سامانه تعلیق خودرو

نویسنده:‌محمدحسن‌ پیروزپناه و با تشکر از مهندسان حسین پاکزاد و پویا عباسی     تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۰۱/۲۷      مدت زمان تقریبی مطالعه: ۳۰ دقیقه

مقدمه

هر خودرو از بخش‌ها و اجزای متفاوتی مثل سیستم ترمز، سیستم انتقال قدرت، سیستم برق و… تشکیل شده است که هر یک وظایف خاص خود را بر عهده دارند. از مهم‌ترین سیستم‌های یک خودرو سیستم تعلیق یا سیستم فنربندی (Suspension System) است که وظایف مهمی برعهده دارد. در این مقاله سعی می‌کنیم با این سیستم بیشتر آشنا شویم.

‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌تاریخچه

در طول تاریخ اولین قومی که به نوعی از از سیستم تعلیق استفاده کرد، مصریان باستان بودند که از فنرهای برگی استفاده میکردند. با این حال نمونه‌های اولیه سیستم فنربندی نخستین بار در کالسکه‌ها و گاری‌ها مورد استفاده قرار گرفت. در نمونه‌های نخستین گاری‌ها روی زنجیر‌های فلزی متصل به چرخ‌ها تاب می‌خوردند. در قرن هفدهم میلادی زنجیرهای فلزی جای خود را به تسمه‌های چرمی دادند و حدود سال ۱۷۵۰ میلادی فنرهای برگی راه خود را به سیستم فنربندی بعضی گاری‌ها باز کردند. این سیستم اولیه تا آغاز قرن نوزدهم میلادی به‌عنوان پایه‌ی سیستم‌های تعلیق امروزی باقی ماند و در اواسط قرن نوزدهم با ظهور فنرهای بیضوی فصل جدیدی در دنیای سیستم‌های فنربندی آغاز شد.

سیستم‌های فنربندی اولیه به‌طور خاص برای گاری‌ها و کالسکه‌هایی طراحی شده بود که به‌واسطه‌ی نیروی حیوانات کشیده می‌شدند و به‌تبع سرعت حرکت پایینی داشتند. با وقوع انقلاب صنعتی و اختراع موتورهای احتراق داخلی صنعت خودروسازی به‌سرعت پیشرفت کرد و سرعت به‌عنوان متغیری مهم در صنعت خودروسازی مطرح شد. افزایش سرعت حرکت به‌واسطه‌ی ظهور پیشرانه‌های احتراق داخلی سبب شد تا نیاز به سیستم فنربندی کارآمد بیش‌ازپیش حس شود.

اوبادیا الیوت (Obadiah Elliott) اولین شخصی بود که پتنتی برای سیستم فنربندی یک خودرو به ثبت رساند. در پتنت الیوت هر چرخ خودرو دارای دو طبق در هر طرف بود. طبق‌ها به اکسل متصل بودند و کابین خودرو به‌طور مستقیم روی این طبق‌ها قرار می‌گرفت.

تصویر۱- پتینت الیوت

استفاده از فنرهای لول در سیستم فنربندی خودروها اولین‌بار در سال ۱۹۰۶ میلادی آغاز شد. شرکت براش موتور (Brush Motor Company) با استفاده از فنر لول در سیستم تعلیق مدل Brush Runabout فصل جدیدی را در تاریخ این صنعت رقم زد.

امروزه در بیشتر سیستم‌های فنربندی خودروها از فنر لول استفاده می‌شود و از آن زمان تاکنون بیشتر نوآوری‌ها پیرامون نحوه‌ی به‌کارگیری و چینش فنرهای لول در سیستم‌های تعلیق بوده است.

تصویر۲- یک فنر لول

اهمیت سیستم تعلیق در خودرو

اگرچه اهمیت سیستم تعلیق تا حدی برای همه مشخص است با این حال با ذکر دو مثال اهمیت آن را بیان می‌کنیم:

۱- براساس قوانین حرکت نیوتن، نیروها علاوه‌ بر اندازه، جهت دارند. بر این اساس، وجود سطحی ناصاف روی جاده سبب اعمال نیرویی رو به بالا در جهت عمود بر سطح به چرخ می‌شود که اندازه‌ی آن بستگی به میزان بزرگی ناصافی دارد. این نیرو سبب ایجاد شتابی عمودی در خودرو می‌شود که بدون سیستم فنربندی تمام این نیرو به کابین خودرو وارد می‌شود. در این حالت کابین در جهت نیروی اعمالی حرکتی رو به بالا خواهد داشت و در صورتی که نیروی یاد شده به‌قدر کافی زیاد باشد، می‌تواند سبب از دست رفتن اصطکاک تایرها با سطح جاده شود. سپس، نیروی گرانش خودرو را دوباره به سمت پایین کشیده و سبب کوبیده شدن خودرو بر سطح جاده می‌شود. در اینجا سیستم تعلیق وظیفه دارد تا جلوی روی دادن این حادثه را بگیرد.

۲- هنگامی که خودرو در حال رد شدن از سر پیچ‌ها است و یا هنگامی که خودرو با سرعت بالایی در حال حرکت است، کنترل آن تنها منحصر به سیستم فرمان و سیستم ترمز خودرو و یا مکانیسم‌های آنها نمی‌شود، چراکه در این شرایط نیروهای خارجی قوی به خودرو وارد می‌شوند که کنترل خودرو را بسیار سخت کرده و خطرات بسیاری مانند چپ کردن یا منهدم شدن در اثر باد افتادن زیر خودرو، آن را تهدید می‌کنند .سیستم تعلیق با خنثی کردن این نیرو از انحراف خودرو جلوگیری می‌کند.

وظایف سیستم تعلیق

بیشتر مهندسان خودرو دینامیک یک خودروی متحرک را از دو جنبه مورد توجه قرار می‌دهند،

۱- سواری: عبارت است از قابلیت حرکت نرم روی سطوح ناهموار

۲- فرمان‌پذیری: عبارت است از قابلیت شتاب‌گیری، ترمز و پیچیدن امن در یک خودرو

این دو ویژگی می‌توانند برپایه‌ی سه اصل مهم جذب نیروها، چسبندگی با سطح و قابلیت پیچیدن مورد بررسی قرار گیرند که در جدول زیر به توضیح هر یک می‌پردازیم:

اصل مفهوم هدف راه‌حل
جذب نیروها قابلیت خودرو در جذب نیروهای وارده از سطح جاده و عدم انتقال آن‌ها به کابین حرکت روان خودرو روی سطوح ناهموار جذب نیروهای وارده و میرا کردن آن‌ها بدون ایجاد نواسانات ناخواسته در خودرو
چسبندگی با سطح میزان قابلیت خودرو در حفظ چسبندگی تایرها با سطح در شرایط مختلف جاده و رانندگی حفظ تماس تایرها با سطح جاده در هر شرایطی، چراکه حفظ اصطکاک با سطح جاده سبب ایجاد قابلیت فرمان‌پذیری، ترمزگیری و کنترل خودرو می‌شود کاهش حداکثری انتقال وزن خودرو از جلو به عقب، چپ به راست یا برعکس
قابلیت پیچیدن قابلیت خودرو برای حرکت روی جاده‌های دارای پیچ به حداقل رساندن تمایل خودرو به غلتش در هنگام عبور از پیچ‌ها به دلیل وارد شدن نیروی گریز از مرکز، بالا آوردن یک سمت از خودرو و پایین بردن سمت مخالف انتقال وزن خودرو در هنگام پیچیدن از سمت بالا رفته به سمت پایین رفته

سیستم فنربندی خودرو وظیفه‌ی تأمین تمام اهداف ذکر شده در جدول بالا از طریق راه‌حل‌های ارائه شده را برعهده دارد. هر یک از این وظایف مکمل دیگری است و وجود نقص در عملکرد هر یک می‌تواند بر کل سیستم اثرگذار باشد.

اجزای اصلی سیستم فنربندی

سیستم تعلیقی که در حال حاضر در خودروها می‌بینیم انواع مختلف و اجزاء بسیاری دارند. اجزائی که هریک وظیفه‌ خاص خود را برعهده دارند و نبود یا خرابی هرکدام، کل تعلیق خودرو را مختل می‌کند، ایمنی خودرو را تحت تاثیر قرار می‌دهد و فرمان‌پذیری خودرو را آسیب می‌زند. اجزایی مانند بازوی آزاد، بازوی خمیده، بازوی پیت-من، بازوی دنباله‌دار، بازوی فرمان اکسل، میله‌ الصاقی، میله‌ پن-هارد، شاه پین و بازوی کنترل. این قطعات در خودروها و سیستم‌های تعلیق مختلف کم و زیاد می‌شوند اما به طور کلی چند جزء مهم در بیشتر سیستم‌های تعلیق وجود دارد که محوری‌ترین نقش را ایفا میکنند. از مهم‌ترین این اجزا میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

  • رینگ و لاستیک
  • فنرها
  • دمپر یا کمک فنر
  • میل تعادل یا میل موجگیر
  • میل رابط
  • سیبک
  • بوش
  • طبق
  • استارت

حال به بررسی هریک از موارد فوق میپردازیم:

۱-رینگ و لاستیک

بیرونی‌ترین جزء سیستم تعلیق یک خودرو رینگ و لاستیک (Rims and Tires) است. تایرها به‌عنوان تنها بخشی که در تماس مستقیم با سطح جاده قرار دارند از اهمیت به‌سزایی در سیستم فنربندی برخوردار هستند. همواره در عبور از ناهمواری‌ها اولین اثر بر تایرها گذاشته می‌شود. تایرها بخشی از انرژی وارد شده را جذب می‌کنند که به‌صورت تغییرشکل ظاهری و گرما مشخص می‌شود. علاوه بر این، چسبندگی مناسب تایرها با سطح جاده می‌تواند سبب بهبود عملکرد فرمان‌پذیری و حرکتی در خودرو شود که یکی از اهداف اصلی استفاده از سیستم فنربندی است.

رینگ‌ها نیز عضوی مهم در سیستم تعلیق هستند. عموما رینگ‌ها از فولاد ساخته میشوند. با این حال امروزه از آلیاژ های آلومینیوم یا منیزیم نیز استفاده میشود که علاوه بر زیبایی، هدایت گرمایی بیشتری نیز دارند. نقش رینگ‌ها در این سیستم، انتقال وزن خودرو به سطح جاده با توزیع وزنی مناسب‌شان است. همچنین رینگ خودرو باید طراحی بهینه و توزیع وزنی مناسبی داشته باشد تا بتواند وظیفه خود را که انتقال وزن است به بهترین نحو انجام دهد.

تصویر۳- رینگ ولاستیک

۲-فنرها

فنرها (Springs) از اصلی‌ترین بخش‌های سیستم تعلیق هستند که کیفیت و عملکرد صحیح آن‌ها تاثیر مستقیم بر عملکرد سیستم تعلیق خودرو می‌گذارد. این سیستم بدون فنرها هیچ کارایی ندارد. فنرها وظیفه‌ جذب ضربات، تنظیم ارتفاع خودرو و حفظ تماس لاستیک‌ها با سطح جاده را به عهده دارند. به این ترتیب که هنگام وارد آمدن ضربه به لاستیک‌ها در اثر عبور از ناهمواری‌ها فنر جمع شده و فشار وارد از ضربه را در خود جمع می‌کند تا به بدنه و شاسی منتقل نشود. همچنین در حالت عادی، با فشاری که در حالت باز به لاستیک‌ها وارد می‌کند، تماس آن‌ها را با سطح جاده به بهترین و کامل‌ترین شکل، ممکن می‌سازد. فنرها انواع مختلفی دارند که مهمترین و پرکاربردترین آن‌ها فنر مارپیچ، فنر تخت، میله پیچی و فنر بادی هستند. در زیر به برسی هریک از موارد میپردازیم:

۱-۲-فنرهای لول

فنر لول یا فنر مارپیچی (Coil Springs) رایج ترین و معمول ترین فنری است در صنعت خودروسازی استفاده می‌شود. این نوع فنر مطابق شکل۴، کاملا شبیه فنرهای رایجی است که در اطراف خود مشاهده میکنیم؛ به این معنی که فنر لول از یک میله پیچیده شده فولادی تشکیل شده است و قطر و ارتفاع حلقه‌های آن، تعیین کننده قدرت و مقاومتش هستند. به این شرح که افزایش قطر میله،‌ باعث افزایش قدرت فنر می‌گردد، در حالی که افزایش طول آن باعث افزایش انعطاف‌پذیری‌اش خواهد شد. این نوع فنر بیشتر در خودروهای شهری مشاهده می‌شود.

تصویر۴- انواع فنرهای مارپیچی یا لول

فنر لول در سیستم‌های تعلیق مجهز به طبق به‌کار می‌رود. چرا که توانایی انتقال نیروی کششی یا فشاری را ندارند. در مدل‌های قدیمی این فنرها مارپیچ ثابتی داشتند. به این معنی که قطر و ارتفاع حلقه‌های آن‌ها در طول فنر یکی بود. اما امروزه با قطر مارپیچ متغیر یا قطر میل‌گرد متغیر به‌عنوان فنر مخروطی عرضه می‌شوند. به این ترتیب که قسمت وسط مفتول فنر مخروطی از دو سر آن قطورتر است و ضریب فنریت متغیری را پدید می‌آورد. زمانی که این نوع فنر فشرده می‌شود، مقاومت آن در برابر بیشتر فشرده شدن افزایش می‌یابد.

به طورکلی مزایا و معایب فنرهای لول به شرح زیر می‌باشد:

مزایا

۱- اشغال کردن فضای کم

۲- داشتن وزن کم

۳- نیاز نداشتن به تعمیر و نگهداری

۴- سخت تر نمودن فنر، از طریق اضافه کردن قطر مفتول و استوانۀ فنر

۵- داشتن صدای کمتر و همچنین عملکرد نرم تر به دلیل تماس نداشتن حلقه های فنر با یکدیگر

۶- زیاد تر کردن فاصله عرضی بین فنرهای دو سمت از طریق استفاده از آنها (نسبت به فنر شمشی) و در نتیجه کاسته شدن حرکت رول خودرو (که به افزایش پایداری خودرو و راحتی سرنشین منجر می‌شود)

۷- داشتن قیمت پایین تر

۸- با مخروطی ساختن شکل فنر می توان خاصیت سخت شوندگی در آن ایجاد نمود.

معایب

۱- تحمل نکردن نیروهای طولی، عرضی و گشتاوری های حاصل از ترمزگیری و شتاب گیری که باعث می شود با استفاده از بازوهای دیگری به مکانیزم تعلیق، تحمل این نیروها میسرگردد.

۲- قیمت تمام شدۀ سیستم تعلیق و خودرو بیشتر می شود.

۳- احتمال بروز خطر کمانش و انحراف فنر از حالت عمودی با زیاد طول فنر.

۴- بیشتر بودن نوسان این فنر نسبت به فنر های دیگر (در نتیجه حساسیت استفاده از کمک فنر مناسب با این نوع فنر اهمیت بیشتری پیدا می‌کند)

۲-۲-فنرهای‌شمشی یا برگی (Leaf Springs)

این فنرها از قدیمی‌ترین فنرهای مرسوم در سیستم‌های تعلیق هستند که به‌دلیل ساخت و تعویض آسان آن مخصوصا در قرن بیستم میلادی از آن استفاده می‌شد. پایه این نوع از فنرها شمش‌هایی هستند که در شکل۵ مشاهده می‌کنید. شمش‌ها از تسمه‌های قطور فلزی ساخته شده و به صورت محدب شکل داده می‌شوند. این خمیدگی آن‌ها بخشی است که در مواجه با سطوح ناهموار درگیر شده و انرژی ضربات را جذب می‌کند. این نوع فنرها در دو نوع تک شمش و چند شمش ساخته می‌شوند. فنر های تک شمش از ورقی که در میانه قطورتر است ساخته می‌شود و نوع چند شمش از روی هم قرار گرفتن ورق‌های نازکتر ساخته می‌شود. فنر برگی برای هر چرخ به صورت مجزا و توسط اتصالی U شکل که گوشواره نامیده میشود، روی شاسی کار گذاشته می‌شود. این فنرها که نیاز به فضای زیاد دارند به دلیل تحمل وزن زیاد معمولا در خودروهای سنگین استفاده می‌شوند. شکل ۶ به طور کلی نحوه قرارگیری فنر برگی را نشان می‌دهد.

تصویر۵- فنر تخت یا برگی

تصویر۶- شکل کلی از سیستم فنربندی شمشی

به طور کلی مزایا و معایب این فنر ها به صورت خلاصه در زیر آورده شده است:

مزایا

۱- انتقال نیروی طولی و عرضی و عمودی از چرخ به بدنه خودرو و برعکس

۲- تحمل گشتاورهای عکس العملی ایجاد شده در تعلیق در اثر نیروی طولی شتاب گیری و ترمز گیری که موجب کاهش قطعات سیستم تعلیق می شود، بنابراین هزینه تولید و قطعات مکانیکی تعلیق با استفاده از این نوع فنر کاهش پیدا می‌کند

۳- ایجاد فنری سخت با تحمل بار بیشتر با اضافه کردن لایه های فنر

معایب

۱- اشغال کردن فضای زیاد

۲- داشتن وزن زیاد

۳- نیاز داشتن به تعمیر و نگهداری

۴- زیاد بودن قیمت تمام شده فنر

۵- با نفوذ آب و گرد و غبار بین لایه های فنر، اصطکاک، خوردگی و زنگ زدگی بین لایه ها زیاد می شود که باعث عملکرد نامناسب فنر همراه با صدا می‌شود

۶- کم بودن فاصلۀ عرضی بین فنر چپ و راست که باعث افزایش حرکت رول می‌گردد.

۳-۲-میله پیچی (Torsion Bar)

همانطور که از نام این فنرها مشخص است، میله‌هایی هستند که در هنگام وارد آمدن ضربات به خود می‌پیچند. این میله‌ها که معمولا فولادی و L شکل هستند، قابلیت چرخش دارند. یک سر آن‌ها به بدنه و سر دیگرشان توسط اتصالی متحرک به نام جناغی به چرخ‌ها متصل است. ارتعاشات ناشی از عبور از ناهمواری‌ها توسط جناغی به صورت نیرو به میله پیچی وارد و سبب پیچیدن آن مانند لباسی که بین دو دست چلانده می‌شود می‌گردد. میله‌پیچی‌ قابل تنظیم هستند و استهلاک ندارند اما قدرت ضربه‌گیری فنر لول‌ها را هم در آن‌ها نمی‌بینیم. بنابراین نمی‌توانند مانند آن‌ها موجبات نرمی حرکت را فراهم کنند. این فنرها در سواری‌هایی که فضای کافی برای آن‌ها داشته باشند استفاده می‌شوند.

تصویر۷- نحوه قرارگیری میله پیچشی در سیست تعلیق

۴-۲-فنر بادی (Pneumatic Spring)

فنر پنتوماتیکی یکی دیگر از انواع فنر خودرو است. به این فنرها، گازی، بادی یا تناوبی نیز گفته می‌شود. در این نوع فنر از خاصیت تراکم‌پذیری هوا یا گازهای دیگر به‌جای قابلیت ارتجاعی فنرهای فولادی استفاده می‌شود. طی سال‌های اخیر فنرهای پنوماتیکی رواج بیشتری پیدا کرده‌اند. در واقع استفاده از آن‌ها پیشتر در خودروهای سنگین و باری بیشتر دیده می‌شد اما امروزه در خودروهای سواری نیز به‌دلیل نرمی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فنرها از یک سیلندر پر شده از هوا یا اتاقک استوانه‌ای‌ شکل و یک پیستون تشکیل می‌شوند. این اتاقک بین چرخ و بدنه نصب شده، با استفاده از خاصیت تراکم‌پذیری هوا، ضربات وارده از سوی چرخ را جذب می‌کند. اجزای این فنر به‌طور دقیق‌تر عبارتند از:

  • کمپرسور
  • کیسه هوایی
  • لوله‌های انتقال هوا
  • رگلاتور تنظیم فشار

اهرم پیستون فنر پنوماتیکی به اتصالات پایین چرخ متصل می‌شود. با حرکت چرخ‌ها و وارد آمدن نیرو از سوی آن‌ها به اهرم، پیستون نیز در محفظه‌ هوا حرکت کرده و هوا را متراکم می‌کند. این هوای فشرده، ایجاد فنریت خواهد کرد. نکته مهم هوای ذخیره‌شده در این محفظه است که با تغییر وزن از طریق سوپاپ مخصوصی افزایش یا کاهش می‌یابد. میزان باد اضافه درون سیلندر را نیز کمپرسور مخصوص فنر تأمین می‌کند. وقتی که اهرم در جهت مخالف حرکت کند سوپاپ ورودی بسته و سوپاپ خروجی باز می‌شود در این موقع باد کیسه فنر تا حدی خالی می‌شود که اهرم در حالت وسط قرار بگیرد. بنابراین نسبت به افزایش بار خودرو فشار باد در کیسه‌های هوایی زیاد می‌شود و با کاهش بار فشار هوای فنر کاهش پیدا می‌کند. تنظیم فشار هوای درون محفظه نسبت به وزن خودرو توسط رگلاتور ثابت ماندن ارتفاع خودرو از زمین را به‌همراه دارد. فنرهای بادی یا گازی، نرمی بسیار خوبی در سواری ارائه می‌دهند اما معضل هزینه بالا، نگهداری و تعمیرات سخت آن‌ها باعث می‌شود استفاده چندان زیادی در خودروهای شهری نداشته باشند.

تصویر۸- انواع فنرهای بادی

۳-کمک‌فنر یا دمپر

دمپر یا کمک فنر (Shock Absorber) در همکاری با فنرها وظیفه‌ی میرا کردن نیروهای وارد شده از سطح جاده را برعهده دارند. اگرچه فنرهای لول با فشرده‌شدن بخشی از انرژی وارده را در خود جذب می‌کنند، اما وظیفه‌ی اصلی میرا کردن نیروها و جذب حداکثری تکان‌های واردشده از سطح جاده برعهده‌ی دمپرها است. بدون وجود جاذب ضربات، فنرها آنقدر به بالا و پایین شدن ادامه می‌دهند تا درنهایت انرژی‌های وارده دفع شود، عملی که در حقیقت به دلیل وجود ناهمواری‌های بی‌شمار سطح جاده‌ها هرگز انجام نخواهد شد و تجربه‌ی رانندگی بسیار ناخوشایندی رقم می‌خورد.

تصویر۹- یک کمک فنر

در نمودار شکل۱۰ (نمودار نسبت دامنه-نسبت فرکانس) می‌توانیم تاثیر کمک فنر (دمپر) را به خوبی مشاهده بکنیم. همانطور که میبینیم، با افزایش نسبت میرایی (نسبت ضریب میرایی به ضریب میرایی بحرانی)، نسبت دامنه نوسان به دامنه استاتیکی افت پیدا می‌کند. درصورتی که کمک فنر دارای ضریب میرایی بالایی باشد، به دنبال آن زتا (ζ) افزایش می‌یابد و این باعث می‌شود دامنه نوسانات کاهش یابد و یا حتی به صفر میل کند. اگر کمک فنر از سیستم تعلیق حذف شود، زتا به صفر میل میکند و اتومبیل پس از عبور از ناهمواری های متعدد، به دفعات فراوان و با دامنه نسبتا، زیادنوسان خواهد کرد و این برای سرنشینان خودرو مطلوب نیست. (نمودار خط‌چین در شکل۱۰)

شکل۱۰- تاثیر کمک فنر بر دامنه نوسان

کمک فنر در حقیقت یک پمپ هیدرولیک است که از یک سیلندر و پیستون که با روغن یا گاز پر شده تشکیل شده است. یک سر این سیلندر به چرخ و سر دیگر آن به بدنه متصل است. با عبور خودرو از روی ناهمواری، پیستون به‌سمت داخل سیلندر فشرده می‌شود. روی بخش داخلی پیستون سوراخ‌های ریزی برای جریان سیال از یک سو به سوی دیگر در نظر گرفته شده است. باتوجه به ریز بودن این سوراخ‌ها سیال به‌سختی به‌سمت دیگر جریان می‌یابد و در جریان این انتقال سیال، انرژی واردشده به‌صورت گرمای منتقل‌شده به روغن میرا می‌شود.

در شکل۱۱ این روند به طور کلی نشان داده شده است.

شکل۱۱- نحوه عملکرد کمک فنر

۴-میل تعادل یا موج‌‌گیر

میل موج‌گیر (Sway bar) اصطلاحی است که مکانیک‌ها برای این میله بکار می‌برند. این میله وظیفه‌ ایجاد ثبات بیشتر در خودرو را دارد و از چپ شدن آن در پیچ‌های شدید و سطوح بسیار ناهموار جلوگیری می‌کند. میله تعادل معمولا بین دو چرخ یک محور (اکسل) قرار می‌گیرد و ارتباط بین دو کمک فنر را برقرار می‌کند تا با حرکت کمک فنر یک سمت، کمک فنر سمت دیگر نیز حرکت کوچکی داشته باشد و تعادل خودرو برقرار شود. میل موجگیر علاوه بر چرخ‌ها و کمک فنرها از دو طرف به شاسی نیز متصل است. این اتصال از طریق Pivot یا اتصال‌های محوری صورت می‌گیرد.

شکل۱۲- میل تعادل یا موج‌گیر

شکل۱۳- محل قرارگیری میل تعادل

۵-میل رابط

میله‌های رابط، در سیستم تعلیق‌های مختلف، وظیفه‌ ایجاد اتصال بخش‌های مختلف این سیستم‌ها را به هم برعهده دارند. این میله‌ها که فلزی هستند و بسیار مقاوم، معمولا در تعداد زیاد به کار می‌روند و عمری برابر با شاسی و بدنه‌ خودرو دارند. تنها عاملی که ممکن است به میل رابط‌ها آسیب وارد کند تصادف‌های شدید و ضربات سهمگین ناشی از آن‌ها است.

شکل۱۴- میل رابط

۶-سیبک

سیبک (Ball joint) نوعی اتصال در سیستم تعلیق است که در عین استحکام، امکان چرخش و حرکت نیز دارد. این اتصال مفصل گونه، از یک گوی فلزی دسته دار تشکیل شده است که امکان حرکت درون محفظه‌ فولادی‌اش را دارد. اطراف محفظه‌ فولادی و گوی فلزی با لاستیک محکم پوشیده شده است. این مفصل که وظیفه‌ اتصال چرخ‌ها به سیستم تعلیق را دارد، چرخش آن‌ها را با چرخش فرمان و حرکت‌شان را هنگام عبور از ناهمواری‌ها ممکن می‌سازد. یک سر سیبک به چرخ‌ها و سر دیگر آن به طبق‌های سیستم تعلیق خودرو متصل است. سیبک معمولا تنها در چرخ‌های جلویی کار گذاشته می‌شود. نکته‌ دیگر اینکه سیبک سیستم تعلیق با سیبک فرمان که وظیفه‌ اتصالات میل فرمان را بر عهده دارد متفاوت است.

شکل۱۵- سیبک

۷-بوش

بوش نیز نوعی اتصال در سیستم تعلیق است، اما تفاوت آن با سیبک مانند تفاوت مفصل زانو و مفصل ران و لگن است. بوش قابلیت چرخش ندارد و تنها باز و بسته می‌شود. بوش‌ها که از جنس لاستیک طبیعی هستند، برای گرفتن سر و صدای ناشی از حرکت قطعات و لرزش آنها، بخش‌های متحرک سیستم تعلیق را به هم متصل می‌کنند. همچنین مقداری از نیروی وارده از ضربات ناشی از حرکت در سطوح ناهموار را به دلیل جنس لاستیکی‌شان جذب می‌کنند. بوش‌ها گاهی به شکل استوانه هستند و نقش محور را ایفا می‌کنند. این محورهای لاستیکی مانند رباط‌ها در بدن، اتصال قطعات فلزی سیستم تعلیق را برقرار می‌کنند.

تصویر۱۶- یک بوش

۸-طبق

اتصال اصلی سیستم تعلیق به شاسی، از طریق یک قطعه‌ فولادی به نام طبق صورت می‌گیرد. اتصال طبق به شاسی از طریق بوش‌های محوری و به سیستم تعلیق به وسیله‌ سیبک‌ها انجام می‌شود. طبق‌ها دو نوع کنترلی و جناغی دارند. نوع کنترلی به صورت یکپارچه است و نوع جناغی به صورت حرف A میباشد. طبق‌های جناغی با دو بوش محوری به شاسی متصل می‌شوند. تعداد طبق‌ها و نحوه‌ استفاده از آن‌ها در سیستم‌های تعلیق مختلف متفاوت است.

تصویر۱۷- طبق

۹-استارت

استارت در سیستم‌های تعلیقی دیده می‌شود که سیبک و طبق در آن‌ها حذف شده و همچنین فنر به کار رفته در آن‌ها از نوع فنر لول است. در این سیستم‌ها کمک‌ فنر درون فنر لول قرار می‌گیرد و این دو علاوه بر وظایف اصلی خود، وظیفه‌ برقراری اتصال سیستم تعلیق و شاسی و رابط بین آن‌ها را نیز بر عهده دارند.

انواع سیستم تعلیق

سیستم‌های تعلیق در عقب و جلوی خودرو قرار می‌گیرند و هنگام بیان خصوصیات فنی خودرو از نوع سیستم تعلیق عقب و جلوی آن به صورت جداگانه یاد می‌شود. انواع سیستم تعلیق نیز به دو دسته‌ کلی تقسیم می‌شوند که این دسته‌ها خود انواع متفاوتی را شامل می‌شوند. دو دسته‌ کلی شامل سیستم‌های تعلیق مستقل و وابسته هستند. در سیستم‌های مستقل، چرخ‌های متصل به یک محور (اکسل) به هم وابسته‌اند و با حرکت هریک، دیگری نیز حرکت می‌کند.

اما در سیستم تعلیق وابسته، چرخ‌های مرتبط با هر محور (اکسل) مستقل از دیگری فعالیت دارد. دسته بندی دیگری نیز برای سیستم‌های تعلیق در نظر گرفته می‌شود که‌ با عنوان سیستم‌های محرک و غیر محرک شناخته می‌شود. اکنون به برخی از سیستم‌های تعلیق اشاره می‌کنیم. البته تنوع سیستم‌های تعلیق، گسترده‌تر است اما موارد ذکر شده، از معروف‌ترین، پرکاربرد‌ترین و مدرن‌ترین آن‌ها هستند.

۱-سیستم تعلیق مستقل

۱-۱-مک‌فرسون (MacPherson Strut)

این سیستم که توسط مهندسی به همین نام ابداع شد، در خودروهای زیادی به خصوص تولیدات اروپایی به کار می‌رود. همچنین مک‌فرسون تنها در خودروهای دیفرانسیل جلو کاربرد دارد. میله‌ موج‌گیر در سیستم مک‌فرسون استفاده می‌شود و بخش اصلی آن نیز استارت است. مک‌فرسون به دلیل حذف طبق‌ها و اتصال سیستم تعلیق به شاسی توسط استارت، برای خودروهایی که فضای کافی برای جزئیات سیستم تعلیق ندارند بسیار مناسب است. سیستم مک‌فرسون معمولا نرمی و راحتی حرکت را به خوبی تامین می‌کند و از مزایای آن ارزان و سبک بودنش است. مک‌فرسون را می‌توان در محور عقب و جلوی یک خودرو هم‌زمان به کار برد.

از مزایای دیگر سیستم مک‌فرسون، بسیار ساده بودن آن است و هزینه تولید آن نیز کاملا ارزان می‌باشد. به همین دلیل میان تمام خودروسازان محبوبیت دارد. تعلیق مک فرسون را می توان روی اکثر خودرو های دنیا از خودروهای‌اقتصادی تا کوپه‌های گران قیمت پیدا کرد. از سوی دیگر، تعمیر آن نیز آسان بوده و هزینه های نگهداری آن پایین است و همچنین وزن کم آن و فضای کمی که اشغال می کند نیز باعث سبکی خودرو می شود که خود نکته مثبت دیگری است.

عیب این سیستم این است که در تعلیق مک فرسون به علت زاویه عمودی کمک فنر، فضای رو به بالای زیادی برای قرار گیری تعلیق مورد نیاز است. از سوی دیگر، همان زاویه عمودی کمک فنر باعث می شود تا خودرویی که از تعلیق مک فرسون بهره می برد در مقابل خودرویی که از تعلیق دو جناغی استفاده می کند هندلینگ ضعیف تری داشته باشد که دلیل آن زاویه مورب کمک فنر در تعلیق دو جناغی و کنترل بهتر کمبر چرخ ها در سر پیچ ها است.

شکل۱۸- نمای کلی از سیستم فنربندی مک‌فرسون

۲-۱-دوجناغی (Double Wishbone)

در این سیستم هر یک از جناغ‎‌ها دارای دو تکیه‌گاه هستند که یکی از آنها جناغ را به بدنه و دیگری جناغی را به چرخ متصل می‌کند. این سیستم تعلیق قابلیت بهتری از نظر کنترل زاویه‌ای کمبر (زاویه ای که حاصل از امتداد خط عمود بر سطح جاده و امتداد تایر (با دید از جلو به خودرو) مشاهده می‌شود) دارد. همچنین این سیستم باعث کاهش خطر واژگونی خودرو می شود و کنترل پذیری بهتری برای خودرو فراهم می آورد. این سیستم تعلیق برای چرخ های جلو خودروهای سنگین و اتوموبیل های مسابقه‌ای کاربرد دارد.

شکل۱۹- نمای کلی از سیستم فنربندی دوجناغی

سیستم تعلیق دوبل جناغی دارای بازوهای کنترلی عمودی بالایی و پایینی است که باعث افزایش کامبر منفی می‌شود. در نتیجه، وسیله نقلیه شما در جاده پایداری بهتری دارد؛ زیرا لاستیک‌ها بیشتر جاده را لمس می‌کنند. بعلاوه، تراز چرخ های شما و همچنین فرمان شما ثابت می ماند. این ویژگی، این امکان را می دهد که بدون توجه به استرسی که وسیله نقلیه شما تحت آن قرار دارد، هنگام رانندگی تسلط راننده بر خودرو بیشتر باشد.

عیب این سیستم تعلیق، قیمت زیاد آن است. این سیستم تعلیق بسیار پیچیده‌تر از سیستم مک‌فرسون است و این باعث می‌شود تا تولیدکنندگان هزینه بیشتری بابت ساخت آن پرداخت بکنند. همچنین این سیستم دارای قطعات و اجزای فراوانی است. طبیعتا هرکدام از این قطعات خراب شود و یا نیاز به تعویض داشته باشد، هزینه سنگینی برای صاحب خودرو خواهد داشت.

شکل۲۰ تفاوت ساختاری دو سیستم مک‌فرسون و دوجناغی را نشان می‌دهد. به طور کلی اگر بخواهیم مقایسه کلی میان سیستم مک‌فرسون و دو جناغی داشته باشیم. از نظر اقتصادی و هزینه سیستم مک‌فرسون مناسب هست ولی از نظر کیفیت رانندگی و راحتی بیشتر، سیستم دوجناغی پیشنهاد می‌شود.

شکل۲۰- مقایسه بین سیستم مک‌فرسون و دوجناغی

۲-سیستم تعلیق وابسطه

استفاده از سیستم فنربندی وابسته در خودروهای امروزی اغلب محدود به محور عقب است. دلیل این امر عدم نیاز به فرمان‌پذیری چرخ‌های عقب و درنتیجه تأثیر اندک محور عقب در کنترل خودرو در شرایط عادی است. با این حال استفاده از سیستم‌های مستقل سبب راحتی و آسایش بیشتر سرنشینان خواهد شد. در ادامه مروری بر چهار سیستم فنربندی وابسته خواهیم داشت که بعضی از آن‌ها هنوز هم در خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۱-۲-فنربندی اکسل صلب

سیستم فنربندی اکسل صلب (Solid axle) یکی از ساده‌ترین و در عین حال ارزان‌ترین سیستم‌های وابسته است. در این سیستم چرخ‌های روی یک محور توسط یک تیر افقی به یکدیگر متصل و فنرها روی این تیر نصب شده و به‌طور مستقیم به شاسی خودرو وصل می‌شوند. در این سیستم می‌توان از طبق یا فنرهای لول استفاده کرد. با استفاده از فنرهای لول استفاده از بازوهای کنترلی جهت حمایت از فنرها الزامی است.

شکل۲۱- نمایه کلی از فنربندی اکسل صلب

۲-۲-فنربندی اکسل تیری‌شکل

سیستم فنربندی اکسل تیری شکل (Beam axle) نمونه‌ی بهبودیافته از سیستم فنربندی اکسل صلب است. در سیستم اکسل صلب خودرو در حرکات افقی دچار لغزش و مشکل می‌شود که برای حل این معضل دو تیر از مرکز اکسل به‌صورت مورب به چرخ‌ها متصل می‌شود تا حرکات جانبی را به حداقل برساند.

شکل۲۲- نمایه کلی فنربندی اکسل تیری شکل

۳-۲-فنربندی چهارمیله‌ای

سیستم فنربندی چهار میله‌ای می‌تواند در محور جلو و عقب به‌کار گرفته شود. این سیستم که به دو دسته‌ی قطری و مثلثی تقسیم می‌شود، شامل چهار میله است که با زاویه‌های مختلف به اکسل و بدنه متصل شده‌اند. در این سیستم میله‌های چهارگانه وظیفه‌ی حفظ مرکزیت اکسل را برعهده دارند که این امر در پیچ‌ها و شرایط گوناگون رانندگی از اهمیت به‌سزایی برخوردار است.

شکل۲۳- نمایه کلی فنربندی چهارمیله‌ای

۴-۲-فنربندی ددیون

در سیستم فنربندی ددیون (De Dion Suspension) یک میله‌ی صلب که چرخ روی یک محور را به هم متصل می‌کند و اتصالاتی از هر چرخ به دیفرانسیل متصل می‌شود که سبب حرکت آزادانه‌ی چرخ نسبت به دیفرانسیل می‌گردد. این سیستم درحقیقت ترکیبی پیچیده از سیستم تریلینگ آرم و محور صلب است. از مزایای این سیستم می‌توان به افزایش اصطکاک تایرها با سطح جاده و کاهش جرم فنربندی‌نشده اشاره کرد. با وجود این مزایا، افزایش وزن و پیچیدگی‌های فنی این سیستم سبب شده است تا استقبال زیادی از آن به عمل نیاید.

شکل۲۴- نمایه کلی فنربندی‌ ددیون

۳-سیستم فنربندی نوین

در این بخش به معرفی سیستم‌های فنربندی خاص نظیر سیستم‌های چند اتصالی و تکنولوژی‌های نوین می‌پردازیم.

۱-۳-فنربندی چنداتصاله

نخستین باردر اواخر دهه‌ی ۶۰ میلادی مرسدس بنز از سیستم فنربندی چنداتصاله Multi-link suspension‌ در مدل C111 استفاده کرد. این سیستم بدون شک بهترین سیستم تعلیق مستقل ساخته‌شده تاکنون است که علاوه بر فراهم‌کردن آسایش حداکثری برای سرنشینان، کنترل بی‌نظیر خودو در شرایط مختلف جاده و رانندگی را رقم می‌زند.

شکل۲۵- طرح ساده ای از سیستم فنربندی چنداتصاله

این سیستم درحقیقت از سیستم فنربندی دوجناغی مشتق شده است که در آن با حذف بازوهای جناغی و جایگزینی آن‌ها با میله‌های طولی و افقی ضربات عمودی واردشده توسط دمپرها میرا می‌شود. در این سیستم حداقل سه میله‌ی کنترلی به چرخ متصل است که طول‌های متفاوتی دارند که از طریق بوش‌ها و اتصالات مفصلی به دیگر اجزا متصل می‌شوند.

شکل۲۶- سیستم تعلیق چنذاتصاله

۲-۳-فنربندی فروفلوید

در سال ۲۰۰۶، آئودی از مدل TT رونمایی کرد. این خودرو از جهات بسیاری یکی از پرچمداران مهندسی خودرو به شمار می‌رفت، اما در این بخش تمرکز ما بر سیستم فنربندی انقلابی خودروی مذکور معطوف است. در سیستم فنربندی آئودی TT برای نخستین بار در تاریخ خودروسازی از سیالی آهنربایی استفاده شده است که به سیال مگنتو رئولوژی (Magneto-rheological fluid)، تغییر شکل‌پذیر به‌واسطه‌ی خاصیت آهنربایی مشهور است. این سیستم فنربندی از مکانیزم تطبیق‌پذیر پیوسته بهره می‌برد که در آن سیستم فنربندی باتوجه به شرایط رانندگی، سطح جاده و نحوه‌ی تغییر دنده در کسری از ثانیه خود را با شرایط جدید تطبیق می‌دهد تا در هر لحظه بهینه‌ترین حالت ایجاد شود.

در این سیستم با جایگزینی سیال هیدرولیکی معمول در دمپرها با یک سیال سینتتیک هیدروکربنی که حاوی نانو ذرات آهنربایی است و اعمال ولتاژ در سر پیستون‌های دمپر، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که می‌تواند جهت حرکت نانو ذرات آهنربایی و درنتیجه خواص روغن جدید را تغییر دهد. تغییرات لحظه‌ای در میدان مغناطیسی به‌طور پیوسته خاصیت روغن جدید را دستخوش تغییر قرار می‌دهد و در شرایط مختلف گرانروی روغن را کنترل می‌کند. کنترل گرانروی باعث می‌شود که روغن در هنگام عبور از سوراخ‌های موجود روی سطح داخلی پیستون دمپر گاهی به‌راحتی و گاهی به‌سختی عبور کند و درنتیجه سیستم فنربندی در هر لحظه باتوجه به شرایط به نرمی یا سفتی عمل کند.

شکل۲۷- فنر استفاده شده در سیستم تعلیق TT

نتیجه‌گیری

سیستم فنربندی خودروها با در نظر گرفتن طول عمری ده ساله ساخته میشوند. با این حال این طول عمر به عوامل زیادی نظیر شرایط استفاده از خودرو، شرایط رانندگی و کیفیت سطح جاده‌ها بستگی دارد. به‌طور معمول برای خودرویی که هر روز مورد استفاده قرار می‌گیرد طول عمر سیستم تعلیق به ۶۰ تا ۸۰ هزار کیلومتر محدود می‌شود. پیشنهاد می‌شود که در هر ۶۰ هزار کیلومتر فنربندی خودرو به‌طور کامل مورد بازرسی قرار گیرد تا در صورت لزوم بخش‌هایی از آن تعمیر یا تعویض شود.

از شاخص ترین علائم بروز خرابی در سیستم تعلیق میتوان به وجود روغن روی کمک‌فنرها و بوش‌ها،صدای زیاد قطعات و کوبش بیش از حد خودرو هنگام عبور از سطوح ناهموار شاره کرد. همچنین باتوجه به جنس پلاستیکی بوش ها،این قطعات زودتر از سایر اجزای خودرو دچار آسیب میشوند. پس بهتر است در هر بار تعویض روغن خودرو،آنها را مورد برسی قرار بدهید.

برای دانلود PDF این مطلب بر روی لینک کلیک نمایید.

منابع

بازدیدها: 364

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *