A gépjárműkormányzás gépészetét taglaló sorozatunk második részéhez értünk.

Az elsőt ezekkel a szavakkal fejeztük be: „A szervokormány nagyszerű találmány, e nélkül már nem autó, az autó. A fejlődés az autótechnikában nem áll meg, vannak további igényeink is. Legyen képes a kormánygép szögáttételét változtatni! Kis sebességű manőverezésnél kis kormányelfordulásra nagyot forduljon el a kerék. Ne kelljen ilyenkor nagyon sokszor körbetekerni. Nagy sebességnél pedig ellenkezőleg, a kormányelfordítás kis kerékelfordítással járjon, hogy ne tudjuk könnyen elrántani az autót a menetirányából.

Arthur Ernest Bishop (1917 – 2006) ausztrál nemzetiségű mérnök és feltaláló. Mint korosztályának sok mérnöke, a II. Világháború generálta számtalan műszaki probléma megoldásában jeleskedett, a repülőgépipartól a járműiparig.

Arthur Ernest Bishop (1917 – 2006)

1954-ben Detroitba költözött, ahol két évtizeden keresztül a járművek kormányzása, a szervokormány és a változó szögáttételű kormánygépek fejlesztésén dolgozott. Az 1970-es évek elején hazaköltözött, hogy egy korszakos találmányán dolgozzon, a fogasléces, - a fogasléc fogazatának révén működő - változó áttételű kormánygépen. A kormányorsó fogaskerék hagyományos, csak a fogasléc fogazata változik hossza mentén.

A ’70-es években a változó áttétel megvalósítását a fogazással foglalkozó szakemberek elvileg lehetetlennek tartották. Bishop nemcsak elkészítette a fogazást, de a gyártástechnológiát is igen kedvező forgácsolási eljárással, speciális fogazógép alkalmazása nélkül valósította meg.

A leírások szerint ezzel a kormánygéppel több, mint 4,5 millió gépkocsit szereltek fel. Bishop nem csak kiváló mérnök feltaláló volt, hanem kiváló üzletember is. Találmányainak szabadalmi védettségére nagy figyelmet fordított, ma is létező, a nevét viselő cég világszerte 300 szabadalmi bejegyzéssel rendelkezik.

A hullámhajtómű

Ha egy autósnak a hullámhajtómű hallatán a Gellért-fürdő hullámmedencéjének hullámkeltő gépe jut először az eszébe, e cikk elolvasása előtt még tájékozatlanságnak nem róható fel. A hullámhajtómű ma már szinte az ipar minden területén jelen van, és elérte a hétköznapi autótechnikát is. A tervezők számára mindig nagy kihívást jelentett olyan mozgás-, illetve teljesítményátvivő hajtóművek tervezése, amelyeknél fontos követelmény az, hogy viszonylag nagy áttételt kis tömeg és helyszükségletű elemekkel kell megvalósítani. Többek között ilyen hajtástechnikai feladatok megoldására jelentett alternatívát az 1955-ben Clarence Walton Musser amerikai mérnök által kifejlesztett (1957 szabadalmi védettséget kapott „U. S. patent 2,906,143”), általa „deformációs hullámokat felhasználó” fogaskerekes hajtóműnek nevezett találmány.

Clarence Walton Musser (1909 - 1998) feltaláló, akinek nevéhez több, mint 250 jelentős találmány, köztük számos autóipari és több, mint 1500 szabadalmi védettség fűződik az egész világon.

Az alapszabadalomban javasolt hajtásokat ma fogaskerekes hullámhajtóműveknek nevezzük, más megnevezése szerint „HarmonicDrive”. A „hullámhajtás” rendkívül sokféle változatban a mechanikai hajtások egyik új, önálló típusává vált. Az autótechnikában ma a stabilizátor rúd előfeszítésének állítására és a kormánygépekben alkalmazzák.

Miért kerül jelen témánkba a hullámhajtómű?

Azért, mert a változó szögáttételű kormányzás „intelligens” módon ezzel a szerkezettel valósítható meg és egyben ez adja meg további kormányfunkciók megvalósítási lehetőségét is.

A hullámhajtómű egy speciális felépítésű bolygómű, amelyet 1957-ben szabadalmaztattak az Egyesült Államokban. A viszonylag új, autótechnikai alkalmazásában igencsak új gépelem bemutatására, működésének elmagyarázására a BME Járműelemek és Hajtások Tanszék adjunktusát, dr. Lovas Lászlót kértük meg.

Nézzük a szerkezetet!

A hullámhajtómű vázlata

gyűrűkerék: vastag, merev fémgyűrű, belső átmérőjén rendkívül kis modulú fogazattal. Ez az elem a hagyományos bolygóművek gyűrűkerekének felel meg.

hullámkerék: vékony, rugalmas fémgyűrű, külső átmérőjén rendkívül kis modulú fogazattal. A modul és a fogazat egyéb jellemzői azonosak a gyűrűkerék fogazatával. A hullámkerék fogszáma általában kettővel kevesebb, mint a gyűrűkerék fogszáma. Ez az elem a hagyományos bolygóművek bolygókeréktartójának felel meg.

hullámgenerátor: egy, kettő vagy több szimmetrikusan elhelyezett dudorral rendelkező alakos elem. A hullámkerék gyűrűjében lakik. Forgatva a hullámkereket deformálja. Ez az elem a hagyományos bolygóművek napkerekének felel meg. Ha ezeket a részeket egymásba helyezzük, látjuk, hogy a gyűrűkerék és a hullámkerék fogazata a dudorok helyén hézagmentesen egymáshoz kapcsolódik, ahol nincsenek dudorok, ott a hullámkerék és a gyűrűkerék fogazata nem érintkezik egymással.

Működését szövegben elmagyarázni nehéz, ezért hívjunk segítségül egy animációt.

Animáció

A hullámhajtóművek áttétele a bolygóműveknél megszokott értékeknél nagyobb, egy lépcsőben 80–350 lehet. Ezt az animáción is megfigyelhetjük, hiszen a középső elem, a „dudoros” hullámgenerátor 180 fokos elfordulása a gyűrűkereket csak egy foggal fordítja el.

A nagy áttétel létrehozásának képességet két módon lehet kiaknázni. Egyrészt hullámhajtóművel nagyon nagy fordulatszámokat lehet egy lépcsőben kezelhető értékűre csökkenteni (pl. gázturbina-segédhajtások), másrészt átlagos fordulatú villanymotorral hajtva a hullámkerék és a gyűrűkerék relatív szöghelyzetét nagyon finoman lehet szabályozni (pl. ipari robotok). Hullámhajtóművet gépkocsikban főleg két feladat ellátására alkalmaznak. Az egyik az aktív stabilizátorszabályozás, a másik a változó áttételű elektromos kormányszervo.

Változó kormánygép szögáttétel

A változó áttételű elektromos kormányszervo tehát hullámhajtóművet tartalmaz. (Van más gépészeti megoldás is, amire most nem térünk ki.) A kormányoszlop például a hullámkerékhez kapcsolódik, a gyűrűkerék pedig a kormánygép bemenő tengelyéhez. A hullámgenerátor villanymotorral van összekötve. Alapesetben a kormánygép viszonylag nagy áttételű, hogy kis sebességnél, parkoláskor könnyen lehessen forgatni. Ekkor megvan a szokásos 3–5 kormánykerék-fordulat a kormánygép két végállása között, a villanymotor alig avatkozik be. A gépkocsi sebességének növekedésével a villanymotor egyre nagyobb áramot kap a kormánykerék elmozdításakor, és a kormánykerék egyre kisebb elfordítására egyre nagyobbat fordulnak a kerekek. Megfelelő szabályozással elérhető, hogy 2–2,5 fordulat legyen a kormánykerék két végállása között, ami nagy sebességű haladásnál gyors kormányreakciót tesz lehetővé. A rendszer elektromos részeinek hibája esetén mechanikus retesz teremt direkt mechanikus kapcsolatot a kormányoszlop és a kormánygép között, így a hibatűrés megfelelő. Ha a rendszer elromlik, a retesz rövidre zárja a hullámhajtóművet, és sebességtől függetlenül megmarad a nagy kormánykerék-fordulat a két végállás között.

Kormányműben történő alkalmazáskor különösen előnyös a hullámhajtómű azon tulajdonsága, hogy túlterheléskor a hullámkerék deformációja nő, ezzel a nyomatékot átvivő fogak száma is nő, a rendszer jól bírja a túlterhelést.

A Toyota VGRS (Variable Gear Ratio Steering) kormányszervo rendszerében úgy van a vezérlés beállítva, hogy a villanymotor jellemzően kis és nagy gépkocsi sebesség esetén avatkozik be, míg közepes sebességtartományban alig. Kis sebességnél a villanymotor a kormánykerék forgásával megegyező irányba forog, így növeli az áttételt. Nagy sebességnél a villanymotor a kormánykerék forgásával ellentétes irányba forog, így csökkenti az áttételt.

         a)                                           b)                               c)                            d)

A Toyotában alkalmazott hullámhajtómű elemei

Az ábra a hullámhajtómű részeit mutatja. Az a) jelű a gyűrűkerék, benne a 102 fogú belső fogazat. Ezt forgatja a kormánykerék. A b) jelű a hullámkerék, 100 külső foggal. A c) jelű a szintén 100 fogú kimenő kerék. A hullámkerék félig belebújik a kimenő kerékbe, ezért a kimenő kerék fogszáma a hullámkerékével azonos. A kimenő kerék csatlakozik a kormánygéphez. A d) jelű a hullámgenerátor, amit a villanymotor forgat. Ez a hullámgenerátor két dudoros, ellipszis alakú, és deformálódó golyóscsapágyon keresztül deformálja a hullámkereket. A képen a két csavarral lezárt fedél takarja a csapágyat.

A következő képen a változó áttételt adó hullámhajtóműves változó áttételt kormánygépet mutat a következő kép, melyet a VW csoport „felsőkategóriás” gépjárműveibe szerelnek.

A változó áttételt adó, villanymotorral hajtott hullámhajtómű (ZF gyártmány) a kormányoszlop integrált eleme.

A hullámhajtóművet közvetlenül a kormánykerék mögött helyeznek el. A kormányoszlop fogasléces kormánygéphez vezet, mely villamos (szervo) rásegítésű.

A hullámhajtómű segítségével - a változó áttétel továbbvitelével - akár önálló kormányzást is meg lehet valósítani. Egyre izgalmasabb „kormányzati” területek felé haladunk, ennek megismeréséhez azonban még egy hetet várni kell.

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(a témához kapcsolódó további szakmai cikkek az Autótechnika folyóiratban, illetve a http://autotechnika.hu oldalon olvashatóak.)