دانلود تحقیق سیستم تعلیق در خودرو

بخش اول:
در کاتالوگ‌ها یا دفترچه راهنمای خودروها، در قسمت نوع سیستم تعلیق با نام‌هایی چون: سیستم تعلیق مستقل، مک فرسون، پیچشی، Multilink و ...

مواجه می‌شویم، اما متاسفانه اطلاعات عامه مردم، درباره سیستم تعلیق و انواع و اجزای آن در حد بسیار اندکی می‌باشد؛ در حدی که حتی برخی افراد نمی‌دانند سیستم تعلیق یا Suspension به کدام قسمت یا قسمت‌هایی از خودرو اطلاق می‌شود، بنابراین در این مطلب سعی خواهد شد فلسفه وجود این سیستم، اجزا تشکیل دهنده و انواع مختلف آن همراه با مزایا و معایب هر کدام مورد بررسی قرار گیرد.

فلسفه وجود سیستم تعلیق
یک جاده هر چقدر هم صاف و مسطح باشد، محل مناسبی برای به حرکت در آوردن ۱ یا چند تن فلز با سرعت بالا،‌ نیست.

پس به سیستمی نیاز است که توانایی کاهش ضربات، تکان‌ها و لرزش‌های ناشی از شرایط جاده را داشته باشد.

علاوه بر این، یک خودرو باید در مقابل تغییر مقدار بار وارده و تغییر نقطه ثقل، انعطاف‌پذیر بوده و توانایی مواجه با آن‌ها را داشته باشد، به طور مثال در شکل زیر تغییر نقطه ثقل یک خودرو را در در نقاط مختلف یک پیچ ملاحظه می‌کنید، که در صورت نبود سیستمی برای تغییر وضعیت تعادل، خودرو در ابتدای پیچ از مسیر منحرف شده و یا واژگون می‌گردد.

موارد بالا را می‌توان فلسفه اصلی وجود سیستم تعلیق دانست، اما سیستم تعلیق علاوه بر دفع ضربات و جلوگیری از انحراف و چپ شدن خودرو توانایی‌های دیگری نظیر: نگهداری میزان تنظیم چرخ‌ها در حالت صحیح، نگهداشتن ارتفاع خودرو در میزان ثابت، پشتیبانی از وزن خودرو و تنظیم نحوه پخش آن، نگهداشتن تایرها در تماس با جاده و ...

را نیز دارا است.

یک سیستم تعلیق دارای اجزاء بسیاری می‌باشد، اما اصلی‌ترین اجزای آن فنر و کمک‌فنر می‌باشند؛ به همین خاطر ابتدا به بررسی کارکرد این دو، در سیستم پرداخته و سپس به طور مفصل انواع هر کدام را بررسی خواهیم کرد.

فنر (Spring):
قسمتی از سیستم تعلیق می‌باشد که وزن خودرو را ساپورت کرده، ارتفاع خودرو را در حد استانداردش ثابت نگه داشته و ضربات جاده را نیز دفع می‌نماید.

فنرها که اغلب میله‌ها یا حلقه‌های فولادی انعطاف‌پذیری هستند، به شاسی و اتاق خودرو اجازه می‌دهند تا بدون اخلال در حرکت خودرو، دست‌اندازها را یکی پس از دیگری پشت سر بگذارد.

کمک‌فنر (Shock Absorber یا Damper):
در صورتی که خودرویی تنها مجهز به فنر باشد، زمانی که باری اضافه بر روی فنرها اعمال شود یا وسیله نقلیه با یک دست‌انداز روبه‌رو شود، فنر با جمع شدن آن را جذب می‌نماید، اما زمانی که یک فنر جمع می‌شود، مقداری انرژی در خود ذخیره می‌کند که برای تخلیه این انرژی، فنر باز شده و انرژی وارده را به شکلی غیر قابل کنترل رها می‌سازد و از آن جایی که فیزیک یک فنر با نوسان و ارتعاش آمیخته است پس از باز شدن دوباره جمع شده و سپس دوباره باز می‌شود، و این حرکت تا زمان تخلیه کامل انرژی ادامه می‌یابد، البته هر بار با فرکانسی کمتر از بار قبل.

این سیکل باعث جدا شدن چرخ از سطح جاده، خارج کردن کنترل خودرو از دست راننده و از بین بردن نرمی و راحتی سواری و ایجاد حالتی مشابه قایق سواری، می‌گردد.

اما آن چه این مشکل را حل می‌نماید چیزی نیست جز کمک‌فنر؛ کمک‌فنری که در شرایط مناسب قرار داشته باشد به سیستم تعلیق اجازه می‌دهد تا نوسان به وجود آمده را به یک یا دو سیکل تقلیل داده، حرکت بیش از حد را تعدیل نموده و وزن وارد بر چرخ‌ها را در حالت تعادل و چسبیده به جاده قرار دهد.

با کنترل فنر و حرکات سیستم تعلیق، اجزاء دیگر سیستم نظیر Tie Rod ها نیز در وضعیت درست خود فعالیت خواهند کرد و همین امر تنظیم چرخ‌ها را نیز به صورت ثابت در حالت صحیح خود، نگه می‌دارد.

کمک‌فنر عموماً شامل یک پیستون با سوراخ‌های ریز می‌باشد که در درون یک استوانه حاوی سیال هیدرولیکی حرکت می‌کند، که عبور تحت فشار سیال از سوراخ‌ها، منجر به حرکت ملایم پیستون در استوانه می‌گردد.

انواع فنرها
۵ نوع عمده فنر در وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد.

۱- فنر مارپیچ (Coil Spring):
نوع معمول و شناخته شده فنر می‌باشد، که یک میله پیچیده شده (حلقه شده) فولادی است، قطر و ارتفاع حلقه، قدرت و مقاومت فنر را تعیین می‌نماید.

افزایش قطر میله،‌ باعث افزایش قدرت فنر می‌گردد، در حالی که افزایش طول آن باعث افزایش انعطاف‌پذیریش خواهد شد.

مقدار وزنی که برای فشردن یک فنر مارپیچ به میزان ۱ اینچ لازم است را نرخ فنر (Spring Rate) می‌نامند.

این مقدار برای اندازه‌گیری قدرت فنر استفاده می‌شود و می‌توان آن را نرخ فشردگی فنر نیز اطلاق کرد.

برای مثال اگر ۱۰۰ پاند وزن لازم باشد تا فنری با حلقه‌های مساوی در ارتفاعش ۱ اینچ فشرده شود، برای این که همین فنر ۲ اینچ فشرده شود نیاز به ۲۰۰ پاند وزن می‌باشد اما این فرمول فقط برای فنرهایی صادق است که فشردگی حلقه‌های یکسانی دارند، در فنرهای پیشرفته (Progressive Springs)، یک فنر دارای نرخ‌های مختلف در نقاط مختلفش می‌باشد.‌
این فنرها به دو روش ساخته می‌شوند، در روش اول،‌ فنر در قسمت‌های مختلف از ارتفاعش، دارای ضخامت‌های مختلفی است، و در نوع دوم که نوع متداولتری است فشردگی فنر در قسمت‌های بالاتر بیشتر است.

اصولاً فنرهای چند نرخی باعث می‌شوند تا در زمان خالی بودن خودرو، قسمتی که دارای نرخ کمتری است وارد عمل شده و سواری نرم‌تری را فراهم نماید و در هنگام اعمال وزن نیز قسمت با نرخ بالا وارد عمل شده و ساپورت و کنترل بهتری را برای وسیله نقلیه فراهم می‌ساز
این فنرها به دو روش ساخته می‌شوند، در روش اول،‌ فنر در قسمت‌های مختلف از ارتفاعش، دارای ضخامت‌های مختلفی است، و در نوع دوم که نوع متداولتری است فشردگی فنر در قسمت‌های بالاتر بیشتر است.

اصولاً فنرهای چند نرخی باعث می‌شوند تا در زمان خالی بودن خودرو، قسمتی که دارای نرخ کمتری است وارد عمل شده و سواری نرم‌تری را فراهم نماید و در هنگام اعمال وزن نیز قسمت با نرخ بالا وارد عمل شده و ساپورت و کنترل بهتری را برای وسیله نقلیه فراهم می‌سازد.

محاسن: فنرهای مارپیچ به هیچ تنظیمی نیاز نداشته و اکثراً بدون خرابی می‌باشند.

معایب: این نوع فنرها از لحاظ تحمل وزن محدودیت داشته، هم‌چنین احتمال ضعیف شدنشان هم وجود دارد، که این امر باعث بر هم خوردن تنظیم هندسی و ارتفاع خودرو و فرسودگی تایرها و دیگر قطعات خودرو می‌شود.

با اندازه‌گیری ارتفاع خودرو و مقایسه آن با میزان مشخص شده، می‌توان از ضعیف شدن فنرها آگاه شد.

موارد مصرف: این نوع فنر، در اغلب خودروهای سواری امروزی، استفاده می‌گردد.

۲- فنر تخت (Leaf Spring): فنرهای تخت که در دو نوع تک ورقی و چند ورقی عرضه می‌شوند، این فنرها مانند فنرهای مارپیچ برای جذب ضربه جمع نمی‌شوند، بلکه خم می‌شوند.

نوع چند ورق شامل چند صفحه فولادی انعطاف‌پذیر با طول‌های مختلف می‌باشد که بر روی یک‌دیگر قرار گرفته‌اند و در مواجه با ضربات جاده خم شده و بر روی یک‌دیگر می‌لغزند.

در نوع تک ورق نیز که عمدتاً از نوع باریک شونده می‌باشد، تنها یک ورق فنری که در وسط کلفت‌تر از طرفین می‌باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد،‌ این نوع از فنرهای تخت عمدتاً از کامپوزیت‌ها ساخته می‌شوند اما نوع فولادی آن‌ها نیز یافت می‌شود.

فنرهای تخت عمدتاً به صورت مجزا برای هر چرخ استفاده می‌شوند که در طول خودرو و در زیر هر چرخ نصب می‌شوند، اما برخی کارخانجات نیز، از نوع متقاطع (ضربدری) آن برای هر دو چرخ استفاده می‌کنند.

فنرهای تخت به وسیله یک رابط Uشکل به اکسل خودرو متصل می‌شوند و از دو طرف نیز به شاسی وصل می‌گردند.

محاسن: این نوع از فنرها توانایی ساپورت وزن‌های زیاد را دارا بوده و سواری نرم‌تری را برا ی خودروهای سنگین به ارمغان می‌آورند.

معایب: نیاز به جای زیاد، وجود اصطکاک بین ورقه‌های فنر و ایجاد صدای ناشی از لغزش فنرها بر روی یک‌دیگر (با نصب ورف‌های پلاستیکی بین ورقه‌های فنر قابل حل است) و هم‌چنین نیاز به سرویس و نگهداری از معایب این فنرها محسوب می‌شود.

موارد مصرف: این نوع از فنرها بیشتر در خودروهای سنگین، وانت بارها ، برخی SUVها (در مورد وانت‌ها و SUVهای جدید فقط برای چرخ‌های عقب استفاده می‌شود) و حتی برخی خودروهای سواری قدیمی نظیر پیکان دیده می‌شود.

۳- میله پیچشی (Torson Bar): در این نوع از فنر، میله فولادی نه جمع شده و نه خم می‌شود بلکه در خود می‌پیچد، میله پیچشی که یک میله صاف یا L شکل است به صورت عرضی در یک سمت به شاسی وصل شده و در سمت دیگر به قسمت متحرکی از سیستم تعلیق متصل می‌شود، در هنگام مواجه با ضربه، میله پیچشی در خود پیچ خورده (می‌تابد) و رفتار یک فنر را از خود بروز می‌دهد (‌حرکت این نوع فنر مانند زمانی است که برای آب کشیدن یک لباس آن را با دو دست می‌پیچانیم).

میله‌های پیچشی برای تبدیل حرکت عمودی خودرو به حرکت پیچشی در سطح افقی خود، در یک سمت شیاردار می‌باشند.

محاسن: قیمت کمی دارند نیاز به تعمیر و نگهداری ندارند، قابل تنظیم بوده و فضای کمی نیز اشغال می‌کنند از این رو در مواردی که فضای کافی برای فنر مارپیچ وجود نداشته باشد، از این نوع استفاده می‌گردد.

معایب: راحتی و نرمی حاصل از فنرهای مارپیچ را دارا نیست.

موارد مصرف: اصولا برای اکسل عقب خودروها طراحی شده، در خودروهای موجود در کشور بر روی اکسل عقب پژو ۲۰۶ و ۲۰۵ موجود می‌باشد.

۴- فنر هوایی (Air Spring): نوع دیگری از فنرها می‌باشد که در حال رواج یافتن می‌باشند.

فنر هوا یک سیلندر لاستیکی است که با هوای فشرده پر شده و پیستونی که به اتصالات پایین چرخ متصل است با حرکت خود در این سیلندر باعث فشردگی هوا و ایجاد حالت فنریت خواهد شد.

اگر میزان وزن خودرو تغییر نماید نیز، یک والو در بالای سیلندر هوا باز شده تا به مقدار هوای داخل سیلندر بیفزاید (یک کمپرسور این هوا را تأمین می‌نماید) و این امر باعث خواهد شد تا خودرو با وجود افزایش بار وارده، در ارتفاع ثابت خود باقی بماند.

محاسن: نرمی بسیار بالا مانند غوطه‌وری در هوا.

معایب: پیچیدگی سیستم و قیمت بالای آن.

موارد مصرف: برای خودروهای سواری، وانت‌ها و کامیون‌های سبک، در حال رایج شدن می‌باشد.

۵- فنر لاستیکی (Rubber Spring): این نوع فنر که توسط دکتر Alex Moulten ابداع شد، از یک لاستیک فشرده انعطاف‌پذیر تشکیل شده.

محاسن: سبک بوده و جای کمی می‌گیرد.

معایب: قابلیت‌های فنرهای فولادی را دارا نیست و بسیار ضعیف‌تر از آن‌هاست.

موارد مصرف: اولین بار بر روی خودروهای مینی استفاده شد، اما هم‌اینک در کمتر خودرویی به کار می‌رود و تنها برای دوچرخه‌ها و موتورهای مسابقه و صخره‌نوردی استفاده می‌شود.

نقش تایرها در سیستم تعلیق: تایرها فنرهایی هستند که به چشم نمی‌آیند؛ تایرها نوعی فنر هوا می‌باشند که تمامی وزن خودرو را تحمل می‌کنند.

فعالیت فنری تایرها روی کیفیت سواری و هندلینگ خودرو بسیار مهم می‌باشد، و به طور کل تایرها به عنوان عضو اصلی اجزاء مؤثر در کیفیت رانندگی، محسوب می‌شوند.

سایز، ساختمان، ترکیب و تورم احتمالی در کیفیت رانندگی بسیار مؤثر می‌باشد.

در بخش‌های بعدی این مطلب به نحوه‌ی عمل‌کرد کمک‌فنر و انواع آن، دیگر اجزای سیستم تعلیق و انواع سیستم‌های تعلیق خواهیم پرداخت.

بخش دوم : همان‌طور که قبلاً ذکر شد، بر خلاف تفکر عامه، کمک‌فنر وزن خودرو را ساپورت نمی‌کند بلکه وظیفه اصلی آن کنترل نوسانات فنرها و حرکات سیستم تعلیق و نگه داشتن چرخ به صورت چسبیده به جاده می‌باشد.

این کار با تبدیل انرژی جنبشی حاصل از نوسانات فنر و سیستم تعلیق و تبدیل آن به انرژی گرمایی (حرارتی) در کمک‌فنر انجام می‌گردد.

برای ورود به بحث نحوه عمل‌کرد یک کمک‌فنر، ابتدا به زبان ساده و به دور از جزئیات به بررسی اساس کار آن پرداخته و سپس به تشریح کلی و تخصصی عمل‌کرد، اجزا و انواع آن خواهیم پرداخت.

یک کمک‌فنر شامل پیستونی است که در سطح مقطعش سوراخ‌های ریزی (این سوراخ‌ها را Orifice می‌نامند) تعبیه شده و به یک میله فولادی (Piston Rod) متصل است، این پیستون درون یک محفظه بسته (تیوپ) فلزی که حاوی یک سیال هیدرولیکی (عموما روغن) است، حرکت می‌نماید.

اطراف محل حرکت میله به داخل و خارج محفظه به وسیله یک کاسه‌نمد کاملاً آب‌بندی شده و سیال تحت فشار، امکان خروج از محفظه را دارا نیست.

زمانی که نیرویی بر یک کمک‌فنر وارد شود، کمک‌فنر به اصطلاح در سیکل فشرده شدن قرار گرفته و پیستون می‌خواهد به سمت پایین، درون محفظه حرکت نماید، اما از آن‌جا که سیال قابلیت فشرده شدن ندارد در مقابل این نیرو مقاومت می‌کند و چون برای رهایی از این فشار منفذی جز سوراخ‌های پیستون وجود ندارد، برای دفع فشار وارده سیال از سوراخ‌های ریز درون پیستون عبور کرده و به پشت (بالای) پیستون خواهد رفت، این حرکت نیز به دلیل ریز