فنر و کمک فنر 2 جزء مستقل از سیستم تعلیق خودرو هستند که وظیفه فنر تحمل وزن اتاق بر روی سیستم تعلیق و وظیفه کمک فنر جذب ضربات ناشی از حرکت خودرو روی سطح جاده است.
سیستم تعلیق خودرو
سیستم تعلیق در خودرو از پنج قسمت اصلی شامل: فنر، کمک فنر، سیبک ها، بوش ها و طبق تشکیل شده است که هر یک از این قسمت ها دارای زیرشاخه های متعددی بوده و در گروه های مختلفی تقسیم بندی می شوند که در این مقاله به نقش فنر و کمک فنر در سیستم تعلیق خودرو می پردازیم.
فنر
یکی اجزای اصلی در سیستم تعلیق خودرو می باشد که تحمل وزن و ارتفاع خودرو را در حد استاندارد بر عهده دارد و همچنین ضربات جاده را دفع می نماید. فنرها که اغلب میله ها یا حلقه های فولادی انعطاف پذیری هستند، به شاسی و اتاق خودرو اجازه می دهند تا بدون اختلال در حرکت خودرو ، دست اندازها را یکی پس از دیگری پشت سر بگذارد.
لزوم استفاده از فنربندی برای سیستم تعلیق در خودرو ها
- جذب ضربات چرخ که از سطح جاده وارد می شود و کاستن انتقال آن به اتاق و سرنشینان.
- استهلاک ضربات چرخ ها و جلوگیری از انتقال آن ها به اتصالات و مفصل های سیستم تعلیق.
- فشردن دائم چرخ ها به سطح زمین و در نتیجه افزایش نیروی کششی چرخ ها محرک.
- تماس چرخ های جلو با سطح جاده و تسلط راننده بر هدایت و هندلینگ بهتر خودرو.
شاخص نرمی یا سختی فنر را ضریب فنر می نامند. ضریب فنر باری است که برای جابجا کردن فنر، به اندازه معین، لازم است. ضریب فنری که به صورت یکنواخت فشرده می شود (ضریب فنر خطی) باری است که برای فشردن فنر به اندازه 25 میلیمتر لازم است اگر وزنه 250 کیلوگرمی بتواند این فنر را به اندازه 75 میلیمتر فشرده کند ، وزنه 500 کیلوگرمی آن را به اندازه 150 میلیمتر فشرده می کند.
فنرهای ضریب متغیر با آهنگ ثابت حرکت نمی کنند یا تغییر طول نمی دهند . هر گاه فنر لول با استفاده از مفتول مخروطی پیچیده شود در نوع دیگری از فنر لول ضریب متغیر، پیچه ها در بالای فنر، نسبت به پایین فنر به هم نزدیک ترند ، یا به صورت مخروط یا بشکه پیچیده شده اند.
فنر ایده آل برای سیستم تعلیق خودرو باید ضربه دست انداز را به سرعت جذب کند و سپس به آهستگی به وضعیت عادی خود بر گردد اما ساخت چنین فنری دشوار است اگر فنر خیلی انعطاف پذیر یا نرم باشد، بیش از اندازه تغییر طول می دهد و همچنین اگر فنر خیلی سفت یا سخت باشد، خودرو نرم حرکت نمی کند.
با توجه به موارد ذکر شده در قسمت بالا باید بگوییم که وضعیت مطلوب در خودرو ها با استفاده از یک فنر متوسط و یک کمک فنر تامین می شود که کمک فنر مانع تداوم نوسان فنر می شود.منظور از تداوم نوسان فنر ادامه یافتن حرکت های آن پس از عبور خودرو از دست انداز است.
با توجه به این که فنر ها چگونه به چرخ ها و بدنه خودرو متصل شوند مهندسین و متخصصین خودروسازی بحثی را پیش کشیدند به نام جرم فنر بندی شده و جرم فنربندی نشده.
جرم فنربندی شده قسمتی از خودرو است که وزن آن روی فنربندی قرار می گیرد در حالیکه قسمتی از خودرو را که بین جاده و فنر قرار می گیرد جرم فنر بندی نشده می گویند.
میزان سختی فنر مشخص می کند که جرم فنربندی شده در برابر دست اندازها و هنگام رانندگی چگونه عمل کند فنری که نسبت به جرم فنربندی شده سختی کمتری دارد سبب نرمی سواری می شود مانند خودروی های لوکس شهری یا مدل های لوکس خودروهای آمریکایی. چنین خودروهایی سواری فوق العاده نرمی دارند اما چنین فنر بندی تمایل زیادی به خوابیدن و بلند شدن هنگام ترمز گرفتن و شتاب گرفتن دارد و هنگام دور زدن و پیچیدن چرخش بدنه آنها را می توان با چشم دید اما در سمت دیگر خودرو های اسپرت هستند مانند بی ام و سری 3 که در دست اندازها سواری خشک تری دارند اما با به حداقل رساندن حرکت های بدنه به شما کمک می کند با اطمینان و سرعت بیشتری پیچ ها را طی کنید.
وزن فنر بندی شده : وزن قسمت هایی از خودرو که روی فنرها قرار دارد را گویند.
وزن فنر بندی نشده : وزن قسمت هایی از خودرو که زیر فنرها قرار دارد.
فنری که با نیروی کم، تغییرات طولی زیادی داشته باشد و با افزایش نیرو تغییرات طولی آن کاهش یابد را فنر سخت شونده گویند که این فنر در خودروهای سنگین کاربرد دارد.
انواع فنر در سیستم تعلیق خودرو
این نوع فنر از فولادهایی با الیاژ منگنز ،سیلیسیم ،کوروم و غیره می باشد فنرهای فولادی به صورت شمشی، مارپیچی و پیچشی در تعلیق خودروها به کارمی روند.
فنرهای غیر فولادی به صورت لاستیکی، پنوماتیکی، روغنی و گازی می باشند.
این نوع سیستم فنربندی از چند لایه شمش فلزی تشکیل شده است که به یکدیگر متصل شده اند و مانند یک واحد عمل می کنند و به آن ها فنر لیف نیز می گویند.
این نوع فنر ابتدا در گاری هایی که با اسب کشیده می شد استفاده گردید و در سال 1985 در خودروهای آمریکایی به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفت. این نوع فنر بندی هنوز در بیشتر خودروهای باری و برخی از خودروهای سنگین وزن و دو دیفرانسیل مورد استفاده قرار می گیرد.
برای زیاد کردن نیروی فنر از چند شمش که روی هم بسته می شوند استفاده می کنند البته تعداد شمش ها تابع نیرویی است که به محور جلو یا عقب خودرو وارد می شود. بزرگترین فنر را شاه فنر گویند که دو سر آن قوس بیشتری دارد از این رو برای بستن آن ها روی هم باید نیروی زیاد تری مصرف کرد و توسط یک پیچ و مهره بلندی به نام سنتر بولت یعنی پیچ وسط و بست ها یا گیره های مخصوص در طرفین مهار می شوند.
برای نصب این نوع فنرها در قسمت جلو به شاسی از طریق قامه فنر و یک پیچ و مهره و بوش قامه فنر که از جنس لاستیکی است استفاده می شود و در طرف دیگر توسط گوشواره به رام وصل می گردد.
برای جلوگیری از سایش اتصالات گریس کاری می شوند وظیفه گوشواره این است که امکان تغییر طول فنر در اثر نوسانات خودرو را فراهم می کند بین لایه های فنرها فیلمی از روغن گرافیت قرار می دهند تا لایه ها به راحتی بتوانند روی هم بلغزند و خاصیت نوسان گیری آن زیاد شود و همچنین از زنگ زدگی فنر ها جلوگیری می شود اخیرا به جای گریس با گذاشتن ورقه های مخصوص از جنس پلاستیک بین لایه های فنرها این کار را انجام می دهند.
این فنرها در بیشتر خودرو های سواری کاربرد دارند زیرا فضای کمتری را اشغال می کنند، همچنین وزن کمتر و نیاز به مراقبت و نگهداری کمتر از محاسن آن ها است.
تنها عیب فنر های مارپیچی یا لول این است که نیروی کششی یا فشاری را نمی توانند منتقل نمایند به همین جهت باید حتماً در سیستم تعلیق به کار روند که نیروهای عرضی به کمک طبق با اهرمی به شاسی منتقل شود. دو انتهای فنرهای مارپیچی مسطح اند تا در بشقابک های مخصوص در طبق یا محل خود بهتر مستقر شوند فنرهای مارپیچی فاقد خاصیت ضربه گیری هستند و باید مکمل آن یک کمک فنر باشد تا بتواند نوسانات خودرو را به سرعت گرفته و راحتی سفر را فراهم نماید.
فنر پیچشی یا تورشن بارها از خواص پیچشی یک میله فولادی استفاده می کنند تا عملکردی مانند فنر داشته باشد.
تورشن بار در حقیقت یک میله فولادی یک تکه است که از یک سمت به شاسی خودرو متصل است و از سمت دیگر می تواند حرکت کند.
تورشن بار می تواند به صورت عرضی، اریب و یا به صورت طولی نصب شود. حرکت فنری تورشن بار در اثر مقاومت میله های فولادی در برابر پیچش ایجاد می شود وقتی که چرخ به سمت بالا حرکت می کند این حرکت عمودی با استفاده از اهرم ها به تورشن بار منتقل می شود و تورشن بار حول محورش می پیچد تا نیروی فنری لازم را ایجاد کند.
این سیستم فنربندی بیشتر در خودروهای اروپایی برای چرخ های عقب مورد استفاده قرار می گیرد و البته خودرو سازهای آمریکایی هم در دهه های 50 و 60 میلادی از این سیستم در خودروهای خود استفاده می کردند.
این فنرها از خاصیت تراکم پذیری هوا و گازهای دیگر بهره مند بوده و به جای فنر در تعلیق خودروها استفاده می شود. فنرهای هوایی که از اتاقک های هوای استوانه ای شکل و پیستون تشکیل شده اند بین چرخ و بدنه نصب می گردند و با استفاده از خاصیت تراکم پذیری هوا می توانند نوسانات چرخ را جذب کنند.
این ایده بیش از یک قرن عمر دارد و در گاری های قدیمی که با اسب کشیده می شد چنین فنر بندی وجود داشت این نوع فنر بندی از دیافراگم هایی که از چرم ساخته شده و با هوای فشرده پر شده بود تشکیل شده بود، درست مانند یک دمنده آهنگری و از سال 1930 میلادی به بعد انواع لاستیکی آن وارد بازار شد.
این روش که بیشتر در خودروهای سنگین و گاهی هم در خودروهای سبک کاربرد دارد دارای نرمش خوبی است دستگاه فنر هوایی از کمپرسور و محفظه با کیسه هوایی و لوله های انتقال هوا و رگلاتور تنظیم فشار تشکیل شده است. طرز کار این سیستم به این شرح است که اهرم متصل به شاسی نسبت به ارتفاع آن بالا و پایین می رود، با حرکت اهرم رگلاتور به بالا یا پایین سوپاپ های رگلاتور باز و بسته می شود با حرکت اهرم سوپاپ ورودی باز شده هوای فشرده از مجرا به کیسه های فنر ارسال می شود.
وقتی که اهرم در جهت مخالف حرکت کند سوپاپ ورودی بسته و سوپاپ خروجی باز می شود در این موقع باد کیسه فنر تا حدی خالی می شود که اهرم در حالت وسط قرار بگیرد بنابراین نسبت به افزایش بار خودرو فشار باد در کیسه های هوایی زیاد می شود و با کاهش بار فشار هوای فنر کاهش پیدا می کند.
با این وصف می توان فنرهای هوایی را نوع ایده آل دانست زیرا در حالت سبک بودن شاسی فنر نرم است و در حالت سنگین بودن مانند فنر سخت عمل می کند برای اندازگیری فشار موثر باد فنرها از رگلاتور تنظیم فشار استفاده می کنند رگلاتور روی شاسی بسته شده اهرم آن به محور خودرو وصل می شود با افزایش بار خودرو شاسی به طرف محور چرخ نزدیک می شود، در این حالت شیر هوای فشرده به کیسه باز می شود تا ارتفاع مجازی که رگلاتور را تنظیم کرده اند شاسی را بالا ببرد وقتی شاسی به اندازه ی لازم بالا رفت رگلاتور شیر را می بندد در هنگام خالی شدن باد خودرو شاسی از محور چرخ دور می شود در این اهرم شیر دیگری را باز کرده مقداری از هوای کیسه ی فنر را به خارج باز می کند.
کمک فنر
در صورتی که خودرویی تنها مجهز به فنر باشد ، زمانی که باری اضافه بر روی فنرها اعمال شود یا وسیله نقلیه با یک دست انداز روبرو شود ، فنر با جمع شدن آنرا جذب می نماید ، اما زمانی که یک فنر جمع می شود ، مقداری انرژی در خود ذخیره می کند که برای تخلیه این انرژی ، فنر باز شده و انرژی وارده را به شکلی غیر قابل کنترل رها می سازد و از آنجائیکه فیزیک یک فنر با نوسان و ارتعاش آمیخته است پس از باز شدن دوباره جمع شده و سپس دوباره باز می شود ، و این حرکت تا زمان تخلیه کامل انرژی ادامه می یابد ، 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 خودرو می شود.
کمک فنر قطعه ای مکانیکی است که در نزدیکی هر چرخ در سیستم تعلیق نصب می شود تا نوسانات فنرها را کنترل کند. یک سر کمک‌فنر به اتاق یا شاسی خودرو متصل می شود و سر دیگر آن به قطعه‌ای متحرک از سیستم تعلیق، مانند پوسته اکسل یا طبق متصل است. در این وضعیت حرکت فنر سبب افزایش و کاهش طول کمک‌فنر می شود. هدف از بکارگیری کمک فنر جلوگیری نوسانات فنر است.
کمک‌فنر زیر بار وزن خودرو نمی باشد.کمک فنری که در شرایط مناسب قرار داشته باشد به سیستم تعلیق اجازه می دهد تا نوسان به وجود آمده را به یک یا دو سیکل تقلیل داده ، حرکت بیش از حد را تعدیل نموده و وزن وارد بر چرخ ها را در حالت تعادل و چسبیده به جاده قرار دهد .
با کنترل فنر و حرکات سیستم تعلیق ، اجزاء دیگر نیز در وضعیت درست خود فعالیت خواهند کرد و همین امر تنظیم چرخ ها را نیز به صورت ثابت در حالت صحیح نگه داشته و هندلینگ مطلوب در اختیار راننده قرار می دهد.
کمک فنر در سیستم تعلیق موازی با فنر بسته می شود و مانند فنر نیروی محوری را جذب می کند در موقع جمع شدن کمک فنر به سهولت منقبض شده اما در موقع باز شدن کمک فنر مقاومت می نماید و با کندی باز می شود.
برای ورود به بحث نحوه عملکرد یک کمک فنر ، ابتدا به زبان ساده و بدور از جزئیات به بررسی اساس کار آن پرداخته و سپس به تشریح کلی و تخصصی عملکرد ، اجزا و انواع آن خواهیم پرداخت یک کمک فنر دارای پیستونی است که در سطح مقطع دارای حفره های کوچک می باشد، به یک میله فولادی متصل است ، این پیستون درون یک محفظه بسته ( سیلندر ) فلزی که حاوی یک سیال هیدرولیکی ( عموما روغن ) است ، حرکت می نماید . اطراف محل حرکت میله به داخل و خارج محفظه به وسیله یک کاسه نمد کاملا آب بندی شده و سیال تحت فشار ، امکان خروج از محفظه را دارا نیست .
وقتی کمک فنر فشرده می شود روغن از سوراخ های درشت تر سوپاپ آن جابجا می شود و لذا به سهولت تغییر مکان می دهد اما وقتی حالت انبساط آن فرا میرسد برگشت روغن به محل اولیه خود از مجاری کوچکتر میسر می گردد. در اثر برگشت روغن از مجاری کوچک نیروی اصطکاک روغن بالا رفته و انرژی مکانیکی به انرژی حرارتی تبدیل می گردد سپس گرما روغن در فضا پخش می گردد.
متداول ترین ارتعاش گیرها نوع تلسکوپی است که از دو سیلندر یک طرف بسته ساخته شده و قسمت بسته آن به پوسته محور چرخ متصل می شود طرف باز سیلندر به سمت بالا قرار داشته و در داخل آن یک پیستون با دسته پیستون حرکت می کند. دسته پیستون به شاسی بسته می شود البته سیلندر های نوع دو جداره هم بکار رفته است که در روی پیستون دو نوع سوپاپ وجود دارد نوع مجرا درشت آن هنگام فشرده شدن و نوع مجرا ریز آن در موقع باز شدن در معبر روغن قرار می گیرد.
کمک فنرهای تلسکوپی یک لوله ای یا دو لوله ای می باشد که در نوع دو لوله ای روغن بین دو جداره و در نوع یک لوله ای روغن در طرفین پیستون جابجا می شود. زمانی که نیرویی بر یک کمک فنر وارد شود ،کمک فنر به اصطلاح در سیکل فشرده شدن قرار گرفته و پیستون می خواهد به سمت پایین، درون محفظه حرکت نماید، اما از آنجا که سیال قابلیت فشرده شدن ندارد در مقابل این نیرو مقاومت می کند، همین کاهش سرعت جلوی نوسان فنر را گرفته و تعادل خودرو را برقرار می نماید. برای باز کردن کمک فنر فشرده شده نیز عملیاتی مشابه سیکل فشرده شدن انجام می شود با این تفاوت که این بار سیال از بالای پیستون می خواهد به زیر پیستون منتقل شود.
میزان مقاومتی که یک کمک فنر از خود نشان می دهد بستگی به سرعت سیستم تعلیق ( دست اندازهای جاده ) همچنین تعداد و سایز سوپاپ ها دارد.
اما ساختمان کمک فنرهای امروزی تا حدی پیچیده تر از آن چیزی است که در بالا ذکر شد ، تقریبا تمامی کمک فنرهای مدرن امروزی از نوع حساس به سرعت می باشند ، بدین معنا که در سرعت های بالای سیستم تعلیق ( جاده های پر دست انداز ) ، کمک فنر مقاومت بیشتر و برعکس در سرعتهای پایین مقاومت کمتری از خود نشان می دهد که این امر نرمی و راحتی رانندگی را بسیار بیشتر می نماید اما در سیستمی که در بالا بطور ساده بررسی شد یک مشکل بزرگ به چشم می خورد ؛ حجم سیال پایین پیستون ، در هنگامی که پیستون تا انتها بالا آمده ، با حجم سیال بالای پیستون در زمانی که پیستون تا انتها پایین رفته مساوی نیست ، دلیل آن هم وجود میله کمک فنر در بالای پیستون می باشد .
در این نوع از کمک فنرها، یک سیلندر پر از روغن وجود دارد که یک پیستون داخل آن در حرکت است. پس از اعمال نیرو به پیستون، روغن از سوراخ هایی که روی پیستون محدود است خارج می گردد.
در هنگام حرکت پیستون مقاومت زیادی وجود دارد در نتیجه پیستون به آهستگی حرکت خواهد کرد و نوسانات را از بین می برد. هر چه تعداد سوراخ های پیستون کمتر و اندازه ی آن ها کوچکتر باشد، ضریب دمپینگ کمک فنر بیشتر خواهد بود و بر عکس هر چه تعداد سوراخ ها بیشتر و سایز آن ها بزرگتر باشد، ضریب دمپینگ کمک فنر کمتر است.
این کمک فنر مدل خاصی از کمک فنرهای روغنی است که در هنگام خروج روغن از پیستون، روغن از سوراخ های بزرگتری خارج می شود و در این هنگام مقاومت کمتر است ولی موقع باز شدن کمک فنر، روغن باید از سوراخ های کوچکتری عبور کند، پس با مقاومت بیشتری مواجه هستیم.
در این نوع کمک فنر، جمع شدن به آسانی انجام می شود تا ضربه در همان ابتدا خوب جذب می شود ولی هنگام بازشدن از خود مقاومت زیادی نشان می دهند تا نوسانات را از بین ببرد.
این کمک فنرها از دو یا سه لوله هم محور تشکیل شده اند. اگر کمک فنر سه لوله ای باشد خارجی ترین لوله گردگیر است طرز کار این کمک فنر در موقع باز شدن به این صورت می باشد که روغن داخل محفظه بالای پیستون به طرف پایین و به داخل محفظه زیر پیستون رانده می شود روغن پس از عبور از گذرگاه های نگهدارنده سوپاپ برگشت از میان دیسک سوپاپ برگشت با فشار خارج شده و از میان کلیه سوراخ های پیستون عبور می کند در طی کورس باز شدن روغنی که در محفظه بالای پیستون تحت فشار قرار گرفته به محفظه زیر پیستون جریان می یابد این عمل برای جبران حجم جابجا شده میل پیستون است زمانی که میل کمک فنر به بالا کشیده می شود فنر سوپاپ مکش در مجموعه سوپاپ فشاری به واسطه عبور روغن بلند شده به طوری که سوپاپ دیسکس فشاری و سوپاپ نگهدارنده اجازه عبور روغن را می دهد در ضمن مرحله جمع شدن کمک فنر عکس مرحله باز شدن می باشد.
در کمک فنرهای روغنی، ممکن است وقتی روغن با سرعت از سوراخ ها عبور می کند، هوا گرفته و کف کند. برای از بین بردن این مشکل، درون محفظه سیلندر معمولاً گاز نیتروژن فشرده وارد می کنند. این گاز معمولاً در کیسه لاستیکی قرار می گیرد تا با روغن ترکیب نشود.
در کمک فنر گازی، محفظه هوای فشرده آب بندی شده وجود دارد که هوای فشرده ی آن توسط یک کمپرسور تأمین می شود. برای کنترل فشار هوای داخل سیلندر، سوپاپ های کنترل ورودی و خروجی هوا وجود دارد.
بزرگترین امتیاز کمک فنر گازی نسبت به کمک فنر هیدرولیکی در انتقال سریع حرارت می باشد چون لوله خارجی آن در تماس مستقیم با هوا است لذا انتقال حرارت سریع تر انجام می شود این نوع کمک فنر ها در درجه حرارتی بیش از 200 درجه سانتی گراد به خوبی کار می کند معمولا طراحی آن ها از یک یا دو لوله هم محور ساخته شده و کاربرد وسیعی در صنایع خودرو سازی دارند برای مثال در صندوق عقب بعضی از خودروهای سواری، اتوبوس ها و حتی تخت خوابهای بیمارستان و صندلیهای دندان پزشکی کاربرد دارد.
لازم به ذکر است که در درون کمک فنر از گاز تنها استفاده نشده بلکه از گاز و روغن استفاده شده که این روغن و گاز در دو محفظه جدا از هم قرار دارند و هر یک وظیفه خاص خود را در موقع جمع شدن و باز شدن کمک فنر انجام می دهد.
ضریب دمپینگ این کمک فنرها، قابل تنظیم است. امکان تغییر ضریب دمپینگ و ثابت فنر وجود دارد تا متناسب با شرایط، واکنش از خود نشان دهد. به عنوان مثال، وقتی خودرو با سرعت زیاد از روی دست انداز عبور می کند، ضربه ای شدید در زمان کوتاه به سیستم تعلیق وارد می شود، در این حالت باید کمک فنرها نرم تر کار کنند در حالی که اگر خودرو آهسته از همین دست انداز عبور کند، باید کمک فنر سفت تر باشد.
در این کمک فنر ها سنسورهایی وجود دارد که شرایط حرکت خودرو مانند سرعت، شتاب و نیروهای وارده را دریافت کرده و پس از پردازش این اطلاعات، باز و بسته شدن سوپاپ های ورودی و خروجی را کنترل می گیرد. از این طریق، ورود و خروج مقدار روغن و یا هوا، میزان سختی کمک فنرها، متناسب با شرایط تنظیم می شود.
