فنر بندی؛ اصلی‌ترین جزء سیستم تعلیق

علاوه بر این ، یک خودرو باید در مقابل تغییر مقدار بار وارده و تغییر نقطه ثقل، انعطاف پذیر بوده و توانایی مواجهه با آنها را داشته باشد. سیستم تعلیق علاوه بر دفع ضربات و جلوگیری از انحراف و چپ شدن خودرو تواناییهای دیگری نظیر ؛ نگهداری میزان تنظیم چرخها در حالت صحیح، نگهداشتن ارتفاع خودرو در میزان ثابت ، پشتیبانی از وزن خودرو و تنظیم نحوه پخش آن ، نگهداشتن تایرها در تماس با جاده و ... را نیز داراست .
یک سیستم تعلیق دارای اجزاء بسیاری است، اما اصلی‌ترین اجزای آن فنر و کمک فنر می‌باشند:
فنر: قسمتی از سیستم تعلیق می‌باشد که وزن خودرو را پشتیبانی کرده ، ارتفاع خودرو را در حد استانداردش ثابت نگه داشته و ضربات جاده را نیز دفع می‌کند . فنرها که اغلب میله‌ها یا حلقه‌های فولادی انعطاف‌پذیری هستند، به شاسی و اتاق خودرو اجازه می‌دهند تا بدون اخلال در حرکت خودرو، دست‌اندازها را یکی پس از دیگری پشت سر بگذارد .
کمک فنر: در صورتی که خودرویی تنها مجهز به فنر باشد، زمانی که باری اضافه روی فنرها اعمال شود یا وسیله نقلیه با یک دست‌انداز روبرو شود، فنر با جمع شدن آن را جذب می‌کند، اما زمانی که یک فنر جمع می‌شود، مقداری انرژی در خود ذخیره می‌کند که برای تخلیه این انرژی، فنر باز شده و انرژی وارده را به شکلی غیر قابل کنترل رها می‌سازد و از آنجائی که فیزیک یک فنر با نوسان و ارتعاش آمیخته است پس از باز شدن دوباره جمع شده و سپس دوباره باز می‌شود و این حرکت تا زمان تخلیه کامل انرژی ادامه می‌یابد، 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 و ایجاد حالتی مشابه قایق سواری، می‌شود. آنچه این مشکل را حل می‌کند چیزی نیست جز کمک فنر؛ کمک فنری که در شرایط مناسب قرار داشته باشد به سیستم تعلیق اجازه می‌دهد تا نوسان به وجود آمده را به یک یا دو سیکل تقلیل داده، حرکت بیش از حد را تعدیل کرده و وزن وارد بر چرخها را در حالت تعادل و چسبیده به جاده قرار دهد. با کنترل فنر و حرکات سیستم تعلیق، اجزاء دیگر سیستم نظیر Tie Rod ها نیز در وضعیت درست خود فعالیت خواهند کرد و همین امر تنظیم چرخها را نیز به صورت ثابت در حالت صحیح خود، نگه می‌دارد.
کمک فنر عموما شامل یک پیستون با سوراخهای ریز می‌باشد که در درون یک استوانه حاوی سیال هیدرولیکی حرکت می‌کند که عبور تحت فشار سیال از سوراخها، منجر به حرکت ملایم پیستون در استوانه می‌شود .
انواع کمک‌فنرها عبارتند از: دو تیوپه، تک تیوپه، با مخزن بیرونی
دو تیوپه: در این مدل از کمک فنر که همان نوع بررسی شده در بالاست، یک تیوپ اصلی وجود دارد که پیستون در آن حرکت می‌کند و تیوپ دوم که تیوپ ذخیره نام دارد، در گرداگرد تیوپ اصلی قرار گرفته تا سیال مازاد را در خود جای دهد.
کمک‌های دو تیوپه انواع متنوعی دارند که برخی از لحاظ تکنولوژی منحصر به یک یا چند کارخانه بوده و دارای قیمتهای بالا و کارآییهای خاصی نیز هستند، اما انواع متداول آن به شرح زیر می باشند:
دو تیوپه گازی: گسترش کمک‌فنرهای گازی باعث ایجاد برتری عمده‌ای در رانندگی با خودروهای مجهز به این نوع کمک فنر شده است. این نوع از کمک فنر به مشکلات موجود در کنترل و هدایت خودروهایی که مجهز به شاسی و بدنه یکپارچه هستند یا فاصله چرخهایشان کم است یا نیاز به فشار بالای باد تایرها دارند، خاتمه بخشیده است. این کار تنها با افزودن مقداری گاز نیتروژن با فشار کم در تیوپ ذخیره انجام می‌گیرد. این در حالی است که تصور عامه بر این است که در کمک‌های گازی تنها از نوعی گاز استفاده می‌شود و از روغن خبری نیست . اما چنین نیست، در این نوع کمک فنر، گاز (نیتروژن) تنها حجم بسیار کمی از حجم مواد موجود در کمک را شامل می‌شود . فشار نیتروژن درون تیوپ ذخیره نیز بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ psi می‌باشد .
یکی دیگر از محاسن نیتروژن جلوگیری از ایجاد کف در کمک فنر است. این کف ( Foam ) که حاصل ترکیب شدن روغن با هوا (در کمک فنرهای دو تیوپه هیدرولیکی بجای نیتروژن ، هوا وجود دارد) است، قابل فشرده شدن می‌باشد، از اینرو باعث اخلال در کار کمک شده و نرمی و راحتی رانندگی را از بین می‌برد همچنین واکنشهای کمک فنر را با تاخیر مواجه می‌کند. در انواع گازی، نیتروژن تحت فشار قابلیت ترکیب شدن با روغن را دارا نیست. در صورتی هم که مقادیر کمی هوا در پروسه تولید یا در حین کارکرد کمک وارد آن شده باشد، به دلیل وجود فشار نیتروژن تنها به صورت حباب در روغن پخش می‌شود .
دیگر مزیت کمک فنرهای گازی، بازگشت جزئی آنها پس از فشرده شدن است، این امر که به دلیل بیشتر بودن سطح مقطع زیر پیستون نسبت به سطح بالای پیستون (به دلیل وجود میله) و وجود فشار بالای نیتروژن وارد بر سطح بزرگتر ( زیر پیستون) اتفاق می‌افتد، باعث بالا رفتن ضریب فنر شده و تا حدی از پایین رفتن سر خودرو هنگام ترمزگیری، پایین رفتن عقب خودرو در هنگام شتاب‌گیری و چپ شدن و انحراف خودرو جلوگیری می‌کند.
دو تیوپه هیدرولیکی: عینا مشابه نوع گازی می‌باشند، با این تفاوت که در آنها به جای نیتروژن تحت فشار کم، از هوا در فشار معمولی استفاده می‌شود که مشکلاتی نظیر ایجاد کف در آنها اجتناب‌ناپذیر است (نوع هیدرولیکی، نسل اول کمک فنرهای دو تیوپه محسوب می‌شوند که اکنون جای خود را به انواع گازی سپرده‌اند) .
دو تیوپه Foam Cell: در این نوع به جای اینکه اجازه داده شود گاز نیتروژن در تماس با سیال هیدرولیکی (روغن) قرار گیرد، سلولهایی از نیتروژن اشباع شده به کار می‌رود. این نوع نیز همانند نوع گازی، از ایجاد کف هوا و روغن جلوگیری می‌کند، اما در صورتی که در دماهای بسیار بالا قرار گیرد (کارکرد در جاده‌های با دست‌انداز بسیار زیاد در مدت زیاد) پس از سرد شدن دیگر کیفیت اولیه خود را باز نخواهد یافت .
یکی از اشکالات کمک‌های دو تیوپه، نداشتن قابلیت نصب شدن به صورت زاویه‌دار و یا سر و ته می‌باشد، این امر باعث می‌شود در مواردی که سازنده با کمبود جا مواجه است امکان استفاده از این نوع کمک را نداشته باشد، دیگر اشکال کمک‌های دو تیوپه نیز دفع نشدن کافی گرما به خارج می‌باشد، چرا که تیوپ ذخیره مانعی بر سر خروج گرمای تولیدی در پیستون بوده و گرما نیز باعث کاهش ویسکوزیته روغن می‌شود که این امر کارآیی کمک فنر را کاهش می‌دهد (این مشکل در نوع گازی کمتر به وجود می‌آید). کمک‌های دو تیوپه در اکثر خودروهای سواری، وانتها، SUV ها و کامیونهای سبک به کار می‌رود.
تک تیوپه: در این نوع از کمک فنر همانطور که از نامش پیداست، تیوپ ذخیره وجود ندارد. در درون تیوپ اصلی ۲ پیستون وجود دارد ؛ پیستون متحرک و پیستون جداکننده (معلق)، پیستون متحرک که به میله کمک فنر متصل است دقیقا مشابه انواع دو تیوپه عمل می‌کند، ‌اختلاف اصلی اینجاست که در این نوع از سوپاپ فشردگی خبری نیست و به جای آن یک پیستون جداکننده، محفظه حاوی روغن را از محفظه گاز جدا می‌کند، محفظه زیرین حاوی گاز با فشار ۳۶۰ psi می‌باشد . در حین کارکرد در سیکل بازشدن، هنگامی که فشاری بر پیستون متحرک وارد نشود، بر اثر فشار نیتروپن زیرین، بالا آمده و فضای خالی را پر می‌کند، در سیکل فشرده شدن نیز تحت فشار، پیستون پایین می‌رود تا کمک تا انتها فشرده شود.
این نوع کمک فنر قابلیت نصب در تمامی حالتها را داراست، همچنین به دلیل فشار بالای نیتروژن، بر خلاف دیگر انواع کمک فنر قابلیت ساپورت مقدار کمی از وزن خودرو را نیز دارد. در این نوع به دلیل نبود تیوپ ذخیره مشکل دفع حرارت تولیدی نیز وجود ندارد، در صورت بروز گرما نیز نه تنها کارآیی آن کاهش نمی‌یابد، بلکه در پی افزایش فشار نیتروژن (در اثر گرما) بهبود نیز می‌یابد. همچنین به دلیل نبود تماس بین روغن و گاز یا هوا مشکل تشکیل کف نیز وجود ندارد، اما عیب این نوع کمک فنر آسیب‌پذیری آن است چرا که به دلیل نبود تیوپ ذخیره، در صورت برخورد شیئی خارجی با پوسته کمک و ایجاد فرورفتگی، پیستون از حرکت باز می‌ماند. این نوع کمک فنر در بسیاری از خودروهای سواری، وانتها، SUV‌ها و کامیونهای سبک استفاده می‌شود، اما قیمت بالاتری نسبت به انواع تک تیوپه دارد .
با مخزن بیرونی: این نوع که بهترین نوع کمک فنر محسوب می‌شود، برای کارهای برجسته‌ای چون مسابقات اتومبیلرانی و موتورسیکلت‌رانی به کار می‌رود و قیمت بالایی نیز دارد. در این نوع، از یک کمک فنر تک تیوپه سبک و کوچک استفاده می‌شود که به وسیله یک لوله به مخزنی که در قسمتی جدای از کمک فنر واقع شده و حاوی سیال و گاز می‌باشد وصل می‌شود‌، درون مخزن یک پیستون جداکننده و یک سوپاپ فشردگی قرار دارد، از اینرو می‌توان این نوع را ترکیبی از دو نوع قبلی یعنی دوتیوپه و تک‌تیوپه دانست .
اشغال فضای کمتر در پشت چرخ، به دلیل پرتابل بودن مخزن دوم (در برخی موارد به تیوپ اصلی چسبانده شده، اما در اکثر موارد جدا می‌باشد)، خنک شدن بهتر و قابل تنظیم بودن، از مزایای این نوع کمک فنرها محسوب می‌شود .چند نکته:
مهندسان خودرو برای به دست آوردن کاراکترهایی چون بالانس، تعادل و پایداری خودرو در شرایط مختلف، میزان باز شدن دیسک‌های پیستون و سوپاپ فشردگی را به نسبت نوع خودرو، وزن آن و شرایط کارکرد، تنظیم می‌کنند. این میزان باز شدن را Valving Value می‌نامند و با تغییر فنر موجود در پیستون و سوپاپ فشردگی قابل تغییر می‌باشد، از اینرو در صورتی که قصد خرید کمک فنری غیر از نوع استاندارد خودرویتان دارید، حتما به مقدار Valving Value کمک فنر جدید توجه کنید تا با قطعه اصلی یکسان باشد .
برخی کمک‌فنرها به صورت زاویه‌دار نصب می‌شوند که این امر باعث کاهش تاثیر کمک فنر می‌شود، اما در مواردی که با کمبود جا مواجه باشند (چه از نظر کمبود فضا برای قرارگیری در حالت عمودی و چه از نظر ارتفاع باز شدن) کج کردن زاویه کمک، اجتناب‌ناپذیر است. این امر بیشتر در خودروهایی که از فنرهای تخت استفاده می‌کنند دیده می‌شود.هر چه قطر محفظه و پیستون (Bore size) بیشتر باشد، فشار داخل تیوپ کمتر شده و دما نیز کاهش می‌یابد و تعدیل سیستم را بهبود می‌بخشد، اما در مواردی که با کمبود جا مواجه باشند افزایش قطر امکان‌پذیر نیست.
انواع فنرها
۵ نوع عمده فنر در وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می‌گیرد:
۱- فنر مارپیچ ( Coil Spring ) :
نوع معمول و شناخته شده فنر می‌باشد که یک میله پیچیده شده (حلقه شده) فولادی است، قطر و ارتفاع حلقه، قدرت و مقاومت فنر را تعیین می‌کند. افزایش قطر میله،‌ باعث افزایش قدرت فنر می‌شود، در حالیکه افزایش طول آن باعث افزایش انعطاف‌پذیریش خواهد شد .
مقدار وزنی که برای فشردن یک فنر مارپیچ به میزان یک اینچ لازم است را نرخ فنر ( Spring Rate ) می‌نامند . این مقدار برای اندازه‌گیری قدرت فنر استفاده می‌شود و می‌توان آنرا نرخ فشردگی فنر نیز اطلاق کرد. برای مثال اگر ۱۰۰ پوند وزن لازم باشد تا فنری با حلقه‌های مساوی در ارتفاع یک اینچ فشرده شود‌، برای اینکه همین فنر ۲ اینچ فشرده شود نیاز به ۲۰۰ پوند وزن می‌باشد، اما این فرمول فقط برای فنرهایی صادق است که فشردگی حلقه‌های یکسانی دارند. در فنرهای پیشرفته (Progressive Springs)، یک فنر دارای نرخ‌های مختلف در نقاط مختلفش می‌باشد. این فنرها به دو روش ساخته می‌شوند. در روش اول ،‌ فنر در قسمتهای مختلف از ارتفاعش، دارای ضخامتهای مختلفی است و در نوع دوم که نوع متداولتری است، فشردگی فنر در قسمتهای بالاتر بیشتر است . اصولا فنرهای چند نرخی باعث می‌شوند تا در زمان خالی بودن خودرو، قسمتی که دارای نرخ کمتری است، وارد عمل شده و سواری نرمتری را فراهم کند و در هنگام اعمال وزن نیز قسمت با نرخ بالا وارد عمل شده و حمایت و کنترل بهتری را برای وسیله نقلیه فراهم می‌سازد .
محاسن: فنرهای مارپیچ به هیچ تنظیمی نیاز نداشته و اکثرا بدون خرابی می‌باشند.
معایب: این نوع فنرها از لحاظ تحمل وزن محدودیت داشته همچنین احتمال ضعیف شدنشان هم وجود دارد که این امر باعث بر هم خوردن تنظیم هندسی و ارتفاع خودرو و فرسودگی تایرها و دیگر قطعات خودرو می‌شود. با اندازه‌گیری ارتفاع خودرو و مقایسه آن با میزان مشخص شده، می‌توان از ضعیف شدن فنرها آگاه شد .
موارد مصرف: این نوع فنر، در اغلب خودروهای سواری امروزی استفاده می‌شود.
۲- فنر تخت ( Leaf Spring ) :
فنرهای تخت که در دو نوع تک ورقی و چند ورقی عرضه می‌شوند، این فنرها مانند فنرهای مارپیچ برای جذب ضربه جمع نمی‌شوند، بلکه خم می‌شوند. نوع چند ورق شامل چند صفحه فولادی انعطاف‌پذیر با طولهای مختلف می‌باشد که روی یکدیگر قرار گرفته‌اند و در مواجهه با ضربات جاده خم شده و روی یکدیگر می‌لغزند. در نوع تک ورق نیز که عمدتا از نوع باریک شونده می‌باشد، تنها یک ورق فنری که در وسط کلفت‌تر از طرفین می‌باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد،‌ این نوع از فنرهای تخت عمدتا از کامپوزیتها ساخته می‌شوند، اما نوع فولادی آنها نیز یافت می‌شود. فنرهای تخت عمدتا به صورت مجزا برای هر چرخ استفاده می‌شوند که در طول خودرو و در زیر هر چرخ نصب می‌شوند، اما برخی کارخانجات نیز، از نوع متقاطع (ضربدری) آن برای هر دو چرخ استفاده می‌کنند. فنرهای تخت به وسیله یک رابط U شکل به اکسل خودرو متصل می‌شوند و از دو طرف نیز به شاسی وصل می‌شوند.
محاسن: این نوع از فنرها توانایی ساپورت وزنهای زیاد را دارا بوده و سواری نرمتری را برای خودروهای سنگین به ارمغان می‌آورند.
معایب: نیاز به جای زیاد، وجود اصطکاک بین ورقه‌های فنر و ایجاد صدای ناشی از لغزش فنرها روی یکدیگر (با نصب ورقهای پلاستیکی بین ورقه‌های فنر قابل حل است) و همچنین نیاز به سرویس و نگهداری از معایب این فنرها محسوب می‌شود.
موارد مصرف: این نوع از فنرها بیشتر در خودروهای سنگین، وانت بارها، برخی SUVها (‌در مورد وانتها و SUVهای جدید فقط برای چرخهای عقب استفاده می‌شود) و حتی برخی خودروهای سواری قدیمی نظیر پیکان دیده می‌شود.
۳- میله پیچشی ( Torson Bar ) :
در این نوع از فنر، میله فولادی نه جمع شده و نه خم می‌شود بلکه در خود می‌پیچد، میله پیچشی که یک میله صاف یا L شکل است به صورت عرضی در یک سمت به شاسی وصل شده و در سمت دیگر به قسمت متحرکی از سیستم تعلیق متصل می‌شود، در هنگام مواجهه با ضربه، میله پیچشی در خود پیچ خورده (می‌تابد) و رفتار یک فنر را از خود بروز می‌دهد (‌حرکت این نوع فنر مانند زمانی است که برای آبکشیدن یک لباس آنرا با دو دست می‌پیچانیم). میله‌های پیچشی برای تبدیل حرکت عمودی خودرو به حرکت پیچشی در سطح افقی خود، در یک سمت شیاردار می‌باشند.
محاسن: قیمت کمی دارند نیاز به تعمیر و نگهداری ندارند، قابل تنظیم بوده و فضای کمی نیز اشغال می‌کنند از اینرو در مواردی که فضای کافی برای فنر مارپیچ وجود نداشته باشد، از این نوع استفاده می‌شود .
معایب: راحتی و نرمی حاصل از فنرهای مارپیچ را دارا نیست.
موارد مصرف: اصولا برای اکسل عقب خودروها طراحی شده، در خودروهای موجود در کشور بر روی اکسل عقب پژو ۲۰۶ و ۲۰۵ موجود می‌باشد.
۴- فنر هوایی (Air Spring) :
نوع دیگری از فنرها می‌باشد که در حال رواج یافتن می‌باشند. فنر هوا یک سیلندر لاستیکی است که با هوای فشرده پر شده و پیستونی که به اتصالات پایین چرخ متصل است با حرکت خود در این سیلندر باعث فشردگی هوا و ایجاد حالت فنریت خواهد شد. اگر میزان وزن خودرو تغییر کند نیز یک والو در بالای سیلندر هوا باز شده تا به مقدار هوای داخل سیلندر بیفزاید (یک کمپرسور این هوا را تامین می‌کند) و این امر باعث خواهد شد تا خودرو با وجود افزایش بار وارده، در ارتفاع ثابت خود باقی بماند.
محاسن: نرمی بسیار بالا مانند غوطه‌وری در هوا
معایب: پیچیدگی سیستم و قیمت بالای آن
موارد مصرف: برای خودروهای سواری، وانت‌ها و کامیونهای سبک در حال رایج شدن می‌باشد.
۵- فنر لاستیکی ( Rubber Spring):
این نوع فنر که توسط دکتر Alex Moulten ابداع شد، از یک لاستیک فشرده انعطاف‌پذیر تشکیل شده است.
محاسن: سبک بوده و جای کمی می‌گیرد.
معایب: قابلیتهای فنرهای فولادی را دارا نیست و بسیار ضعیفتر از آنهاست.
موارد مصرف: اولین بار روی خودروهای مینی استفاده شد، اما هم‌اکنون در کمتر خودرویی به کار می‌رود و تنها برای دوچرخه‌ها و موتورهای مسابقه و صخره‌نوردی استفاده می‌شود.
در آخر برای نمونه به مرور سیستم تعلیق برخی خودروها می‌پردازیم:
سیستم تعلیق اکسور (کامیون تولید کارخانه ایران خودرو):
جلو: فنر پارابولیک (۲ لایه)+میل موج گیر+کمک فنر
عقب : فنر بادی+میل موج گیر+کمک فنر
سیستم تعلیق سمند سریر:
جلو: MC PHERSON دوچرخ مستقل – فنرلوله ای – کمک فنر هیدرولیکی
عقب : چرخها نیمه مستقل – کمک فنرهیدرولیکی
سیستم تعلیق پژو ۴۰۵ استیشن:
جلو: فنر مارپیچی با میله Anti roll ، چرخهای مستقل با دو کمک فنر هیدرولیکی - تلسکوپی
عقب: میله پیچشی با میله Anti roll (بسته به سیستم انتقال نیرو)، چرخهای مستقل با دو کمک فنر هیدرولیکی - تلسکوپی
سیستم تعلیق پژو ۲۰۶:
تعلیق جلو: مستقل از نوع مک فرسون با فنر پیچشی

منبع : مجله گسترش صنعت