ta część jest postrzegana jako 1 przewodnik, stopnie swobody można dodać do siebie. Zatem 1 i 3 dają 4 stopnie swobody.
Podwójny przegub kulowy:
Przykładem prowadnicy z podwójnym przegubem kulowym jest drążek kierowniczy z kulkami drążka kierowniczego wewnętrznego i zewnętrznego. Każdy przegub kulowy ma 3 stopnie swobody, więc ponieważ jest to 1 przewodnik, należy je dodać. Mają jednak taki sam samoobrót, ponieważ jeśli 1 przegub kulowy wykonuje ruch obrotowy, to drugi również. Zatem 1 stopień swobody samoobrotu nie liczy się (patrz czerwone strzałki). Stopni swobody tego przewodnika wynosi w sumie 6, ale w poniższych obliczeniach wpisz liczbę 1 w polu „samoobroty r”. Następnie w obliczeniach odejmowana jest ta wartość 1.
Zawias obrotowo-przesuwny z przegubem kulowym:
Jak wspomniano wcześniej, amortyzator jest zawiasem obrotowo-przesuwnym. Jednakże nad każdą kolumną McPhersona znajduje się również przegub kulowy, chociaż na początku by tak nie było. Na górze amortyzatora znajduje się kolejna guma. Guma ta zapewnia pewną swobodę ruchu amortyzatora i dlatego ma również właściwości przegubu kulowego. Amortyzator ma zatem zarówno 2 stopnie swobody zawiasu obrotowo-przesuwnego, jak i 3 stopnie swobody przegubu kulowego, co razem daje 5. Również tutaj następuje naturalny obrót, ponieważ ruch obrotowy zawiasu obrotowo-przesuwnego jest tym samym ruchem, co ruch obrotowy przegubu kulowego. Zatem 1 będzie musiało zostać dodane do „r” samoobrotu.
Oblicz stopnie swobody:
Na podstawie danych zawieszenia można obliczyć liczbę stopni swobody. Aby prawidłowo uzupełnić formułę, zawiasy i prowadnice należy podzielić na kategorie:
- L dla liczby przewodów
- g dla liczby przegubów i zawiasów
- r dla liczby obrotów naturalnych (jak przy przegubie kulowym podwójnym w 1 prowadnicy)
Ponadto litery:
- k dla liczby wsporników kół (w większości przypadków 1, ponieważ jest to zwrotnica)
- εfi oznacza liczbę stopni swobody całkowitej liczby złączy i przegubów zsumowanych.
F = 6 (k + L – g) -r + εfi
Przykład:
Zawieszenie koła zawiera: k 1 nośnik koła (zwrotnica), L 2 prowadnice, g 5 przegubów, r 2 samoobroty, εfi 15 całkowitych stopni swobody
W formie wzoru jest to:
F = 6 (1 + 2 – 5) – 2 + 15
F = 6 x (-2) – 2 + 15
F = 1
Zatem teraz mamy 1 stopień swobody, więc to jest dobre. Koło może wykonywać czysty ruch w górę i w dół.
Aby to wyjaśnić, oto przykład ze zdjęciem zawieszenia koła:
Poniższe zdjęcie przedstawia kolumnę McPhersona z odpowiednią legendą. Litery A, B i C oznaczają prowadnice, a cyfry od 1 do 6 oznaczają zawiasy/połączenia.
εfi to zsumowane stopnie swobody zawiasów; czyli 3 stopnie swobody na przegub kulowy (czyli 4 x 3), 1 stopień swobody zawiasu liniowego i 2 stopnie swobody zawiasu obrotowo-przesuwnego.
Formułę można uzupełnić w ten sposób:
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 stopień swobody
