کمک‌ فنر

خودرو شامل سیستم‌ها مختلفی است. یکی از سیستم‌های مرتبط با هدایت و کنترل و آسایش سرنشین در خودرو سیستم‌ها تعلیق است. کمک فنر یکی از اجزا مهم این سیستم است. در این مقاله وظیفه، انواع و اجزا این عضو بررسی خواهد شد.

وظیفه کمک‌ فنر

سیستم فنربندی خودرو برای جلوگیری از کمک فنر عضوی است که در سیستم تعلیق خودروها(معرفی انواع فنر استفاده شده در سیستم تعلیق خودرو ( بخش اول)) وظیفه جذب و میرا کردن ارتعاشات ناشی از ناهمواری سطح جاده را انجام می‌دهد. این کار با تبدیل انرژی جنبشی به انرژی گرمایی صورت می‌گیرد. یکی دیگر از وظایف بسیار مهم کمک فنر ایجاد تماس دائم تایرهای خودرو با سطح جاده، جهت تأمین کنترل در فرمان‌پذیری و ترمزگیری است. فیلم 1 به‌صورت بسیار ساده این موضوع را نشان می‌دهد.

فیلم 1 – وظیفه کمک‌فنر در سیستم تعلیق

انواع کمک فنر

کمک‌فنرهای موجود در بازار را می‌توان به روش‌های مختلف دسته‌بندی کرد روشی که در شکل 1 نشان‌داده‌شده است نیز یکی از این روش‌ها است.

شکل 1- انواع روش دسته‌بندی کمک‌ فنر

اجزای عمومی کمک فنر

صرف‌نظر از نوع کمک فنر، برخی اجزا در کمک‌فنرها مشترک هستند شکل 2 نمونه اجزا داخلی نوعی کمک‌ فنر (دو سیلندری) را نشان می‌دهد.

1- کاسه نمد 2- راهنمای پیستون 3- مخزن ذخیره 4- میله پیستون 5- سیلندر 6- روغن هیدرولیک کمک‌فنر
7- سوپاپ بالایی 8- سوپاپ پایینی 9- پایه کمک‌ فنر
شکل 2- اجزای عمومی تشکیل‌دهنده کمک‌فنر

در ادامه برخی از اجزا مهم کمک‌ فنر معرفی و وظیفه آنها بیان می‌شود.

پایه‌های کمک فنر

معمولاً کمک‌فنرها از قسمت پایین به محور چرخ و از قسمت بالا به شاسی خودرو متصل هستند. پایه کمک‌فنر محلی است که توسط بوش‌های لاستیکی احاطه شده و کمک فنر را به بدنه خودرو متصل می‌کند.

بوش‌های ضربه‌گیر

بوش‌های ضربه‌گیر معمولاً بر روی پایه‌های کمک فنر نصب می‌گردد. ضربه‌گیرها معمولاً از لاستیک یا یورتان ساخته می‌شوند. ارتعاشات را جذب می‌کند و از تماس سطح فلز با فلز و ایجاد سروصدا و اصطکاک جلوگیری می‌کند. همان‌طور که در شکل شماره 3 مشاهده می‌کنید، بوش‌ها از جمله قطعاتی هستند که قابلیت جداشدن از کمک‌فنر را دارند.

شکل 3- بوش کمک‌ فنر

پیستون کمک فنر و میله پیستون

همان‌طور که در شکل شماره 1 مشاهده نمودید. در داخل سیلندر کمک‌ فنر یک عدد پیستون(پیستون چیست) دارای سوپاپ‌های یک‌طرفه وجود دارد و روغن کمک‌فنر از قسمت بالای پیستون به قسمت پایین پیستون و بلعکس انتقال می‌دهد. پیستون توسط یک میله به قسمت پایه کمک‌فنر متصل شده است.

کاسه نمد کمک‌فنر

در قسمت‌های بالا و پایین سیلندر کمک‌فنر، جهت جلوگیری از نفوذ روغن به بیرون دو عدد کاسه نمد تعبیه شده است و از نشتی روغن به بیرون از سیلندر کمک‌فنر جلوگیری می‌کند.

گاز ازت/نیتروژن

اگر مخزن ذخیره در کمک‌فنر استفاده نشود، کمک‌فنر از نوع گازی یا کمک‌فنر تک لوله‌ای خواهد بود. در این نوع کمک‌فنر به دلیل یکسان نبودن حجم روغن تبادل شده بین قسمت بالا و پایین پیستون از محفظه‌ای که حاوی گاز تراکم‌پذیر ازت/نیتروژن است استفاده می‌گردد. در این صورت اختلاف بین روغن قسمت بالا و پایین پیستون با انبساط و انقباض حجم محفظه گاز جبران می‌گردد.

انواع کمک فنر

کمک‌فنر دو لوله (دو تیوپه – دو سیلندری)

شکل 4- کمک‌فنر دو تیوپه

این نوع کمک فنر به دلیل سادگی ساخت و تطبیق خوب با انواع سیستم تعلیق در بیشتر خودروها مورداستفاده قرار می‌گیرد.
همان‌طور که در شکل شماره 5 مشاهده می‌کنید کمک‌فنرهای دولول دارای یک سیلندر اصلی و مخزن ذخیره روغن است. فضای بین این دو سیلندر از روغنی و هوا و در نوع گازی از گاز نیتروژن/ازت پر شده است که حجم پیستون را در طول حرکت تلسکوپی فنر در سیستم تعلیق(سامانه تعلیق) هنگام حرکت جبران می‌کند. این نوع کمک‌فنر دارای حداقل فاصله محوری بین نقاط نصب است.

1- ضربه‌گیر 2 – پیستون 3 – میله پیستون 4 – سوپاپ یک‌طرفه 5 – کاسه نمد
6- سوپاپ پایین 7- روغن 8– سیلندر اصلی
شکل 5- کمک‌فنر دو تیوپه/دو سیلندری

عملکرد کمک فنر (دو تیوپه یا دو سیلندری)

تمامی کمک‌فنرهای هیدرولیکی بر اساس تبدیل انرژی جنبشی (حرکت) به انرژی حرارتی (گرما) کار می‌کند. همان‌طور که در شکل شماره 3 مشاهده می‌شود. روغن موجود در کمک‌فنر مجبور است از حفرهای ریز سوپاپ‌های یک‌طرفه عبور کند؛ بنابراین مقاومت هیدرولیکی در سیستم ایجاد می‌شود.
برای مثال: در حالتی که خودرو از روی دست‌انداز عبور می‌کند، ابتدا فنرهای سیستم تعلیق (فنر حلقه‌ای) ارتعاشات ناشی از سطح جاده را به کمک‌فنر انتقال می‌دهد. در این حالت (compression) پیستون کمک‌فنر از قسمت بالای سیلندر به قسمت پایینی سیلندر حرکت می‌کند و روغن از قسمت پایین پیستون توسط سوپاپ یک‌طرفه به قسمت بالا حرکت می‌کند و در زمان (Rebound)برگشت پیستون به سمت بالا از طریق سوپاپ یک‌طرفه دوم روغن از قسمت بالای پیستون به سمت پایین پیستون حرکت کرده و این موضوع باعث (تبدیل انرژی ارتعاشی به انرژی گرمایی) و میرا کردن ارتعاشات می‌شود.

شکل 6- عملکرد اجزا داخلی نحوه حرکت روغن از طریق سوپاپ‌ها

نکته: وجود نیتروژن (یا ازت) کم فشار در مخزن باعث جلوگیری از ایجاد کاویتاسیون و تولید کف یا فوم در روغن شده است که یکی از مزایای این کمک‌فنر است.

مزایا و معایب کمک فنر دو سیلندری

مزایا:

1. طراحی ساده‌تر و پایین‌بودن قیمت ساخت کمک‌فنر از مزایای این کمک‌فنر محسوب می‌شود
2. سیلندر ذخیره از آسیب‌دیدن کمک‌فنر جلوگیری می‌کند

معایب:

1. ترکیب‌شدن گاز با روغن و ایجاد حالت کف در داخل کمک‌فنر که باعث عدم کنترل ارتعاشات در کمک‌فنر می‌شود.
2. به دلیل وجود دولایه فلزی (لایه سیلندر اصلی و لایه مخزن ذخیره) و گرم‌شدن روغن به دلیل اصطکاک پیستون با جداره سیلندر، خنک کاری در این نوع کمک‌فنر ضعیف است این موضوع باعث نرم‌شدن بیش از حد کمک‌فنر می‌شود.

کمک فنر تک لول (تک‌سیلندری)

همان‌طور که در شکل شماره 6 مشاهده می‌کنید این نوع کمک‌فنر دارای یک سیلندر، یک پیستون هیدرولیکی به همراه سوپاپ‌های یک‌طرفه و یک عدد پیستون جداکننده روغن هیدرولیک از گاز نیتروژن/ازت است. این نوع کمک‌فنر سوپاپ پایین کمک‌فنر را ندارد و معمولاً به‌صورت برعکس در خودرو ها نصب می‌گردد.

1- گاز نیتروژن 2- پیستون جداکننده روغن و گاز 3- روغن 4- پیستون کمک‌فنر 5- میله پیستون
6- کاسه نمد 7- سیلندر کمک‌فنر 8- اورینگ پیستون 9- سوپاپ یک‌طرفه پیستون
شکل 7 – کمک‌فنر تک لول (تک تیوپ)

مزایا و معایب کمک فنر تک‌سیلندری

مزایا:

1. دقت کنترل ارتعاشات با فرکانس پایین دارد و این موضوع در هنگام عبور از پیچ جاده و دست‌اندازهای ریز راحتی بهتری به سرنشین‌ها می‌دهد.
2. قابلیت نصب به‌صورت برعکس (وارونه) در این نوع کمک‌فنر وجود دارد. زیرا به دلیل وجود پیستون شناور گاز و روغن با هم ترکیب نمی‌شود.
3. خنک کاری در این نوع کمک‌فنر به دلیل عدم وجود مخزن ذخیره بهتر انجام می‌شود و این موضوع باعث عملکرد بهتر کمک‌فنر می‌شود.

معایب:

1. به دلیل عدم وجود مخزن ذخیره بدنه کمک‌فنر بسیار آسیب‌پذیر است و با کوچک‌ترین دفرمگی رو بدنه، پیستون داخل کمک فنر قفل شده و کمک‌فنر از کار می‌افتد.
2. حساسیت به دمای محیط این نوع کمک‌فنر در زمانی که دما بالا می‌رود به دلیل گرم‌شدن گاز داخل کمک‌فنر و انبساط حرارتی گاز، کمک‌فنر به‌صورت غیرمعمول سفت‌تر می‌شود.

کمک‌فنرهای قابل تنظیم

همان‌طور در شکل شماره 7 مشاهده می‌کنید کمک‌فنرهای قابل تنظیم، تشکیل شده از یک کمک‌فنر 2 سیلندری به همراه یک عدد مخزن گاز متصل شده به آن و میزان گاز داخل کمک فنر را که می‌تواند توسط یونیت الکترونیکی و یک اهرم دستی در داخل اتاق خودرو در 2 حالت تنظیم نمود.
حالت استاندارد: در این حالت میزان شارژ گاز داخل کمک‌فنر در حالت ایدئال است و کمک‌فنرها نرمی خوبی را در سطح جاده برای سیستم تعلیق ایجاد می‌کند.
حالت اسپرت: در این حالت فشار گاز مخزن در کمک‌فنرها افزایش می‌یابد و این موضوع باعث سفتی کمک‌فنر شده و چسبندگی بیشتر تایرها با سطح جاده و سطح پایداری خودرو بالاتر خواهد شد.

شکل 8-کمک‌فنر قابل تنظیم

کمک‌ فنر پنوماتیک

1- سوپاپ ورودی هوا به داخل بالن کمک‌فنر 2- بوش لاستیکی 3- بالن کمک‌فنر
4- سنسور تنظیم ارتفاع 5- کمک دو سیلندری 6- بوش لاستیکی

شکل 9- کمک‌فنر پنوماتیک

در سیستم تعلیق بادی از المان‌های پنوماتیک به‌جای کمک فنر استاندارد استفاده می‌شود. در سیستم تعلیق استاندارد تغییر ارتفاع خودرو امکان‌پذیر نیست، اما در سیستم تعلیق پنوماتیک اندازه ارتفاع خودرو بسته به شرایط جاده قابلیت تغیر دارد. به‌عنوان‌مثال هنگام رانندگی در بزرگراه، مهم است خودرو به سطح جاده نزدیک باشد این امر باعث پایداری خودرو در هنگام پیچ جاده می‌شود و در مواقعی نیاز است که ارتفاع خودرو برای جلوگیری از برخورد موانع به زیر خودرو از سطح زمین افزایش یابد.
لازم به ذکر است که هر زمان که راننده حالت اسپرت را انتخاب کند کمک‌فنرها سفت‌تر می‌شود و هرگاه حالت آفرود را انتخاب کند کمک‌فنرها برای جلوگیری از کوبش و ارتعاش نرم‌تر خواهد شد. راه ساده‌تری نیز جهت تنظیم ارتفاع در خودرو ها با سیستم پنوماتیک وجود دارد که یک رگلاتور در داخل کابین راننده وجود دارد که می‌توان با آن، ارتفاع خودرو را بالا یا پایین برد. در مواردی نیز این مکانیزم به‌صورت خودکار توسط بردهای الکترونیکی و حسگرها صورت می‌گیرد.

نحوه عملکرد کمک فنر پنوماتیک

1- کمپرسور فشار هوا 2- سوپاپ کنترل جریان هوا 3- سنسور وزنی کمک‌فنر 4- مخزن فشار هوا 5- کمک‌فنر
6- یونیت سیستم تعلیق 7- سنسور yaw
شکل 10- اجزا سیستم تعلیق فعال با کمک‌فنر پنوماتیکی در خودرو سواری

همان‌طور که در شکل شماره 9 مشاهده می‌کنید: هر چرخ دارای یک کمک‌فنر بادی است. یک کمپرسور هوا نیز معمولاً در انتهای صندوق عقب وجود دارد که کار ایجاد فشار هوا را برعهده دارد و این هوای فشرده شده در مخزن هوا که معمولاً در قسمت عقب و در برخی موارد در جلوی خودرو نصب شده است ذخیره می گرد. در سیستم تعلیق پنوماتیک هر چرخ دارای یک سنسور حساس به ارتفاع هر چرخ و فشار هوای داخل کمک فنر وجود دارد که اطلاعات فشار و ارتفاع هر محور را به یونیت الکترونیکی سیستم تعلیق ارسال می‌کند.
سپس یونیت دستور لازم را به سوپاپ‌های کنترل جریان هوا، جهت تأمین هوای داخل بالشتک‌های هوای کمک‌فنرها می‌دهد. با توجه به اینکه استفاده از تعلیق فعال در خودرو های امروزی بسیار متداول شده است در یک مقله مجزا به شرح عملکرد این سیستم‌های تعلیق پرداخته خواهد شد.

نویسنده : مهندس بهروز خطیبی