مکانیک خودرو عمومی -بخش 18

سیستم تعلیق

سیستم تعلیق در خودرو دارای دو نقش مکانیزمی و ارتعاشی است که در ذیل به بررسی آنها پرداخته می‌شود:
نقش مکانیزمی سیستم تعلیق
از دیدگاه مکانیزمی، سیستم تعلیق مکانیزمی است که ضمن مهار چرخ در زیر بدنه خودرو، اجازه ایجاد حرکت های مطلوب به چرخ (دوران چرخ، حرکت عمودی، فرمان پذیری، تغییر کمبر، کستر و…) را داده تا منجر به افزایش پایداری خودرو و راحتی سرنشین گردد.
شکل 1 یک نمونه مکانیزم تعلیق جلوی خودرو که به مک‌فرسون معروف است را نشان می‌دهد.

1-فنر 2-جعبه‌فرمان 3-میل‌فرمان 4-سیبک فرمان 5-کمک‌فنر 6-مفصل پلوس(مشعلی) 7-میله ضد غلتش(میل موج‌گیر) 8-بوش طبق 9-شغالدست 10-طبق 11-سیبک زیر کمک 12-سگدست
شکل 1-مکانیزم تعلیق مک‌فرسون

همانگونه که ملاحظه می‌شود، فنر نیروی عمودی که وزن خودرو است را از بدنه به چرخ و بالعکس منتقل می‌کند در حالیکه وظیفه تحمل و انتقال نیروهای طولی(شتابگیری و ترمزگیری) و عرضی(نیروی جانب مرکز و باد جانبی) نیز توسط طبق از بدنه خودرو به تایر یا بالعکس منتقل می‌شود.

دسته‌بندی مکانیزم‌های تعلیق فراگیر در قسمت عقب و جلوی خودرو به شرح زیر و مطابق شکل 2 است:
1-صلب یا یکپارچه
2-نیمه مستقل
3-مستقل شامل:
1-3-مک فرسون
2-3-طبق دار دوبل
3-3-بازوی کشنده

شکل 2-انواع مکانیزم تعلیق جلو و عقب خودرو

چرخ خودرو مطابق شکل 3 و از طریق توپی چرخ و بلبرینگ یا رولبرینگ بر روی سگدست نصب و مستقر می‌شود.

1-خار حلقوی تثبیت بلبرینگ چرخ جلو 2-بلبرینگ چرخ جلو 3-محل اتصال کمک فنر به سگدست 4-شغالدست 5-محل اتصال کالیپر ترمز به سگدست 6-توپی چرخ 7-اشپیل تثبیت مهره سر پلوس 8-مهره سر پلوس 9-غلاف تثبیت مهره سر پلوس 10-سگدست
شکل 3-سگدست و توپی چرخ در مکانیزم مک‌فرسون

مطابق شکل 4 سگدست بوسیله پیچ به مجموعه کمک فنر و فنر متصل شده و نهایتا مجموعه فنر و کمک فنر نیز در زیر گلگیر خودرو به بدنه متصل می‌شود و بدین ترتیب نیروهای عمودی شامل نیروی وزن و نیروهای ناشی از ناهمواری جاده از طریق چرخ، سگدست، مجموعه فنر و کمک فنر از جاده به بدنه خودرو و بالعکس منتقل می‌شود.

1-توپی چرخ 2-سگدست 3-شغالدست 4-مجموعه کمک فنر و فنر 5-سیبک فرمان 6-میل‌فرمان 7-طبق 8-سیبک اتصال سگدست به طبق
شکل 4-مکانیزم تعلیق مک‎‌فرسون

از طرفی سگدست از طریق یک مفصل کروی که سیبک نامیده می‌شود به میله‌ای در جهت عرض خودرو که طبق گفته می‌شود متصل شده و طبق نیز در بدنه خودرو لولا شده است و بدین ترتیب نیروهای جانبی ناشی از حرکت خودرو در پیچ جاده یا تغییر جهت خودرو حین حرکت یا باد جانبی از طریق چرخ، سگدست، سیبک و طبق از جاده به بدنه خودرو و بالعکس منتقل می‌شود. معمولا طبق‌ها حالت Lشکل یا مثلثی دارند تا بتوانند نیروهای طولی و عرضی را تواما تحمل کنند و اگر طبق فقط در جهت عرض خودرو باشد حتما باید یک بازو که اصطلاحا میل تعادل نامیده می‌شود، طبق را به بدنه خودرو متصل می‌کند تا چرخ در سه جهت عمودی، عرضی و طولی مقید شود ضمن آنکه قادر به حرکت‌های مطلوب مانند دوران، فرمان‌پذیری، حرکت عمودی و غیره داشته باشد.
شکل 5 طبق معمولی و Lشکل را نشان می‌دهد.

شکل 5-طبق معمولی و Lشکل

شکل 6 سگدست چرخ را نشان می‌دهد.

1-محل اتصال کمک فنر به سگدست 2-محل استقرار بلبرینگ چرخ جلو 3-محل اتصال سیبک زیر سگدست به طبق 4-محل اتصال کالیپر ترمز به سگدست 5-شغالدست
شکل 6-سگدست

یکی از مفصل‌های که در مکانیزم تعلیق و فرمان استفاده زیادی دارد، مفصل کروی است که اصطلاحا به آن سیبک یا بعضا چپقی گفته می‌شود. سیبک در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7-مفصل کروی یا سیبک

با استفاده از سیبک در یک مکانیزم، اجزای مکانیزم قادر به تغییر زاویه در دو یا سه جهت نسبت به یکدیگر خواهند بود و بنابراین کارکرد اجزای مکانیزم بهبود می‌یابد.
خصوصیات سینماتیکی مکانیزم های تعلیق تاثیر بسیار زیادی در پایداری و نحوه حرکت خودرو دارند، برخی از مهمترین پارامترها که بیان کننده خصوصیات سینماتیکی مکانیزم‌های تعلیق هستند، شامل زوایای زاویة کمبر (Camber angle)، کستر (Caster angle)، تو (Toe angle) است.
با توجه به شکل 8 انحراف محور چرخ نسبت به خط قائم در نمای روبروی خودرو را زاویه کمبر گویند. چنانچه بالای چرخ به سمت بیرون خودرو انحراف داشته باشد، زاویه کمبر مثبت و چنانچه به سمت داخل خودرو باشد، زاویه کمبر را منفی گویند.

شکل 8-زاویه کمبر مثبت و منفی

وجود زاویه کمبر باعث لاستیک سایی شدید می شود، ولی از آنجایی که زاویه کمبر منفی تاثیر بسیار زیادی در پایداری خودرو دارد، علاوه بر تنظیم اولیه، اکثر مکانیزم‌ها بر مبنای کمبر منفی، مکانیزم را طوری طراحی می‌کنند، تا در صورت حرکت چرخ به سمت بالا که نشانه تحت بار قرار گرفتن چرخ و خودرو است مقدار زاویه کمبر منفی بیشتر شده و در هنگام حرکت چرخ به سمت پایین که نشانه تحت بار قرار نگرفتن چرخ و خودرو است مقدار زاویه کمبر منفی کاهش یافته و حتی بعضا مثبت نیز شود.
انحراف محور سگدست یا محور فرمان گرفتن چرخ نسبت به خط قائم در نمای جانبی خودرو را زاویه کستر گویند. شکل 9 زاویه کستر مثبت و منفی را نشان می‌دهد.

شکل 9-زاویه کستر مثبت و منفی

مثال مناسب زاویه کستر، دوچرخه یا موتور سیکلت است، این دو وسیله نقلیه در قسمت جلو دارای زاویه کستر مثبت و در قسمت عقب دارای زاویه کستر منفی است.
وجود زاویه کستر مثبت در چرخ‌های جلو برای برگشت فرمان بعد از عبور از پیچ و همچنین طی مسیر مستقیم در هنگام رها کردن غربیلک فرمان و به عبارتی پایداری جهتی مطلوب خودرو ضروری است.
مطابق شکل 10 انحراف محور چرخ نسبت به خط افق در نمای افق خودرو را زاویه Toe گویند.

شکل 10-زوایای تواین، تواوت و بودن زاویه تو

هنگام حرکت خودرو بر روی جاده، نیروهای اعمالی از جاده به تایر و بخصوص نیروی ناشی از وجود زاویه کمبر، باعث تغییر شکل در اجزاء مکانیزم فرمان و تعلیق می‌گردد لذا با در نظر گرفتن زاویه اولیه تو در حالت سکون خودرو، با حرکت خودرو نیروهایی تولید شده و پس از اعمال نیروها، مقدار این زاویه تقریباً صفر شده و چرخ ها به حالت مستقیم قرار می‌گیرند تا از گیجی فرمان خودرو پیشگیری شود.

نقش ارتعاشی مکانیزم تعلیق

در سطح جاده‌های آسفالت و استاندارد که به نظر کاملا صاف به نظر می‌رسد و فاقد انواع و اقسام خرابی سطح جاده هستند، مملو از ناهمواری مطابق شکل 11 است.

شکل 11-پوشش ناهمواری جاده در طول آن

چنانچه چرخ‌های خودرو به طور مستقیم به بدنه خودرو متصل شوند، تمامی این ناهمواری‌ها به صورت ضربات ارتعاشی به بدنه خودرو منتقل می‌شود و باعث بروز مشکلات زیر می‌شود:
• تخریب و جداشدن متعلقات بدنه خودرو مانند داشبورد، آینه‌ها، چراغ‌ها و غیره
• تخریب جوش بخش‌های مختلف بدنه خودرو
• عدم وجود راحتی سرنشین و بروز درد در بخش‌های مختلف بدن راننده و سرنشین
• عدم تامین تماس دائم تایر و زمین که منجر به کاهش کیفیت شتابگیری، ترمزگیری و مانوپذیری خودرو می‌شود.
بدین منظور مطابق شکل 12 بین یکی از اجزای مکانیزم تعلیق و بدنه خودرو و در راستای عمودی از فنر و کمک‌فنر استفاده می‌شود تا نواقص فوق برطرف شود.

1-فنر 2-کمک‌فنر 3-جعبه‌فرمان 4-دیسک ترمز 5-رام 6-کالیپر ترمز 7-پلوس 8-طبق 9-سیبک
شکل 12-موقعیت فنر و کمک‌فنر در تعلیق خودرو

بدین ترتیب در راستای عمودی بین چرخ و بدنه خودرو فنر و کمک‌فنر قرار گرفته است. هنگامی که چرخ به یک ناهمواری برخورد می‌کند، چرخ در جهت عمودی حرکت می‌کند، حرکت عمودی چرخ باعث می‌شود که مقداری فنر جمع شود و انرژی پتانسیل جذب کند و مقداری هم بدنه خودرو در جهت عمودی حرکت کند و بنابراین میزان حرکت عمودی بدنه خودرو نسبت به حرکت عمودی چرخ کاهش می‌یابد. انرژی پتانسیل جذب شده در فنر باعث می‌شود که چرخ نیز از جاده جدا نشود و تماس چرخ با زمین حین عبور از ناهمواری تقویت شود. بدیهی است که هر چقدر سختی فنر زیادتر باشد، انتقال ارتعاشات به بدنه خودرو بیشتر می‌شود و برعکس با کم شدن سختی فنر، انتقال ارتعاشات به بدنه خودرو کاهش می‌یابد.
در سیستم تعلیق خودرو از چهار نوع فنر مارپیچ، شمشی، پیچشی و بادی مطابق شکل‌های 13 تا 16 استفاده می‌شود.

1-فنر مارپیچ 2-کمک فنر 3-سگدست 4-طبق 5-میل‌فرمان 6-جعبه فرمان
شکل 13-استفاده از فنر مارپیچ در مکانیزم تعلیق

1-فنر شمشی 2-کمک فنر 3-اکسل 4-گوشواره فنر شمشی
شکل 14-استفاده از فنر شمشی در مکانیزم تعلیق

1-فنر پیچشی 2-کمک فنر 3-طبق بالا 4-طبق پایین 5-میله کنترل نیروهای طولی
شکل 15-استفاده از فنر پیچشی در مکانیزم تعلیق

1-طبق بالا 2-فنر بادی 3-سگدست 4-کمک فنر 5-طبق پایین 6-جعبه فرمان 7-شغالدست
شکل 16-استفاده از فنر بادی در مکانیزم تعلیق

به منظور از بین بردن و مستهلک کردن ارتعاشات عمودی منتقل شده از جاده و چرخ به بدنه خودرو ، باید از نیرویی استفاده نمود که جهت آن هموار مخالف جهت حرکت عمودی بدنه خودرو باشد و با تغییر جهت حرکت، جهت نیروی مذکور نیز تغییر کند، از اینرو، نیروی اصطکاک، تنها گزینه‌ای است که همواره مخالف جهت حرکت است.
استفاده از نیروی اصطکاک اجسام صلب و جامد، باعث ایجاد سایش، تولید حرارت و حتی ذوب شدن قطعات می‌شود، لذا استفاده از نیروی اصطکاک ویسکوز (مایعات) برای مستهلک کردن ارتعاشات، بسیار رایج است. لذا با استفاده از نیروی اصطکاک ویسکوز، قطعه ای به نام مستهلک کننده یا ارتعاش گیر (در زبان فارسی به کمک فنر معروف است) به عنوان میرا کننده یا مستهلک کنندة ارتعاشات عمودی بدنه خودرو در سیستم تعلیق خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کمک فنر از یک سمت به بدنه خودرو و از سمتی دیگر به یکی از اجزای سیستم تعلیق وصل می‌ شود و بنابراین حرکت بین اجزای سیستم تعلیق و بدنه خودرو به دو سر کمک فنر منتقل می‌گردد. لذا کمک فنر با ساختار داخل خود که بر اساس اصطکاک ویسکوز عمل می‌کند، با ارتعاشات بین اجزای سیستم تعلیق و بدنه خودرو مخالفت کرده و در کوتاه ترین زمان ممکن از طریق اصطکاک سیال، حرکت ارتعاشی را به حرارت تبدیل می‌کند و به عبارتی انرژی جنبشی سیستم تعلیق و بدنه خودرو و همچینین انرژی پتانسیل فنر را به انرژی گرمایی تبدیل کرده و باعث کاهش ارتعاشات بدنه خودرو و به خصوص جلوگیری از ایجاد تشدید یا رزونانس می‌شود.
با توجه به شکل 17 هنگام حرکت بدنه خودرو یا اجزای مکانیزم تعلیق، روغن داخل کمک فنر ناچارا باید از مجاری ریزی عبور کند و از زیر پیستون به بالا و برعکس منتقل شود. عبور روغن از مجاری ریز و تحت فشار باعث گرم شدن روغن می‎‌شود و بنابراین بدون ایجاد سایش، انرژی جنبشی بدنه خودرو و اجزای مکانیزم تعلیق و انرژی پتانسیل فنر به حرارت تبدیل شده و وارد هوای محیط می‌شود.

1- پیستون 2- مایع هیدرولیک 3- مخزن گاز ازت 4-درزبند یا اورینگ پیستون 5- پیستون کمک فنر 6- سوپاپ تغذیه 7- سوپاپ تخلیه 8- دسته پیستون 9- محل اتصال کمک فنر به بدنه خودرو 10- محل اتصال کمک فنر به سیستم تعلیق 11- لوله کمک فنر 12- درزبند
شکل 17-کمک فنر گازی

با توجه به شکل 17، پیستونی (1) در بالای پیستون کمک فنر (5) تعبیه شده است، بالای این پیستون توسط گاز ازت (در دمای 20 درجه سانتیگراد دارای فشار حداقل 25 بار است) پرشده است و انبساط و انقباض محفظه (3)، جبران اختلاف میزان روغن هیدرولیک بالا و پایین پیستون کمک فنر را انجام می‌دهد تا از قفل شدن کمک فنر پیشگیری کند.
این نوع کمک فنرها ، به کمک فنرهای گازی یا تک لوله‌ای معروف هستند در حالیکه کمک فنرهایی که دارای مخزن ذخیره هستند را کمک فنرهای دو لوله‌ای یا هیدرولیکی می‌نامند.
شکل 18 نوعی کمک فنر را نشان می‌دهد.

شکل 18-نوعی کمک فنر

در حالیکه اگر مطابق شکل 19 از فنر بادی و کمک فنر برقی استفاده شود، به آن سیستم تعلیق فعال گفته می‌شود.

شکل 19-سیستم تعلیق فعال

در این سیستم با استفاده از سنسورهای مختلف، اطلاعات مربوط به شتاب چرخ و شتاب بدنه خودرو استخراج شده و با توجه به الگوریتم کنترلی مورد نظر، میزان ارتعاشات بدنه خودرو توسط نیروی تولیدی فنر بادی و کمک فنر الکتروهیدرولیکی، در حد بهینه کنترل می‌شود.
در این نوع سیستم تعلیق، با توجه به ناهمواری‌های جاده، سیستم خود را با آن وفق می‌دهد. ضمن آنکه در این سیستم‌، میزان بار عمودی به خودرو را حس می‌کند، از اینرو ارتفاع خودرو در حالت کم باری و با بار زیاد، همواره ثابت می‌ماند. ضمن آنکه با تغییر نیروی فنر بادی و کمک فنر الکتروهیدرولیکی، در هنگام دور زدن و حرکت سرپیچ ها می توان حرکت دوران بدنه خودرو حول محور طولی خودرو و هنگام ترمزگیری و شتاب‌گیری، حرکت دوران بدنه خودرو حول محور عرضی خودرو را به صورت بهینه کنترل کرد.
چنانچه یکی از دو المان فنر یا کمک‌فنر قابل تنظیم باشد، این نوع سیستم تعلیق را نیمه فعال گویند. عملکرد این سیستم از سیستم تعلیق غیرفعال بهتر است ولی نسبت به سیستم تعلیق فعال مزیت رقابتی کمتری دارد