Nokkrir punktar um stýrisgeómetríu

eftir Leó M. Jónsson vélatæknifræðing.

Hornafræði hjólastells (stýrisgeómetría) er þáttur sem vert er að hafa í huga þegar lögð eru drög að breytingu á hjólabúnaði jeppa. Þessi fræðgrein er ekki ýkja flókin og því vel þess virði að pæla í henni því hún hefur úrslitaþýðingu varðandi aksturseiginleika bíls. Hér eru nokkur algengustu hugtök skýrð en önnur verða tekin fyrir í seinni greinum.

Stýrisvalarhalli inn á við

Stýrisvölur nefnist leggurinn með hjólnöfinni á milli spindilkúlnanna. Stýrisvalarhalli er halli línu sem dregin er lóðrétt á milli efri og neðri spindilkúlu. Þessi halli er ákveðinn af bílaframleiðanda, nefnist á ensku ,,steering-axis inclination" og er ekki stillanlegur en getur breyst með sliti t.d. í spindilkúlum og þegar spyrnum/klöfum/spindilkúlum eða afstöðu þeirra er breytt. Stýrisvalarhallinn, sem oftast er örfáar gráður, er alltaf inn á við, þ.e. efri spindilkúla er innar en sú neðri.

Lóðrétti leggurinn á milli efri og neðri spindilkúlnanna nefnist stýrisvölur. Þegar hann myndar rétt horn með láréttum lengdarási bílsins er ,,caster-hallinn" sagður vera 0°. Miðlína stýrisvalarins liggur þá eins og lóðrétt miðlína hjólsins. Stýrið er ,,hlutlaust" - verður létt en óstöðugt (bíllinn reikar á veginum).

Halli valarins gerir það að verkum að snertipunktur dekks og vegar færist til þegar lagt er á stýrið. Þetta má sjá greinilega þegar lagt er á stýri bíls á jafnsléttu og staðið á bremsunni, við það hækkar undir spindilkúlur. Sé bremsunni sleppt færist bílinn örlítið framar í hvers skipti sem lagt er á stýrið og til baka aftur þegar það er rétt. Þetta afl er notað á ferð til að beina bílnum í ákveðna stefnu; stýrisvalarhalli ásamt hjólhalla (á ensku ,,camber") gegnir því hlutverki að láta stýrið vinda ofan af sér sjálft þannig að hjólin leitist við að hafa sömu stefnu og lengdarás bílsins.

Hjólhalli (Camber)

Hjólhallinn er stillanlegur og er stilltur á mismunandi hátt. Þótt hjólhallinn hafi áhrif á ofansnúning stýris með stýrisvalarhallanum er hlutverk hans fyrst og fremst að tryggja sem mest veggrip. Óhlaðinn kyrrstæður bíll er yfirleitt með jákvæðan hjólhalla en þá er lengra á milli framhjólanna að ofanverðu en að neðanverðu (hjólbeinóttur bíll).

Þegar þyngd flyst á horn bílsins í beygju breytist halli hjólsins þannig að sóli dekksins leggst hornrétt á veginn (hjólhalli 0°). Sama á sér stað þegar bíllinn er hlaðinn. Stundum er hjólhalli hafður neikvæður, en ástæður þess eru aðrar og oftast bundnar keppnisbílum.

Áhrif breiðari dekkja

Eitt af þeim atriðum sem vilja gleymast, ekki síst hjá byrjendum, eru þau áhrif sem breytingar á felgum hafa á hegðun bíls. Með því að breyta felgum bíls, umfram ákveðin mörk, raskast jafnvægi stefnuvirkra krafta sem verka á hjólið á ferð - þ.e. þegar breytingin er gerð án þess að hróflað sé við stýrisvalar- eða hjólhalla. Talað er um mismunandi útsettar (offset) felgur eftir því hve festiflötur þeirra er langt innan við miðlínu dekksólans en útsettar felgur auka sporvídd bíls. Við hönnun stýrisgangs er leitast við að hafa stýrisvalarhalla og felgur þannig að lína, sem dregin er á milli spindilkúlna, skeri miðlínu dekksólans í snertipunkti dekks og vegar. Það horn sem þessar línur mynda er nefnt stýrisvalarhorn. Sé felgunni breytt (t.d. vegna breiðari dekkja) þannig að sporvíddin aukist meira en nemur mismuni á breidd dekkjanna (útsett felga + breiðari dekk) færist áðurnefndur skurðarpunktur úr stað. Um leið verður til stefnukraftur sem gerir það að verkum að hjólið sjálft fær stýrikraft. Í verstu tilfellum verður afleiðingin sú að bíll reikar á vegi; leitar sífelt til hliðanna til skiptis. Hægt er að laga þetta en oftast fylgir lagfæringunni aukið dekkjaslit.

Hér er horft framan á hægra framhjól bíls með klafastelli. Stýrisvölurinn (hjólvölur) hallar inn á við að ofanverðu þar sem efri klafinn er styttri en sá neðri. Þessi halli gerir það að verkum að togkraftur leitast við að vísa hjólinu beint fram þegar það snýst (á ferð gætir jafnframt áhrifa massatregðu hjólsins). Þessi halli ræður því hve auðveldlega hjólið snýr ofan af sér sjálft eftir beygju. Um leið hefur hallinn áhrif á rásfestu bíls. Þessi halli er ekki stillanlegur en hann getur breyst með sliti og vegna breytinga. Til að einfalda málið er hjólið sýnt lóðrétt á myndinni, þ.e. enginn ,,camber-halli". Takið eftir fjarlægðinni (a) frá snertifleti dekks/vegyfirborðs og skurðarpunkts línanna sem dregnar eru, annars vegar á milli spindilkúlnanna en hins vegar sem framlenging á lóðlínu hjólsins.

 

Hér sjáum við sama hjólið eftir ákveðna algenga breytingu. Til að auka slaglengd fjöðrunarinnar og til að færa hjólnöfina neðar hefur spindilkúlunni í efri klafanum verið vent þannig að hún er boltuð neðan á klafann og látin snúa öfugt við það sem hún gerði upphaflega. (Stundum er um það að ræða að spindilkúlan er boltuð neðan á klafann í stað þess að vera boltuð ofan á hann - en einungis þykkt klafans getur þannig breytt stýrisvalar-hallanum). Þessi breyting eykur stýrisvalarhallann. Munurinn sést greinilega á því hvernig skurðarpunktur línanna fyrir neðan hjólið hefur flust neðar (fjarlægðin a er nú b). Þessi breyting veldur því að stýrið þyngist og miðjutregða þess eykst en það getur verið bæði kostur og galli eftir aðstæðum. Aðalatriðið er að gera sér grein fyrir því að þessi algenga breyting er ekki áhrifalaus, hún getur jafnvel orðið til vandræða og þarf þá að framkvæma þessa breytingu á annan hátt.

 

Hér hefur dekk með tvöfalda breidd en sama þvermál verið sett undir sama bíl. Miðlína sólans hefur flust út fyrir lóðrétt plan festiflatar felgunnar og er nú 25% innan við lóðrétta miðlínu dekksins (nefnist burðarlína dekks). Skurðarpunktur burðarlínu og framlengdu línu stýrisvalarins færist til (viðbótin c). Það gefur augaleið að breiðara dekkið breytir stýriseiginleikum bílsins. Dekkið hefur fengið átaksarm (d) sem verkar á móti stýrisvélinni, m.a. með því að þvinga hjólið út að framanverðu á ferð. Til mótvægis getur þurft að breyta vísun hjólanna; hafa þau innskeifari. Niðurstaða: Með því að breyta dýpt felgna frá upprunalegri breytist verkun stýriskrafta. Hér hefur 38" dekk verið sett undir í stað 29" (til að einfalda samanburðinn gefum við okkur að sama felga sé notuð). Þvermál hjólsins hefur aukist um 31%. Um leið hefur sú breyting orðið að skurðarpunktur framlengdu línanna neðan við hjólið hefur flust nær sóla dekksins (æskilegast er að hann sé í snertipunkti dekks/vegyfirborðs). Niðurstaða: Stærri dekk (meira þvermál) af sömu breidd draga úr mótverkun á stýri vegna dýpri felgna. Vitneskja um þessi atriði getur komið í veg fyrir hvimleið og tímafrek mistök sem geta rýrt aksturseiginleika og þægindi jeppa.

Jafnvel þótt bíll reiki ekki á vegi geta útsettar felgur og breytt stýrisvalarhorn gert það að verkum að bíllinn beygir sjálfur þegar farið er í krappa beygju á talsverðri ferð; hjólið sem hann leggst á í beygjunni hefur þá tilhneigingu til að stýra sér sjálft inn á við. Oft má lagfæra þetta með því að breyta þrýstingi í dekkjunum. En af þessu getur skapast hætta sem sýnir að mikilvægt er að prófa breytta jeppa mjög vel áður en þeir eru afhentir eigendum, þ.e. hafi sá sem breytir þekkingu á þessum atriðum.

Stýrisvalarhalli fram- eða afturávið (Caster)

Með því að halla stýrisveli þannig að neðri spindilkúla sé framar en sú efri (jákvæður halli) eykst stefnufesta bíls á ferð. Stýrisvalarhallinn fram á við að neðan gerir það að verkum að hjólmiðjan lendir aftar en miðlína stýrisvalarins. Verkuninni má líkja við snúningshjól á skrifstofustól. Þegar stóllinn er færður í ákveðna átt snýst hjólið og ,,eltir" vegna þess að hjólmiðjan er aftar en stólfóturinn. Of lítill halli fram á við veldur því að bíll rásar; er laus á miðjunni, eltir rákir í malbiki, leitar til hliðar í halla o.s.frv.

Hér hefur stýrisveli verið hallað aftur að ofanverðu um 30° (Hallinn er ýktur, myndarinnar vegna, en hann er sjaldan hafður meiri en 6° í algengum breyttum jeppum). ,,Caster-hallinn" er hér jákvæður um 30°. Hallaði stýrisvölurinn fram að ofanverðu væri ,,caster-hallinn" neikvæður. Lóðrétt miðlína stýrisvalarins lendir framar en lóðrétt miðlína hjólsins. Jákvæður ,,caster-halli" gerir það að verkum að hjólið leitast við að fylgja stefnu bílsins (eltir): Stýrið verður ívið þyngra og stöðugra; rásfesta bílsins meiri. Myndin til hægri er sígild samlíking sem sýnir áhrif jákvæðs ,,caster-halla". Snerilhjól skrifstofustóls: Lóðrétt miðlína hjólsins er aftan við lóðrétta miðlínu fótleggjarins - hjólið fylgir (eltir) akstursstefnu.

,,Caster"- hallinn er gefinn upp í gráðum. Hann breytist ekki á keyrslu, sé allt með felldu, en er er oftast stillanlegur. Hins vegar breytist ,,caster" sé bíll hækkaður þannig að lóðrétt fjarlægð á milli spindilkúlna aukist, - eukist hún t.d. með milliklossum eða breyttum klöfum, minnkar ,,caster" hallinn. Sé efri spindilkúlunni t.d. vent 180° þannig að hún snúi niður í stað upp eykst hins vegar ,,caster" hallinn. Jákvæður ,,caster" halli hefur áhrif á stýrið vegna þess að þegar lagt er á lækkar bíllinn örlítið þeim megin sem snýr út úr beygjunni. Of mikill jákvæður ,,caster" halli kemur fram á tvennan hátt: Í fyrsta lagi hefur hjól, sem er utar í beygju, tilhneigingu til að leggjast inn undir sig (beygja of mikið) þegar bíllinn leggst á það horn í beygju á talsverðri ferð. Í öðru lagi getur stýrið orðið óþægilega þungt á miðjunni - beinstefnu-tregða bílsins í venjulegum akstri verður beinlínis óþægileg.

Eftir því sem ég veit best mun 6° jákvæður ,,caster" vera talinn hæfilegur (ef ekki hámark) fyrir 36-38" dekk á Dana 44 hásingu. Þó getur ,,caster-hallinn" farið eftir ýmsum öðrum þáttum. Sem dæmi nefni ég að ,,caster" er mest um 3° í óbreyttum GM-jeppum á blaðfjöðrum en þó breytilegur eftir því hve hátt er undir bílinn. Í öðrum tilvikum getur ,,caster-hallinn" verið mun meiri - margir minnast t.d. stóra Bronco (árgerð 1978 og '79) sem er með ,,caster-halla upp á allt að 9,5°.

Þegar hásing, sem á að breyta, hefur verið tekin úr bíl, hefur reynst vera öryggi í því fólgið að stilla upp fyrir ,,caster" og ,,camber", t.d. með skabaloni, og sjóða spindilkúlufótinn öðru megin - setja síðan hásinguna í bílinn, festa henni og stilla þá fyrst upp hinum spindilkúlufætinum og sjóða. Mín reynsla er sú að með þessu móti séu meiri líkur á að ,,caster/camber" náist jafnir fyrir bæði hjólin. En þetta kann nú einnig að ráðast af þeim tækjabúnaði sem menn hafa yfir að ráða. (Hér má skjóta því inn í að í óvandaðri jeppum, t.d. frá S-Kóreu, eru afturhásingar iðulega skakkar - skakkt soðnar saman þannig að vísun, millibil og halli afturhjóla er rangur - stundum munar meira en tug gráða. Þetta getur valdið skertum aksturseiginleikum, óeðlilegri þvingun á hjól- og driflegum sem endast því skemur).

Stærðarmerking dekkja

Það getur komið sér vel að þekkja stærðarmerkingu dekkja því af henni má reikna þvermál þeirra. Tökum algenga dekkjastærð sem dæmi: 265/70R16 (LandCruiser VX). 265 er breidd dekksins í mm. 70 er prófíllinn sem þýðir að hæð dekksins frá vegi upp á felgubrún er 70% af breiddinni. Þvermál dekksins er tvöföld hæðin + þvermál felgunnar: Hæðin er 0,7 x 265 = 185,5 mm x 2 = 371 mm. Þvermál felgunnar er 16 tommur, breytum því í mm: 16 x 25,4 = 406,4 mm. Þvermál dekksins er þá 371 + 406,4 = 777,4 mm. (Ef við viljum vita þvermál þessa dekks í tommum deilum við með 25,4 upp í 777,4 mm og fáum út 30,6"). Ummál dekks, sem þarf að hafa á hreinu við leiðréttingu á hraðamæli, er þvermálið margfaldað með Pí (Pí er 3,14 - en 22/7 ef maður vill vera mjög nákvæmur).

Hvaða drifhlutfall?

Stundum vantar upplýsingar um niðurfærslu í drifum jeppa. Tvær aðferðir eru til að komast að því. Ein er sú að tjakka aðra hlið bílsins upp þannig að annað hjól hásingar sé á lofti (ekki bæði). Ákveðinn staður er merktur yst á hjólinu og á drifskaftinu. Síðan er hjólinu snúið nákvæmlega einn hring og hringirnir sem drifskaftið snýst við það taldir. Dæmi: Einn hringur á hjóli snýr drifskafti 4,5 hringi og þú mátt ganga út frá því sem vísu að drifhlutfallið er 4,56 : 1. Hin aðferðin er sú að losa lokið af drifkúlunni og telja tennurnar á kambi og pinjón. Síðan er tannafjölda pinjónsins deilt upp í tannafjölda kambsins og þú hefur hlutfallið. Dæmi: Kambur 37 tennur, pinjón 9 tennur = hlutfall 4,11 : 1.

Aftur á aðalsíðu

Meiri efni tæknilegs eðlis