Vývoj a konstrukce přední nápravy automobilu

Přední náprava osobních automobilů prošla z hlediska vývoje jednou z nejvýznamnějších proměn ze všech mechanických částí podvozku. Porovnáme-li přední nápravy prvních automobilů, které byly často pouhou motorizovanou verzí kočárů, se současnými moderními automobily, je zřejmé, jakou cestu ušla.

Historický vývoj a základní funkce

Prvotním a nejdůležitějším úkolem přední nápravy byla možnost změny směru jízdy vozidla. V počátcích automobilismu, kdy byl jediným možným pohonem zadní nápravy, byla přední náprava konstruována co nejjednodušeji.

Starší generace si mohou pamatovat nápravy automobilů jako Škoda 1000/1100 nebo 105/120/125/136. Tyto vozy používaly lichoběžníkovou nápravu s dvojicí ramen nad sebou - spodní a horní ramena. Lichoběžníková přední náprava se primárně využívala jako nepoháněná náprava u automobilů s motorem umístěným vzadu a pohonem zadní nápravy. Stejné řešení se objevovalo i u automobilů s motorem vpředu a pohonem zadní nápravy prostřednictvím kardanového hřídele.

Výzvy spojené s koncepcí motoru vzadu a vpředu

Automobilky s motorem vzadu čelily problémům při vývoji kombi verzí nebo jiných užitkových variant, jako jsou pick-upy. Například automobilka VW tento problém řešila uložením motoru typu Boxer vzadu pod podlahou, což však vedlo ke zvýšenému zatížení zadní nápravy a odlehčení přední části vozidla.

U automobilů s motorem vpředu a pohonem zadní nápravy bylo nutné v podlaze počítat s prostorem pro tunel kardanového hřídele. Další nevýhodou byla často horší trakce zadních kol, zejména v zimním období.

Přestože například u automobilů Škoda se koncepce "vše vzadu" udržela až do 90. let 20. století, již kolem roku 1934 nabídl Citroën Traction Avant poháněnou přední nápravu.

Nástup předního pohonu

Přelom 60. a 70. let znamenal konstrukční, technologické a materiálové zdolání výroby kvalitních kloubových hřídelí. To umožnilo nástup silné generace vozidel s motorem vpředu a pohonem přední nápravy. Mezi nejznámější zástupce této éry patřily Renault 16, Fiat 128, Renault 4, Citroën 2 CV, Citroën DS, Mini Morris, VW Golf, FIAT 127 a Simca 1307/1308. Většina z nich využívala zavěšení typu McPherson.

Výhody a nevýhody předního pohonu

Přechod na přední náhon přinesl řadu výhod:

• Efektivnější využití úložného prostoru.
• Možnost variability interiéru.
• Jednodušší odvození karosářských variant (kombi, pick-up, sanitní a užitkové verze).
• Dobré trakční vlastnosti za normálních podmínek.
• Příznivé rozložení hmotnosti vozidla.
• Jednoduchost konstrukce zadní nápravy.
• Možnost náporového chlazení motoru a zjednodušené topení interiéru.

Mezi nevýhody předního pohonu patřily:

• Složitější konstrukce přední nápravy.
• Horší trakční vlastnosti při stoupání a na kluzkém povrchu.
• Vyšší zatížení přední nápravy.
• Tendence k nedotáčivosti vozu.

Základní pojmy a geometrie kol

Pod pojmem zavěšení kol rozumíme způsob připojení kol k rámu nebo karosérii vozidla. Umožňuje svislý pohyb kola vzhledem ke karosérii.

Záběr je úhel mezi osou kola a vertikální osou při pohledu zepředu nebo zezadu vozidla. Kolo je sbíhavé, pokud je přední část kola přikloněna k podélné ose vozidla. Správná sbíhavost přispívá ke stabilitě vozidla v přímém směru a eliminuje kmitání kol způsobené vůlemi v řízení.

Záklon čepu řízení je úhel, který svírá osa otáčení s příčnou rovinou kolmou na vozovku. U vozidel s předním pohonem je záklon zpravidla blízký nule.

Závlek je vzdálenost průsečíku osy řízení s vozovkou, promítnutá do roviny rovnoběžné s podélnou rovinou vozidla, od středu styku pneumatiky. Pokud je průsečík před středem styku pneumatiky, hovoříme o kladném závleku. Pokud je za ním, jedná se o záporný závlek, tzv. vybočení.

Struktura přední nápravy

Přední náprava se obvykle skládá z následujících prvků:

• Příčná ramena (spodní a horní).
• Nosný třmen uchycení kola.
• Náboje ložisek kol.
• Stabilizátor (příčný zkrutný stabilizátor).
• Brzdové ústrojí.
• Řízení.
• Odpružení (pružiny).
• Tlumiče.
• U sportovních verzí může být přidán rám, případně nápravnice nebo pomocný výztužný rám.

Funkce stabilizátoru

Stabilizátor slouží k redukci naklánění vozidla při zatáčení. Při zatáčení dochází k přenosu hmotnosti na vnější stranu, což způsobuje kompresi zavěšení na dané straně. Stabilizátor se snaží tento pohyb přenést i na opačnou stranu nápravy, čímž dochází k torznímu odporu a následné redukci náklonu vozidla.

Zavěšení typu McPherson

Dnes nejvíce používané zavěšení kol typu McPherson navrhl Američan Earle Steele MacPherson ve čtyřicátých letech minulého století. Tato náprava je odvozena z lichoběžníkové nápravy, u které je horní rameno nahrazeno posuvným vedením, jež zahrnuje otočný tlumič a pružinu (vzpěra McPherson). Toto řešení uvolňuje vnitřní prostor pro motor nebo zavazadlový prostor.

Náprava McPherson je v současnosti nejčastěji používaným zavěšením předních kol u osobních automobilů evropského původu. Její konstrukce je velmi jednoduchá a sestává ze tří základních částí:

1. Spodní příčné rameno.
2. Nosný třmen kola.
3. Vzpěra McPherson.

Kolo je pomocí nosného třmenu připojeno ke spodnímu příčnému rameni kulovým kloubem. Horní závěs tvoří axiální valivé ložisko (případně dvě ložiska), které přenáší hmotnost příslušné části automobilu na vinutou pružinu a zároveň umožňuje natáčení kola. Pružina se opírá spodním koncem o misku pevně spojenou s vnějškem tlumiče.

Vzhledem k tomu, že vzpěra přenáší boční síly, je její pístnice mnohem silnější než u normálního tlumiče. Ve většině automobilů se používá šikmé uložení pružiny pro snížení ohybového namáhání pístnice.

Lichoběžníková náprava

U lichoběžníkové nápravy je zavěšení realizováno pomocí dvou nestejně dlouhých příčných ramen, přičemž horní rameno je kratší. Pomocí těchto ramen jsou kola zavěšena na nápravnici nebo rámu. V půdorysném průmětu tato ramena tvoří lichoběžník, odtud název nápravy.

Konstrukce obou ramen je spojena svislým čepem, resp. třmenem, na kterém je uloženo kolo. Většinou je tlumič s pružinou upevněn na spodní příčné rameno, protože díky své větší délce vykonává při pružení menší úhlové výchylky.

U vozidel s motorem vpředu je horní rameno podstatně kratší než spodní, aby se uvolnilo místo pro agregát v oblasti horního ramene.

Výhodou lichoběžníkové nápravy oproti McPherson jsou lepší jízdní vlastnosti, proto se používá převážně u sportovních a luxusních automobilů.

Vývoj s podporou výpočetní techniky

Proces návrhu a výroby automobilových komponentů je v současnosti silně podporován výpočetní technikou a implementací CAD/CAM systémů. Tvorba třídimenzionálních virtuálních modelů hraje klíčovou roli při návrhu přední nápravy, umožňuje provedení mnoha analýz již ve stadiu návrhu.

V rámci vývoje byly vytvořeny virtuální modely jednotlivých částí, jako například spodní rameno, třmen kola, uchycení vzpěry McPherson, samotná vzpěra McPherson, nápravnice, komponenty řízení, kulové čepy, stabilizátor, spodní pomocný rám a horní rozpěrná výztuha uchycení vzpěr McPherson.

Budoucnost předních náprav

Další vývoj konstrukce předních náprav je těžko předvídatelný. Hybridní a elektrické pohony si vyžadují uložení elektromotoru přímo v nábojích kol. Brzdy se pravděpodobně stanou elektronickými, ovládanými po drátě, a tradiční hydraulika by mohla být nahrazena i u posilovačů řízení.

Vize zavěšení kol budoucnosti, jak ji prezentuje například firma Siemens, naznačuje radikální změny. Nicméně, motoristický nadšenci věří, že tyto "instantní" řešení se nestanou realitou v blízké budoucnosti.

Je důležité poznamenat, že mnohé studie poukazují na to, že elektromobily nejsou tak ekologické, jak se často prezentují, vzhledem k environmentální zátěži spojené s výrobou elektřiny.

tags: #jak #se #rika #predni #casti #automobilu