سیستم تعلیق خودرو: جذب نوسانات و حفظ کنترل
سیستم تعلیق، که به آن فنربندی (Suspension) نیز گفته میشود، بخش حیاتی از خودرو است که نوسانات ناشی از حرکت خودرو بر روی سطوح ناهموار را جذب میکند و مانع از وارد شدن ضربات به بدنه خودرو (شامل اتاق، شاسی، متعلقات و سرنشینان) میشود. این سیستم در واقع بخشی از شاسی خودرو است و با تمام اجزای زیرین خودرو در ارتباط تنگاتنگ قرار دارد.
وظایف اصلی سیستم تعلیق:
- جذب نوسانات و ارتعاشات وارده به چرخها در اثر ناهمواریهای جاده.
- تماس مؤثر لاستیک چرخها با سطح جاده.
- تحمل وزن خودرو.
- افزایش قابلیت فرمانپذیری خودرو.
- افزایش میزان پایداری خودرو.
- حفظ هندسه سیستم فرمان و موقعیت چرخها.
یک سیستم تعلیق خوب علاوه بر راحتی و آرامش سرنشینان، به پایداری و چسبندگی خودرو در جاده نیز کمک شایانی میکند. نبود سیستم تعلیق باعث میشود تمام قطعات خودرو به دلیل شدت ضربات وارده از جاده، به سرعت از بین بروند و عمر خودرو کوتاه شود. همواره در طراحی سیستم تعلیق، دو مقوله کیفیت سواری و قابلیت هدایت و کنترل در تضاد با یکدیگر بودهاند؛ بهبود یکی معمولاً باعث ایجاد مشکل در دیگری میشود. خودروهایی مانند پورشه باکستر، موستانگ و دوج چلنجر به دلیل داشتن سیستم تعلیق پیشرفته، هندلینگ و چسبندگی فوقالعادهای دارند.
اجزاء اصلی سیستم تعلیق:
سیستم تعلیق به طور کلی از اجزای مختلفی تشکیل شده که هر یک وظیفهای خاص را بر عهده دارند:
- فنر (Spring): یکی از بخشهای اصلی سیستم تعلیق است که بسته به نوع سیستم تعلیق، در اشکال گوناگونی ساخته میشود.
- فنر تخت: به شکل فلز تخت و محکم و قابل انعطاف است که در سیستم تعلیق ثابت به کار میرود.
- فنر لول: میلهای گرد است که به دور محور استوانهای شکل پیچیده شده است.
- فنر پیچشی: خاصیت ارتجاعی آن در جهت عقربههای ساعت افزایش و خلاف آن کاهش مییابد.
- کمک فنر (Shock Absorber): وظیفه این قطعه جذب ضربات ناشی از حرکت در مسیرهای ناهموار و میرا کردن نوسانات فنر است.
- سیبک (Ball Joint): برای اتصال محکم قطعات به یکدیگر، در عین حال فراهم آوردن امکان حرکت و چرخش آنها، استفاده میشود. سیبک یک گوی فلزی دستهدار است که درون محفظهای فولادی با پوشش لاستیکی قرار دارد و امکان چرخش را فراهم میکند. این قطعه چرخها را به نحوی به سیستم تعلیق متصل میکند که قابلیت چرخش در زمان پیچاندن فرمان، همزمان با بالا و پایین رفتن چرخها در دستاندازها وجود داشته باشد. سیبکها معمولاً در محور جلو و به سر طبق متصل میشوند و میتوانند بخشی از وزن خودرو را نیز تحمل کنند. اکثر سیبکهای مدرن نیازی به نگهداری ندارند، اما در خودروهای قدیمیتر نیاز به گریسکاری دورهای داشتند.
- بوش (Bush): مانند سیبک برای اتصال قطعات مختلف سیستم تعلیق استفاده میشود، با این تفاوت که قطعات متصل شده با بوش فقط در یک جهت میتوانند حرکت کنند و مانند سیبک قابلیت چرخش در هر جهت را ندارند. بوشها اغلب از جنس لاستیک طبیعی هستند و هدف از استفاده آنها حذف سر و صدا و لرزشها و تحمل مقداری از ضربات به دلیل خاصیت الاستیکی است. در مکانهایی که دما بالاست، از بوشهای اورتان (Urethane) استفاده میشود که مقاومت بیشتری در برابر گرما دارند، هرچند ممکن است نرمی خودرو را تا حدی تحت تأثیر قرار دهند. بوشها میتوانند به عنوان محور (Pivot) عمل کنند و حرکت سیستم تعلیق را با حداقل انتقال ضربه به شاسی امکانپذیر سازند.
- طبق (Control Arm): یک قطعه فولادی محکم است که شاسی را به سیستم تعلیق متصل میکند. در سمتی که به شاسی متصل میشود، بوشها و در سمتی که به چرخ متصل میشود، سیبکها قرار دارند. طبقها ممکن است به شکل حرف A باشند که در این صورت جناغی (Wish Bone) یا A-Arm نامیده میشوند. طبقها بر حسب نوع سیستم تعلیق میتوانند در هر دو محور جلو و عقب استفاده شوند. استفاده از طبق بالا با گسترش سیستم فنر و کمک فنر یکپارچه (Strut) رو به کاهش است و طبق پایین در محور جلوی اکثر خودروهای امروزی دیده میشود.
- میل تعادل (Stabilizer, Sway Bar, Anti Roll Bar): این میله فولادی که به آن موجگیر نیز گفته میشود، معمولاً برای افزایش تعادل خودرو و جلوگیری از چپ شدن آن در خودروهایی با سیستم تعلیق مستقل به کار میرود. میل تعادل غالباً بین دو چرخ یک محور قرار میگیرد و آنها را به یکدیگر متصل میکند و در دو طرف به شاسی نیز متصل میشود. این میله به کنترل غلتش اتاق در هنگام دور زدن و پیچیدن یا رانندگی روی سطوح ناهموار کمک میکند.
- استرات (Strut): زمانی که کمک فنر در داخل فنر لول قرار گیرد و این ترکیب علاوه بر انجام وظایف اصلی خود، نقش یک رابط را نیز میان سیستم تعلیق و شاسی ایفا کند و باعث حذف سیبک و طبق بالا شود، به آن استرات گفته میشود. این سیستم رکن اصلی سیستمهای مکفرسون محسوب میشود.
انواع سیستم تعلیق:
سیستمهای تعلیق به طور گسترده به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: مستقل و وابسته. همچنین میتوان آنها را از نظر محرک بودن (محرک یا غیرمحرک) و کاربری (جلو یا عقب) نیز طبقهبندی کرد.
1. سیستمهای تعلیق وابسته (Solid Axle / اکسل صلب):
- در این نوع، معمولاً از یک اکسل یکپارچه برای هر دو چرخ یک محور استفاده میشود.
- چرخها را به موازات یکدیگر و عمود بر اکسل نگه میدارد.
- اگر تنظیم یک چرخ به هم بخورد، تنظیم چرخ مقابل نیز تحت تأثیر قرار میگیرد.
- اولین نوع سیستم تعلیق تولید انبوه برای خودروها بوده و هنوز هم در بسیاری از خودروهای سنگین به دلیل قابلیت تحمل وزنهای سنگین یافت میشود.
- میتواند با فنر تخت یا فنر لول استفاده شود.
- مزایا: سادگی سیستم، قدرت بالا در تحمل وزن، تقریباً بدون نیاز به تنظیم زاویه چرخ (هرچند تنظیم مجدد آن دشوار است).
- معایب: وزن غیر فنربندیشده بالا به دلیل سنگین بودن اکسل، تحت تأثیر قرار گرفتن چرخ مقابل در هنگام مواجهه چرخ با دستانداز، و بزرگی سایز سیستم.
2. سیستمهای تعلیق نیمه مستقل (Semi-Independent Axle / اکسل نیمه مستقل):
- این سیستم اجازه میدهد تا چرخها به صورت محوری به قسمتی در وسط دو چرخ خودرو متصل شده و قابلیت بالا و پایین رفتن در قوس مربوط به خود را داشته باشند.
- بازوی پیچشی (Twist Beam / Torsion Beam): زیرشاخهای از سیستم Trailing Arm است که در آن بازوهای عقبی دو چرخ توسط یک میله به هم متصل هستند. تفاوت آن با اکسل صلب این است که میله در سیستم پیچشی توانایی پیچش مختصری را داراست.
- به دلیل همین اتصال، چرخها استقلال کامل ندارند، بنابراین نیمه مستقل محسوب میشود.
- مزایا: فضای بسیار کمی را اشغال میکند (به دلیل نحوه قرارگیری کمکها، عدم نیاز به میل موجگیر، و عدم نیاز به فضای عرضی زیاد).
- کاربرد: در اکسل عقب اکثر خودروهای کامپکت دیفرانسیل جلو (مانند گلف، فیات پونتو، پراید، ماتیز، پژو 206 و 405).
- معایب: کیفیت سواری آن در مقایسه با دیگر سیستمها چندان زیاد نیست، اما به دلیل اشغال فضای کمتر و ارزان بودن آن در خودروهای کوچک استفاده میشود.
3. سیستمهای تعلیق مستقل (Independent Suspension):
- در این نوع، هر چرخ توانایی حرکت مستقل و بدون تأثیر گرفتن از چرخ مقابل را داراست.
- بازوی عقبی (Trailing Arm):
- از یک یا چند بازو در جلوی هر چرخ بهره میبرد که برای ساپورت سیستم از سمت دیگر به زیر شاسی متصل میشوند.
- مزایا: فضای کمتری را اشغال میکند و انعطافپذیری بهتری دارد.
- معایب: زاویه کمبر چرخ در تمامی حالات ثابت بود که باعث از رده خارج شدن زودهنگام آن شد؛ نوع پیشرفتهتر آن نیمه بازوی عقبی است که این مشکل را ندارد. افزایش وزن خودرو به دلیل نیاز به قوی بودن بازوها و اجزا نیز از معایب آن است.
- سیستم تعلیق مکفرسون (MacPherson Strut):
- در دهه 70 میلادی رواج یافت و رکن اصلی آن استرات (Strut) است که خود به عنوان یک اتصال برای کنترل وضعیت چرخ و اتصال شاسی به سیستم تعلیق عمل میکند.
- مزایا: باعث حذف طبق بالا و متعلقاتش میشود، بنابراین در خودروهایی که با کمبود فضا مواجه باشند (به ویژه دیفرانسیل جلو) بسیار کارآمد است. کیفیت رانندگی نسبتاً خوب، بهینه بودن نسبی زاویه کمبر، و ارزان بودن سیستم از دیگر مزایای آن است.
- کاربرد: در اکسل جلوی اکثر خودروها (مانند انواع پژو، پراید، ماتیز، هیوندای ورنا) و حتی در اکسل عقب خودروهای کلاس متوسط و دیفرانسیل جلو.
- سیستم تعلیق جناغی دوبل (Double Wishbone):
- تکامل بعدی در سیستمهای تعلیق است که در آن دو طبق به شکل حرف A، با طولهای یکسان و موازی یکدیگر در بالا و پایین مرکز چرخ قرار میگرفتند.
- برای حل مشکل عدم قابلیت تغییر زاویه کمبر، در نوع جدیدتر، طبق بالا کوتاهتر از طبق پایین در نظر گرفته شد تا هنگام فشرده شدن، زاویه منفی و هنگام باز شدن، زاویه مثبت پیدا کند که از انحراف خودرو در پیچها جلوگیری میکند.
- مزایا: به دلیل وجود دو طبق قوی، کنترل بسیار خوبی را داراست و تقریباً خالی از هر اشکالی است.
- کاربرد: در اکسل جلوی بسیاری از خودروهای جدید امروزی، اکثر خودروهای مسابقهای (مانند فراری)، و اکثر خودروهای کارخانه هوندا.
- سیستم تعلیق چند اتصاله (Multi-link):
- از اوایل دهه 80 رایج شد و تعریف دقیقی ندارد، اما به طور کلی هر سیستم مستقلی که بیش از 2 لینک (طبق) داشته باشد، چند اتصاله نامیده میشود.
- نوع مرسوم آن دارای 4 لینک است که تنظیمپذیری بهتری را برای سیستم تعلیق فراهم میکند.
- مزایا:
- آسایش و رفاه بیشتر سرنشین خودرو.
- کاهش مشکلات حرکت خودرو و میزان سایش تایرها.
- خصوصیت فنری بسیار بیشتر به هنگام حرکت خودرو به سمت بالا و پایین.
- امکان کنترل جهت و راهبری فوقالعاده را برای خودرو فراهم میکند.
- بر روی خودروهایی با سیستمهای متفاوت قابل نصب است.
- معایب:
- پیچیدگیهای زیاد در طراحی.
- هزینههای تولید، نصب و نگهداری بالا.
- اشغال فضای بیشتر از خودرو.
- کاربرد: آخرین تکنولوژی در سیستمهای تعلیق مکانیکی اکسل عقب برای خودروهای سواری (مانند هیوندای ورنا، میتسوبیشی گالانت، BMW سری 3، مرسدس کلاس S).
- بازوی عقبی (Trailing Arm):
سیستمهای تعلیق فعال (Active Suspension Systems):
این سیستمها شامل فناوریهای پیشرفتهای هستند که امکان تنظیم خودکار سختی و ارتفاع سیستم تعلیق را فراهم میکنند:
- سیستم تعلیق هیدرولیکی (Hydraulic Suspension):
- شامل سیلندری روغنی است که میزان و فشار روغن موجود در آن، ارتفاع و سختی سیستم تعلیق را تنظیم میکند. پردازنده مرکزی با قرار دادن یک سوپاپ الکتریکی، میزان روغن را کنترل مینماید.
- ایده آن اولین بار در سال 1952 توسط شرکت سیتروئن مطرح شد و در مدل DS19 (سال 1955) به کار رفت.
- مزایا: نرمی باورنکردنی خودرو، بیتکان شدن رانندگی، و امکان تغییر و تنظیم ارتفاع خودرو نسبت به سطح جاده. همچنین قابلیت تراز اتوماتیک سطح ماشین هنگام قرار گرفتن در سطوح ناهموار را دارد.
- اصل کار: بر پایه تراکمپذیری گازها و غیرقابل تراکم بودن مایعات است. گاز نیتروژن متراکم شده مانند فنر عمل میکند و یک مجرای تنگ (اوریفیس) بین پیستون و انباره، سرعت نوسان را کاهش داده و ضربات را جذب میکند (مشابه کمک فنر).
- در مدلهای جدید مانند سیتروئن زانتیا (هیدرواکتیو)، کنترل الکترونیکی به سیستم اجازه میدهد تا مکانیسم تعلیق آن برای جذب ضربات متناسب با وضعیت ناهمواری جاده تغییر کند.
- کاربرد: امروزه در بسیاری از ماشینآلات سنگین و خودروهای نظامی نیز استفاده میشود که سیستمهای فنری مرسوم کارایی لازم را ندارند (مانند کامیونهای معدن، جرثقیلهای غولپیکر، تریلرهای بزرگ).
- سیستم تعلیق بادی (Air Suspension):
- از لحاظ کارکردی بسیار شبیه به سیستم هیدرولیکی است، با این تفاوت که به جای روغن و پمپ روغن، از هوا و کمپرسور هوا استفاده میشود. پردازنده مرکزی خودرو با تنظیم فشار هوای درون سیلندر، ارتفاع سیستم تعلیق را تنظیم مینماید.
- اجزاء: کمپرسور هوا (فشردن هوا)، شیر برقی (کنترل فشار و حجم هوا)، مدول کنترل الکترونیکی (کنترل کمپرسور و شیرها)، تانک هوا (ذخیره هوای فشرده)، فیلتر هوا خشککن (گرفتن رطوبت)، انبار هوا (نقش ضربهگیر و تنظیم ارتفاع).
- مکانیزم کار: وقتی بار افزایش مییابد، حسگرهای ارتفاع به مدول کنترل اطلاع میدهند و کمپرسور باد را به کار میاندازد تا فشار هوا در فنرها افزایش یابد و اتاق به ارتفاع اولیه بازگردد. وقتی بار کاهش مییابد، هوا از فنرها خارج میشود تا ارتفاع تنظیم شود.
- مزایا: جای تنظیم بیشتری را برای راننده فراهم میآورد. کاهش هوا میتواند مرکز ثقل خودروهای سوپراسپرت را به زمین نزدیکتر کرده و پایداری را حفظ کند.
- کاربرد: در خودروهای شاسیبلند با توانایی حرکت خارج جادهای خوب (مانند رنج روور، پورشه کاین)، و در تریلرها و اتوبوسها برای همسطح کردن با سکوی بارگیری یا پیاده و سوار شدن مسافران.
- سیستم تعلیق الکترومغناطیسی (Electromagnetic Suspension):
- سیلندر تنظیمکننده ارتفاع تعلیق از روغنی حاوی تکههای بسیار ریز آهن پر شده است. درون پیستون این سیلندر، هستهای سیمپیچیشده از جنس مواد فرومغناطیس (حساس به میدان مغناطیسی) وجود دارد که با گذشتن جریان از آن، میدان مغناطیسی ایجاد میشود.
- با ایجاد میدان مغناطیسی، تکههای آهنی درون روغن در جهت میدان حالت میگیرند و مجموعهای مقاوم در برابر حرکت پیستون به وجود میآورند، که سیستم تعلیق را “سفتتر” میکند.
- مزایا: پاسخ بسیار سریعتر نسبت به سیستمهای بادی و هیدرولیکی، که در نتیجه خودرو سریعتر خود را با جاده هماهنگ میکند. این ویژگی برای خودروهای اسپرت بسیار حائز اهمیت است.
- معایب: به دلیل محدودیتهای الکتریکی، جای تنظیم و بازی زیادی را برای سیستم تعلیق به وجود نمیآورد.
- کاربرد: اغلب در خودروهای اسپرت که کمتر نیاز به تنظیم سیستم تعلیق دارند، استفاده میشود.