برسی معرفی انواع کمک فنرها و لرزه گیرها

توضیحات :

فصل اول:

معرفی انواعكمك فنرها

و لرزه گیرها

سیستم تعلیق

لرزش‌های پی‌درپی بدنه خودرو سبب خستگی راننده و سرنشینان می‌شود. در پی آن كارایی و بازدهی رانندگی و عمر مفید خودرو كاهش یافته و سلامتی انسان به خطر می‌افتد. بنابراین مدل‌سازی مود سواری خودرو و به سازی پاسخ لرزشی آن با بهره‌ از میراینده‌های ارتعاشی از دیدگاه‌های مهم در طراحی خودرو بوده، كه آسایش سرنشین، افزایش دوام خودرو، ایمنی و افزایش كنترل خودرو را به دنبال دارد.

خاصیت میرایش ارتعاشات و لرزش‌ها و رفع بعضی از اغتشاشات حركت در خودرو و حفظ بعضی ویژگی‌های مناسب جهت ایمنی،‌ از ویژگی‌های مناسب مكانیكی است كه انجام آن با یك وسیله مكانیكی امكان‌پذیر است . مجموعه مشخصی كه فراهم‌گر هدف بالا است، سیستم تعلیق نام دارد. این مجموعه قلمرو وسیعی را با خواص و وظایف متفاوت در بر دارد.

نقش سیستم تعلیق در خودرو مهار چرخ در فضا (در سه راستای Z Y X) و فراهم كردن حركات خطی و زاویه‌ای مناسب آن است . نیز چرخ‌ها را به صورت تكیه‌گاهی امن در زیر خودرو نگاه می‌دارد به گونه‌ای كه چرخ‌ها توان مهارسازی نیروهای اعمالی به خودرو (گرانش، گریز از مركز، نیروهای رانشی و ترمزی و ...) را داشته باشند. ویژگی‌های سختی و میرایی تعلیق بایستی چنان برگزیده شوند كه پایداری و آسایش خودرو تامین گردد.

برای پی بردن به جایگاه سیستم تعلیق، خودرو را در سه حالت زیر در نظر می‌گیریم :

بی‌تعلیق : بدون سیستم تعلیق، تایر و بدنه معلق می‌باشند. در نتیجه هر ناهمواری در سطح جاده ، به سرنشینان خودرو منتقل خواهد شد.

با تعلیق و بی‌لرزه‌گیر : در این حالت تایر به زمین چسبیده ولی بدنه معلق می‌باشد. در نتیجه بدنه خودرو به طور مداوم به بالا و پایین نوسان می‌كند.

با تعلیق و لرزه‌گیر : در این حالت تایر و بدنه به زمین چسبیده است و لرزه‌گیر، نوسانات فنر را دفع می‌نماید چرخ‌‌ها به راحتی به بالا و پایین حركت كرده و پایداری، اطمینان و راحتی خودرو را در پی خواهد داشت.

شكل 1 ـ مقایسه خودرو بدون تعلیق، با تعلیق بدون لرزه‌گیر و با تعلیق كامل

زیر بخش‌های عمده سیستم تعلیق شامل تایر،‌ فنر و لرزه‌گیر می‌باشد كه وظیفه آنها برقراری تماس بین چرخ و زمین، ایمنی و راحتی سرنشینان می‌باشد. نیز برای كاهش و در صورت امكان حذف سر و صدا و ارتعاشات، موادی چون لاستیك، چرم، اسفنج،‌ فنرهای متفاوت (مارپیچی، شمشی و میله‌های پیچشی) و ضربه‌گیرهای مختلف (اصطكاكی، هیدرولیكی و گازی) به كار می‌رود.

زیربخش‌های سیستم تعلیق

فنر

فنر عنصری انرژی دهنده و گیرنده می‌باشد كه بر اثر تغییر شكل كشسان انرژی پتانسیل آن تغییر می‌كند. در یك سیستم مكانیكی سختی نمایانگر ویژگی‌های فنریت آن است.

در تعیین ویژگی‌های فنریت سیستم‌های مكانیكی باید انعطاف‌پذیری قطعات را نیز لحاظ كرد. محاسبه سختی مؤثر یك مجموعه به سادگی و با بهره از قانون برآیند فنرها امكان‌پذیر است. اگر دو عضو به صورت سری قرار گرفته باشند، آنگاه فنر معادل به قرار زیر است :

(1-1)

اگر دو عضو به صورت موازی قرار گرفته باشند، آنگاه فنر معادل به قرار زیر است:

(1-2)

شكل 2 ـ روش‌های مختلف سرهم‌بندی فنر : روش موازی، روش سری و روش پیچشی

ویژگی‌های مكانیكی فنر

فنرها بر پایه رفتار و ویژگی‌های نیرویی به دو دسته خطی و ناخطی تقسیم می‌شوند. در بیشتر فنرها، نیروهای فنر تابعی از تغییر شكل آن به قرار زیر است :

(1-3)

از آنجا كه چرخش این میدان صفر است، بنابراین یك میدان نیروی پایستار است. تابع پتانسیل (انرژی پتانسیل) این میدان پایستار به قرار زیر است :

(1-4)

(1-5)

دسته‌بندی فنرها

فنرها گونه‌های مختلفی دارند، كه انواع پركاربرد آن در صنعت به قرار زیر است :

فنر مارپیچ

فنر مارپیچ مفتولی فولادی است كه به صورت حلقه‌ای پیچانده شده است (شكل ). فنر مارپیچ برای مقاومت در برابر بارهای كششی، فشاری یا پیچشی ساخته می‌شود. سختی یك فنر مارپیچ به قرار زیر است :

(1-6)

d : قطر مفتول فنر

N : تعداد حلقه‌های فنر

R : شعاع میانگین فنر

G : مدول برشی

شكل 3 ـ ساختار فنر مارپیچ

شكل 4 ـ گونه‌های مختلف انتهای فنر مارپیچ

فنر مارپیچ نرم‌تر از فنر تخت است، یعنی دارای سختی كمتری می‌باشد. این گونه فنرها كاربرد فراوانی در سیستم‌های تعلیق خودرو دارا می‌باشند. فنرهای مارپیچ به كار رفته در سیستم تعلیق بیشتر به صورت عمودی نصب می‌شوند و بنابراین به فضایی مناسب نیاز دارند. اصطكاك در این گونه فنرها ناچیز و تنها در محل تماس فنر با بدنه مطرح است. تنش اصلی ایجاد شده در این گونه فنرها تنش برشی است، اگر چه كمی‌هم در اثر خمش دچار تنش می‌گردند.

فنرهای مارپیچ بهترین خاصیت را برای جذب انرژی ناشی از حركات ارتعاشی خودرو دارا می‌باشند و از این نظر بهترین كارایی را دارند. فنرهای مارپیچ اجازه انحرافهای بزرگتری را نسبت به فنرهای تخت می‌دهند و بنابراین آسایش و نرمی‌بیشتری را نسبت به فنرهای تخت برای سرنشین خودرو فراهم می‌آورند. امروزه در سیستم تعلیق جلو و پشت سواری‌ها فنر مارپیچ بكار می‌رود و دیگر از فنرهای تخت استفاده نمی‌شود.

شكل 5 ـ گونه‌های مختلف اتصال و قرارگیری فنر مارپیچ

فنرهای پیچشی

در فنرهای پیچشی تغییر شكل زاویه‌ای سبب ایجاد گشتاور پیچشی است. رابطه نیرو و جابجایی در فنرهای پیچشی به قرار زیر است :

(1-7)

میله پیچشی

میله پیچشی محوری فولادی است كه در برابر گشتاور پیچشی قرار گرفته و تغییر شكل آن زاویه‌ای است.

شكل 6 ـ نمای هندسی فنر پیچشی

میله پیچشی بیشتر در سیستم‌های تعلیق جداگانه به كار می‌روند، كه از یك سو به شاسی متصل بوده و از سوی دیگر توسط یك بازو به چرخ متصل می‌شود و این بازو رابطی است میان لرزش‌های خطی چرخ و لرزش‌های زاویه‌ای میله پیچشی . سختی این گونه فنرها از دو بخش زیر شكل یافته است :

سختی پیچشی میله K_φ

سختی خمشی بازو K_b

این دو بخش به صورت سری قرار گرفته‌اند و بنابراین سختی كل به قرار زیر است :

(1-8)

میله پایدارنده

یكی از زیربخش‌های مهم سیستم تعلیق میله‌های پایدارنده است، كه برای افزایش پایداری به كار می‌رود. نمونه‌ای از میله‌های پایدارنده، میله‌ای است كه میل موج گیر (میله پادغلت) نامیده می‌شود. میل موج گیر میله‌ای فلزی است كه به دو بازوی كنترلی چرخ‌های درونی و بیرونی متصل می‌شود. هنگام افت و خیز یكی از چرخ‌ها، میل موج‌گیر حركت را به چرخ دیگر انتقال می‌دهد. میل موج گیر یك تراز بالا در هنگام رانندگی ایجاد می‌كند و سبب كاهش حركات لرزشی در هنگام چرخش خودرو است . با توجه به پارامترهای طراحی میل موج‌گیر می‌توان تا 15 درصد در برابر حركت غلتشی خودرو در هنگام چرخش ایستادگی كرد. میله پادغلت در واقع نوعی فنر پیچشی است با این تفاوت كه در سیستم‌های یكپارچه نصب شده و تنها در برابر غلتش نسبی محور و شاسی واكنش نشان می‌دهد.

كاربرد میله‌های پادغلت در سیستم تعلیق

هنگامی‌كه بدنه می‌غلتد و یا یكی از چرخ‌ها روی دست‌انداز یا درون چاله قرار می‌گیرد، میله پادغلت سبب افزایش سختی فنریت تعلیق است، یعنی فنریت آن را كاهش می‌دهد. هنگامی‌كه خودرو در راستای مستقیم حركت می‌كند، میله پادغلت، سبب نرمی‌فنریت تعلیق شده و بنابراین خوش سواری خودرو را بهبود می‌بخشد.

میله پادغلت یك میله پیچشی می‌باشد كه به چند بخش تقسیم شده است و به صورت كناری و با یاتاقان و بوش‌های لاستیكی به بدنه لولا می‌شود و همینطور از دو طرف به بازوهای لنگیده متصل شده است.

كاركرد میله پادغلت

اگر افت و خیز چرخ‌ها برابر باشد، آنگاه بازوهای لنگیده همسو بوده و بنابراین میله پادغلت نقشی در سختی غلتشی محور نخواهد داشت.

اگر افت و خیز چرخ‌ها برابر نباشد ، به طور نمونه چرخ راست روی برآمدگی قرار گرفته و بالا رود، در این حالت بازوی كنترل سمت راست بالا رفته و سبب گردش بازوی لنگیده چسبیده به آن سوی راست می‌شود. اما بازوی لنگیده سمت چپ تغییر نكرده و بنابراین تفاوت زاویه گردش بازوهای لنگیده سبب ایجاد گشتاور در میله پادغلت می‌شود و بنابراین نیرویی رو به بالا در سمت چپ بدنه ازطریق یاتاق‌های بوش های لاستیكی اعمال می‌شود و بنابراین سمت چپ بدنه به بالا می‌رود. بنابراین سمت راست چرخ‌ها بالا رفته و بنابراین بدنه بالا می‌رود و در سمت چپ كشش میله پادغلت سبب بالا رفتن بدنه می‌شود. بنابراین بدنه بدون غلتش در موقعیت بالاتری قرار می‌گیرد. بنابراین وظیفه میله پادغلت جلوگیری از غلتش و كجی بدنه با تغییر ارتفاع آن است.

فنر تخت

فنر تحت در هر دو سیستم تعلیق جلو و پشت به كار می‌رود. این فنرها به صورت كناری نیز به كار می‌روند و با این طرح وسط فنر به اسكلت متصل شده و هر یك از دو انتهای آن یك چرخ را نگهداری می‌كند. طرز عمل این فنرها مانند تمام فنرهای تخت است موقعی كه چرخ با یك برآمدگی برخورد می‌كند فنر به بالا خم می‌شود ضربه را مستهلك می‌نماید و برعكس هنگامی‌كه چرخ در یك گودی می‌افتد به طرف پایین خم می‌شود بدین ترتیب فنر تخت در وسایل نقلیه مانند فنر مارپیچی عمل می‌كند فنرها معمولا به طور مكانیكی با وسائلی از قبیل بالشتك و بوش لاستیكی از بدنه عایق‌بندی شده‌اند این عمل از انتقال لرزشها به اسكلت و بدنه جلوگیری می‌كند.

در حالت معمول این فنرها بصورت چند لایه می‌باشند كه بزرگترین فنر را شاه‌فنر می‌گویند و لایه‌های دیگر فنر نسبت به شاه فنر كوچكتر می‌باشند و به كمك میله‌ای در وسط به یكدیگر متصل شده‌اند و به وسیله گیره‌های مخصوصی از لغزیدن آنها در جهات مختلف جلوگیری می‌شود. در فنرهای شمشی شاه فنر به كمك میله یا بوش در یك طرف به قاب وصل می‌شود و از طرف دیگر به كمك میله U شكل كه گوشواره نامیده می‌شود به رام خودرو متصل می‌گردد. این گوشواره تغییر طول فنر را در اثر نوسان آن فراهم می‌سازد. همچنین بوش به كار رفته در این فنرها برنجی می‌باشد كه به كمك گریس از سایش آن جلوگیری می‌شود. البته در خودروهای سبك از لاستیك هم استفاده می‌شود.

شكل 7 ـ ساختار فنر تخت

لایه‌های دیگر فنر تخت نسبت به شاه‌فنر انحنای بیشتری دارند و برای بستن آنها پیش‌بار (فشار اولیه) به كار می‌رود. این فشار اولیه سبب میرایش ضربات و لرزش‌های فنر می‌گردد. این ویژگی یكی از برتری‌های فنر تخت است.

شكل 8 ـ روشهای گوناگون اتصال فنر تخت

برای سهولت نگهداری فنرها آنها را در تكیه گاههای لاستیكی مفصل می‌كنند. این مفصل‌ها معمولا از دو بوش تشكیل شده‌اند كه میان آنها لاستیك ریخته شده است. لاستیك به بوش درونی توان گردش و خاصیت لرزه گیری را می‌دهد. برای سادگی لغزش لایه‌های فنر روی یكدیگر و نیز افزایش ویژگی‌ لرزه‌گیری آنها میان لایه‌ها قشری از روغن گرانیتی قرار می‌دهند، نیز این غشا از زنگ زدگی فنر جلوگیری می‌نماید. می‌توان بجای روغن از ورقه‌های مخصوص پلاستیكی استفاده كرد. برای جلوگیری از نفوذ رطوبت و گرد و غبار به فنر،‌آن را در پوششی از لاستیك قرار می‌دهند. شكل زیر یك فنر تخت و قطعات متصل به آن را نشان می‌دهد.

شكل 9 ـ شعاع مؤثر فنر تخت

فنرهای تخت به صورت طولی در قسمت جلو توسط پیش و بوش و برنجی و لاستیكی به شاسی متصل می‌شود و در اتصال ناحیه عقب از یك محور گردان (گوشواره‌ فنری) استفاده می‌گردد. با قرار دادن شیكل در سیستم تعلیق پشت می‌توان كم فرمانی خودرو را افزایش داد.

شكل 10 ـ ابعاد فنر تخت

دلایل كاربرد اتصال گوشواره‌ای به قرار زیر است :

فنر آزادی حركت در تمام جهات را داشته باشد.

لاستیك گوشواره موجب جذب ارتعاشات و جلوگیری از منتقل شدن آن به بدنه می‌شود.

در بعضی از طراحی‌ها در اتصال ناحیه پشت برای فنر تخت بجای گوشواره از یك بلوك شیاردار استفاده می‌شود كه خود بلوك به بدنه ثابت شده و فنر تخت در داخل شیار حركت می‌كند در نتیجه طول مؤثر فنر تغییر می‌كند.

كاستی‌های فنر تخت به قرار زیر است :

اصطكاك خشك میان لایه‌های آن كه سبب كاهش خوش‌سواری است.

كاهش پایداری كناری به ویژه هنگامی‌كه طول فنر را برای افزایش نرمی‌فنریت آنها افزوده‌اند.

شكل 11 ـ تغییر شكل فنر تخت (Wind Up) در برابر گشتاور محور

چند لایه سازی فنر تخت

در طراحی فنر تخت چون هدف تحمل تنش برشی بیشتر می‌باشد پس ممكن است مطرح شود كه جنس تیغه‌ها را نرم بگیریم تا تحمل تنش برشی بیشتری را داشته باشد. ولی می‌دانیم وقتی جنس فنر نرم باشد تحمل بار را ندارد و زیر بار خم می‌شود. پس بایستی جنس فنر سخت باشد در نتیجه برای افزایش تحمل تنش برشی، بایستی قطعات فنر را به صورت لایه لایه تهیه كرد. هر چه تعداد تیغه‌ها بیشتر باشد تحمل تنش برشی بیشتری را دارد. در شكل زیر این مطلب به طور وضوح نشان داده شده است.

شكل 12 ـ تاثیر چندلایه سازی فنر تخت برشكست آن

البته علت دیگر چندلایه سازی این است كه تنش در میان تیر بیشینه بوده و در دو سر تیر كمترین مقدار خود را دارا است، كه رابطه زیر این مطلب را می‌نمایاند :

(1-9)

پس برای برطرف نمودن این نقیصه و همچنین برای اینكه بتوانیم تنش تقریباً یكنواختی در طول تیر داشته باشیم تیر را با سطح مقطع نایكنواخت می‌سازند.

شكل 13 ـ نمودار گشتاور و تنش خمشی در فنر تخت ساده و فنر تخت لوزی گون

اصطكاك خشك

موضوع مهمی‌كه در ارتباط با فنرهای تسمه‌ای مطرح می‌شود اصطكاك بین لایه‌ای است. در اثر اعمال بار و تغییر شكل فنر، لایه‌های آن بر روی یكدیگر می‌لغزند و این لغزش تولید اصطكاك می‌كند. راستای نیروی اصطكاك بر خلاف جهت حركت آن است و مقدار نیروی اصطكاك متناسب با نیروی فنر است. به همین جهت برخلاف اصطكاك ثابت كولمبی كه در آن نیروی اصطكاك همیشه ثابت می‌ماند در اینگونه فنرها نیروی اصطكاك از صفر تا یك مقدار ماكزیمم در نوسان است.

فنرهای پیچشی و مارپیچ تقریباً فاقد اصطكاك می‌باشند و به همین دلیل مزیت عمده‌ای نسبت به فنرهای تسمه‌ای دارند، در نتیجه تمایل به استفاده از فنرهای پیچشی و مارپیچ افزایش یافته است.

دلیل دیگری كه استفاده از فنر پیچشی و مارپیچ را افزون كرده، وزن بیشتر فنرهای تسمه‌ای می‌باشد.

دسته‌بندی فنرهای تخت

فنرهای تخت كه به بازار عرضه می‌شوند دو نوع می‌باشد :

ذوزنقه‌ای

در اینگونه فنر پهنای لایه‌ها در تمام طول آن یكسان است، كه از نظر ساخت ارزان بوده ولی مواد بیشتری مصرف می‌شود.

شكل 14 ـ فنر تخت ذوزنقه‌ای

سهمی

در اینگونه فنر پهنای لایه‌ها در وسط بیشتر از دو طرف هر لایه است، كه از نظر ساخت گران بوده ولی مواد كمتری مصرف می‌شود. بنابراین وزن كمتری دارد و جای كمتری را اشغال می‌كند. این گونه فنرها به شكلهای مختلفی در خودرو استفاده می‌شوند كه در شكل 14 نشان داده شده است.

دو لایه مرحله‌ای

در بسیاری از خودروهای سنگین كه وزن آنها در حالت بدون بار و با وجود بار تفاوت زیادی دارد، از فنر تخت دو لایه مرحله‌ای (دو ردیفه) استفاده می‌شود. در این فنرها فنرهای پایین به فنر اصلی و فنرهای بالایی به فنرهای كمكی معروفند.

این فنر كمكی تنها هنگامی‌وارد عمل می‌شود كه بار سنگینی روی وسیله نقلیه قرار گرفته و یا اینكه چرخ با دست انداز بزرگی در جاده برخورد نماید. هنگامی‌كه فنر اصلی تا آخرین حد خود بسته شود، فنر كمكی را به سمت بالا حركت داده و دو انتهای فنر كمكی به دو زائده تكیه گاه كه روی شاسی قرار گرفته است، برخورد می‌كند. در این حالت فنر كمكی نیز خم شده و سختی آن به سختی فنر اصلی افزوده می‌گردد. (شكل 15)

شكل 15 ـ گونه‌های فنر تخت سهموی

شكل 16 ـ فنر تخت دو مرحله‌ای

فنر لاستیكی

فنرهای لاستیكی كاربردهای فراوانی در خودرو دارند. لاستیك جسمی‌سخت شونده است، ینی با افزایش تنش درونی آن، ایستادگی آن در برابر تغییر شكل افزایش می‌یابد. لاستیك در برابر برانگیختگی های پربسامد كم دامنه، جاذب انرژی خوبی است و بنابراین به عنوان جداساز لرزه كاربردهای فراوانی دارد.

پیش بینی ضریب سختی فنرهای لاستیكی برخلاف فنرهای مارپیچی به سادگی امكان‌پذیر نمی‌باشد زیرا :

به ساختار شیمیایی آن وابسته است.

وابسته به زمان و نرخ بارگذاری است (میرایی) .

تابعی ناخطی از بارگذاری است (سخت شوندگی) .

شكل 17 ـ ساختار و چارچوب مختصات اصلی فنر لاستیكی

جنس فنرها

فنرها معمولا از فولاد آلیاژی مخصوص فنر كه تمایل سخت كردن است ساخته می‌شود مقدار كربن این فولاد حدود 5/0 درصد است برای فنرهایی كه تحت تاثیر بار متوسط واقع می‌شوند این فولاد با منگنز آلیاژ می‌شود و دارای تنش برشی حدود 120 كیلوگرم بر مجذور میلی متر می‌باشد برای بارهای زیاد فولاد، فولاد آلیاژ شده با كرم وانادیوم به كار می‌رود و بدین ترتیب خاصیت ارتجاعی بیشتری به فولاد داده می‌شود. تنش برشی در این نوع فنرها حدود 135 كیلوگرم بر مجذور میلی متر است. فولادهای فنر معمولا در روغن آب داده می‌شوند.

کلمات کلیدی : برسی معرفی انواع كمک فنرها و لرزه گیرها;سیستم تعلیق;معرفی انواع كمك فنرها و لرزه گیرها