مکانیزم عملکرد سیستم تعلیق در خودرو

عملکرد سیستم تعلیق در خودرو:

سیستم تعلیق (Suspension) یا فنربندی خودرو قسمتی از خودرو است که باعث جلوگیری از انتقال نوسانات حاصل از حرکت خودرو بر روی سطوح ناهموار به اتاق خودرو، شاسی و در نتیجه باعث راحتی سرنشینان می‌شود. این اجزاء و دیگر قطعات تشکیل دهنده سیستم تعلیق، دو وظیفه اصلی را ایفاء می‌کنند: راحتی سرنشینان و بهبود فرمان پذیری و هدایت خودرو. البته این سیستم وظایف دیگری نیز به عهده دارد.

مانند: ثابت نگه داشتن ارتفاع خودرو در حال حرکت، کاهش اثرات نیروهای حاصل از ضربه و گشتاورهای ناشی از ترمز گرفتن و نیروهای جانبی، کنترل مسیر حرکت خودرو و حفظ هندسه چرخ‌های جلو یا ژئومتری فرمان، حفظ تماس چرخ‌ها با جاده و تحمل 35 تا 65 درصد وزن کلی خودرو.

مجموعا سیستم تعلیق خودرو از چهار جزء تشکیل شده است:

1) فنرها (Springs)

2)کمک فنرها (Shock Absorbers)

۳) ستون‌های نگهدارنده (Struts)

۴) لاستیک‌ها (Tires)

نقش فنرها در سیستم تعلیق:

فنرها اجزای انعطاف پذیری هستند که وزن بدنه و چارچوب و همچنین بار اضافی خودرو را تحمل می‌کنند و ارتفاع خودرو را در حین حرکت ثابت نگه می‌دارند. همچنین فنرها با نوسان کردن از انتقال ارتعاشات شدید به بدنه و چارچوب به طور نسبی جلوگیری می‌کنند. فنرها بین چرخ‌ها و بدنه یک اتصال انعطاف پذیر ایجاد می‌کنند. برای درک بهتر عملکرد فنرها در سیستم تعلیق خودرو، آشنایی با دو مفهوم وزن فنربندی شده و وزن فنر بندی نشده لازم است.

وزن فنر بندی شده( شامل قسمتهایی از خودرو است که بالاتر از سیستم فنربندی خودرو قرار گرفته اند و وزن آنها به وسیله فنرها تحمل می‌شود؛ مانند بدنه،گیربکس، موتور و اتاق خودرو. وزن فنر بندی نشده شامل قسمتهایی از خودرو است که پایین تر از سیستم فنربندی خودرو قرار دارند و وزن آنها به وسیله فنرها تحمل نمی‌شود؛ مثل لاستیک‌ها، مجموعه ترمز، اکسلها و رینگها. در وسایل نقلیه پنج نوع فنر مورد استفاده قرار می‌گیرند: فنر مارپیچ، فنر تخت، میله پیچشی، فنر بادی و فنر لاستیکی.

انواع سیستم‌های تعلیق:

1. تعلیق ثابت (Fixed Suspension):
وقتی هر دو چرخ خودرو به یک محور واحد متصل شوند و به صورت همزمان نوسان کنند، سیستم تعلیق را ثابت گویند. تعلیق ثابت در همه خودروهای سنگین و خودروهای شاسی بلند(SUV) در هر دو محور جلو و عقب تعبیه شده است و همچنین در محورهای عقب خودروهای سواری دیفرانسیل عقب به کار می‌رود. مزایای سیستم‌های تعلیق ثابت عبارتند از قیمت تمام شده ارزان، زاویه ثابت چرخ‌ها، عدم نیاز به اهرم‌های تعادلی و استحکام زیاد محور است.

در این سیستم‌ها زوایای چرخ‌های خودرو ثابت است و لاستیک سایی در آنها زیاد نیست. این سیستم تعلیق، نیروهای جانبی وارد بر چرخ‌ها را جذب نموده و در نتیجه نیازی به میله های تعادل نیست. در جاده های کم اصطکاک، تعادل فرمان خودرو به خوبی حفظ می‌شود. این نوع سیستم‌های تعلیق معایبی نیز دارند، چون بدنه در هنگام قرار گرفتن یک چرخ روی مانع کاملاً منحرف شده و روی چرخ دیگر تاثیر می‌گذارد. همچنین به علت سنگینی قسمت فنر بندی نشده، نیاز به فنربندی نیرومندی در محور نیست، بنابراین سیستم فنر بندی سخت و انعطاف پذیر است.

2. تعلیق مستقل (Independent Suspension):

در تعلیق مستقل هر چرخ به طور مستقل ارتعاش و نوسان می‌کند و در چرخ دیگر تاثیر نمی‌گذارد. مهمترین قطعه ای که در تعلیق مستقل وجود دارد، اتصالات و مفصلهای سیبکی است. سیبکها قطعات کروی شکلی هستند که به خوبی حرکت بین دو قطعه را بدون کمترین اصطکاک فراهم می‌کنند. در عین حال سیبکها در معرض نیروهای کششی قرار می‌گیرند و زمانی که سیبکی بالاتر از طَبَق پایینی و زیر محور چرخ قرار گیرد، تحت تاثیر نیروی کششی است، زیرا محور چرخ متمایل به بالا و طَبَق متمایل به پایین است و در نتیجه سیبک کشیده می‌شود.

وقتی سیبکی در زیر طبق بالایی و روی محور چرخ قرار گیرد، تحت تاثیر نیروی فشاری است، زیرا محور چرخ به وسیله چرخ متمایل به بالا و طبق نیز با کشش فنر متمایل به پایین می‌شود در نتیجه سیبک کشیده می‌شود. سیستم تعلیق مستقل مزایایی دارد، چرا که به علت تماس چرخ‌های جلو با جاده هدایت و کنترل خودرو بهتر انجام می‌شود و از طرفی نیروهای وارد شده به چرخ‌ها به وسیله سیستم تعلیق جذب شده از انتقال آن به شاسی جلوگیری می‌شود.

نوسان هر چرخ به چرخ دیگر و شاسی انتقال نمی‌یابد و آسایش سرنشینان بیشتر است. وزن محور به وسیله شاسی جذب می‌شود،  بنابراین دیفرانسیل و قطعات شاسی در زمره قطعات فنربندی شده هستند و می‌توان فنر نرمی ‌را برای تعلیق خودرو انتخاب کرد.

درهنگام شتاب گیری و پیچیدن خودرو چرخ‌ها سطح اتکاء بیشتری به دست آورده و ایمنی خودرو افزایش می‌یابد. هرچند که سیستم تعلیق مستقل معایبی هم دارد. مثلا در اثر ارتعاش زیاد به علت انعطاف سیستم فنربندی، تغییرات زاویه ای چرخ‌ها زیاد می‌گردد و لاستیک سایی در خودرو افزایش می‌یابد. همچنین هزینه تولید و تعمیرات سیستم تعلیق مستقل زیاد است.

میله پانارد (Panard Rod):
در هنگام ترمز کردن و شتاب گیری، بدنه خودرو دقیقا عکس حالت چرخ‌ها عمل می‌کند. یعنی در موقع شتاب گیری که چرخ‌ها به سمت جلو حرکت میکنند، بدنه به سمت عقب متمایل است و در هنگام ترمز کردن که چرخ‌ها تمایل به ایستادن دارند، بدنه به سمت جلو متمایل می‌شود.

در هر دو این حالتها، فنر که بین شاسی و محور تعادل متصل شده، در معرض تغییر شکل قرار می‌گیرد. یعنی فنر در حالت ترمز کردن تقریباً به شکل S در می‌آید و در حالت شتاب گیری به شکل Z در خواهد آمد. برای جلوگیری از تغییر شکل عرضی محورها، اهرم مایلی به نام میله پانارد استفاده می‌شود که یک سر آن به محور و سر دیگر آن به شاسی متصل می‌گردد.

کله زدن خودرو و روش کنترل آن:

در هنگام ترمز کردن که چرخ‌ها عقب میمانند و اتاق به جلو متمایل می‌گردد، سر خودرو در اثر نیروی اینرسی(Inertia) به پایین کشیده می‌شود که به این حالت کله زنی خودرو می‌گویند. هر چه نیروی اینرسی زیادتر و فاصله مرکز ثقل خودرو از زمین بلندتر باشد، تمایل به کله زنی افزایش می‌یابد. با انتخاب زاویه مناسب اهرم‌ها و محل تکیه گاه فنرها می‌توان میزان کله زنی خودرو را کاهش داد.

سیستم تعلیق مستقل در محور جلو:

انواع تعلیق مستقل در جلوی خودرو عبارتند از:

1.طبق دار دوبل (جناقی)

2. مک فرسون

3. اهرم طولی

1. سیستم تعلیق مستقل طبق دار دوبل (جناقی):

یکی ازمحکمترین تعلیقهای مستقل است. طَبَق اهرم مثلثی شکلی است که قاعده آن به شاسی متصل شده است و راس آن به وسیله مفصل سیبکی به اهرم چرخ اتصال داده می‌شود. در چرخ‌های جلو به اهرم چرخ، اهرم دیگری به نام شغال دست بسته شده که این اهرم به میل فرمان متصل می‌گردد و با حرکت آن، چرخ حول سیبکهای بالا و پایین دوران می‌کند و چرخ‌های جلو در جهت خواسته شده حرکت می‌کنند.

معمولا نوع فنر در این نوع سیستم تعلیق، فنر مارپیچی یا پیچشی است. در صورت مارپیچی بودن، فنر در روی طبق و زیر شاسی در محل مناسبی تکیه می‌کند. در صورت وجود فنر پیچشی، میله فنر به طبق بسته می‌شود.

خصوصیات تعلیق طبق دار:
الف) جذب همه نیروهای عمودی طولی و عرضی به وسیله اهرم‌های تعلیق ب) در صورت کوچکتر ساختن طبق بالا و بزرگتر بودن طبق پایین و غیرموازی نصب کردن آنها می‌توان هندسه چرخ‌ها را طوری تنظیم کرد که در موقع پیچیدن سطح اتکای چرخ‌ها زیاد شود و در نتیجه ایمنی حرکت در هنگام پیچیدن افزایش یابد. در صورت موازی بودن طبق‌ها، چرخ‌ها فقط در صفحه قائم نوسان می‌کنند و تغییر زاویه نمی‌دهند.

2. سیستم تعلیق مستقل مک فرسون (McPherson):

در این نوع تعلیق یک طبق در زیر و یک محور نسبتاً بلند در بالای اهرم چرخ به کار می‌رود. اهرم زیر گلگیر به وسیله فلانج یاتاقان می‌شود و محور می‌تواند داخل فلانج چرخش کند. از طرف پایین هم، محور چرخ روی یک سیبک چرخش می‌کند، بنابراین در مفصل بندی آن فقط یک سیبک قرار دارد.

مزایای تعلیق مستقل مک فرسون:
الف: ساختمان تعلیق ساده بوده و قیمت تمام شده ارزان است و امکان تغییر آن وجود دارد.
ب: در این تعلیق، چرخ کمتر کج می‌شود و لاستیک سایی آن زیاد نیست.
ج : از بین زوایای مختلف فقط دو زاویه نیاز به تنظیم دارد.

معایب تعلیق مستقل مک فرسون:
الف: به تکیه گاه زیر گلگیر، جایی که فلانج بسته می‌شود، نیروی زیادی وارد می‌شود. از این رو باید زیرسازی نیرومندی در هنگام ساخت به عمل آید.
ب: حتی با وجود لاستیک‌ها نیز، ضربه های چرخ به اتاق خودرو وارد می‌شود و تولید صدا می‌کند.
ج: نیروهای عمودی و عرضی وارد شده بر چرخ، اهرم بلند مایل را کج می‌کند و در نتیجه، دسته پیستون کمک فنر کج می‌شود و ضمن ضربه زدن و صدای زیاد سیستم تعلیق، لاستیک سایی خودرو نیز افزایش می‌یابد.

3. سیستم تعلیق مستقل جلو با اهرم طولی:

در این تعلیق یک یا دو اهرم نیرومند طولی قرار می‌گیرد که یک سر اهرم‌ها به محور چرخ و سر دیگرشان به سیستم فنربندی و شاسی متصل می‌شود. در خودروهای روور (rover) مدل 2000 و 3500، اهرم طولی به شکل دو شاخه است که راس آن به سیبک و قاعده آن به شاسی و فنر مارپیچی متصل می‌شود. در خودروی ژیان از اهرم طولی قوس دار که ژامبون نامیده می‌شود، استفاده شده است.

فنر بندی اهرم‌های طولی از نوع مارپیچی است که در داخل استوانه ای قرار گرفته است. استوانه خود در طول خودرو، زیر رکاب درها و روی شاسی قرار داده شده است. در خودروهای فولکس واگن برای هر دو سیستم تعلیق جلو و عقب، ازتعلیق اهرم طولی دوبل استفاده کرده اند. یک سر اهرم طولی به اهرم چرخ و سر دیگر آن به دسته فنرهای پیچشی متصل می‌شود.

سیستم تعلیق مستقل در محور عقب:

سیستم‌های تعلیق مستقل در محور عقب شش نوع هستند:

1. چهار مفصلی دودیون

2. پاندولی یک و دو مفصلی

3. اهرم‌های دو شاخه ساده

4. اهرم‌های دو شاخه خم شونده

5. اهرم‌های طولی ساده و خمیده

6. هیدرواستاتیکی

7. هیدروپنوماتیکی

1. تعلیق چهار مفصلی دو دیون ( De dion):

در این سیستم تعلیق، چهار مفصل در پلوس به کار رفته است، اما وجود یک محور ارتجاعی که بار خودرو را تحمل می‌کند، مانع حرکت سیستم تعلیق می‌شود. به همین علت، تعلیق دودیون را تعلیق نیمه مستقل نیز می‌نامند.

2. تعلیق پاندولی یک و دو مفصلی:

از تعلیق دو مفصلی در تعلیق عقب فولکس واگن مدل 1300 و 1500 استفاده شده است. خصوصیات آن به شرح ذیل است:

الف: دو چهار شاخه در نزدیکی دیفرانسیل قرار دارد و به علت دور بودن چهار شاخه ها از چرخ‌های دو طرف محور عقب، شعاع نوسان چرخ زیاد و چرخ‌ها در موقع حرکت به جمع شدگی تمایل دارند. این جمع شدگی از نوع مضر است که به اصطلاح می‌گویند چرخ‌ها کمبر مثبت دارند و سطح اتکای چرخ‌ها کاهش یافته و مرکز دوران را بالای دیفرانسیل می‌برد که این حالت احتمال واژگونی خودرو را افزایش می‌دهد.

ب: به علت تغییرات زیاد محور، لاستیک سایی چرخ‌های عقب زیاد است.
با طراحی تعلیق پاندولی یک مفصلی، معایب تعلیق دو مفصلی تا اندازه ای برطرف شده است. در این تعلیق، یک طرف پوسته دیفرانسیل خودرو یک پارچه بوده و طرف دیگر آن به صورت مفصلی متحرک است. برای کنترل حرکت قسمت متحرک، محور فنر عرضی نیرومندی کار گذاشته شده است. در این نوع تعلیق، حرکت زاویه ای چرخ کمتر است و مرکز دوران در روی دیفرانسیل قرار دارد و تمایل به واژگونی در آن نسبت به نوع دو مفصلی کمتر است. کار فنر عرضی، متعادل ساختن دو قسمت محور است.

3. تعلیق مستقل عقب با اهرم دو شاخه ساده:

در این نوع تعلیق دو اهرم دو شاخه به کار رفته که سر تکی آن یاتاقان بندی شده است و از داخل آن، پلوس عبور می‌کند و سر دیگر دو شاخه آن عمود بر محور طولی در دو نقطه شاسی به وسیله بوش یاتاقان بندی گردیده است. در این سیستم تعلیق، به علت ساده بودن، سر دو شاخه متصل به شاسی فقط در صفحه قائم نوسان می‌کند و در نتیجه سطح اتکای چرخ‌ها در هنگام پیچیدن و شتاب گرفتن زیاد نمی‌شود، یعنی چرخ‌ها کمبر مثبت دارند. بنابراین نقطه واژگونی تعلیق، بسیار بالا است و در خودروهای جدید کاربرد ندارد.

4. تعلیق مستقل عقب با اهرم دو شاخه خم شونده:

در این نوع تعلیق که مانند نوع قبل است، محل یاتاقان دو شاخه اهرم‌ها نسبت به محور عرضی خودرو تحت زاویه قرار می‌گیرد. با این طراحی در هنگام شتابگیری و پیچیدن خودرو، چرخ‌ها با زاویه کمتر از 90 درجه نسبت به داخل خودرو حرکت می‌کنند. با نقطه واژگونی پایین آمده، خاصیت دوران نیز کاهش یافته و ایمنی در هنگام پیچیدن خودرو افزایش پیدا می‌کند.

5. تعلیق مستقل عقب با اهرم طولی:

اهرم طولی مستقل در محور عقب، مانند محور جلو به شکلهای اهرم طولی دوبل مانند فولکس واگن و اهرم خمیده مانند ژیان به کار می‌رود. در سیستم تعلیق از نوع اهرم طولی خمیده، زاویه چرخ به هنگام پیچیدن و شتابگیری زیاد شده و کمبر منفی چرخ‌ها، ایمنی حرکت را افزایش می‌دهد، ولی هرگاه اهرم‌ها موازی با هم باشند، چرخ‌ها کجی و زاویه ای پیدا نمی‌کنند و فقط در صفحه قائم نوسان می‌کنند.

6. تعلیق مستقل هیدرواستاتیک(Hydrostatic):

در این سیستم از جابجایی سریع روغن و خاصیت تراکم پذیری لاستیک استفاده شده است. در هر چرخی یک واحد هیدرواستاتیک وجود دارد که روی اهرم متصل به چرخ نصب می‌گردد و با حرکت چرخ به بالا یا پایین، اهرمی‌ به دیافراگم هیدرواستاتیک نیرو وارد نموده و روغن پشت آن را جابجا می‌کند. روغن تحت اثر نیرو حرکت کرده و از یک چرخ به چرخ دیگر که در همان سمت خودرو قرار دارد، فرستاده می‌شود.

روغن تحت فشار، پس از رسیدن به واحد هیدرواستاتیک چرخ، از سوپاپ یکطرفه آن عبور نموده و پس از تراکم فنر لاستیکی آن، دیافراگم را به سمت پایین می‌فشارد. نیروی دیافراگم نیز به اهرم چرخ وارد می‌آید و در نتیجه شاسی را از موقعیت معمولی بلندتر می‌کند و انرژی پتانسیل در شاسی برای بازگشت به حالت عادی ذخیره می‌شود. افزون بر آن ضربه وارد شده، بین دو قسمت تعلیق توزیع می‌شود و تعادل خوبی برای اتاق فراهم خواهد شد.

7. تعلیق مستقل هیدروپنوماتیک (Hydro-Pneumatic):

در این سیستم از خاصیت تراکم پذیری هوا و گاز، سرعت انتقال روغن و تنظیم اختیاری ارتفاع تعلیق با از کار انداختن هیدروموتور استفاده شده است. در سیستم تعلیق هیدروپنوماتیک، هر چرخ به صورت مستقل تحت کنترل است و به وسیله لوله روغنی با سیستم تعلیق در چرخ دیگر و یا با پمپ روغن مرکزی ارتباط دارد. در سیستم فنربندی آن یک محفظه آب بندی شده وجود دارد که داخل آن گاز ازت یا نیتروژن تحت فشار قرارد دارد.

زیر محفظه گاز، دیافراگم جدا کننده ای تعبیه گردیده و در قسمت پایین آن با روغن پر شده است. روغن در دو محفظه قرار دارد که به وسیله سوپاپ ضربه گیر از هم جدا شده اند. وقتی چرخ با مانعی برخورد کند، ضربه اهرم چرخ، دیافراگم زیرین را حرکت داده و روغن بدون مقاومت از محفظه اول به محفظه دوم راه می‌یابد و سپس روغن محفظه بالا، گاز ازت را تحت فشار بیشتر قرار می‌دهد و مانند فنری ضربه چرخ را می‌گیرد. در هنگامی‌که نیروی زیر چرخ حذف گردد، روغن قسمت بالا از سوراخهای ریز سوپاپ ضربه گیر به آهستگی عبور کرده و برگشت چرخ را بدون ضربه به حالت اولیه امکان پذیر می‌سازد.

مثلا در خودروی زانتیا از یک فنربندی از نوع هیدروپنوماتیک استفاده شده است. در این نوع فنر بندی دیگر از هیچ فنری استفاده نشده است و به جای فنر از یک گوی هیدروپنوماتیکی استفاده شده است، منظور ازاینکه می‌گوییم هیدروپنوماتیکی این است که این گوی از دو قسمت تشکیل شده است که بوسیله یک دیافراگم از یکدیگر جدا شده است که قسمت بالای دیافراگم از گاز نیتروژن پر شده و قسمت زیرین دیافراگم از روغن LHM پر شده است.

هنگامی‌که چرخ‌ها بر روی یک دست انداز قرار می‌گیرند، میله ای که یک سر آن متصل به زیر دیافراگم است و سر دیگر آن به شاسی متصل است، فشرده شده و باعث می‌شود که روغن LHM زیر دیافراگم فشرده شود و به دیافراگم فشار آورد و هنگامی‌که این اتفاق افتاد، فشار دیافراگم باعث می‌شود تا گاز نیتروژن فوقانی نیز متراکم شده وضربه را درخود حبس کند و از رساندن ضربه به سرنشینان جلوگیری شود. در زیر، شکل این گوی را مشاهده می‌کنید.

سیستم تنظیم ارتفاع در تعلیق هیدروپنوماتیکی:

در سیستم‌های تعلیق هیدروپنوماتیکی که به رگولاتور تنظیم ارتفاع مجهز هستند، به هنگام تغییرات بار خودرو، رگولاتور باعث افزایش یا کاهش فشار روغت در سیستم تعلیق می‌گردد. وقتی بار خودرو افزایش یابد، اهرم چرخ به پایین حرکت کرده و سوپاپ هیدرولیکی را به سمت راست هدایت می‌کند. با حرکت این سوپاپ روغن تحت فشار موتور الکتریکی وارد مدار هیدروپنوماتیکی شده و سیستم تعلیق را تا ارتفاع لازم بالا می‌برد. وقتی بار از روی خودرو برداشته شود و به سمت بالا حرکت کند، اهرم چرخ، سوپاپ هیدرولیکی را به سمت چپ حرکت می‌دهد و روغن مازاد در سیستم تعلیق به مخزن روغن بر می‌گردد.