גאומטריית היגוי
גאומטריית היגוי ברכב היא הגאומטריה שלפיה ממוקמים ההגה, המנוע והגלגלים זה ביחס לזה, בזוויות שונות שנועדו למספר תפקידים שונים. בניגוד למחשבה המקובלת, גלגלי הרכב אינם מקבילים זה לזה.
זווית שפיעה (Camber)
אם מסתכלים על המכונית מלפנים, רואים שהגלגלים אינם מקבילים זה לזה. אם המרחק בין החלק העליון של הגלגלים גדול מהמרחק שבין החלק התחתון של הגלגלים – השפיעה חיובית. דבר זה מאריך את חיי המסבים, מפחית כשלים פתאומיים ובנוסף לכך, מקל את ההיגוי. אם המרחק בין החלק העליון של הגלגלים קטן מהמרחק שבין החלק התחתון של הגלגלים – השפיעה שלילית. דבר זה מחזק את יכולת השליטה ברכב, מעניק יציבות בפניות מבלי לקצר בצורה משמעותית את חיי הצמיג (כי בפנייה, פועל כוח צידי על הגלגל החיצוני וגורם לו לשנות את זווית השפיעה לחיובית, אם מלכתחילה זווית השפיעה היא שלילית זה מפצה על כך, ומעניק שטח מגע גדול בין הצמיג לכביש – כי שהצמיג מונח מעט בזווית, שטח החיכוך שלו גדל).
במקרה של זווית שפיעה לא מכוונת יישחקו חריצי הצמיג. למשל, בזווית חיובית גבוהה מדי יישחק החלק החיצוני. בנוסף לכך, זווית שפיעה מוגזמת תגרום לבלאי מהיר של חלקי המתלה, כגון: המסבים. אם זווית השפיעה שונה בשני הצדדים – הרכב "ימשוך" לצד שבו הזווית חיובית יותר.
בכלי רכב רבים, בעלי הנעה קדמית בעיקר, זווית השפיעה היא קבועה. לכן, אם הזווית אינה מכוונת הרי הרכב שחוק או עקום, אולי כתוצאה מתאונה — דבר המחייב החלפה או תיקון. בכלי רכב רבים משתנה הזווית במהירויות שונות, כתוצאה מכוחות אווירודינמיים המשנים את גובה הרכב (ודרך כך את הזווית). לכן, כיוון הזווית נעשה כך שבנסיעה מהירה תהיה שחיקה מעטה של הצמיגים.
בעבר הייתה המגמה הרווחת לכוון את הזווית כך שתהיה אפס או חיובית מעט, על מנת לקזז את המשקל שיועמס על הרכב. המגמה הרווחת כיום היא כיוון זווית שלילית, על מנת להעניק לרכב יציבות נוספת (שטח המגע של הצמיג גדל בפניה).
קדם אופן (גלגילון – Caster)
ציר ההיגוי של הגלגלים אינו ניצב לקרקע אלא מוטה באלכסון. אם החלק העליון של הציר מופנה לאחור, אז קדם האופן הוא חיובי. הדבר מסייע בשמירת כיוון הנסיעה בקו ישר. משום שציר ההיגוי חותך את הקרקע לפני הגלגל (בדומה לעגלת קניות), כך שהגלגל מאולץ לנוע מאחורי הציר ועל ידי כך לשמור על הכיוון. זווית חיובית מנסה ליישר את הגלגלים, וזו אחת הסיבות שההגה חוזר מעצמו למקומו לאחר פנייה.
- אם החלק העליון של הציר מופנה לפנים, אז קדם האופן הוא שלילי, מה שמעניק לנהג היגוי רך יותר. כיום מתכננים את קדם האופן שיהיה חיובי. אם הרכב נוסע לאחור, אז קדם האופן הוא שלילי (כי כיוון הנסיעה התהפך). במקרה זה מורגש היגוי רך יותר, אך ההגה לא מתיישר לבד כמו בנסיעה קדימה.
- אם קדם האופן לא מכוון עלול להיווצר קושי בשמירה על נסיעה בקו ישר.
- אם קדם האופן לא שווה בשני הצדדים – הרכב "ימשוך" לצד שבו קדם האופן פחות חיובי.
- אם קדם האופן שווה אבל שלילי מדי, ההגה יהיה רך, והרכב עלול לסטות ממסלולו. כי יהיה קשה לשמור על קו ישר.
ככל שקדם האופן גדול יותר (וחיובי) גדל המרחק האופקי בין שני הכוחות (נקודה עליונה ותחתונה של הציר), דבר המגדיל את שטח המגע של הצמיג. אם קדם האופן חיובי אך גדול מדי יהיה ההיגוי קשה (בגלל הגדלת שטח המגע של הצמיג עם הקרקע). בנוסף, תגרם רגישות יתר בצמיג לפגמים קטנים בכביש. במקרה של קדם אופן נייטרלי לא תהיה המכונית יציבה, כי כל הכוח מופעל על נקודה אחת.
בדומה לזווית שפיעה, בכלי רכב רבים בעלי הנעה קדמית לא ניתן לכוון את קדם האופן. לכן, אם אינו מכוון, משהו ברכב שחוק או עקום, אולי כתוצאה מתאונה, דבר המחייב החלפה או תיקון.
לפני שנת 1975 נהגו לתכנן מכוניות עם קדם אופן שלילי, משתי סיבות:
- הייתה דרישה מקרב הנהגים להגה רך. הגה כוח לא היה בנמצא, כך ששינוי קדם האופן היה פתרון אפשרי.
- הצמיגים לא היו רדיאליים (צורת מבנה הצמיג), ולכן הם היו מתעוותים בזמן נסיעה מהירה, ורוב הצמיג היה נסרח מאחורי הציר (ושטח המגע היה מאחורי הציר), כך שקדם האופן האפקטיבי היה חיובי. אם רוצים להרכיב צמיגים רדיאליים בכלי רכב ישנים יש לשנות את קדם האופן לחיובי, כדי שהרכב יוכל לשמור על מסלולו במהירות גבוהה.
לקדם האופן השפעה מעטה על שחיקת הצמיגים.
נטיית ציר ההיגוי (Steering Axis Inclination)
כאשר מסתכלים על המתלה מלפנים, רואים את הזווית הנוצרת בין המתלה לבין הצמיג. הזווית הזו בתוספת זווית השפיעה (יחד הן נקראות הזווית הכוללת- Included Angle), גורמת להרמה קלה של הרכב כאשר הגלגלים אינם במרכז. דבר זה גורם ליישור הגלגלים על ידי משקל הרכב, לאחר ביצוע פנייה (בנוסף לקדם האופן).
כינוס גלגלים והתבדרותם (Toe-in, Toe-out)
כאשר מסתכלים על הרכב מלמעלה, רואים שהגלגלים אינם מקבילים זה לזה. מצב בו המרחק בין החלק הקדמי של הגלגלים קטן מהמרחק שבין חלקיהם האחוריים נקרא כינוס (Toe–in). דבר זה מונע מהגלגלים לנטות החוצה בהאצות חזקות או במהירויות גבוהות (אז מקבילים הגלגלים זה לזה).
מצב בו המרחק בין החלק הקדמי של הגלגלים גדול מהמרחק שבין חלקיהם האחוריים נקרא התבדרות (Toe–out). דבר זה מונע מהגלגלים לנטות פנימה בפניות המתבצעות במהירות.
אם ה-Toe אינו מכוון עלולה להיות שחיקה מהירה ושווה בשני הצמיגים.
Toe מתכוונן תמיד בזוג הגלגלים הקדמיים (גם בכלי רכב בעלי הנעה קדמית) ובכלי רכב מסוימים אף בגלגלים האחוריים. כמו זווית השפיעה, גם ה-Toe משתנה במהירויות שונות, כתוצאה מכוחות אווירודינמיים המשנים את גובה המרכב (ועל ידי כך את ה-Toe) – בהתאם למוטות ההיגוי ולמערכת המתלים. ה-Toe מכוון כך שבמהירות גבוהה הוא אפס, כדי להגיע לשחיקת צמיגים מינימלית.
זווית אקרמן (Ackerman Steering Principle)
כאשר הגלגלים מופנים יש הבדל בין הזוויות שלהם: הגלגל הפנימי הוא בעל זווית גדולה יותר, מכיוון שהגלגל הפנימי פונה ברדיוס קטן יותר מהגלגל החיצוני (בנוסף, הגלגל הפנימי עובר פחות מרחק). לכן, הגלגל הפנימי פונה בזווית גדולה יותר. מתן זוויות שונות מתבצע על ידי זרועות ההיגוי. אילו הייתה לגלגל הפנימי זווית זהה לשל הגלגל החיצוני, היה מחליק ומשתפשף והדבר היה גורם לחימום הצמיג ולשחיקתו.
קישורים חיצוניים
- הסברים על כוונון גלגלים, אתר Familycar (באנגלית)