سیستم تعلیق

( قسمت دوم )

ضربه گیر

تا زمانی که خودرویی فاقد یک ساختار تقلیل دهنده نیرو باشد، فنر آن، انرژی را که از یک دست انداز جذب کرده، به صورت و آهنگ کنترل نشده ای پخش کرده و رها می سازد. فنر در بسامد طبیعی خود باز و بسته می شود تا جایی که همه انرژی را که جذب کرده، از دست بدهد. تعلیقی که تنها بر اساس فنرها طراحی و ساخته شده باشد، سواری بسیار پرتحرک و بسته به نوع زمین، خودرویی غیرقابل کنترل را به وجود می آورد.

در تعریف ضربه گیر، یا کمک فنر، باید گفت "وسیله ای برای کنترل حرکات نامطلوب فنر در طی فرآیند تقلیل." کمک ها، کار تقلیل نیروی حرکات لرزشی را بر عهده دارند، بدین صورت که انرژی جنبشی (حرکت تعلیق) به انرژی گرمایی تبدیل می شود، و انرژی گرمایی نیز در سیّال روغنی (هیدرولیکی) از بین می رود. برای درک بهتر طرز کار آن، به درون یک کمک فنر نگاهی می اندازیم تا ساختار و عملکردش را بهتر ببینیم.

 کمک، اساساً یک پمپ روغن است که مابین بدنه خودرو و چرخ های آن قرار گرفته است. سر بالایی آن به بدنه (که همان وزن معلق باشد) و سر پایینی اش به اکسل، نزدیک چرخ (که همان وزن نامعلق باشد)، اتصال دارد. در یک طرح دو لوله ای، که یکی از رایج ترین انواع کمک ها می باشد، سر بالایی (از داخل) به یک میل پیستون متصل است، که آن نیز خود به یک پیستون اتصال دارد، که در نهایت پیستون در لوله ای حاوی سیّال روغنی قرار دارد. لوله ی داخلی را لوله فشار و لوله ی خارجی را لوله ذخیره (محافظ) می نامند. لوله ذخیره، سیال روغنی مازاد را ذخیره می کند.

هنگامی که چرخ خودرو با دست اندازی در جاده برخورد می کند و باعث باز و بسته شدن فنر می شود، انرژی فنر از طریق سر بالایی کمک به آن منتقل می گردد، و سپس به میل پیستون و در نهایت به پیستون می رسد. منافذی که بر روی پیستون وجود دارند، به سیّال اجازه گذر از خود را می دهند و می گذارند تا در حین حرکت پیستون به سمت بالا و پایین، درلوله فشار جریان داشته یاشد. به علت اندازه نسبتاً ریز سوراخ ها، تحت فشار بالا، تنها مقدار کمی روغن  از آنها درز می کند. این عمل، حرکت پیستون و در نتیجه حرکت فنر را کند می سازد.

کمک فنرها در دو گردش کار می کنند – گردش تراکم و گردش بسط (یا کشش). گردش تراکم هنگامی اتفاق می افتد که پیستون به سمت پایین حرکت کرده و سیال روغنی را در محفظه زیر پیستون متراکم می کند. گردش بسط در زمان حرکت پیستون به سمت بالای لوله ی فشار رخ می دهد که سبب متراکم شدن سیّال، در قسمت بالای پیستون می گردد. یک خودروی معمولی و یا یک کامیونت، در طول گردش بسط نسبت به گردش تراکم مقاومت بیشتری نشان خواهد داد. با در نظر گرفتن این مطلب، در می یابیم که گردش تراکم، حرکت وزن نامعلق خودرو را کنترل می نماید؛ در حالی که دور بسط، کار دشوارتری را بر عهده دارد: کنترل وزن معلق.

همه کمک های جدید، نسبت به سرعت حساس هستند – هر چه تعلیق سریع تر حرکت کند، کمک، مقاومت بیشتری را از خود نشان می دهد. این، کمک ها را قادر می سازد تا با شرایط جاده هماهنگ شده و همه تکان های نامطلوب ناشی از حرکت یک خودرو را، از قبیل پرش، موج، شیرجه ترمز و یا نشست شتاب، کنترل نماید.

ستون-پایه و میل موج گیر

سیستم رایج دیگر برای تقلیل نیرو، ستون و پایه (استرات) نام دارد: اصولاً کمکی که درون فنر قرار دارد. ستون-پایه ها دو کار انجام می دهند: روند تقلیل نیرو را اعمال می کنند، نظیر کمک ها؛ و برای سیستم تعلیق خودرو پشتیبانی ساختاری فراهم می آورند. بدان معنا که ستون-پایه ها وزن بیشتری را نسبت به کمک ها انتقال می دهند؛ که شامل وزن خودرو نمی شود – آنها تنها سرعتی را که وزن در آن منتقل می شود کنترل می نمایند، نه خود وزن را.

 به دلیل ارتباط زیاد کمک ها و ستون-پایه ها با کنترل خودرو، آنها را می توان به عنوان مشخصه های اصلی امنیتی به حساب آورد. ستون-پایه ها و کمک های کار کرده، ممکن است اجازه انتقال وزن از طرفی به طرف دیگر و از جلو به عقب را دهند. این کار توانایی لاستیک را برای چسبیدن به جاده کاهش می دهد، و البته به همان میزان از دست فرمان (قدرت کنترل خودرو) و کارائی ترمز می کاهد.

میل موج گیرها (همچنین با نام میل پیچ گیر) همراه با کمک ها یا ستون-پایه ها استفاده می شوند تا به خودروی در حال حرکت، استقامت بیشتری دهند. میل موج گیر، میله ای است فلزی که کلّ اکسل را در بر می گیرد و به صورت موثری دو طرف تعلیق را به یکدیگر متصل می گرداند.

هنگامی که تعلیق در یک چرخ، بالا وپایین می رود، میل موج گیر حرکت را به چرخ دیگر انتقال می دهد. این کار باعث ایجاد یک سواری یک سطح تر شده و موج خودرو را کاهش می دهد. به خصوص، هنگامی که خودرو در حال دور زدن می باشد، میل موج گیر، با موج خودرو بر سیستم تعلیق درگیر می شود. به همین خاطر، تقریباً همه خودروهای امروزی دارای میل موج گیر، به عنوان تجهیزات استاندارد می باشند. هرچند اگر خودرویی فاقد این مزیت باشد، با استفاده از کیت ها به راحتی می توان آن را، در هر زمانی نصب نمود.

 انواع سیستم های تعلیق

تا به اینجا، مبحث ما بر سر این بود که فنرها و کمک ها چگونه بر روی چرخ ها عمل می کنند. ولی چهار چرخ خودرو با یکدیگر در دو نظام مستقل کار می کنند – دو چرخ متصل به اکسل جلویی و دو چرخ متصل به اکسل عقب. این بدان معناست که یک خودرو می تواند دو نوع متفاوت از سیستم تعلیق در جلو و عقب داشته باشد و معمولاً بدین گونه است. بیشتر بدین بستگی دارد که دو چرخ توسط اکسلی یک تکه متصل گردیده اند، یا به صورت مستقل در حرکت اند. حالت اولی به نام سیستم یکپارچه شناخته شده، و دومی را نیز با نام سیستم جداگانه می شناسند.

سیستم تعلیق یکپارچه جلویی، دارای یک اکسل جلو است که دو چرخ را به هم متصل می کند. اساساً همانند یک میله محکم است که در قسمت زیرین جلویی خودرو قرار داشته و در جایش به وسیله فنرهای تخت و کمک ها محکم شده است. این سیستم به طور معمول در کامیون ها و خودروهای باری، استفاده می شود. و سال هاست که در عمده خودروهای سواری به کار گرفته نمی شود.

در یک سیستم تعلیق یکپارچه جلویی، چرخ های جلویی اجازه حرکت به صورت مستقل دارند. ستون-پایه مک فِرسُن (MacPherson) که توسط شخص وی، از شرکت جنرال موتورز در سال 1947 گسترش پیدا کرد، پر کاربرد ترین سیستم تعلیق جلویی می باشد، به خصوص در خودروهای منطقه ی اروپا.

ستون-پایه مک فرسن، کمک و فنر پیچشی را ترکیب کرده و به صورت یک واحد در می آورد. این عمل، سیستم تعلیق فشرده تر وسبک تری را برای خودروهای دیفرانسیل جلو فراهم می آورد.

سیستم تعلیق دو جناغی (همچنین بازوی A شکل) نوع دیگر معمول سیستم تعلیق جداگانه جلویی است.

Double-wishbone suspension on Honda Accord 2005 Coupe

 در حالی که پیکربندی های بسیار گوناگونی وجود دارد، این طراحی به طور خاص برای حفظ چرخ، از دو بازوی جناغ شکل استفاده می کند. هر جناغ، که دارای دو محل اتصال به شاسی و یکی به چرخ می باشد، یک کمک و فنر پیچشی را برای جذب لرزش ها، حمل می کند. سیستم های تعلیق دو جناغی اجازه کنترل بیشتری را روی زاویه تمایل چرخ می دهند و آن، زاویه ای است که چرخ به خارج یا داخل تمایل پیدا می کند. آنها همچنین کمک به حداقل رسانیدن پیچ یا موج می کنند و احساس هدایت مطمئن تری را فراهم می نمایند. به خاطر همین مشخصات، به طور معمول از سیستم های تعلیق دوجناغی بر چرخ های جلویی خودروهای بزرگتر استفاده می شود.

حال نگاهی به سیستم های تعلیق عقب می اندازیم.

اگر یک اکسل یک تکه، چرخ های عقب خودرو را به هم متصل نماید، آنگاه به طور معمول، خودرو دارای سیستم تعلیق بسیار ساده ای می باشد – بر پایه یک فنر تخت یا پیچشی. در طرح اولی، فنرهای تخت مستقیماً به اکسل فرمان می چسبند. دو سر فنرهای تخت به صورت مستقیم به شاسی اتصال پیدا می کند، و کمک، به اتصالی که فنر را به بدنه نگاه می دارد، وصل می گردد. سالیان متمادی، تولید کنندگان خودروهای آمریکایی، استفاده از این طرح را به خاطر سادگی اش ترجیح می دادند.

همان طرح پایه با جایگزینی فنرهای پیچشی به جای تختی نیز به دست می آید. در این حالت، فنر و کمک می توانند به صورت یکپارچه و یا جدا از هم به کار گرفته شوند. هنگامی که جدا از هم باشند، می توان از فنرهای کوچکتری استفاده نمود تا سیستم تعلیق، فضای کمتری را اشغال نماید.

اگر هر دو سیستم عقب و جلو، جداگانه باشند آنگاه تمامی چرخ ها به صورت جداگانه به بدنه اتصال و جهش می یابند. و در نتیجه آگهی های بازرگانی خودرو، آن را "سیستم تعلیق چهار چرخ مستقل" می نامند. هر سیستم تعلیقی که بتوان در جلو به کار گرفت، و همینطور مدل های سیستم جداگانه جلویی که در قبل بدانها اشاره گردید، در عقب نیز به کار گرفته می شود. البته در عقب خودرو نظام هدایت (سیستمی که شامل چرخ دنده جناغی بوده و چرخ ها را قادر می سازد تا از جهتی به جهت دیگر گردش یابند) غایب است. این بدان معنی است که تعلیق های جداگانه عقب را می توان نسخ ساده شده جلویی ها دانست، اگر چه قسمت های اصلی به قوت خویش باقی می مانند.

سیستم های تعلیق ویژه

تا به اینجا، در این مقاله بحث بر سر تعلیق خودروهای دیفرانسیل جلو و عقب معمولی بوده – خودروهایی که در جاده های عادی و در شرایط رانندگی متعارف استفاده می شوند. ولی در مورد تعلیق خودروهای ویژه نظیر خودروهای تقویت شده، مسابقه ای و یا خودروهای مسابقات خارج از جاده چه؟ در حالی که تعلیق خودروهای ویژه از همان ویژگی های پایه بهره می برند، آنها از خصوصیات برتری نیز، بسته به شرایط رانندگی که در آن قرار دارند، برخوردار هستند. در ادامه یک بررسی را از چگونگی طراحی این سیستم برای سه نوع خودروی ویژه – فولکس باجا، خودروهای مسابقه ای فرمول یک و خودروهای کلاسیک تقویت شده آمریکایی – ارائه می دهیم.

طراحی فولکس قورباغه ای مشخصاً برای تبدیل شدن به یک خودروی مطلوب برای طرفداران مسابقات خارج از جاده انجام شده بود. با یک مرکز ثقل پایین و قرار گرفتن موتور بر اکسل عقب، فولکسِ تک دیفرانسیل، به راحتی خودروهای دو دیفرانسیل با شرایط غیر جاده ای کنار می آید. البته فولکس قورباغه ای با تجهیزات اولیه (کارخانه ای) خود، با شرایط غیر جاده ای هماهنگ نمی باشد. اکثر فولکس ها به یک سری تغییرات و تبدیل ها نیازمند هستند تا بتوان از آنها در شرایط سخت مسابقات صحرایی باجا کالیفرنیا استفاده نمود.

یکی از مهمترین تغییرات، در سیستم تعلیق به وجود می آید. با برداشتن سیستم تعلیق میله پیچشی، تجهیزات استانداردی که در جلو وعقب اکثر فولکس های سال های 1936 تا 1977 وجود داشته، می توان فضا را برای چرخ ها و لاستیک های سنگین و مخصوص خارج از جاده باز نمود. کمک فنرهای بلندتری جایگزین کمک های استاندارد شده تا بدنه را بالاتر ببرد و فضای بیشتری را به چرخ ها برای جابه جایی دهد. در بعضی موارد دیده شده که میله های پیچشی را به کل برداشته و با سیستم های فنری فشرده جایگزین می کنند، قطعاتی که شامل فنر و کمک در یک واحد قابل تنظیم قرار دارند. نتیجه این تغییرات، خودرویی است که به چرخ ها اجازه جا به جایی عمودی در حدود 20 اینچ (50 س م) با بیشتر را می دهد. چنین خودرویی به راحتی می تواند از مناطق سخت عبور نموده و اغلب به نظر می آید که پستی و بلندی ها را "نادیده" می گیرد، مانند سنگی که روی آب می جهد.

خودروی مسابقه ای فرمول یک، اوج تکامل و ابداع را در صنعت اتومبیل به نمایش می گذارد. وزن کم، بدنه های ترکیبی، موتورهای ده سیلندر قدرتمند و فرم ایرودینامیک پیشرفته، منجر به پدید آمدن خودروهایی سریع تر، امن تر و قابل اعتمادتر شده است.

برای بالا بردن مهارت راننده به عنوان فاکتور و هدف کلیدی در یک مسابقه، ملزومات و قوانین سختی بر طراحی خودروی مسابقه فرمول یک حاکم می باشد. برای مثال، قوانین مربوط به نظم بخشیدن به طراحی سیستم تعلیق بیان می کند که همه خودروهای فرمول یک بایستی به شیوه معمول فنربندی شوند، و اجازه استفاده از تعلیق های پویا (که توسط کامپیوتر کنترل و تنظیم شده اند) نمی دهد. با در نظر گرفتن این مطلب، خودروها دارای یک سیستم تعلیق چند اتصالی می شوند، که از یک مکانیزم چند میله ای استفاده می کند، همانند سیستم دوجناغی.

یاد آور می شویم که یک طرح دوجناغی از دو بازوی کنترل جناغ شکل استفاده می کند، تا حرکت بالا و پایین هر چرخ را کنترل نماید. هر بازو سه نقطه اتصال دارد – دو تا به شاسی و یکی در توپی چرخ – و هر اتصال دارای لولا است تا بتواند حرکت چرخ را کنترل کند. در همه خودروها فایده اولیه تعلیق دوجناغی، کنترل می باشد. هندسه بازوها و حرکت پذیری اتصالات به مهندسان، نهایت کنترل را بر زوایای چرخ و دیگر حرکات خودرو نظیر بلند شدن، نشست و یا پرش می دهد. هر چند بر خلاف خودروهای خیابانی و جاده ای، در خودروی فرمول یک، کمک ها و فنرهای پیچشی مستقیماً به بازوهای کنترل متصل نمی شوند. در عوض آنها به صورت افقی در طول خودرو قرار می گیرند و به وسیله یک سری میله و میل لنگ از دور کنترل می شوند. با چنین تنظیماتی، میله ها و میل لنگ ها حرکات بالا و پایینی چرخ را به حرکت عقب و جلویی تجهیزات فنری و تقلیل دهنده تبدیل می کنند.

دوره خودروهای کلاسیک تقویت شده آمریکایی از سال 1945 تا حدود 1965 می باشد. مانند فولکس های قورباغه ای، خودروهای کلاسیک تقویت شده، نیاز به تغییرات مشخصی از طرف صاحبانشان داشتتند. هر چند بر خلاف فولکس های قورباغه ای که بر روی شاسی فولکس ساخته شده اند، خودروهای تقویت شده بر روی انواع مختلفی ازمدل های قدیمی و اغلب تاریخی سوار بودند: خودروهایی که قبل از سال 1945 در خط تولید قرار داشتند، خوراک مناسبی برای تبدیلات تقویتی بودند، زیرا بدنه و شاسی های آنها اغلب در حالت خوبی قرار داشت، در حالی که موتورها و گیربکس هایشان (بخش انتقال نیرو) نیاز به جایگزینی کامل داشت. برای طرفداران و علاقه مندان خودروهای تقویتی کلاسیک، این دقیقاً همان چیزی بود که آنها می خواستند؛ زیرا به آنها اجازه نصب موتورهایی بس پر قدرت تر و قابل اطمینان تر می داد، نظیر فورد هشت سیلندر سر تخت و یا شورلت هشت سیلندر.

1923 T-bucket

 یک نمونه ی خودروی تقویت شده مردمی T-Bucket نام داشت، زیرا بر پایه فورد مدل T ساخته شده بود. فرم معمول تعلیق، در جلوی فورد مدل T شامل یک اکسل I شکل یک تکه (تعلیق یکپارچه) یک فنر U شکل کالسکه ای (فنر تخت) و یک میله ی جناغی شکل (شعاعی) با توپی در میانه آن، که در یک کاسه که به گیربکس متصل بود، می چرخید. مهندسان فورد، مدل T را برای سواری در سطح بالاتر و همراه با حرکات بسیار زیاد سیستم تعلیق ساختند، تا مدلی ایده آل برای جاده های سخت و ابتدایی دهه 1930 باشد. ولی پس از جنگ جهانی دوم، خودروهای تقویتی شروع به تجربه موتورهای بزرگتری نظیر کادیلاک یا لینکلن بر روی خود کردند، واین بدین معنی بود که میله شعاعی جناغی-شکل، دیگر قابل استفاده نبود. و به جای آن، توپ مرکزی را حذف نموده و دو سر آن را به میله های شاسی جوش دادند. این طرح "جناغ دو تکه"، اکسل جلویی را حدود 1 اینچ (2.5 س م) پایین تر آورد و قدرت هدایت را بهبود بخشید.

پایین آوردن اکسل بیش از 1 اینچ، نیازمند یک طراحی کاملاً نوین بود؛ کاری که توسط شرکت بل اوتو انجام گردید. در طی دهه های 1940 و 1950، شرکت بل اوتو "اکسل های لوله ای پایین آمده" را معرفی کرد که خودرو را 5 اینچ کامل (13 س م) پایین آورد. اکسل های لوله ای از لوله های استیل نرم ساخته شده بودند و قدرت را همراه با ایرودینامیک در تعادل نگاه می داشتند. همچنین سطح استیلی، روکش کرومی را بهتر از اکسل های میله ای I شکل قبول می کرد؛ بنابراین تقویتی بازان اغلب، آنها را به خاطر کیفییات زیبایی شناختی شان ترجیح می دادند.

هر چند، برخی تقویتی بازان معتقد بودند که کنترل خوب فشارهای رانندگی، بر سختی اکسل های لوله ای و ناتوانی آنها در انعطاف پذیری نمی چربد. برای مرتفع ساختن این مشکل، تقویتی بازان، "تعلیق چهار میله ای" را معرفی کردند که دو اتصال آن بر روی اکسل و دو تای دیگر بر روی شاسی بود. در هر نقطه اتصال، انتهای میل های مدل-هواپیمایی، حرکات بسیاری را در تمام زوایا فراهم می نمودند. نتیجه؟ سیستم چهار میلی، کارکرد تعلیق در همه نوع شرایط رانندگی را بهبود بخشید.

 آینده سیستم های تعلیق

در حالی که فنرها و کمک هایشان دستخوش تغییرات و بهبودهایی گردیده اند، طرح اصلی تعلیق خودرو در طی سال ها، دچار تحول مهمی نشده است. ولی همه این سیستم، با معرفی یک طراحی کاملاً جدید از شرکت Bose در حال تغییر می باشد – همان Bose که برای نوآوری هایش در فناوری صوتی شناخته شده است. بعضی حرفه ای ها، تا بدین حد پیش رفته اند که می گویند سیستم تعلیق Bose، بزرگترین پیشرفت در سیستم تعلیق اتومبیل، از زمان معرفی یک طراحی کاملاً جداگانه، می باشد.

Bose® Suspension Front Module

 چگونه کار می کند؟ سیستم Bose، به جای یک سیستم سنتی فنر و کمک، از یک موتور الکترومغناطیسی خطی (LEM) در هر چرخ بهره می برد. تقویت کننده ها، برای موتورها الکتریسیته فراهم می آورند، به طوری که با هر بار فشردگی سیستم، نیروی آنها جایگزین می شود. فایده اصلی موتورها این است که آنها مانند تقلیل دهنده های سنتی که بر پایه سیالات بودند، توسط اینرسی محدود نمی شوند. در نتیجه، یک LEM می تواند با سرعت بسیار بالاتری باز و بسته شود که به صورت مجازی، همه لرزش ها در کابین سرنشین را خنثی می سازد. حرکت چرخ نیز به خوبی کنترل می گردد، به طوری که بدنه خودرو در یک سطح باقی می ماند؛ بدون توجه به اتفاقاتی که برای چرخ می افتد. LEM همچنین می تواند حرکت خودرو را هنگام شتاب گرفتن، ترمز کردن و یا پیچیدن خنثی نموده و به راننده حس کنترل بسیار بهتری دهد.

متاسفانه این تغییر الگوی تعلیق، تا سال 2009 میسر نمی باشد، زمانی که این سیستم نوین برای یک یا چند خودروی اشرافی گران قیمت به کار گرفته می شود. تا آن زمان، رانندگان باید به متودهای آزمون و خطای سیستم های تعلیق، که جاده های پر دست انداز را در طول قرن ها رام کرده اند، اعتماد کنند.