طراحی اجزاء ماشین
در صورت عدم وجود ساختاري حايل، همه انرژي‌هاي عمودي به شاسي و در ادامه به بدنه خودرو منتقل مي‌شوند و آنها را در همان راستا به حركت درمي‌آورند. همچنين در اين وضعيت، چرخ‌ها تماس مناسب خود را با سطح جاده از دست مي‌دهند و در نتيجه نيروي وزن خودرو، آن را به شدت به سطح جاده مي‌كوبد. در اينجا به سيستمي نياز داريم كه انرژي ناشي از شتاب عمودي چرخ را جذب و خنثي كرده و از حركت و ارتعاش زياد بدنه و شاسي خودرو، در زمان مواجه شدن با دست‌اندازهاي روي جاده پيشگيري كند.
مطالعه نيرويي خودرو در حين حركت، ديناميك خودرو ناميده مي‌شود و در همين راستا لازم است بعضي از مفاهيم براي درك بيشتر سيستم تعليق خودرو بيان شود. اكثر مهندسين خودرو، ديناميك حركتي خودرو را از دو جنبه مختلف بررسي مي‌كنند.
1. سواري: توانايي يك خودرو در حركت مناسب بر روي جاده ناهموار
2. كاربري: قابليت خودرو براي استقرار مناسب هنگام شتابگيري، ترمزكردن و در حين عبور از پيچ جاده‌ها
با توجه به اينكه طرح‌هاي سيستم تعليق طي ساليان متمادي، تكامل فراواني يافته است. كماكان شش وظيفه اساسي اجزاي سيستم تعليق عبارتند از:
1. حفظ ارتفاع صحيح خودرو
2. كاهش اثر نيروهاي ضربه‌اي ناشي از اعوجاج جاده
3. حفظ ميزان فرمان صحيح
4. تحمل وزن خودرو
5. حفظ تماس چرخ‌ها با جاده
6. كنترل جهت حركت خودرو
سيستم تعليق خودرو از اجزاي مختلفي تشكيل شده كه در كنار هم، عملكرد مناسب وظايف اين سيستم را تسهيل مي‌كنند. آنچه در اين بخش، مطرح مي‌شود وضعيت عملكرد مجموعه كمك فنر در سيستم تعليق خودرو مي‌باشد.
براي آشنايي بيشتر با اجزاي تشكيل‌دهنده مجموعه كمك‌فنر، نمونه‌اي از تصوير قطعات مجموعه (مدول) كمك فنر جلو خودرو به همراه نام آنها ذكر شده است. اين مجموعه سيستم تعليق را از قسمت پايين، به سگدست و از قسمت بالاي آن به بدنه خودرو متصل مي‌كند و به همين جهت تمامي نيروهاي وارده به چرخ‌هاي جلو را نيز بايد تحمل كند. فنر حلقوي بين نشيمنگاه‌هاي بالائي (درپوش) و پاييني (نعلبكي فنر) قرار مي‌گيرد.
به اين مجموعه اصطلاحاً استرات نيز گفته مي شود كه عملكرد آن مشابه كمك فنر و از نظر طراحي متفاوت است. وظيفه هر دو، كنترل نوسان اضافي فنر است. استرات از اجزاي ساختاري سيستم تعليق نيز به شمار مي‌رود. استرات مي‌تواند جايگزين دو يا سه قطعه از اجزاي سيستم تعليق شود و اغلب به عنوان نقطه دوران در سيستم فرمان و محل تنظيم موقعيت چرخ‌ها، براي ميزان فرمان به كار مي‌رود.
: قطعات مجموعه (مدول) كمك فنر جلو خودرو
اين مجموعه، وظيفه مستهلك ساختن نيروهاي ناگهاني اعمالي به چرخ‌ها و فنرلول، ايجاد نوسان به منظور طولاني كردن زمان استهلاك كامل و بازگرداندن كمك فنر به حالت اوليه را به عهده دارد. مجموعه كمك فنر و فنرلول، تبديل نيروهاي ضربه‌اي به نوساني و انتقال حداقل ميزان آن به بدنه را بر عهده دارند.
نحوه عملكرد يك فنر: با توجه به شكل 4 در حالت حركات عادي، كمك فنر به صورت عمودي و در حالت تقريباً باز قرار دارد، زماني كه بر روي بلندي قرار مي‌گيرد، دو سر ابتدا و انتهاي آن به هم نزديك شده، پيستون به طرف پايين حركت مي‌كند و فشار هيدروليكي، شير روي پيستون را باز كرده و روغن به طرف بالاي پيستون رفته و چون فضاي خالي بالاي ميل پيستون كم است، روغن اضافي به داخل انباره يا محفظه ذخيره روغن (فضاي بين دو لوله) رفته و جريان سيال عبوري از ولو، باعث نيروي ميرايي مي‌شود.
: كمك فنر دو تيوپه هيدروليكي
زماني كه پيستون به دليل وجود نيروي فنرلول به طرف بالا مي‌آيد، سيال از بالاي پيستون و از داخل شير روي پيستون كه در اثر فشار هيدروليكي بازشده، به طرف پايين مي‌رود. همچنين روغن داخل فضاي دولوله (انباره) از ولو پايين سيلندر به محل اوليه برمي‌گردد.
بايد توجه داشت كه با عبور دادن روغن از يك طرف پيستون به طرف ديگر و از طريق مسيرهاي تعبيه شده در آن، سرعت حركت فنر و سيستم تعليق كند شده و نيروي مقاومي در مقابل اين حركت اعمال مي‌شود. مقدار اين نيرو به سرعت حركت پيستون و اندازه و تعداد سوراخ‌هاي تعبيه شده بر روي شير پيستون بستگي دارد. كمك فنر نسبت به سرعت باز و بسته شدن حساس است، يعني هرچه سريع‌تر باز و بسته شود نيروي عكس‌العمل آن بزرگتر است. به دليل اين ويژگي است كه كمك فنر خود را با شرايط جاده منطبق مي‌كند. در نتيجه موارد زير را كاهش مي‌دهد:
1. جهش چرخ در دست‌اندازها
2. كج شدن خودرو در موقع پيچيدن
3. كله زدن خودرو در هنگام ترمز
4. پايين آمدن عقب خودرو در هنگام شتاب گرفتن
نيروي كمك فنر در حالت كشش و فشار متفاوت است. اين امر، به دليل مسيرهاي متفاوت عبور روغن و همچنين باز و بسته شدن مرحله‌اي سوپاپ‌هاي كمك فنر در سرعت‌هاي مختلف مي‌باشد.
در اين بخش تقسيم‌بندي انواع كمك فنرهاي متداول معرفي مي‌شود، اما تشريح همه موارد آن از حوصله اين بحث خارج است. بنابراين صرفاً به نحوه عملكرد كمك‌فنرهاي جديد مغناطيسي مي‌پردازيم:
1. كمك فنر تك تيوپه
2. كمك فنر دوتيوپه
2-1 دوتيوپه گازي
2-2كمك فنر دوتيوپه هيدروليكي
2-3كمك فنر دو تيوپه با سلول‌هاي نيتروژن اشباع شده
3. كمك فنر با مخزن بيروني
4. كمك فنرهاي جديد مغناطيسي
شركت Audi اخيراً سيستم فنربندي جديدي را روي خودروهاي خود ارائه كرده است. اين سيستم كه از ميراكننده‌هاي مغناطيسي ساخته شده، توسط شركت Delphi ارائه شده است. اين سيستم به كمك سنسورهاي نصب شده در نقاط مختلف خودرو، در هر لحظه خود را با شرايط محيطي، نظير شكل پروفيل سطح جاده سازگار مي‌كند. ميراكننده‌هاي موجود در كمك فنرها به جاي استفاده از روغن‌هاي متداول، از يك نوع روغن مغناطيسي (روغن مصنوعي كه ذرات مغناطيسي با ابعاد 3 تا 10ميكرون در آن معلق مي‌باشند) استفاده مي‌كند. يك كنترلر با ارسال پالس‌هايي از ولتاژ به سمت يك سيم‌پيچ، ميداني مغناطيسي با راستاي مشخص، درون روغن ايجاد مي‌كند. با شكل گرفتن اين ميدان، ذرات مغناطيسي معلق درون روغن برخلاف جهت حركت روغن آرايش يافته و در برابر جريان يافتن روغن از سوراخ پيستون كمك فنر مقاومت مي‌كنند.
به اين ترتيب مي‌توان ميزان ميراكنندگي كمك فنر را در هر لحظه به طور دلخواه تغيير داد. اين سيستم مي‌تواند 1000بار در هر ثانيه نيروي ميراكننده كمك فنر هر كدام از چرخ‌ها را به طور جداگانه كنترل كند. همچنين اين امكان به راننده خودرو داده شده است تا با فشار دادن يك دكمه، وضعيت خودرو را بين دو حالت عادي و اسپورت تغيير دهد. در حال عادي ويكسوزيته روغن مغناطيسي بالاتر بوده و ميزان ميراكنندگي كمتر است. اين حالت براي رانندگي در جاده‌هاي طويل و جاده‌هاي با پستي و بلندي زياد مناسب است. در حالت اسپورت ويسكوزيته روغن پايين‌تر بوده، توانايي ديناميكي خودرو بالا رفته و چرخ‌هاي خودرو بهتر به سطح جاده مي‌چسبند. به اين ترتيب، سرنشينان خودرو احساس راحتي بيشتري كرده و راننده نيز كنترل بهتري بر خودرو خواهد داشت. جالب اين است كه اين سيستم صرفاً بين 5 تا 25وات، توان مصرف مي‌كند.
تشريح اجزاء و روش توليد كمك‌فنر
پس از آشنايي با عملكرد سيستم تعليق و كمك‌فنر، در اين بخش به تشريح اجزا و روش توليد كمك‌فنر، با توجه به تصوير 3 مي‌پردازيم:
· چشم بالايي: لوله توسط دستگاه‌هاي لوله‌بري بريده شده، پليسه‌گيري و سپس فرم‌دهي مي‌شود.
· گردگير: اين قطعه از نظر عملكردي، نقش محافظ ميله پيستون را ايفا كرده و هيچگونه بار خارجي را تحمل نمي‌كند. بنابراين از نظر ضخامت ورق و دقت ساخت، از اهميت پائيني برخوردار است. براي توليد آن ابتدا لوله موردنظر توسط دستگاه‌هاي لوله‌بري اتوماتيك بريده شده و سپس پليسه‌گيري مي‌شود.
· كلاهك گردگير: ورق فولادي موردنظر (بلانك) آماده‌سازي، فرم‌دهي و سوراخكاري شده و لبه آن برگردانده مي‌شود. در نهايت پس از بشكه كردن آماده مونتاژ مي‌گردد.
· مجموعه درپوش بالايي سيلندر خارجي: ابتدا ورق فولادي موردنظر آماده‌سازي شده، پرسكاري، فرم‌دهي و سوراخكاري مي‌شود و پس از شستشو، كاسه نمد مربوط به آب‌بندي را روي آن نصب مي‌كنند.
· ميله پيستون، ابتدا ميله توسط دستگاه‌هاي اتوماتيك بريده مي‌شود. پس از انجام چند مرحله عمليات تراشكاري و آماده‌سازي ابتدا و انتهاي ميله، سطح خارجي آن را پرداخت و خش‌گيري مي‌نمايند. در ادامه سطح خارجي آن را پوششكاري كرده و كلاهك گردگير را كه در مراحل قبلي آماده شده بود بر روي آن جوشكاري مي‌كنند. پس از اين مرحله، مجموعه درپوش بالايي سيلندر خارجي و همچنين مجموعه شير روي پيستون را بر روي ميله پيستون و در سر ديگر آن نصب كرده و پيستون و رينگ مربوطه را جاي‌گذاري و به كمك مهره انتهايي آن را محكم مي‌كنند تا مجموعه ميله پيستون تكميل شود.
· مجموعه سيلندر: لوله مخصوص سيلندر توسط دستگاه‌هاي لوله بري اتوماتيك بريده شده، پس از شستشو و پليسه‌گيري، در صورت استاندارد نبودن قطر داخلي آن، توسط عبور دادن گوي‌هاي استاندارد، سايز و كاليبره مي‌شود. در مرحله بعدي شير روي بدنه در انتهاي سيلندر پرس مي‌شود.
· كلاهك خارجي: براي تهيه پولك موردنظر، ابتدا بلاتك ورق فولادي آماده شده، پرسكاري، فرم‌دهي و سپس لبه آن فرم‌دهي مي‌شود.
· چشم‌پاييني: لوله توسط دستگاه‌هاي لوله بري بريده شده، پليسه‌گيري و سپس فرم‌دهي مي‌شود.
· سيلندر (پوسته) خارجي: سيلندر توسط دستگاه‌هاي لوله‌بري اتوماتيك بريده شده، پس از شستشو و پليسه‌گيري، كلاهك خارجي با آن پرس و سپس جوشكاري شده و تست نشتي بر روي آن انجام مي‌شود.
در اين مرحله، مجموعه سيلندر كه قبلاً پيش مونتاژ شده بود داخل پوسته خارجي قرار داده شده و روغن هيدروليك در داخل محفظه ريخته مي‌شود. در مرحله بعد، مجموعه ميله پيستون در داخل سيلندر محتوي روغن قرار گرفته و مجموعه درپوش بالايي سيلندر خارجي بر روي سيلندر خارجي جا زده و محكم مي‌شود.
تست نيرويي كمك فنر از جمله فرايندهايي است كه مي‌بايست بر روي تمامي كمك فنرهاي توليدي و به طور 100درصد انجام شود. براي بررسي وضعيت كمك‌فنرها، معمولاً از گراف نيروي ميرايي (نمودار تخم‌مرغي/ گراف نيروي مستهلك‌كننده) و در سرعت‌هاي مختلف استفاده مي‌شود. در اين نمودار، ميزان نيروي كمك‌فنر در سرعت ثابت و براساس طي يك كورس كامل رفت و برگشت ترسيم مي‌شود. (شكل5: نمودار موقعيت/نيرو)
براي انجام تحليل‌هاي كامل‌تر بر روي كمك‌فنرها، از نمودار سرعت/نيرو (شكل6) نيز استفاده مي‌شود كه نمونه‌اي از هر دو نمودار در ذيل قابل مشاهده است.
در صورت عدم تأييد نيرويي كمك‌فنر، مجموعه معيوب براي انجام عمليات اصلاحي از خط توليد خارج شده و در صورت تأييد، جوشكاري كامل مجموعه درپوش بالايي سيلندر خارجي بر روي سيلندر خارجي انجام مي‌شود.
در ادامه مجموعه چربي‌زدايي شده و مي‌بايست تست نشتي روغن بر روي آن انجام شود. انجام عمليات چربي‌زدايي علاوه بر كمك در تشخيص نشتي روغن، سبب بهبود انجام پروسه رنگ نيز مي‌شود. پرس جوش چشم‌هاي بالايي و پاييني در مراحل بعدي كار قرار دارد و در نهايت نقطه جوش گردگير بر روي كلاهك گردگير انجام مي‌گيرد.
معمولاً رنگ‌آميزي به صورت اتوماتيك و توسط سيستم الكترومغناطيسي انجام شده و سپس فرايند پخت رنگ در داخل كوره، بر روي كمك فنرها انجام مي‌شود. در مرحله بعدي بوش‌هاي لاستيكي در داخل چشم‌هاي بالايي و پاييني نصب و به همراه ساير اتصالات آن، آماده بسته‌بندي شده و در نهايت پس از انجام كنترل‌هاي ظاهري به بازار عرضه مي‌شود. لازم به ذكر است كه براي رديابي محصولات، معمولاً سازندگان كمك‌فنر بر روي تمامي محصولات توليدي خود، علائم رديابي و شناسايي حك مي‌كنند.
فعاليت‌هاي كنترلي توليد كمك‌فنر
علاوه بر كنترل قطعات و موادي كه از خارج محيط سازنده تأمين مي‌شود، فعاليت‌هاي كنترلي شامل كنترل فرايند و همچنين محصول نهايي، با روش‌هاي بازرسي نمونه‌برداري و يا بازرسي 100درصد (براساس شرايط مهندسي) اجرا مي‌شود.
فعاليت‌هاي كنترل فرايند كمك فنر شامل كنترل مشخصه‌هاي تركيبات مواد شوينده، دما و زمان انجام فرايند، تست گراويمتري به كمك دستگاه التراسونيك (براي حصول اطمينان از صحت شستشوي قطعات)، كنترل عملكرد صحيح پركن روغن هيدروليك، كنترل ظاهري صحت انجام مونتاژ قطعات، سختي‌سنجي، كنترل ضخامت لايه كرم، كنترل ضخامت لايه رنگ، تست نشتي روغن و تست سالت اسپري (اسپري نمك) مي‌باشد.
كنترل‌هاي نيرويي شامل كنترل مشخصه‌هاي نيروي ميرايي (Damping) در سرعت‌هاي مختلف و همچنين كنترل نيرويي مقاومت قطعات پرسكاري و جوشكاري شده مي‌باشد.
فعاليت‌هاي كنترلي محصول نهايي كمك‌فنر شامل كنترل مشخصه‌هاي ظاهري و ابعادي، كنترل مشخصه‌هاي نيروي ميرايي در سرعت‌هاي مختلف و همچنين تست نشتي مي‌باشد.
ساير موارد كنترلي شامل تست دوام عملكرد است كه معمولاً پس از يك ميليون سيكل و در ادامه، انجام كنترل‌هاي ظاهري و عملكردي انجام مي‌پذيرد. در شرايط ايده‌آل، بعضي از سازندگان كمك‌فنر، شرايط سخت‌تري از جمله كاركرد آن در حالت‌هاي نامناسب از جمله شرايط ارتعاشي و يا كاركرد در گل‌و‌لاي را نيز تدارك مي‌بينند.
آزمون‌هاي پوشش كمك‌فنر نيز شامل كنترل ظاهري، سختي‌سنجي، كنترل ضخامت لايه كرم، كنترل ضخامت لايه رنگ، تست سالت اسپري و كنترل بسته‌بندي مي‌باشد كه براي صحه‌گذاري محصول نهايي تدارك ديده مي‌شود.
زمان تعويض كمك فنر
روش قديمي فشار بر روي گلگير و توجه به نحوه رفتار كمك فنر، هنوز يكي از بهترين روش‌ها براي تشخيص خرابي كمك‌فنر است. به اين ترتيب كه پس از چند تكان محكم، دست خود را برداريد اگر نوسان خودرو بيش از يك تا يك و نيم بار ادامه يافت، كمك فنر بايد تعويض شود.
روش جديدتر تشخيص خرابي كمك فنر در حالت ديناميك و به اين طريق است كه:
الف- هنگام راه افتادن به پايين رفتن بيش از حد، به خودرو توجه كنيد. خودرو بايد نسبتاً پايدار بماند.
ب- ترمز بگيريد و به كله زدن خودرو توجه كنيد: خودرو نسبتاً پايدار بماند.
پ- چندبار به سرعت دور بزنيد و به كج شدن خودرو توجه كنيد: خودرو بايد نسبتاً پايدار بماند.
مشاهده هرگونه جهش زياد، كج شدن زياد كله زدن يا پايين آمدن زياد ته خودرو، نشانه افت كنترل كمك‌هاست. اين امر، موجب حركت بيش از حد سيستم تعليق و فرسايش زود هنگام اجزاي آن مي‌شود.
تشخيص اينكه كمك‌فنر چند كيلومتر كار مي‌كند ساده نيست زيرا مقدار كاركرد كمك فنر با توجه به شرايط جاده تفاوت دارد. پيشنهاد مي‌شود كمك‌فنرها هر 20هزاركيلومتر يا سالي يكبار توسط تعميركار خبره يا تكنسين متخصص، بازديد شوند. برخلاف تاير كه تعداد دور آن در هر كيلومتر مشخص است، كمك‌فنر در جاده‌هاي صاف صرفاً چند مرتبه باز و بسته مي‌شود و در هر كيلومتر جاده‌هاي ناهموار ممكن است صدها بار بازوبسته شود. عوامل ديگري مانند شرايط آب‌و‌هوايي، نوع و مقدار آلاينده‌ها در جاده، عادت‌هاي رانندگي، بار خودرو، تغيير تاير و چرخ و ساير شرايط مكانيكي سيستم تعليق و تاير نيز مي‌توانند بر عمر كمك فنر و استرات اثرگذار باشند.
گسيختگي كاسه نمد باعث نشتي روغن از كمك فنر مي‌شود، هرگاه نشتي از كمك‌فنر ديده شد، زمان تعويض آن است. وجود مشكل در هندلينگ خودرو و انحراف در هنگام عبور از پيچ‌ها مي‌تواند بر اثر خرابي كمك‌فنرها باشد. يك كمك‌فنر خوب، در شرايط نرمال و استاندارد جاده بايد بين 130 تا 160هزار كيلومتر كار كند. اما اين را نيز بدانيد كه شرايط يك كمك فنر نو بسيار متفاوت با كمك‌فنري است كه به طور مثال 100هزاركيلومتر كار كرده است. همواره كمك‌فنرها را به صورت جفت تعويض كرده و از تعويض تكي آنها خودداري كنيد.
منابع
1. استاندارد كمك فنر ايران با شماره 3006
2. http://www.sciencedirect.com
3. http://auto.howstuffworks.com
4.http://www.fsiran.com/farsi/fagf.htm
5. http://csn20.mihanblog.com/page-2.ASPX
6. http://www.edrissoltany.blogfa.com/8510.aspx