مقدمه
به گزارش تارک خودرو: مطالعه ی نیروهای وارد به خودروی در حال حرکت، دینامیک خودرو (Vehicle Dynamics) نامیده می شود؛ که شما به منظور درک وجود تعلیق در خودرو، نیازمند درک برخی از مفاهیم آن می باشید.
بیشتر مهندسان خودرو، دینامیک خودروی در حال حرکت را از دو منظر بررسی می کنند:
۱- سواری (Ride): توانایی خودرو در فراهم کردن حرکتی نرم در هنگام عبور از ناهمواری ها.
۲- فرمان پذیری (Handling): توانایی خودرو در شتاب گیری، ترمز کردن و دور زدن مناسب.
با پیگیری این دو مشخصه، در مرحله ی بعدی می توانیم به توصیف سه اصل مهم کمک نماییم:
۱- ایزولاسیون (جداسازی) جاده (Road Isolation)
۲- ره گیری جاده (Road Holding)
۳- دور زدن (Cornering)
جدول زیر سه اصل بالا را توضیح می دهد، و نگاهی به تلاش های مهندسان در حل چالش های بوجود آمده دارد:
اجزای سیستم تعلیق عبارتند از فنرها و قطعات مربوط به آنها که وزن اتاق خودرو را روی اکسل ها و چرخ ها نگه می دارند. فنرها و کمک فنرها دو جزء اصلی تشکیل دهنده ی سیستم تعلیق می باشند؛ که فنرها وزن خودرو را تحمل و ضربه ی دست اندازها را جذب می کنند؛ کمک فنرها نیز کنترل و میرا کردن حرکات فنرها را برعهده دارند؛ که اگر این کنترل نباشد، فنر با یک بار تحریک شدن دچار نوسانات ممتد شده، چرخ ها را به بالا و پایین نوسان داده، و راحتی سرنشینان را بر هم می زند.
خصوصیات و مشخصه های سواری و فرمان پذیری خودرو به طور قابل ملاحظه ای به مشخصه های تایر وابسته است؛ بطوریکه تایر را می توان نقطه ی عکس العمل خودرو با سطح جاده دانست. تایرها نیروها و ارتعاشات وارده از طرف جاده را مدیریت کرده، در زنجیره ی اجرای دستوارت راننده، آخرین حلقه ی زنجیر را شکل می دهند. بنابراین مشخصه های تایر فاکتوری کلیدی در اثرات وارده از جاده به خودرو، اثرات نیروهای خروجی پایدار کننده ی خودرو و مشخصه های دور زدن می باشند.
مشخصه های اصلی تایر بوسیله ی سیستمی متشکل از فنرها، کمک فنرها و اهرم بندی ها مدیریت می شود؛ که این مدیریت شامل کنترل حرکات و عکس العمل های تایر نسبت به ناهمواری های موجود در سطح جاده و کنترل ورودی می باشد.
جهش چرخ ها به واسطه ی روبرو شدن با ناهمواری های سطح جاده و حرکاتی که به منظور فرمان پذیری برای چرخ ها در نظر گرفته شده است، تامین نیازهای همزمان مختلفی را موجب می شود. چرخ ها، ورودی از طرف فرمان را برای کنترل مسیر، عمل خنثی سازی را به منظور جلوگیری از غلتش بدنه، بهبود قابلیت دور زدن و حرکت عمودی را در پاسخ به ناهمواری های سطح جاده، به منظور حرکتی نرم و چسبندگی مناسب بین تایر و سطح جاده، فراهم می کنند.
چرخ ها از طریق اهرم بندی به جرم فنربندی شده ی خودرو متصل می شوند؛ و متاثر از حرکت های غلتشی و چرخشی ای می باشند که بواسطه ی مراکز واکنشی سیستم تعلیق بوجود می آید.
شرایط و احتیاجات مکانیکی مورد نیاز برای کنترل جهت خودرو (Directional Control)، نیروهای وارده و راحتی سفر، متصلا با شرایط مختلف رانندگی و مسیر، تغییر می یابند. به همین منظور تعلیق و اهرم بندی فرمان مهیا شده است، تا به چرخ ها اجازه داده شود که نیازهای دینامیکی مورد نیازشان را در مواجهه با ترکیبی از حوادث مختلف برآورده کنند. هر چند طراح معمولا بوسیله ی تعارضات مکانیکی موجود مابین عضوهای ساختمانی، موتور و خط انتقال قدرت و هر آنچه که باید به خودرو ملحق شود، در اجباری قرار دارد؛ که نتیجه ی آن وجود اشتباهاتی در هندسه ی خودرو، و فاصله گرفتن سیستم تعلیق واقعی در شرایط گوناگون نسبت به سیستم ایده آل می باشد.
نسبت مابین وزن فنربندی شده و وزن فنربندی نشده، یکی از مهمترین مولفه ها در میزان راحتی سفر و مشخصه های فرمان پذیری خودرو می باشد. در خودروهای امروزی با اندازه ی استاندارد، وزن فنربندی نشده معمولا ۱۳ تا ۱۵ درصد از وزن خودرو را شامل می شود؛ بطوریکه در خودروی ۳۵۰۰ پوندی، وزن فنربندی نشده ای در حدود ۵۰۰ پوند را می توان انتظار داشت. میزان این وزن از آنجا اهمیت می یابد، که عکسل العمل یک جرم ۵۰۰ پوندی در حرکتی با سرعت بالا و در مواجهه با ناهمواری ها می تواند نیروهای عمودی مهمی را تولید نماید، که باعث تنزل راندن و تاثیر زیان آور بر فرمان پذیری خودرو شوند.
پیشگامان این عرصه بر این باور بودند که وظیفه ی اولیه و اصلی سیستم تعلیق، جذب ضربات و نرم کردن سواری است؛ اما امروزه ما می دانیم که وظیفه ی مهم دیگری که بر عهده ی سیستم تعلیق گذاشته شده است، در تماس دائم نگه داشتن تایر با سطح جاده می باشد.
زمانی که تایر با ناهمواری ها برخورد می کند، نیروهای حاصله، فشار تماس و نهایتا چسبندگی مابین تایر و جاده را کاهش می دهند؛ بنابراین نیروهای تولید شده در مواجهه با ناهمواری ها، باید بوسیله ی فنرها خنثی شوند، تا تایرها در تماس با جاده بمانند. فنرها این نیرو را از طریق بار فشاری وارده از طرف وزن خودرو، به تایرها وارد می کنند. بنابراین باید توجه داشت که هرچه نسبت وزن فنربندی شده به وزن فنربندی نشده بیشتر باشد، از نظر دینامیکی خودرو وضعیت بهتری دارد؛ زیرا تماس چرخ های خودرو با سطح جاده، حتی در جاده های ناهموار بیشتر حفظ می شود، و راننده به خودرو مسلط تر بوده، و کنترل آن را بهتر در دست خواهد داشت.
رعایت نسبت وزن فنربندی شده به وزن فنربندی نشده، مخصوصا در طراحی خودروهای سبک بسیار اهمیت دارد؛ زیرا در خودروهای سبک بدلیل آنکه نیروی فشاری کمتری از طرف خودرو به جاده وارد می شود، انتقال حرکت عمودی چرخ با غلبه بر نیروی اینرسی وزن فنربندی شده ساده تر می باشد. بنابراین ترکیب مناسب مابین سواری و فرمان پذیری زمانی رخ می دهد که با نسبت زیاد وزن فنربندی شده به وزن فنربندی نشده، تایرها را بطور محکم در تماس با سطح جاده نگه داشته، و سواری مناسبی را فراهم نماییم.
بیشتر سیستم های تعلیق، انفعالی یا غیرفعال هستند. مثلا تایری که با برآمدگی یا فرورفتگی موجود در سطح جاده مواجه می شود، ممکن است در تماس با سطح جاده باقی نماند. در این صورت سیستم تعلیق با فشرده یا باز کردن فنر، واکنش نشان می دهد؛ که این طرز عمل بر کیفیت سواری و فرمان پذیری تاثیر گذاشته، و ارتعاشات و نوسانات را به اتاق خودرو منتقل می کند.
در سیستم تعلیق فعال، به جای فنر و کمک فنر از کاراندازهای هیدرولیکی استفاده می شود. کارانداز هیدرولیکی وسیله ای است که انرژی هیدرولیکی سیال تحت فشار را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند. این سیستم به کمک فشار هیدرولیکی، هر تایر را با نیروی ثابتی به سطح جاده فشار می دهد، که با بالا و پایین رفتن تایرها این نیرو نیز تغییر می یابد. همچنین با تغییر نقطه ی ثقل خودرو به واسطه ی دور زدن یا شیرجه زدن خودرو در هنگام ترمز کردن و جهش خودرو (چمپاتمه نشستن) در هنگام شتاب گیری، مقدار این نیرو تغییر می کند.
- دسته بندی سیستم تعلیق:
- سیستم تعلیق انفعالی یا غیرفعال (Passive Suspension)
- سیستم تعلیق خود تنظیم (Self-Leveling Suspension)
- سیستم تعلیق نیمه فعال (Semi-Active Suspension)
- سیستم تعلیق فعال (Active Suspension)
در ادامه به توضیح مختصر چهار سیستم تعلیقی که در دسته بندی بالا ذکر شده است، می پردازیم:
۱- تعلیق غیرفعال:
تعلیق های غیرفعال شامل تعدادی از اجزای رایج می باشند، که دارای مشخصه های فنریت یا میراکنندگی بوده، و حرکاتی مستقل از زمان دارند. به عبارتی اجزای غیرفعال تنها می توانند، بخشی از انرژی را در قسمتی از سیکل کاری سیستم تعلیق جذب (فنرها) و یا در قسمتی دیگر تلف نمایند (کمک فنرها). در این نوع از تعلیق، انرژی ای از خارج مستقیما وارد سیستم نمی شود.
بیشتر سیستم های تعلیق، انفعالی یا غیرفعال اند. مثلا تایری که به برآمدگی سطح جاده برخورد می کند یا در چاله ای می افتد، ممکن است تماسش را با سطح جاده از دست بدهد؛ در این صورت، سیستم تعلیق با فشرده یا باز کردن فنر عکس العمل نشان می دهد؛ که این شیوه ی عملکردی همانطور که بر کیفیت سفر و رانندگی تاثیرگذار است، باعث انتقال ضربه و لرزش به اتاق خودرو نیز می گردد.
۲- تعلیق خود تنظیم:
ویژگی های سیستم تعلیق خود تنظیم در ادامه در قالب چند نکته بیان گردیده است:
- در خودروهای سواری، زمانی که از حداکثر تحمل بار خودرو استفاده می نمائیم، خودرو تمایل به خوابیدن بر روی سطح جاده دارد؛ که همین امر راحتی سفر و ارتفاع خودرو از سطح جاده را تحت تاثیر قرار می دهد. برای پیشگیری از این حالت های ناخواسته، سیستم های تعلیق خود تنظیم گسترش یافته اند.
- مدل های قدیمی تر سیستم خود تنظیم از تعلیق بادی (Air Suspension) بهره می بردند.
- مدل های مدرن سیستم خود تنظیم از تعلیق هیدروپنوماتیکی (Hydro-Pneumatic Suspension) استفاده می نمایند (مانند زانتیا).
- تعلیق های خود تنظیم مجهز به سنسور کنترل ارتفاع می باشند.
- علاوه بر قابلیت خود تنظیمی سیستم، همیشه امکان تنظیم ارتفاع از سوی راننده نیز فراهم می باشد.
- سیستم عملکرد آرامی دارد.
- خودروسازان معمولا از این تعلیق بر روی خودروهای پیشرفته ی خود بهره می برند.
- برخی از این تعلیق های هیدروپنوماتیکی را می توان در گروه تعلیق های نیمه فعال نیز جای داد.
۳- تعلیق نیمه فعال:
این سیستم تعلیق، شامل اجزای فنری و میراکننده ای می باشد، که بوسیله ی کنترل خارجی قابل تنظیم و تغییر است. بطور مثال، یک سیگنال از واحد کنترل مرکزی سیستم تعلیق می تواند به منظور تغییر خصوصیات تعلیق بکار برده شود.
لازم به ذکر است که توجه به سیستم های تعلیق نیمه فعال و فعال، از پتانسیل این سیستم ها برای بهبود عملکرد سواری خودرو، بدون تغییر در نحوه ی کنترل خودرو، ناشی می شود.
حال به نکات سیستم تعلیق فعال توجه نمایید:
- کنترل میرایی را می توان از وظایف اصلی این نوع سیستم تعلیق برشمرد.
- کمک فنرهای انطباق پذیر از قطعات اصلی این تعلیق به شمار می روند.
- این نوع تعلیق مجهز به سنسورهای مختلف و واحد کنترل الکترونیکی نیز می باشد.
- سیستم های تعلیق نیمه فعال فقط می توانند حرکت های با فرکانس پایین بدنه را کنترل کنند؛ و محدوده های فرکانسی بالا باید توسط قطعات تعلیق انفعالی کنترل شود.
- این نوع تعلیق می تواند بطور محسوسی راحتی سفر و فرمان پذیری خودرو را بهبود بخشد.
- بسیاری از مدل های خودروهای پیشرفته نظیر مرسدس و جنرال موتورز به این نوع از تعلیق مجهز می باشند.
۴- تعلیق فعال:
سیستم های تعلیق فعال، نیازمند نیرو یا انرژی خارجی می باشند؛ تا آنها را قادر سازد که سیستم کنترل را مستمرا فعال ساخته، نیروهایی که از طریق سیستم تعلیق منتقل می شوند را تحت کنترل قرار دهند.
از آنجایی که از جنبه ی تکنیکی، سیستم های فعال نمی توانند بدون اندازه گیری پارامترهای مختلفی نظیر سرعت ها و عکس العمل های قسمت های مختلف عملی شوند؛ و همچنین از آنجایی که به یک انرژی خارجی برای فعال کردن سیستم نیازمند می باشند؛ همه ی اینها سبب پیچیده شدن اجزاء و افزایش قیمت این سیستم نسبت به سیستم های کلاسیک شده است.
در نوعی سیستم تعلیق فعال، بجای استفاده از فنر و کمک فنر از کاراندازهای هیدرولیکی استفاده می شود. این کارانداز وسیله ایست که انرژی هیدرولیکی سیال تحت فشار را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند. این سیستم به کمک فشار هیدرولیکی، هر تایر را با نیروی ثابتی به سطح جاده می فشارد؛ بطوریکه با بالا و پایین رفتن چرخ ها، این نیرو تغییر می کند. همچنین زمانی که مرکز ثقل خودرو در اثر دور زدن تغییر می یابد، و یا بر اثر ترمز کردن شیرجه می رود و بر اثر شتاب گیری عقب خودرو می خوابد و حالت چمباتمه نشستن پیدا می کند، مقدار این نیرو تغییر می کند.
سنسوری که در کارانداز (Actuator) قرار گرفته است، تغییرات نیروی وارده به تایر را از طریق ارسال سیگنال، به اطلاع واحد کنترل الکترونیکی می رساند. همچنین سنسورهای دیگری که در خودرو تعبیه شده اند، تغییر وضعیت فرمان، شتاب و پایداری اتاق را به اطلاع واحد کنترل الکترونیکی می رسانند. یک ژیروسکوپ به منزله ی سنسور دوران حول محور قائم عمل کرده، هرگونه انحراف یا تغییر جهت خودرو از مسیر مستقیم را مشخص می کند. واحد کنترل الکترونیکی ورودی های سنسورهای مختلف را دریافت کرده، از طریق شیری که با سیگنال های الکترونیکی کنترل می شود، سیال تحت فشار را به کارانداز می فرستد. کارانداز نیز چرخ را به بالا و پایین برده، و تایر را با نیروی ثابتی به سطح جاده می فشارد؛ در نتیجه خودرو همواره در یک سطح باقی می ماند، و در عین حال کیفیت سفر و رانندگی نیز حفظ می شود.
خودروهای مجهز به سیستم تعلیق فعال، ممکن است فنر هم داشته باشند. این فنرها معمولا عملکرد نرمی دارند، و تحت تاثیر کاراندازهای قویتر قرار می گیرند. در صورت خراب شدن سیستم های هیدرولیکی، بدلیل وجود این فنرها، باز امکان رانندگی مهیا می باشد.
حال به نکات سیستم تعلیق فعال توجه نمایید:
- سیستم کاملا فعالی است که سختی تعلیق و میزان میراکنندگی سیستم را مداما تحت کنترل دارد.
- این سیستم قادر است قبل از رسیدن به ناهمواری ها، تنظیمات لازم را انجام دهد، و چرخ ها را همیشه در تماس با سطح جاده نگه دارد؛ بطوریکه چرخ ها با رسیدن به ناهمواری ها بالا رفته، و سپس پایین می آیند؛ که همین امر متضمن حرکتی نرم و آرام است.
- این نوع تعلیق مجهز به عملگرهای سرو هیدرولیک (Servo Hydraulic Actuators)، سیستم هیدرولیکی، واحد کنترل الکترونیکی (ECU) و سنسورهای مختلف می باشد.
- سیستم های کاملا فعال، قادرند که حرکات بدنه را دربازه ی گسترده تری از فرکانس ها، کنترل کنند.
- راهبرد کنترلی این سیستم ها بر دو متد اصلی استوار است:
- روش پایش چرخ
- روش نگاه به جلو
- سیستم های تعلیق فعال، توان زیادی را به خود اختصاص می دهند (۱۵ تا ۳۰ کیلو وات).
- مشخصه های عملکردی که توسط کنترل فعال بهبود می یابند، عبارتند از:
- کنترل سواری (Ride Control)
- کنترل ارتفاع (Height Control)
- کنترل غلتش (Roll Control)
- کنترل شیرجه (Dive Control)
- کنترل چمپاتمه نشستن (Squat Control)
- ره گیری مسیر جاده (Road Holding)
- وظایف سیستم تعلیق:
- فراهم کردن قابلیت فرمان پذیری خودرو، بخصوص در هنگام دور زدن و ترمز کردن.
- عکس العمل مناسب در مقابل نیروهای وارده به هنگام ترمز کردن (شیرجه)، شتاب گرفتن (چمپاتمه نشستن) و برخورد با ناهمواری های سطح جاده.
- جلوگیری از انتقال ارتعاشات و نوسانات ناشی از پستی و بلندی جاده به سرنشینان.
- تامین و حفظ هندسه ی چرخ های فرمان پذیر جلو.
- ایجاد تماس مناسب مابین تایر و سطح جاده.
- تحمل وزن خودرو.
- افزایش راحتی سفر.
- میزان نگه داشتن چرخ ها.
- شرایطی را فراهم کند که چرخ ها با حرکت عمودی خود، مانع از انتقال ارتعاشات ناشی از پستی و بلندی جاده به شاسی خودرو شوند.
- از پیچش شاسی حول محور طولی، جلوگیری کند.
- انواع تعلیق:
۱- تعلیق غیرمستقل (وابسته – Dependent Suspension):
زمانی که هر دو چرخ خودرو به یک محور ثابت متصل گردند و در یک زمان با هم نوسان کنند، تعلیق را ثابت گویند. در این نوع سیستم تعلیق، چرخ ها در دو طرف یک تیر صلب (Solid Axle) قرار گرفته، و هر گونه حرکت از یک چرخ به چرخ دیگر منتقل می شود؛ بطوریکه چرخ ها به یک نسبت فرماندهی شده، و با هم نسبت به برآمدگی های جاده پاسخ می دهند.
۲- تعلیق مستقل (Independent Suspension):
در تعلیق مستقل هر چرخ بطور مستقل ارتعاش کرده، و در چرخ دیگر تاثیر نمی گذارد. اولین نمونه ی این سیستم تعلیق برای استفاده در کسل جلو، در اوایل قرن بیستم عرضه شد. موریس اولی یکی از پیشگامان طراحی و ساخت این نوع سیستم تعلیق می باشد، که تعدادی از نقایص سیستم اکسل صلب، از قبیل لنگی (Wobble) و لرزش (Shimmy) چرخ را بوسیله ی جدا کردن چرخ ها از یکدیگر و تقسیم جرم خودرو بین چرخ ها، از بین برد. امروزه اکثر خودروهای سواری و باربری سبک، از این سیستم تعلیق در چرخ های جلوی خود بهره می برند.
- مزایای تعلیق غیرمستقل:
- قیمت تمام شده ی تعلیق ارزان است.
- بدلیل آنکه استحکام بالایی دارند، برای استفاده در خودروهای سنگین مناسب می باشند.
- زوایای چرخ ها ثابت بوده، و لاستیک سایی زیادی ندارد.
- این نوع تعلیق نیروهای جانبی را جذب کرده، و نیاز به اهرم های تعادل را برطرف می کند.
- در جاده های کم اصطکاک و لغزنده، فرمان پذیری مناسبی دارد.
- زاویه ی کمبر چرخ بر روی پیچش بدنه ی خودرو تاثیری ندارد.
- معایب تعلیق غیر مستقل:
- در صورت قرار گرفتن یک چرخ بر روی برآمدگی یا فرورفتگی، بدنه ی خودرو کاملا منحرف می شود، و روی چرخ دیگر نیز تاثیر می گذارد.
- وزن زیادی را به قسمت فنربندی نشده ی خودرو تحمیل می کند، که نیاز به سیستم فنربندی نیرومند را ضروری می گرداند.
- نوساناتی که در اثر ناهمواری های سطح جاده بوجود می آید، سریعا به سیستم فرمان منتقل می شود.
- مزایای تعلیق مستقل:
- به دلیل تماس بیشتر تایرهای جلو با سطح جاده، فرمان پذیری خودرو بهبود می یابد.
- نیروهای وارده از سطح جاده به چرخها، بوسیله ی سیستم تعلیق جذب می شود، و از انتقال آن به قسمت سرنشینان خودرو جلوگیری می گردد.
- نوسان هر چرخ به چرخ دیگر و به فریم خودرو منتقل نمی شود.
- وزن محور به وسیله ی شاسی جذب می شود، و دیفرانسیل و قطعات سنگین در شمار قطعات فنربندی شده قرار می گیرند؛ که همین امر امکان استفاده از فنر نرم در سیستم تعلیق را فراهم می سازد.
- در این سیستم به دلیل آنکه وزن خودرو مابین چرخ ها تقسیم می گردد، در هنگام دور زدن و شتاب گیری، سطح اتکای چرخ ها و بالطبع ایمنی افزایش می یابد.
- با اشغال فضای کم، فضای بیشتری را در اختیار موتور و قسمت سرنشینان خودرو قرار می دهد.
- مقاومت بیشتری در مقابل ارتعاشات ناشی از ناهمواری های جاده دارد، و به سیستم فرمان آسیب کمتری می رسد.
- بر خلاف تعلیق صلب، در تعلیق مستقل چون حرکت و جابجایی قائم هر چرخ مستقلا صورت می گیرد، لذا انتقال لرزش به اتاق خودرو کاهش می یابد.
- معایب تعلیق مستقل:
- هزینه های تولید، تعمیر و نگهداری بالایی دارند.
- در اثر ارتعاش بیشتر چرخ ها که به انعطاف آنها مربوط می شود، تغییرات زاویه ای چرخ ها بیشتر گردیده، و لاستیک سایی افزایش می یابد.
منبع: تکنولوژی شاسی خودرو، انتشارات پارتیان، مهندس حسین رمضانی
