تحقیق مقاله کمک فنر ها و لرزه گیر ها

فصل اول:

معرفی انواع کمک فنر ها

و لرزه گیر ها

سیستم تعلیق

لرزش‌های پی‌درپی بدنه خودرو سبب خستگی راننده و سرنشینان می‌شود. در پی آن کارایی و بازدهی رانندگی و عمر مفید خودرو کاهش 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، که آسایش سرنشین، افزایش دوام خودرو، ایمنی و افزایش کنترل خودرو را به دنبال دارد.

خاصیت میرایش ارتعاشات و لرزش‌ها و رفع بعضی از اغتشاشات حرکت در خودرو و حفظ بعضی ویژگی‌های مناسب جهت ایمنی،‌ از ویژگی‌های مناسب مکانیکی است که انجام آن با یک وسیله مکانیکی امکان‌پذیر است . مجموعه مشخصی که 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 کردن حرکات خطی و زاویه‌ای مناسب آن است . نیز چرخ‌ها را به صورت تکیه‌گاهی امن در زیر خودرو نگاه می‌دارد به گونه‌ای که چرخ‌ها توان مهارسازی نیروهای اعمالی به خودرو (گرانش، گریز از مرکز، نیروهای رانشی و ترمزی و ...) را داشته باشند. ویژگی‌های سختی و میرایی تعلیق بایستی چنان برگزیده شوند که 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 می‌کند.

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 حرکت کرده و پایداری، اطمینان و راحتی خودرو را در پی خواهد داشت.

شکل 1 مقایسه خودرو بدون تعلیق، با تعلیق بدون لرزه‌گیر و با تعلیق کامل

زیر بخش‌های عمده سیستم تعلیق شامل تایر،‌ فنر و لرزه‌گیر می‌باشد که وظیفه آنها برقراری تماس بین چرخ و زمین، ایمنی و راحتی سرنشینان می‌باشد. نیز برای کاهش و در صورت امکان حذف سر و صدا و ارتعاشات، موادی چون لاستیک، چرم، اسفنج،‌ فنرهای متفاوت (مارپیچی، شمشی و میله‌های پیچشی) و ضربه‌گیرهای مختلف (اصطکاکی، هیدرولیکی و گازی) به کار می‌رود.

زیربخش‌های سیستم تعلیق

فنر

فنر عنصری انرژی دهنده و گیرنده می‌باشد که بر اثر تغییر شکل کشسان انرژی پتانسیل آن تغییر می‌کند. در یک سیستم مکانیکی سختی نمایانگر ویژگی‌های فنریت آن است.

در تعیین ویژگی‌های فنریت سیستم‌ های مکانیکی باید انعطاف‌پذیری قطعات را نیز لحاظ کرد. محاسبه سختی مؤثر یک مجموعه به سادگی و با بهره از قانون برآیند فنرها امکان‌پذیر است. اگر دو عضو به صورت سری قرار گرفته باشند، آنگاه فنر معادل به قرار زیر است :

(1-1)    (شکل و فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                             

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

(1-2)                 (شکل و فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                        

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

ویژگی‌های مکانیکی فنر

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

(1-3)       ( فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                         

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

(1-4)             (فرمول در فایل اصلی موجود است)                                         

(1-5)         ( فرمول در فایل اصلی موجود است)                                   

دسته‌بندی فنرها

فنرها گونه‌های مختلفی دارند، که انواع پرکاربرد آن در صنعت به قرار زیر است :

فنر مارپیچ

فنر مارپیچ مفتولی فولادی است که به صورت حلقه‌ای پیچانده شده است (شکل   ). فنر مارپیچ برای مقاومت در برابر بارهای کششی، فشاری یا پیچشی ساخته می‌شود. سختی یک فنر مارپیچ به قرار زیر است :

(1-6)           ( فرمول در فایل اصلی موجود است)  ز                          

d : قطر مفتول فنر

N : تعداد حلقه‌های فنر

R : شعاع میانگین فنر

G : مدول برشی

شکل 3 ساختار فنر مارپیچ

 ( شکل در فایل اصلی موجود است)  

شکل 4 گونه‌های مختلف انتهای فنر مارپیچ

 ( شکل در فایل اصلی موجود است)  

فنر مارپیچ نرم‌تر از فنر تخت است، یعنی دارای سختی کمتری می‌باشد. این گونه فنرها کاربرد فراوانی در سیستم‌های تعلیق خودرو دارا می‌باشند. فنرهای مارپیچ به کار رفته در سیستم تعلیق بیشتر به صورت عمودی نصب می‌شوند و بنابراین به فضایی مناسب نیاز دارند. اصطکاک 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 کمی‌هم در اثر خمش دچار تنش می‌گردند.

فنرهای مارپیچ بهترین خاصیت را برای جذب انرژی ناشی از حرکات ارتعاشی خودرو دارا می‌باشند و از این نظر بهترین کارایی 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 بکار می‌رود و دیگر از فنرهای تخت استفاده نمی‌شود.

شکل 5 گونه‌های مختلف اتصال و قرارگیری فنر مارپیچ

 ( شکل در فایل اصلی موجود است)  

فنرهای پیچشی

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

(1-7)           ( فرمول در فایل اصلی موجود است)                                      

میله پیچشی

میله پیچشی محوری فولادی است که در برابر گشتاور پیچشی قرار گرفته و تغییر شکل آن زاویه‌ای است.

شکل 6 نمای هندسی فنر پیچشی

 ( شکل در فایل اصلی موجود است)  

میله پیچشی بیشتر در سیستم‌های تعلیق جداگانه به کار می‌روند، که از یک سو به شاسی متصل بوده و از سوی دیگر توسط یک 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 شکل یافته است :

سختی پیچشی میله Kφ

سختی خمشی بازو Kb

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

(1-8)         ( فرمول در فایل اصلی موجود است)                                                 

میله پایدارنده

یکی از زیربخش‌های مهم سیستم تعلیق میله‌ های پایدارنده است، که برای افزایش پایداری به کار می‌رود. نمونه‌ای از میله‌های پایدارنده، میله‌ای است که میل موج گیر (میله پادغلت) نامیده می‌شود. میل موج گیر میله‌ای فلزی است که به دو بازوی کنترلی چرخ‌های درونی و بیرونی متصل می‌شود. هنگام افت و خیز یکی از چرخ‌ها، میل موج‌گیر حرکت را به چرخ دیگر انتقال می‌دهد. میل موج گیر یک تراز بالا در هنگام رانندگی ایجاد می‌کند و سبب کاهش حرکات لرزشی در هنگام چرخش خودرو است . با توجه به پارامترهای طراحی میل موج‌گیر می‌توان تا 15 درصد در برابر حرکت غلتشی خودرو در هنگام چرخش ایستادگی کرد. میله پادغلت در واقع نوعی فنر پیچشی است با این تفاوت که در سیستم‌های یکپارچه نصب شده و تنها در برابر غلتش نسبی محور و شاسی واکنش نشان می‌دهد.

کاربرد میله‌های پادغلت در سیستم تعلیق

هنگامی‌که بدنه می‌غلتد و یا یکی از چرخ‌ها روی دست‌انداز یا درون چاله قرار می‌گیرد، میله پادغلت سبب افزایش سختی فنریت تعلیق است، یعنی فنریت آن را کاهش می‌دهد. هنگامی‌که خودرو در راستای مستقیم حرکت می‌کند، میله پادغلت، سبب نرمی‌فنریت تعلیق شده و بنابراین خوش سواری خودرو را بهبود می‌بخشد.

میله پادغلت یک میله پیچشی می‌باشد که به چند بخش تقسیم شده است و به صورت کناری و با یاتاقان و بوش‌های لاستیکی به بدنه لولا می‌شود و همینطور از دو طرف به بازوهای لنگیده متصل شده است.

کارکرد 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 کنترل سمت راست بالا رفته و سبب گردش بازوی لنگیده چسبیده به آن سوی راست می‌شود. اما بازوی لنگیده سمت چپ تغییر نکرده 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 لاستیکی 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 کشش میله پادغلت سبب بالا رفتن بدنه می‌شود. بنابراین بدنه بدون غلتش در موقعیت بالاتری قرار می‌گیرد. بنابراین وظیفه میله پادغلت جلوگیری از غلتش و کجی بدنه با تغییر ارتفاع آن است.

فنر تخت

فنر تحت در هر دو سیستم تعلیق جلو و پشت به کار می‌رود. این فنرها به صورت کناری نیز به کار می‌روند و با این طرح وسط فنر به اسکلت متصل شده و هر یک از دو انتهای آن یک چرخ را نگهداری می‌کند. طرز عمل این فنرها مانند تمام فنرهای تخت است موقعی که چرخ با یک برآمدگی برخورد می‌کند فنر به بالا خم می‌شود ضربه را مستهلک می‌نماید و برعکس هنگامی‌که چرخ در یک گودی می‌افتد به طرف پایین خم می‌شود بدین ترتیب فنر تخت در وسایل نقلیه مانند فنر مارپیچی عمل می‌کند فنرها معمولا به طور مکانیکی با وسائلی از قبیل بالشتک و بوش لاستیکی از بدنه عایق‌بندی شده‌اند این عمل از انتقال لرزشها به اسکلت و بدنه جلوگیری می‌کند.

در حالت معمول این فنرها بصورت چند لایه می‌باشند که بزرگترین فنر را شاه‌فنر می‌گویند و لایه‌های دیگر فنر نسبت به شاه فنر کوچکتر می‌باشند و به کمک میله‌ای در وسط به یکدیگر متصل شده‌اند و به وسیله گیره‌های مخصوصی از لغزیدن آنها در جهات مختلف جلوگیری می‌شود. در فنرهای شمشی شاه فنر به کمک میله یا بوش در یک طرف به قاب وصل می‌شود و از طرف دیگر به کمک میله U شکل که گوشواره نامیده می‌شود به رام خودرو متصل می‌گردد. این گوشواره تغییر طول فنر را در اثر نوسان آن فراهم می‌سازد. همچنین بوش به کار رفته در این فنرها برنجی می‌باشد که به کمک گریس از سایش آن جلوگیری می‌شود. البته در خودروهای سبک از لاستیک هم استفاده می‌شود.

شکل 7 ساختار فنر تخت

 ( شکل در فایل اصلی موجود است)  

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

شکل 8 روشهای گوناگون اتصال فنر تخت

 ( شکل در فایل اصلی موجود است)  

برای سهولت نگهداری فنر ها آنها را در تکیه گاههای لاستیکی مفصل می‌کنند. این مفصل‌ها معمولا از دو بوش تشکیل شده‌اند که میان آنها لاستیک ریخته شده است. لاستیک به بوش درونی توان گردش و خاصیت لرزه گیری را می‌دهد. برای سادگی لغزش لایه‌های فنر روی یکدیگر 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 پلاستیکی استفاده کرد. برای جلوگیری از نفوذ رطوبت و گرد و غبار به فنر،‌آن را در پوششی از لاستیک قرار می‌دهند. شکل زیر یک فنر تخت و قطعات متصل به آن را نشان می‌دهد.