چکیده هدف اصلی این پروژه بررسی سیستم های تعلیق و تحلیل اثرات ارتعاشات بر روی سیستم غیر فعال است.
که در ابتدا سعی شده است نگاهی گذرا بر انواع سیستمهای تعلیق از نظر فعال یا غیر فعال بودن داشته باشیم.
بعد از آن در این پروژه تحلیل اثرات ارتعاشات بر روی سیستم تعلیق خودرودو درجه آزادی مورد بررسی قرارگرفته است، که همانگونه که مشاهده می شود به پارامترهای مختلفی مانند ضرایب سیستم تعلیق، ناهمواری های جاده وابسته است.
این پروژه نیازمند بسط یک مدل ریاضی برای شبیه سازی رفتار دینامیکی یک خودرو است.
در این پروژه برای شبیه سازی از کامپیوتر و برنامه MATLAB استفاده شده است.
1-1 سیستم تعلیق خودرو به عنوان یکی از سیستم های مهم در خودرو یکی از کانون های اصلی مهندسی اتومبیل می باشد.
تعلیق اصطلاحی است که به مجموعه فنر ها، کمک فنرها واهر مبندی هایی که به چرخ های خودرو متصل می گردد اطلاق می شود.
در وسائل نقلیه موتوری سبک و سنگین جهت تعدیل اثرات نامطلوب ناشی از ناهمواری سطح جاده ازسیستم تعلیق استفاده می کنند .
این اثرات باعث خستگی راننده و سرنشینان آن می شود به طوریکه این وضع موجب بخطر افتادن سلامتی انسان شده و نهایتاً کاهش بازده راننده و همچنین کاهش عمر مفید قطعات خودرو را به دنبال خواهد داشت.
سیستم تعلیق از همان زمان اختراع خودرو بکار گرفته شده بود و در طول زمان کاملتر شده است.
این تکامل جنبه های مختلفی داشته که نتیجتاً قابلیتهای جدیدی را به دنبال آورده است.
به طوریکه درصد قابل توجهی از انرژی حاصل از ارتعاشات و نوسانات ناشی از ناهممواری سطح جاده توسط فنر و دمپر سیستم تعلیق جذب و مستهلک می شود.
مهمترین اهداف این پروژه به شرح زیر هستند : -شناخت وظایف و پارامترهای مهم طراحی سیستم تعلیق - شناخت انواع سیستم تعلیق - شبیه سازی سیستم تعلیق دو درجه آزادی 1-2 تاریخچه سیستم تعلیق آثار بوجود آمدن سیستم تعلیق به بیش از پنج هزار سال پیش به سومریان می رسد و از هنگامی شروع می شود که چرخ اختراع گردید و از آن وقت تا به امروز سیر تکاملی خود را طی کرد.
مجسمه زیر با قدمت سه الی چهار هزار سال پیش از سرزمین هند از این کشف مهم خبر می دهد.
در کشور خود ما نیز در تخت جمشید گوشه ای از این اختراع مربوط به 2500 سال پیش دیده می شود.
ایرانیان اولین مردمانی بودند که چرخ را بهینه کرده و بر آن "آج" زدند.
در طی این پنج هزار سال این سیستم دچار تحولات زیادی شده است تا بصورت مدرن امروزی در آمده است.
در قرن هشتم بعد از میلاد سیستم تعلیق با زنجیر آهنی اختراع گردید.
پس از آن سیستم تعلیق فنری بر روی درشکه ها به وجود آمد.
فنر تا حدودی می توانست ضربات ناشی از دست انداز ها را بگیرد، ولی با بالا رفتن سرعت وسایل نقیله سیستم دیگر کاملا راحت و متعادل نبود.
با بوجود آمدن وسایل نقلیه موتوری و بالا رفت سرعت تنها فنر سیستم تعلیق جوابگوی سیستم تعلیق نبود.
و با افتادن خودرو در دست اندازها امکان واژگونی خودرو موجود بود، لذا نیاز به وسیله ای بود که بتواند انرژی بوجود آمده در دست انداز ها را مستهلک کند، لذا کمک فنر اختراع گردید.
اولین کمک فنر ها در سال 1904 بر روی درشکه ها با فنر تخت نصب گردید و باعث نرمی و سرعت این وسیله گردید، قبل از آن این وسیله نقلیه چندان راحت نبود.
در سال 1915 کمک فنر چرمی پیچیده شده برروی فنر متصل به بلوک چوبی اختراع گردید.
در حالی که کمک فنر های با اصطکاک خشک تا سال 1930 رواج داشتند، کمک فنر های هیدرولیک از اوایل قرن بیستم به تدریج ساخته شدند.
برتری فوق العاده سیستم های سیستم های کمک فنری هیدرولیک نسبت به زیان سیستم های اصطکاکی کلمبی خصوصا در جاده های صاف امروزی مشهود است.
عمر کمک فنر ها افزایش یافته با آبندی بهتر و کیفیت بهتر سطوح پرداخت شده در سطوح اصطکاکی، بواسته کنترل کیفی بهتر امروزی کیفیت افزایش یافته، هزینه ها نسبت به انواع قدیمی کمتر بحرانی است و در حالتی بصورت تولید انبوخ ساخته می گردد و توسط ابزار مدرن تولید می گردد.کمک فنر های هیدرولیک دارای انواع مختلفی زیادی می باشند، که آنها را می توان به 5 گروه تقسیم کرد:1- کمک فنر های اهرمی مخزنی 2- کمک فنر های اهرمی با سیلندر های خطی 3- کمک فنر های اهرمی با سیلندر های موازی 4- کمک فنر های اهرمی پیستون و میل پیستون دار،5- کمک فنر های تلسکوپی در مد نظر طراحان بوده است که کمک فنر هایی بسازند که قدرت کمک فنری آن متناسب با نیاز کمک فنر ی خودرو در هر لحظه باشد، لذا در تکامل این کمک فنر ها کمک فنر های متغیر مانند شکل زیر طراحی گردیدند.
این کمک فنر ها بوسیله سنسور ها ارتعاشات لحظه ای خورو را در نقاط مختلف اندازه گیری می کنند، این اطلاعات به سیستم کنترل الکتریکی فرستاده می شود و پس از پردازش به شیر پروپرسیونال مربوطه فرمان می دهد و متناسب با آن نیروی کمک فنری در سیستم اعمال می شود.
به هر حال هدف نهایی کم فنر رسیدن به حذف کامل ارتعاشات جاده ای می باشد[5].
1-3 دسته بندی سیستم های تعلیق سیستم های تعلیق خودروهای سواری دارای انواع گوناگونی می باشند که از دیدگاه ساختار، کارکرد و کاربرد تفاوتهای بنیادین با یکدیگر دارند.
این خانواده از سیستم های بسیار ساده ،مانند محورهای یکپارچه آغاز شده و تا سیستم های تعلیق پویای زانتیا ادامه دارد[1]و[5].
سیستم های تعلیق بر پایه کاربرد شان مانند خودرو های سواری، سنگین، مسابقه ای و...
ونیز بر پایه یک سری از محدودیت ها مانند هزینه سیستم، جای گیری زیر بخش های سیستم، آرایش زنجیره توان، جای قرار گیری موتور و محور رانش چرخ ها و...
می توانند انواع گوناگونی داشته باشند.
به طور کلی نگرش های عمده در دسته بندی سیستم های تعلیق به قرار زیر می باشند: دسته بندی بر پایه وابستگی محوری و کنش میان چرخ های درونی و بیرونی دسته بندی بر پایه جای قرار گیری و سوار شدن در راستای طولی خودرو دسته بندی بر پایه توان رانشی محور دسته بندی بر پایه هندسه و سازوکار دسته بندی بر پایه ضرایب سختی و میرایی دسته بندی بر پایه پارامترهای سختی و میرایی[1]و[5].
سیستم های تعلیق بر پایه پارامترهای سختی و میرایی به قرار زیر دسته بندی می شوند: سیستم های تعلیق غیر فعال سیستم ها ی تعلیق فعال سیستم های تعلیق فعال سیستم های تعلیق نیمه فعال 1-3-1 سیستم تعلیق غیر فعال در سیستم تعلیق غیرفعال هیچ منبع انرژی وجود نداشته و این سیستم تنها توانایی بازیابی و میرایش انرژی را دارد.
بنابراین اثرات ناخواسته و ناراحت کننده حرکات غلتش بدنه در هنگام چرخش خودرو، کله زدن بدنه در هنگام شتاب گیری و ترمز دهی، بلند شدن و جابجایی های بدنه نسبت به سیستم تعلیق در هنگام چرخش پایدار خودرو هیچگاه از بین نمی رود[1]و[5].
شکل (1-1) سیستم تعلیق غیرفعال[1] تغییر ارتفاع خودرو تاثیر زیادی بر چگونگی فرمان پذیری و جهت دهی آن دارد، زیرا افت و خیز جرم معلق سبب تغییر بار و زاویه گیری چرخ های خودرو نسبت به وضعیت پایدار آغازین آنها می گردد.
همچنین در این سیستم چسبندگی تایر و جاده در هنگام مانوردهی تند کاهش یافته و بنابر این از قرار پذیری مناسبی برخوردار نمی باشد.
یکی ازکاستی های بزرگ این سیستم ناتوانی آن درکاهش تغییر مکانهای ایجاد شده دربارگذاری های استاتیکی است که سبب نشست استاتیکی خودرو می شود.
این مشکل تاثیر زیادی بر آیرودینامیک خودرو(ضریب پسا)، فاصله بدنه خودرو از سطح زمین و زاویه مناسب نور چراغ های خودرو دارد، زیرا این بارگذاری سبب پایین رفتن پشت خودرو و بالا آمدن جلوی آن است.نیز دراین سیستم بار استاتیکی سبب کاهش فرکانس طبیعی سیستم است، زیراضریب سختی ثابت بوده و با افزایش جرم معلق بسامد طبیعی ونیز بازه بسامدی ارتعاشات مجاز خودرو کاهش مییابد.
این سیستم برای شرایط جاده ای ویژه ای طراحی شده و با تغییر شرایط عملی جاده نسبت به شرایط طراحی شده رفتار و واکنش خودرو از حالت مطلوب دور می شود.
بنابر این از خوش سواری مناسبی برخوردار نمی باشد، زیرا ناهمواری جاده را به سرنشین منتقل می کنند[1].
1-3-1-1 سیستم های تعلیق یکپارچه در سیستم های تعلیق یکپارچه همراه با محورهای پیوسته چرخ ها در دو انتهای یک تیر یکپارچه قرار داشته و حرکات هر یک از چرخ ها به دیگر ی منتقل می شود.
بنابراین حرکات وابسته دو چرخ سبب تغییرات زوایای فرمان و کمبر در هر دو چرخ است.
سیستم های تعلیق یکپارچه محرک ( که محور زنده نیز نامیده می شوند ) در محور پشت بسیاری از سواری ها و کامیون ها و همچنین در محور جلو بسیاری از کامیون های چهار چرخ رانش به کار می روند محور های یکپارچه تیر صلب در جلوی بیشتر کامیون های سنگین که دارای ظرفیت حمل بار زیادی می باشند به کار می رود.
یکی از برتری های سیستم های محور پیوسته نبود وابستگی زاویه کمبر چرخ ها به غلتش بدنه است.
بنابر این تنها زاویه کمبر کمی در هنگام چرخش ایجاد می گردد که این مقدار ناشی از فشار تایر بیرون قوس است.
همچنین تنظیم چرخ ها تغییر نمی کند، بنابراین سایش چرخ ها کاهش می یابد کاستی عمده سیستم تعلیق یکپارچه با محور فرمان پذیر، امادگی آن در برابر لرزش های فرمان بر خاسته از پدیده شیمی است[1]و[5].
در سیستم های تعلیق یکپارچه همراه با محورهای پیوسته چرخ ها در دو انتهای یک تیر یکپارچه قرار داشته و حرکات هر یک از چرخ ها به دیگر ی منتقل می شود.
یکی از گونه های آشنا محور های یکپارچه محرک، سیستم تعلیق ها چکیس است.
در این سیستم محور چرخ ها با یک فنر تخت بیضی گون مهار شده است و محور گردان طولی با لولای چهار شاخ حرکت را به ان منتقل می نماید.
در این سیستم فنر ها به صورت طولی قرار گرفته و در دو انتها به بدنه اتصال و محور به وسط ان متصل شده است .
فنر های تخت از ساده ترین و ارزانترین گونه های فنر بندی می باشند علیرغم نرمی عمودی این فنر ها در راستاهای کناری و طولی نسبتا سخت بوده و بنابر این نیرو های گوناگون را در این راستا ها از جرم معلق به جرم نا معلق انتقال می دهد سیستم تعلیق هاچکیس تا سال 1960 میلادی به گستردگی در محور پشت خودرو های سواری به کار می رفته است و هنوز هم در بسیاری از کامیون های سبک و سنگین به کار می رود.
کاستی فنرهای تخت در خودرو های سواری به سبب اصطکاک ذاتی میان لایه های فنر و نیز کاهش پایداری کناری خودرو بر اثر استفاده از فنر های بلند تر با نرخ فنریت کمتر می باشد.
استفاده از فنر های نرم تر به سبب نرمی زاویه این بیشتر در راستای محور چرخ ها نیازمند استفاده از یک بازوی پیرو است تا در برابر گشتاور های ترمزی واکنش نشان دهد همچنین باید در برابر گشتاور های رانشی بیشتر که در خودرو های پس از جنگ جهانی عمومیت یافته است واکنش نشان دهد[4].
1-3-1-2 سیستم تعلیق چهار میله ای به سبب کاستی های فنر بندی فنر های تخت سیستم تعلیق چهار میله ای پشت که در شکل نمایانده شده است در د هه های اخیر خودرو های سواری بزرگتر با محور یکپارچه و پشت رانش ایجاد گردیده است.
بازوی کنترل گر پایینی کنترل طولی محور را و بازوی بالایی گشتاور های ترمزی رانشی و نیروهای کناری را جذب می کند می توان دو بازوی بالایی را بایک بازوی مثلثی ساده جایگزین کرد با این حال از نظر کارکرد شبیه همان چهار میله ای می باشد کاربرد فنر های مارپیچ (یا فنر های بادی) به جای فنر تخت در این سیستم ها، خوش سواری بهتری را ارایه می کند همچنین از دیدگاه ارتعاشی و لرزشی بهتر است زیرا اصطکاک خشک کلمب که از کاستی های فنر های تخت است از بین می رود[1]و[5].
1-3-1-3 سیستم تعلیق جداگانه در سیستم های تعلیق جداگانه بر عکس محور های یکپارچه اجازه حرکت عمودی به هر چرخ بدون تاثیر بر چرخ دیگر داده می شود امروزه در بیشتر سواری های و کامیون های سبک از سیستم تعلیق جدا گانه در محور جلو استفاده می شود به سبب فضای خالی که برای موتور و جود دارد و همچنین مقاومت بهتر در برابر لرزه های فرمان (لنگی و لرزش های شمی چرخ).
در فنر بندی های جداگانه سختی غلتشی بیشتر در ارتباط با نرخ عمودی فنرها وجود دارد که یک برتری محسوب می گردد.
نخستین فنر بندی جدا برای محور جلو در اغاز این قرن ایجاد شد موریس اولی برای اعتبار بخشیدن به آن بسنار تلاش کرد 8،7.
او تشخیص داده بود که استفاده از این سیستم