System kompensacji Ackermana

W kolejnym artykule z cyklu "Elementy zawieszenia samochodu" omawiamy wpływ systemu kompensacji Ackermana na bezpieczeństwo i zachowanie samochodu na drodze.

Dodatkowo, postaramy się uchylić nieco rąbka tajemnicy zawieszeniowych inżynierów wyścigowych. Dlatego też, ten materiał skierowany jest do kierowców którym nieobce są zagadnienia techniczne samochodu i chcieli by pogłębić swoją wiedzę.

Zapytani o systemy zamontowane w naszych samochodach, wspomnimy zapewne o systemach ABS, ASR, ESP. Jednak słysząc o systemie kompensacji Ackermana, większość z nas zrobi zdziwioną minę. Wyjątki słusznie skojarzą ten system z układem kierowniczym, ale jak dokładnie on działa, mało kto jest w stanie wytłumaczyć.

Dlatego postaramy się przybliżyć nieco teorię kompensacji Ackermana.

Jak w przybliżeniu wytłumaczyć sens używania układów różnicowych w napędzie naszych pojazdów? Po prostu, gdy samochód porusza się po okręgu, zewnętrzne koło przebywa dłuższą drogę, niż koło wewnętrzne. Powstała w ten sposób różnica w prędkości obrotowej kół, była by niedopuszczalna, gdyby połączyć je ze sobą na stałe. Taka sytuacja powodowałaby wieczny poślizg któregoś z napędzanych kół. Problem jest rozwiązywany właśnie przez mechanizm różnicowy rozdzielający moment obrotowy na każde z kół tak, by poruszały się z właściwą sobie prędkością.

Każde koło samochodu jadącego w zakręcie wędruje po okręgu o różnym promieniu, dlatego wychyla się pod różnym kątem

Z takich samych powodów podczas jazdy w łuku, stosuje się kompensację skrętu kół. Przyjrzyjmy się rysunkowi powyżej: każde koło samochodu jadącego w zakręcie wędruje po okręgu o różnym promieniu, dlatego musi wychylać się pod różnym kątem. Gdyby wychylenia kół były równoległe, wewnętrzne koło ślizgało by się, co doprowadziłoby do szybkiego zużycia opon. Dodatkowo, samochód miałby tendencję do podsterowności.

Koła nie mogą skręcać równolegle, dlatego należy zamienić zwrotnice kół przednich z równoległych na trapezoidalne.

Objaśnienie zasady działania trapezoidalnych zwrotnic

Jak dobiera się kąty nierównoległego skrętu kół?

Dobranie właściwych wartości zależności skrętu kół jest bardzo trudne, szczególnie, że efekt musi działać poprawnie w zakrętach pokonywanych z dużą prędkością jak i w ciasnych nawrotach. Prawidłowe ustawienie nierównoległego skrętu kół stanowi nie lada wyzwanie dla inżynierów zawieszeniowych. Biorą oni pod uwagę długość samochodu, rozstaw kół, oraz promień zakrętów przy jakich system ma działać najefektywniej. Znając te parametry obliczyć można wartość promienia skrętu dla każdego z kół.

Obliczenia geometrii Ackermana

Sprawa mogła by się wydawać prostą, jednak przy idealnie dobranych wartościach Ackermana samochód pokonujący z dużą prędkością zakręt może czasami mieć tendencję do nadsterowności. Dlatego też wprowadzono dodatkowe pojęcie tzw. anty-ackermana oraz pro-ackermana. W pierwszym przypadku wartość kątów ? zmniejsza się o kilka procent uzyskując stabilizację i zniwelowanie nadsterowności. W drugim przypadku (pro-ackerman), gdy jest to pożądane, zwiększa się wartość kąta ?.

Jaki system kompensacji Ackermana powinienem zastosować w swoim samochodzie?

Bez obaw, nie musimy odpowiadać na takie pytania - producenci już od dawna je stosują w samochodach i doskonale wiedzą, jak dobrać wartość kąta mocowania zwrotnicy, by samochód prowadził się zgodnie z oczekiwaniami.

Inaczej sprawa ma się w sporcie wyczynowym, np. w gokartach, samochodach klasy WRC lub DTM. Tutaj inżynierom pozostawiono pełne pole do popisu. I rzeczywiście np. na kręte tory, z dużą ilością zakrętów typu agrafka (ponad 100-120°) w gokartach ustawia się wartości kompensacji typu pro-ackerman. Podobnie się ma w brytyjskich KJS-ach, słynących z bardzo krętych prób sprawnościowych. Startujący w nich zawodnicy wśród wielu modyfikacji zawieszenia, ingerują również w system kompensacji Ackermana, zwiększając w znaczny sposób jego kąt. Są to jednak konstrukcje stricte wyczynowe - nikt nawet nie próbuje podejmować dyskusji na temat bezpieczeństwa użytkowania takiej przeróbki w ruchu miejskim.

Sam fakt istnienia bardzo małej ilości samochodów, gdzie efekt Ackermana można regulować, daje wyraźnie do zrozumienia, iż nie powinniśmy w tą kwestię ingerować.

Możemy natomiast z powodzeniem zaobserwować działanie wspomnianego systemu w naszych samochodach - wystarczy na postoju skręcić maksymalnie koła w jedną ze stron. Zauważymy wtedy że jedno z kół skręciło mocniej niż drugie. Efekt ten jest wyraźniej zauważalny w samochodach tylnio napędowych, gdzie skręt kół nie jest ograniczony konstrukcyjnie przegubami napędowymi.

W kolejnej części cyklu o zawieszeniach przyjrzymy się pozytywnym i negatywnym skutkom nachylenia kół względem podłoża.