Jak skręcać?
Zadaniem przekładni kierowniczej jest realizacja sprzężenia pomiędzy kołem kierownicy a kołami, a ściśle rzecz ujmując – zwrotnicami tych kół.

Zasadniczymi elementami układu kierowniczego są koła kierowane, mechanizm zwrotniczy i przekładnia kierownicza wraz z elementami towarzyszącymi. Do głównych wymagań, jakie musi spełniać przekładnia kierownicza należą:
• duża trwałość eksploatacyjna,
• wysoka sprawność,
• zapewnienie wymaganego przełożenia,
• zapewnienie wymaganej siły na kierownicy, potrzebnej do wykonania skrętu (w przypadku większości pojazdów kategorii N3 siła ta wynosi maksymalnie 200 N i 450 N, odpowiednio dla sprawnego układu kierowniczego i układu z usterką),

• odwracalność, tzn. możliwość przenoszenia momentu zarówno od koła kierownicy do kół, jak i w kierunku odwrotnym,
• małe wymiary i masa.

Rodzaje przekładni
Obecnie w pojazdach ciężarowych stosowane są dwa podstawowe rodzaje przekładni kierowniczych: śrubowe (śrubowo–kulkowe) i zębatkowe, występujące w różnych wariantach i odmianach konstrukcyjnych. Dla porządku należy również wspomnieć o przekładniach (ślimakowych) globoidalnych, które są nadal spotykane w starszych samochodach ciężarowych o mniejszej ładowności. W dzisiejszych czasach pojęcie „przekładnia kierownicza” jest tożsame z określeniem: przekładnia kierownicza ze wspomaganiem hydraulicznym. W dalszej części artykułu zostaną pominięte rozwiązania w całości mechaniczne. Zainteresowanych tym tematem odsyłamy do literatury.

Postęp, jaki dokonał się w budowie przekładni kierowniczych jest skutkiem coraz wyższych wymagań w zakresie bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Niemniej jednak postęp ten polega przede wszystkim na doskonaleniu dobrze znanych konstrukcji, opracowywaniu nowych rozwiązań układowych i poszukiwaniu nowych zastosowań (jak np. użycie przekładni zębatkowych w ciężkich pojazdach z niezależnym, niskim zawieszeniem osi przedniej, przeznaczonych do przewozów ładunków objętościowych).
Europejski (i nie tylko) rynek przekładni kierowniczych do samochodów ciężarowych zdominowały firmy ZF i TRW, oferujące bogatą gamę rozwiązań. Na rynku aktywnie działa także firma ThyssenKrupp Presta SteerTec. Cenionym dostawcą pomp hydraulicznych układu wspomagania jest firma LuK.

Rys 1. Przekładnia kierownicza ze wspomaganiem

Przekładnie śrubowo–kulkowe
Przekładnie śrubowo–kulkowe stanowią udoskonaloną wersję śrubowych przekładni kierowniczych (elementem napędowym jest śruba, napędzanym zaś nakrętka), których wadą była mała sprawność mechaniczna, szczególnie przy napędzie odwróconym (od kół kierowanych do koła kierownicy). Parametry techniczno–eksploatacyjne przekładni śrubowych uległy znaczącej poprawie, w wyniku wprowadzenia tzw. gwintów kulkowych. Linia takiego gwintu w śrubie i nakrętce ma postać rowka o przekroju kołowym, do wnętrza którego wprowadzone są kulki. Zadaniem kulek jest zamiana tarcia ślizgowego na tarcie toczne podczas wzajemnego obrotu śruby i nakrętki. Dzięki temu, że współczynnik tarcia tocznego jest znacznie niższy, sprawność takich przekładni przekracza 85%. Aby uniknąć wypadania kulek, obydwa końce (wyloty) gwintów nakrętki są ze sobą połączone kanałem obiegowym, umożliwiającym swobodne przemieszczanie się kulek z jednej strony nakrętki na drugą.

Konstrukcja ZF Servocom
Najpopularniejszą, od dawna stosowaną przekładnią kierowniczą śrubowo–kulkową jest ZF Servocom. Przekładnia ta występuje w wielu odmianach, zależnie od nacisku na oś kierowaną, liczby obwodów i liczby pomp zasilających. Podstawowe typy to Servocom 8090 (nacisk na oś 1,5–4 t), 8095 (3–6 t), 8098 (5,5–8,5 t). Typy 8096 i 8099 to przekładnie dwuobwodowe.

Rys. 2. Przekładnia śrubowo–kulkowa ZF Servocom

Rys. 3. Budowa śrubowo–kulkowej przekładni kierowniczej ZF Servocom 8098 (pozycja neutralna): A – zbiornik oleju, B – pompa, C – przewód zasilający, D – przewód powrotny, E – podkładka, F – łożysko, G – obudowa, H – tłok, I – zawór dławiący, J – nakrętka z gwintem kulkowym, K – śruba, L – drążek skrętny, M – kołek, N – zawór bezpieczeństwa, O – zawór obejściowy, P – wałek wejściowy, Q – rdzeń zaworu rozdzielczego, R – obudowa zaworu rozdzielczego, S – wałek główny z wycinkiem zębatym, T – pokrywa

Przekładnia kierownicza Servocom (rys. 3) należy do grupy przekładni mechanicznych ze wspomaganiem hydraulicznym. Zasadniczymi jej elementami są obudowa (G), tłok (H), zawór rozdzielczy (Q, R), drążek skrętny (L) i wałek główny z wycinkiem zębatym (S).
Przekładnia kierownicza umożliwia kierowanie pojazdem także w przypadku utraty siły wspomagania. Działa wówczas jak zwykła przekładnia mechaniczna.
Wałek wejściowy (P) jest połączony z wydrążoną śrubą (K) za pomocą drążka skrętnego (L) o dużej podatności. Zbyt dużemu wzajemnemu przemieszczeniu kątowemu tych elementów zapobiega kołek (M).
Ruch obrotowy koła kierownicy przekazywany jest na wałek wejściowy. Po skręceniu się drążka (L) o niewielki kąt (około 7°), przekazywanie momentu obrotowego z wałka wejściowego przejmuje kołek (M). Śruba przekładni (K) z prawym gwintem osadzona jest w obudowie (G) bez luzu, za pomocą dwóch wzdłużnych łożysk igiełkowych (F) i podkładki oporowej (E). Za pośrednictwem nakrętki (J) z zamkniętym kanałem obiegowym kulek obrót wałka wejściowego (P), sprzężonego z kołem kierownicy, jest przekształcany na ruch liniowy tłoka (H). Po jednej stronie tłoka nacięte są zęby współpracujące z wycinkiem zębatym znajdującym się na wałku głównym (S), połączonym z ramieniem przekładni kierowniczej. Ruch kątowy ramienia przekazywany jest za pośrednictwem drążka wzdłużnego do mechanizmu zwrotniczego osi kierowanej.

Przełożenie przekładni kierowniczej i liczba obrotów pomiędzy skrajnymi pozycjami kół kierowanych zależą od aktualnego promienia zazębienia pomiędzy tłokiem a wałkiem głównym oraz od kąta pochylenia linii śrubowej.
W sprawnej przekładni kierowniczej proces mechanicznego transferu momentu obrotowego jest wspomagany hydraulicznie, w wyniku działania ciśnienia wytwarzanego przez zewnętrzną pompę oleju.
Hydrauliczna część przekładni składa się z tłoka (H) i zaworu rozdzielczego wbudowanego w wałek wejściowy i śrubę. Rdzeń zaworu (Q) tworzy jedną całość z wałkiem wejściowym (P). Funkcję obudowy zaworu (R) pełni odcinek śruby (K). Wałek wejściowy jest ułożyskowany wewnątrz śruby. Na powierzchni zarówno rdzenia, jak i obudowy zaworu rozdzielczego znajduje się sześć wzdłużnych gniazd. Poprzez odpowiednie kanały olejowe kolejne gniazda w rdzeniu są naprzemiennie połączone z przewodem zasilającym (C) i powrotnym (D). Trzy spośród sześciu gniazd w obudowie zaworu są połączone z lewą stroną tłoka, pozostałe trzy gniazda zaś są połączone ze stroną prawą. Połączenie tych gniazd jest również naprzemienne.
Jeżeli na drążek skrętny nie działa żadna siła, zawór rozdzielczy znajduje się w pozycji neutralnej. Kalibracja pozycji neutralnej zaworu odbywa się podczas produkcji przekładni kierowniczej. W tym stanie gniazda w rdzeniu (Q) i obudowie (R) są ustawione względem siebie w taki sposób, że przestrzenie zarówno z lewej, jak i z prawej strony tłoka (H) są jednocześnie połączone z przewodem zasilającym (C) i przewodem powrotnym (D). Inaczej mówiąc, kanał zasilający jest połączony z kanałem powrotnym. Przy uruchomionym silniku olej tłoczony przez pompę hydrauliczną przepływa przez zawór rozdzielczy i kierowany jest z powrotem do zbiornika. Siły działające na obydwie strony tłoka równoważą się. Jest to tzw. hydrauliczna pozycja środkowa.

Rys. 4. Przekładania kierownicza ZF Servocom 8098: skręt w prawo (opis w tekście)

Z chwilą rozpoczęcia obrotu kołem kierownicy w prawo, tłok (H) przesuwa się również w prawo (rys. 4). Wcześniej jednak, dzięki zastosowaniu podatnego drążka skrętnego, następuje przemieszczenie kątowe wałka wejściowego względem śruby. Rdzeń zaworu rozdzielczego (Q) obraca się w prawo, zamykając przepływ oleju z trzech gniazd zasilających (3) rdzenia do gniazd (2) obudowy zaworu, połączonych z prawą stroną tłoka przekładni. Jednocześnie obracający się rdzeń zwiększa stopień otwarcia gniazd (4) podających olej do gniazd (1) obudowy zaworu, skąd poprzez rowki gwintu śruby olej przedostaje się na lewą stronę tłoka. W przekładni kierowniczej rozpoczyna się proces wspomagania hydraulicznego, podtrzymywany przez zamknięte gniazda (3) uniemożliwiające powrót oleju z gniazd (4) do zbiornika. W miarę przesuwania się tłoka przekładni kierowniczej w prawo, olej znajdujący się z prawej strony tłoka jest wypierany z przestrzeni roboczej poprzez otwarte gniazda (7) i (6) zaworu rozdzielczego do zbiornika.

Rys. 5. Przekładania kierownicza ZF Servocom 8098: skręt w lewo

W czasie obrotu koła kierownicy w lewo zachodzi proces analogiczny (rys. 5). W wyniku obrotu rdzenia zaworu rozdzielczego w lewo szerzej otwierają się gniazda (3) i (2), podczas gdy gniazda (4) i (1) pozostają zamknięte. Działanie wspomagające występuje z prawej strony tłoka przekładni kierowniczej. Olej wypierany z lewej przestrzeni roboczej powraca do zbiornika poprzez otwarte gniazda (5) i (6).
Natężenie przepływu oleju przez przekładnię kierowniczą zależy od tempa (szybkości) obrotu koła kierownicy. Im większe natężenie przepływu, tym szybsza reakcja układu kierowniczego. Z kolei wraz ze wzrostem ciśnienia oleju następuje wzrost siły wspomagania. Bezpośrednim czynnikiem warunkującym ciśnienie oleju jest siła oporu kół kierowanych pojazdu, zależna od nacisku na oś oraz współczynnika tarcia występującego pomiędzy oponami a podłożem. Dzięki różnicy kątów obrotu wałka wejściowego i śruby, zawór rozdzielczy utrzymuje optymalny stosunek natężenia przepływu do ciśnienia oleju. Efektem zmian ciśnienia są reakcje na kole kierownicy, które umożliwiają kierowcy ocenę sytuacji i „wyczucie” pojazdu.

Udarowe obciążenie kół kierowanych (np. w wyniku najechania na krawężnik lub krawędź koleiny) generuje siłę, która powoduje nagły obrót śruby względem wałka wejściowego, a więc zmianę pozycji obudowy zaworu rozdzielczego względem rdzenia tego zaworu. Rezultatem jest skierowanie maksymalnego przepływu oleju na niskociśnieniową stronę tłoka przekładni kierowniczej, gdzie następuje szybki wzrost ciśnienia i wytłumienie siły udarowej, zanim zostanie ona przeniesiona na koło kierownicy.

Ponadto w artykule omówiono ograniczniki ciśnienia, odmiany przekładni Servocom, przekładnię Servocomtronic i przekładnie ZF serii: 8056 i 8033.

Autor: Mariusz Zając

Pełny tekst wraz z dokładnymi przekrojami opublikowano w numerze 5/2007 miesięcznika Truck Serwis – technika i warsztat

Zapraszamy do lektury!