Wszystkie koła powinny toczyć się po łukach, których krzywizny mają wspólny środek znajdujący się na przedłużeniu obrotu tylnych kół. Umożliwia to mechanizm zwany trapezem Ackermanna, składający się ze zwrotnic kół z ramionami położonymi nierównolegle do osi pojazdu i z łączących je drążków.
   Obecnie stosuje się w zasadzie dwa typy przekładni kierowniczej – zębatkową, dającą na wyjściu ruch postępowy i coraz rzadziej śrubowo-kulkową, dającą na wyjściu ruch obrotowy ramienia kierowniczego. Ich wybór uzależniony jest przede wszystkim od rodzaju napędu (na przednie lub tylne koła) i od konstrukcji zawieszenia, a więc od ilości miejsca i oczekiwanego przebiegu zmian przełożenia w funkcji kąta skrętu kół.

 

PRZEKŁADNIA ZĘBATKOWA

   Przekładnia ta, dająca na wyjściu ruch postępowy, praktycznie dominuje we współczesnych samochodach osobowych. Wynika to głównie z ich zwartej konstrukcji - niezależne zawieszenie kół przednich i napęd na przednie koła pozostawiają niewiele miejsca dla mechanizmu kierowniczego, a więc niemożliwe jest stosowanie przekładni dającej na wyjściu ruch obrotowy. Przekładnię zębatkową, która jest rozwiązaniem uniwersalnym, stosuje się także w niektórych pojazdach z niezależnym zawieszeniem przedniej osi i napędem na tylne koła (np. Porsche 911, Mercedes-Benz klasy E, ML, a nawet S).
Mechanizm zębatkowy stosuje się obecnie także w pojazdach dostawczych o niezależnym zawieszeniu przedniej osi.Ze względu na tak dużą różnorodność zastosowań zębatkowa przekładania kierownicza może występować w kilku odmianach. Zazwyczaj zębnik jest umieszczony w środku przekładni, a drążki poprzeczne mocowane są do końców listwy zębatej. Drugą możliwością jest umieszczenie zębnika blisko końca listwy, wtedy przeguby drążków poprzecznych można przymocować albo do końców listwy zębatej albo w jej środku, a nawet oba drążki poprzeczne mocować do jednego końca listwy zębatej. Wybór odpowiedniej odmiany mechanizmu zależy często od ilości miejsca przeznaczonego na układ kierowniczy.
   Ze względu na konieczność ominięcia elementów układu zawieszenia w większości samochodów klasy średniej i niższej stosuje się zębatkową przekładnię z drążkami poprzecznymi mocowanymi do końców listwy zębatej. Jest to rozwiązanie najprostsze, najtańsze, a co więcej, umiejscowienie przegubów drążków w osi listwy zębatej zapobiega generowaniu jakiegokolwiek momentu obracającego tę listwę.
Przekładnia zębatkowa może być umocowana nisko (poniżej osi kół), elementy układu kierowniczego znajdują się wtedy w sąsiedztwie przegubów napędowych, a drążki poprzeczne mocowane do końców listwy są stosunkowo krótkie. Jest to proste i tanie rozwiązanie.

Umieszczenie przekładni kierowniczej wysoko (elementy układu kierowniczego znajdują się wtedy nad przegubami napędowymi) wymaga często mocowania drążków poprzecznych w środku listwy zębatej. Tak zamocowane drążki są długie, a więc zabierają więcej miejsca, ale ich zaletą jest minimalizowanie zmian zbieżności kół przy pionowych ruchach zawieszenia. Długość drążków ma też wpływ na ograniczenie momentów usiłujących obrócić listwę zębatą, powstających podczas skrętu i przy ruchach pionowych kół, gdy drążki poprzeczne ustawiają się pod pewnym kątem względem samej listwy.

Przekładnia zębatkowa, niezależnie od jej przełożenia, charakteryzuje się bardzo bezpośrednim przeniesieniem obrotu kierownicy na ruch obrotowy zwrotnic zawieszenia, co w wielu przypadkach uznawane jest za zaletę, gdyż umożliwia dobre „czucie” drogi przez kierowcę.
Z drugiej jednak strony zachowanie takie może stwarzać poczucie dyskomfortu, gdy każdy nawet drobny ruch kierownicy powoduje zmianę toru jazdy. Zadaniem konstruktorów jest takie dobranie przełożenia przekładni zębatej i takie wytłumienie drgań układu, by skręt kół w położeniu centralnym był (albo przynajmniej wydawał się) mniej bezpośredni niż w położeniach skrajnych. Obecnie dość powszechnie stosuje się listwy zębate o płynnie zmiennej podziałce zębów, dzięki czemu przełożenie mechanizmu jest inne (większe) w położeniu centralnym niż w położeniach skrajnych.

 

 

PRZEKŁADNIA ŚRUBOWO-KULKOWA

Przed kilkudziesięciu laty dominującym typem przekładni kierowniczej były urządzenia zamieniające ruch obrotowy wału kierownicy na podobny ruch osi i związanego z nią ramienia kierowniczego. Powszechnie stosowano w tym celu przekładnie śrubowe, ślimakowe albo ich odmianę, globoidalne przekładnie ślimakowe. Rozwinięciem tych konstrukcji stała się przekładnia śrubowo-kulkowa, w której siły w układzie gwint-nakrętka przenoszone są przez grupę kulek łożyskowych. Przekładnie takie stosowane są dziś niekiedy w pojazdach użytkowych ze sztywną osią przednią i napędem kół tylnych (np. ciągniki rolnicze) oraz w niektórych samochodach osobowych z niezależnym zawieszeniem kół przednich i napędem na tylne koła (np. Mercedes-Benz klasy C, SL, CLK i SLK). W pojazdach o takiej konfiguracji napędu i zawieszenia można stosować zarówno przekładnię dającą na wyjściu ruch obrotowy i postępowy. Stosując przekładnię generującą ruch obrotowy, trzeba się liczyć z bardziej skomplikowaną konstrukcją trapezowego mechanizmu zwrotniczego – zazwyczaj składa się on z drążków zewnętrznych, centralnego drążka pośredniego, a także, prócz samej przekładni, drugiego elementu obrotowego z ramieniem kierowniczym umieszczonym na łożyskowanej osi, zwanego wspornikiem drążków kierowniczych. Odpowiednio projektując układ drążków kierowniczych można uzyskać niemal dowolny przebieg zmian przełożenia przekładni w funkcji kąta skrętu kół, co jest niewątpliwą zaletą w przypadku aut luksusowych. Z kolei wadą przekładni tego typu, a także pokrewnej jej przekładni ślimakowej, prócz znacznej komplikacji jest generowanie stosunkowo dużych oporów wewnętrznych i – zazwyczaj – obecność istotnych luzów, przejawiających się „martwym obrotem” kierownicy. W efekcie tego typu przekładnia obecna jest dziś w konstrukcjach przestarzałych, a także paradoksalnie, w autach w których konstruktorzy dążą do uzyskania maksymalnego komfortu prowadzenia kosztem tzw. sportowych wrażeń z jazdy.

 

 

WSPOMAGANIE PRZEKŁADNI KIEROWNICZYCH

   Realizowane jest ono układem hydraulicznym lub, coraz częściej, elektrycznym. W samochodach wspomaganie musi być tak skonstruowane, by zawsze istniało mechaniczne połączenie kół jezdnych
z kołem kierownicy. W układzie hydraulicznego wspomagania przekładni zębatkowej elementem wykonawczym jest siłownik umieszczony w osi listwy zębatej. Pompa łopatkowa wytwarza wysokie ciśnienie, a olej przewodem doprowadzany jest do zaworu sterującego umieszczonego w obudowie zębnika. Zależnie od kierunku obrotu kierownicy olej jest kierowany do prawego lub lewego przewodu połączonego z siłownikiem, który wspomaga ruch postępowy listwy zębatej. Wydatek oleju zależy w pewnym stopniu od momentu generowanego przez kierowcę podczas obracania kierownicy. Przy jeździe na wprost olej z zaworu sterującego kierowany jest obiegiem bocznikowym do zbiornika oleju.
   W przekładni śrubowo-kulkowej ze wspomaganiem hydraulicznym tłok siłownika i zawór sterujący umieszczone są we wspólnej obudowie z przekładnią mechaniczną. Tłok siłownika ma zębatkę, która współpracuje z zębami wycinka (zębatego) na wale wyjściowym. Sposób działania siłownika jest identyczny jak w przekładni z listwą zębatą. Wspomaganie hydrauliczne pochłania dość sporą ilość energii, przy czym łopatkowa pompa oleju napędzana paskiem od wału korbowego nie może być odłączana, a przy jeździe na wprost energia ta jest całkowicie marnowana. Radą na to jest napęd elektryczny pompy hydraulicznej, czyli wspomaganie elektrohydrauliczne. W układzie takim znajduje się też akumulator ciśnienia. Wspomaganie korzysta z ciśnienia oleju tylko w razie skrętu kierownicy, co przyczynia się do ograniczenia zużycia paliwa.
   Oba systemy wspomagania hydraulicznego mają ogromną zaletę – prócz swej głównej funkcji, czyli zmniejszania wysiłku podczas prowadzenia pojazdu, działają jako zaawansowany tłumik drgań układu kierowniczego. Ponadto wszystkie nowoczesne rozwiązania wzbogacane są o inteligentne sterowanie, które powoduje, że wspomaganie jest odpowiednio mocne przy niewielkich prędkościach jazdy (najmocniejsze – przy prędkościach parkingowych), a z ich wzrostem słabnie, pomagając w stabilnym utrzymaniu kierunku.
Ostatnio rozpowszechnia się wspomaganie czysto elektryczne realizowane za pomocą silnika elektrycznego połączonego z kolumną kierowniczą lub z listwą zębatą.
Zaletami takiego układu są mniejsza masa i wymiary, prostota konstrukcji, niższa cena oraz zmniejszenie zużycia paliwa (od 2 do 5 proc.). Silnik spalinowy pojazdu nie musi napędzać pompy hydraulicznej, a podczas jazdy na wprost silnik elektryczny nie pracuje, więc nie pobiera energii. Sterowany jest on mikroprocesorem uwzględniającym kierunek skrętu, wielkość momentu obrotowego przenoszonego przez wał kierownicy, prędkość pojazdu i prędkość obrotową silnika spalinowego. Na podstawie tych danych określana jest wielkość siły wspomagającej. W niektórych układach kierowca może ją zwiększyć przyciskiem np. podczas parkowania. Rozwiązanie to stosuje przede wszystkim Fiat.
Czysto elektryczne wspomaganie krytykowane bywa za nieco sztuczne generowanie sił w układzie kierowniczym, a producenci czasami nie potrafią oprzeć się pokusie wytwarzania nadmiernych sił wspomagających. Brak tłumienia hydraulicznego jest też poważnym problemem. Niektórzy producenci próbują kompensować to aktywnym tłumieniem elektrycznym, ale efekty bywają niedobre. Z drugiej strony działanie silnika elektrycznego we wspomaganiu można na drodze programowej powiązać z funkcjami ESP, a nawet próbować stworzyć samochód skręcający samoczynnie, np. podczas parkowania. Tego typu rozwiązania wchodzą już powoli do produkcji, a każda następna generacja wspomagania elektrycznego wydaje się być lepsza od poprzedniej.  Firma BMW przedstawiła niedawno innowacyjną przekładnię z listwą zębatą i wspomaganiem elektrycznym, ale zrealizowanym w ten sposób, że silnik elektryczny oddziałuje na listwę poprzez rodzaj przekładni śrubowo-kulkowej. Ma to służyć upodobnieniu pracy takiej przekładni do przekładni wspomaganej hydraulicznie.   

 

 

AKTYWNY UKŁAD KIEROWNICZY

   Wadą klasycznego układu kierowniczego jest stałe przełożenie przekładni, którego wielkość jest kompromisem między zwrotnością pojazdu podczas manewrowania i statecznością podczas szybkiej jazdy. W przeciętnym samochodzie przestawienie kół pomiędzy skrajnymi położeniami wymaga trzech obrotów kierownicą. W rzeczywistości jednak przy parkowaniu korzystne jest takie przełożenie, które wymaga małej liczby obrotów koła kierownicy przy mocnym wspomaganiu, natomiast taka wrażliwość układu kierowniczego nie jest wskazana, gdy jedziemy z dużą prędkością na wprost. Wspomnieliśmy już, że w niektórych przekładniach zębatkowych zmienne przełożenie realizowane jest przez zmianę podziałki listwy zębatej na jej końcach. Nie jest to jednak rozwiązanie idealne. Firmy ZF i Bosch jako pierwsze opracowały aktywny układ kierowniczy o zmiennym przełożeniu, zależnym od prędkości jazdy. Zmianę tę uzyskano umieszczając w kolumnie kierowniczej dodatkową „przelotową” przekładnię plaetarną o zmiennym przełożeniu. Jej wałek wyjściowy połączony jest  z klasyczną zębatkową rzekładnią kierowniczą  stałym przełożeniu.

Kontrola przełożenia przekładni planetarnej dokonywana jest na podstawie informacji m.in. kącie skrętu kół przednich  i prędkości pojazdu. Sterownik elektroniczny uruchamia silnik elektryczny kontrolujący obrót jej koła koronowego. W razie uszkodzenia układu można nadal sterować kołami jezdnymi, czego wymagają obowiązujące przepisy homologacyjne – w takim przypadku koło koronowe nie obraca się i przekładnia planetarna ma stałe przełożenie. Pionierem tej technologii była firma BMW. Z układem kierowniczym o zmiennym przełożeniu (montowanym w BMW serii 5 i 6 Coupe, a także serii 3) współpracują hydrauliczny serwomechanizm o nazwie Servotronic oraz układ kontroli toru jazdy DSC. Stateczność ruchu samochodu kontrolowana jest w tym przypadku nie tylko poprzez przyhamowywanie wybranych kół, ale też przez niezależne od kierowcy korekty skrętu kół przednich. Producent twierdzi zatem, że aktywny układ kierowniczy podnosi bezpieczeństwo jazdy.

W praktyce działa on w ten sposób, że przy prędkości do 40 km/h kierowca wykonuje tylko jeden pełny obrót kierownicą pomiędzy skrajnymi położeniami kół, a przełożenie układu kierowniczego wynosi 1:10. Dzięki mniejszej liczbie obrotów kierownicy łatwiej jest np. zaparkować. Wraz ze wzrostem prędkości jazdy przełożenie układu kierowniczego zmienia się, by był on mniej czuły na ruchy kierownicą. Przy prędkości 120 km/h przełożenie wynosi 1:14, a przy prędkości 200 km/h – 1:18. System ten w swej pierwszej wersji krytykowany był za nadmierne ingerowanie w pracę układu kierowniczego.
O ile manewrowanie w mieście było bardzo komfortowe, to np. na górskiej drodze należało się doń przyzwyczaić. Już druga wersja (BMW serii 3) aktywnego układu okazała się wolna od tych wad. Technologię aktywnego układu kierowniczego wkrótce znajdziemy w ofercie innych producentów.

 

 

STEROWANIE WSZYSTKIMI KOŁAMI

Z punktu widzenia kierowalności i stateczności pojazdu skręcane powinny być wszystkie koła. Próby zastosowania takich rozwiązań, zazwyczaj czysto mechanicznych, podejmowano w przeszłości, jednak, także ze względu na koszty, bez większego powodzenia. Od 2002 r. w dużych pojazdach rekreacyjno-terenowych i w pikapach General Motors sprzedawanych na amerykańskich rynkach montuje się system sterowania wszystkimi kołami o nazwie Quadrasteer opracowany przez firmę Delphi. Skręt kół tylnych jest realizowany przekładnią zębatkową sterowaną silnikiem elektrycznym. Podczas jazdy z niskimi prędkościami koła tylne skręcają się w kierunku przeciwnym do kół przednich. Zmniejsza to promień skrętu i liczbę wymaganych obrotów koła kierownicy. Podczas jazdy ze średnimi prędkościami koła tylne są ustawione na wprost, natomiast gdy jedziemy z wysokimi prędkościami, koła tylne skręcają w tę samą stronę co przednie. Powstaje w ten sposób zjawisko redukcji kąta znoszenia tylnej osi i poprawiają się własności jezdne np. na śliskiej nawierzchni. Korekcyjne skręty tylnych kół powiązane z działaniem układu ESP są według badaczy następnym krokiem w rozwoju układów stabilizacji toru jazdy. Badania nad takimi rozwiązaniami trwają, prowadzi je m.in. Continental Teves i jest to jeden z elementów kompleksowego układu bezpieczeństwa jazdy tej firmy, nazwanego APIA.

 

 

ZMIENNA ZBIEŻNOŚĆ TYLNYCH KóŁ

Na jeszcze inny pomysł zwiększenia stabilności pojazdu wpadli inżynierowie Hyundaia, którzy w 2002 r. zaprezentowali rozwiązanie zmieniające zbieżność kół tylnych. W większości samochodów koła tylnej osi są ustawione zbieżnie, co podczas pokonywania ostrych łuków łagodzi tendencję do pogłębiania zakrętu, a więc do ewentualnej utraty panowania nad autem. Jednak korzystniej byłoby, gdyby zbieżność tylnych kół dała się regulować w zależności od potrzeb. Rozwiązanie Hyundaia o nazwie AGCS (Active Geometry Control Suspension) można zastosować tylko w nowoczesnych zawieszeniach wielodrążkowych. W belce zawieszenia z każdej strony znajduje się elektryczny siłownik, współpracujący poprzez dźwignię z drążkiem, który można nazwać „kierowniczym”. Tylne koła nie mają jednak zwrotnicy, zmiany zbieżności odbywają się w małych granicach elastyczności mocowania elementów prowadzących. Podczas jazdy na wprost zbieżność tylnych kół jest bliska zeru. Gdy pojazd skręca z niewielką prędkością, zbieżność kół także jest zmniejszana dla lepszego utrzymania toru jazdy oraz większej stabilności. Pokonywaniu zakrętu z dużą prędkością towarzyszy zwiększenie zbieżności zewnętrznego koła, stabilizujące auto. Według specjalistów z Hyundaia układ AGCS ma tę przewagę nad ESP, że nie wyhamowuje samochodu, aktywnie reagując na sytuację.
W układach kierowniczych przyszłości połączenia mechaniczne między kołami a kierownicą mają zostać zastąpione przewodami elektrycznymi. Koła jezdne będą skręcane siłownikiem sterowanym elektrycznie, a kąt obrotu kierownicy będzie przetwarzany na impulsy elektryczne przez elektroniczny sterownik.
To bardzo obiecujący pomysł. Ale jak będziemy skręcać, gdy przerwie się przewód?