Podvozkové centrum APM Bilstein – 4. díl: Kulové čepy

Kulový čep musí přenášet síly v řízení současně se změnou úhlů spojených tyčí řízení i při částečném naklápění. Kulové čepy jsou zpravidla nerozebíratelné s trvalou tukovou náplní a vysokou životností. Pánve (pouzdra) čepu jsou obvykle vyrobeny ze syntetických hmot (např. polyamidu), zatímco vlastní čep je z kvalitní oceli a povrchově zpracován na vysokou tvrdost. Vznikající vůle opotřebováním, a to jak čepu, tak i pánve, je vymezována pružinou.

 

Kulový čep: bez manžety to nejde

1

 

Během provozu není nutné čepy mazat. Nutnou podmínkou dlouhodobé životnosti je ale zabránění vnikání vody a nečistot do čepu a to správnou funkcí pryžové manžety. Dojde-li k jejímu poškození, stane se velice rychle čep nepoužitelným – opotřebení přestoupí předepsané tolerance. Zkráceně lze říci, že životnost kulového čepu je dána funkčností pryžové manžety a trvanlivostí náplně mazacího tuku.

Poškozená manžeta umožňuje poměrně intenzivní vnikání nečistot mezi kulovou část čepu a pouzdro. Dochází k rychlému otěru. Pružina již není schopna kompenzovat opotřebení dosedacích ploch a mezi kulovou částí čepu a pouzdrem vzniká vůle, která se rychle zvětšuje. Tato vůle se přenáší do systému řízení, které se tak stává stále více nepřesným. Zásadním způsobem je tím ovlivněna bezpečnost provozu a to nejen vozidla s defektním kulovým čepem, ale i všech ostatních, kteří se v dosahu tohoto vozidla pohybují. Je známo mnoho tragických havárií, které byly zaviněny vadným kulovým čepem. Závady kulových čepů je proto nutné, s ohledem na bezpečnost provozu, řešit bezodkladně a okamžitě. Jakmile je na vozidle zjištěn defektní kulový čep, je povinností servisu nejen o vadě uvědomit zákazníka, ale přímo na místě jej přesvědčit o nutnosti okamžité výměny vadného čepu. K tomu je možné použít zcela jednoduché argumenty z dopravních nehod, jejíž příčinou byla technická závada na řízení.

DŮLEŽITÁ JE PRAVIDELNÁ KONTROLA
Jedním ze základních předpokladů správné funkce kulových čepů je jejich pravidelná a důkladná kontrola. Ta by se měla zaměřit na všechny klouby ve vozidle, resp. jeho podvozkové soustavě. Tedy např. na:

  • kulové čepy řídících tyčí
  • horní a dolní kulové čepy lichoběžníkové přední nápravy
  • pomocné čepy

Příklad kontroly kulových čepů řídících tyčí

2

  1. Součásti řídícího ústrojí očistíme od prachu a nečistot.
  2. Kola vyrovnáme do přímého směru.
  3. Přesvědčíme se o spolehlivém upevnění skříně řízení, případně držáku pomocné páky řízení a o vymezení vůle v pouzdrech čepu pomocné páky řízení.
  4. Na hlavici řídící tyče nasadíme přípravek.
  5. Pootočíme volantem tak, aby se kola pootočila o 2-3°, napravo – nalevo a odečteme údaj indikátoru.
  6. Ukáže-li indikátor výchylku větší než 0,3 mm, dostane-li se dovnitř kulového čepu písek a nečistoty, objeví-li se na kulovém čepu koroze a rovněž při úplném využití zdvihu opěrného pouzdra vyměníme hlavici řídící tyče s kulovým čepem.
  7. Je-li mazací tuk nadměrně znečištěn nebo dochází-li k zaklínění opěrného pouzdra v hlavici řídící tyče, sejmeme tyč, prachovku, vyčistíme povrch kulového čepu od nečistoty a kulový čep namočíme do petroleje.
  8. Omyjeme znečištěný tuk ze součástí kulového čepu, několikráte udeříme kulovým čepem o dřevěnou podložku a zjistíme osový posuv opěrného pouzdra.
  9. Znovu omyjeme v petroleji kulový čep a předběžně stiskneme jeho pružinu.
  10. Do prachovky natlačíme mazací tuk a prachovku nasadíme na kulový čep.
  11. Po demontáži nebo výměně řídících tyčí seřídíme geometrii přední nápravy.

 

Příklad kontroly vůle v horních kulových čepech lichoběžníkové přední nápravy

4

  1. Automobil postavíme na rovnou plochu.
  2. Zvedneme pravou přední část vozidla zvedákem, uvolníme šrouby a sejmeme kolo.
  3. Pod náboj kola podložíme dřevěný špalík a spustíme na něj automobil.
  4. Očistíme dolní část kloubu od prachu a bláta, vyšroubujeme zátku.
  5. Změříme hloubkoměrem vzdálenost h.
  6. Je-li hodnota odpovídající předpisu (například ? 11,3 mm), sejmeme kulový čep a pečlivě jej prohlédneme. Na tělese čepu nesmí být trhliny a v mazacím tuku nečistoty. Je-li tuk znečištěn, těleso čepu s trhlinkami, a rovněž při hodnotě neodpovídající předpisu výrobce (například ? 11,8 mm), vyměníme kulový čep za nový.
  7. Stejný postup opakujeme u levého předního kola.

Pomocný čep

Pomocný otočný čep by neměl být při údržbě a kontrole vozidla opomíjen. Obvykle je konstrukčně řešen tak, že se otáčí v kluzných ložiskách a většinou je mazán trvalou náplní mazacího tuku. Především je nutné zkontrolovat připevňovací šrouby tělesa čepu ke karoserii. Vůle se snadno zjistí kývavými pohyby volantem nebo pomocnou pákou. Mnohdy postačí dotažení koncové matice. Tím se čelními podložkami stlačí pružná pouzdra čepu a vůle se odstraní.
Dotažení však nesmí způsobit ztuhnutí řízení. Jinak je nutné uvolnit koncovou matici a čep rozebrat. U některých konstrukcí se nemusí snímat konzola a není nutné uvolňovat čep z pomocné páky. Pryžová pouzdra nebo pouzdra z plastů se vymění za nová. Při montáži se dutina čepu vyplní mazacím tukem určeným pro mazání kluzných pouzder. Je-li však opotřeben vlastní čep, je opět nezbytná výměna celého pomocného čepu za nový.

Oprava kulových čepů řízení? NE !

Kulové čepy starších vozidel byly rozebíratelné. Přesto se nejdůležitější prvky, tj. kulový čep a jeho pánve po opotřebení nedoporučovaly opravovat např. přebroušením. Jakmile kulové plochy ztratí svůj tvar a kulový čep má opotřebenu povrchovou tvrzenou vrstvu je prakticky neopravitelný. Současná vozidla jsou vybavena nerozebíratelnými kulovými čepy s dlouhou životností. Kulové čepy nesmějí vykazovat žádnou vůli v jakémkoli směru a to i při otáčení či naklánění. Někteří výrobci předepisují pro kulové čepy momenty pro jejich naklánění a otáčení. Pokud dojde k zadření kulového čepu a tím ke značnému zvýšení ovládací síly řízení, musí být kulový čep vyměněn za nový. Některé kulové čepy jsou vybaveny maznicí nebo jen závitovým otvorem a zátkou. Tyto kulové čepy je pak možné promazat mazacím tukem. Osvědčily se tuky s přísadou sirníku molybdeničitého, někdy též označované jako molyka. Pod prachovky kulových čepů je možné natlačit mazací tuk a výrazně tak prodloužit životnost jednotlivých čepů. Nejmodernější vozidla mají minimální nároky na údržbu a jsou konstrukčně řešena tak, že obvykle celá skupina řízení vydrží – přežije bez závady celou životnost automobilu.

Špek z praxe: záhadné zapínání ESP
Příliš velké vůle v kulových čepech se občas mohou projevovat i poněkud záhadnými příznaky. Třeba jako v případě asi čtyři roky starého Audi A4 se 150 tisíci najetými kilometry. Majitel vozu si při návštěvě Podvozkového centra APM stěžoval na časté blikání kontrolky ESP. Zajímavé bylo, že toto blikání se objevovalo i při malých rychlostech, ale vždy při projíždění pravotočivou zatáčkou, kdy se nejen rozsvítila kontrolka, ale samozřejmě také docházelo k zásahům elektronického systému do řízení včetně snížení výkonu motoru. V levotočivých zatáčkách ale k podobným regulacím nedocházelo. Na autě se tedy prováděla celá řada diagnostických testů, elektronické systémy ale nevykazovaly žádnou závadu. Také celá víceprvková náprava se zdála být v pořádku, ale to jen do důkladné kontroly zavěšení pravého předního kola. Teprve tam mechanik objevil malé vůle na obou horních řídících pákách zavěšení kola. Auto neklepalo a ve stálé poloze se žádné vůle neprojevovaly. Ty se nezvykle objevily až při odlehčení pravé a zatížení levé strany. Proto se vůle projevovala pouze při projíždění pravou zatáčkou, kdy zřejmě došlo k rozkmitání kola a následné aktivaci ESP. Závadu tedy nakonec vyřešila jednoduchá výměna dvou tyček s klouby…

Kulové čepy ovlivňují i geometrii

Kulovým čepem lze nastavit odklon kol

Odklon kola je úhel mezi střední rovinou souměrnosti kola a rovinou kolmou k vozovce a rovnoběžnou s podélnou osou vozu (osou souměrnosti). Odklon je tedy sklon horního okraje roviny kola dovnitř nebo ven vzhledem k rovině kolmé na vozovku. Např. u vozidel Audi a VW se nastavování odklonu kol provádí posunem uložení kulového čepu v podélných otvorech trojúhelníkového ramene. Posunutím ven se odklon mění do záporných hodnot, zatímco posunutím dovnitř se mění do kladných hodnot.

Příklon svislého (rejdového) čepu

Pro správné nastavení geometrie vozidla je důležitý také příklon svislého (rejdového) čepu, tedy sklon osy čepu od roviny kolmé k vozovce a rovnoběžné s podélnou osou vozidla (osou symetrie). U náprav se dvěma příčnými rameny (lichoběžníkové nápravy) s kulovými čepy se příklonem rozumí úhel sklonu osy vedené dolním a horním kulovým kloubem (osa příklonu) vzhledem k rovině kolmé na vozovku a rovnoběžnou s podélnou osou vozidla. U náprav McPherson s pružicí jednotkou a tlumičem pérování je příklonem úhel mezi přímkou vedenou kulovým čepem na spodním příčném ramenu a středem opěrného ložiska pružicí jednotky s tlumičem a rovinou kolmou na vozovku a rovnoběžnou s podélnou osou vozidla. Příklon rejdového čepu se udává a měří v úhlových stupních a hodnoty jsou většinou v rozmezí 5° až 8°. U vozidel s pohonem předních nebo všech kol leží tyto hodnoty někdy i nad 8°, především v případě, že tato vozidla mají jen malý nebo nulový záklon rejdového čepu. Zavěšení předních kol je navrženo výrobcem vozidel tak, že spojením odklonu kola a příklonu rejdového čepu je vytvořena páka s malým ramenem: poloměr rejdu nebo poloměr kružnice odvalování kola.
U vozidel s pohonem zadních kol (klasická koncepce pohonu nebo motor vzadu) bývá většinou poloměr rejdu kladný, při poháněných předních kolech je obvykle poloměr rejdu záporný (negativní). U některých typů vozidel Mercedes-Benz je nulový a např. u řady W201 (MB 190) byl i přes pohon zadních kol záporný (negativní).

ÚČINEK PŘÍKLONU SVISLÉHO ČEPU, RESP. POLOMĚRU REJDU

5Kladný poloměr rejdu:

  • Při natáčení řízených předních kol se přední část vozidla mírně přizvedne. Sílu, která je k tomu zapotřebí, musí vynaložit řidič při otáčení volantem. Při uvolnění volantu po výjezdu ze zatáčky navrací tato síla přední kola zpět do přímého směru (vzniká tak vratný účinek).
  • Na poloměru rejdu se projevují odpory vozovky a snaží se kola stočit k sobě. Je tak vymezena vůle v kulových čepech řídící tyče a zmenšuje se náchylnost ke kmitání. Kladný poloměr rejdu nesmí být však příliš velký, protože jinak by odpory vozovky působící pouze na jedné straně vozidla nebo velké rozdíly mezi působícími brzdnými silami na předních kolech vychylovaly tato kola z jejich směru, což by řidič musel korigovat volantem na opačnou stranu. Z tohoto důvodu jsou např. nápravy s dvojitými příčnými rameny Mercedes-Benz (lichoběžníkové nápravy) navrženy tak, aby poloměr rejdu byl roven nule.

Záporný (negativní) poloměr rejdu
Záporný poloměr rejdu byl poprvé použit u vozidla Audi 80. Dnes jsou takto navrženy téměř všechny přední nápravy u vozidel s pohonem předních kol a se stejným typem konstrukce jejich zavěšení. Záporným poloměrem rejdu se dosahuje samočinné stabilizace řízení. Řidič tak neprovádí žádnou korekci směru jízdy a nemusí zasahovat do řízení, pokud:

  • jsou při brzdění rozdílné adhezní podmínky na kolech řízené nápravy;
  • účinek brzd na kolech nápravy je rozdílný;
  • je rozdílný tlak v pneumatikách na kolech řízené nápravy

Korekce směru jízdy je nutná teprve v případě úplného výpadku brzd na jedné straně přední nápravy nebo při rychlém úniku vzduchu z pneumatiky.

Záklon svislého (rejdového) čepu

Záklon rejdového čepu je úhel mezi osou čepu a rovinou kolmou na vozovku a kolmou vzhledem k podélné ose vozidla (ose symetrie) nad osou kola vzadu. Bod styku pneumatiky s vozovkou se tak nachází za průsečíkem osy svislého čepu s vozovkou. U náprav se dvěma příčnými rameny (lichoběžníkových náprav) s kulovými čepy se za záklon považuje sklon přímky vedené dolním a horním kulovým čepem vzhledem k rovině kolmé na vozovku a kolmou vzhledem k ose vozidla. U náprav McPherson s pružicí jednotkou a tlumičem pérování je záklonem sklon přímky vedené středem kulového čepu na příčném rameni a středem opěrného nebo nosného ložiska pružicí jednotky s tlumičem k rovině kolmé na vozovku a kolmé k příčné ose vozidla. Záklon svislého čepu se – stejně jako odklon kola a příklon svislého čepu – udává a měří v úhlových stupních. Vozidla s pohonem zadních kol mají záklon 1° – 3°. Vysokovýkonná vozidla s pohonem zadních kol až 14°. Vozidla s pohonem předních nebo všech kol mají obvykle nulový záklon.

ÚČINEK ZÁKLONU

Jedná se o „princip nákupního vozíku“. V důsledku záklonu svislého čepu jsou přední kola tažena a nikoliv tlačena. Pokud je volant uvolněn po průjezdu zatáčkou, působí záklon pro návrat předních kol do přímého směru. Mimoto se přední kola vracejí i v důsledku vlečení pneumatiky, jež je na otáčející se pneumatice vyvoláno jejím vzdouváním. Vracení předních kol do přímého směru je tedy vyvoláno jak příklonem svislého čepu ve spojení s kladným poloměrem rejdu, tak i záklonem svislého čepu. Obě tyto síly se nazývají vratnými silami. Při vysokých rychlostech má velký záklon směrově stabilizační účinek, při nízkých rychlostech je však méně výhodný. Automobily s pohonem předních nebo všech kol nemají žádný nebo jen malý záklon, protože tyto automobily jsou předními koly taženy.