سیستم‌های تعلیق و انواع آن

اتومبیل‌های اولیه به عنوان نسخه‌ای از گاری‌ها و کالاسکه‌هایی اختراع شدند که به جای اسب، نیروی پیشران را به طور خودکار تأمین می‌کردند. خودروهایی که توسط اسب کشیده می‌شدند، برای سرعت‌های به نسبت کم طراحی شده و  مناسب سرعت بالا که توسط موتورهای احتراق داخلی ممکن شد نبودند.

اما حتی در همان سرعت‌های کم نیز سازنده‌های خودروهای اسبی، به فکر راحتی سفر بودند، اولین سیستم تعلیق فنری توسط اوبادیا الیوت (Obadiah Elliott) ثبت اختراع شد. در این سیستم هر چرخ دو فنر برگی (Leaf Spring) از جنس فولاد مقاوم در دو طرف خود داشت که بدنه‌ی گاری به طور مستقیم به این فنرها متصل می‌شد. برای ساخت این فنرها به دانش متالورژی پیشرفته‌ای نیاز بود که تنها با صنعتی‌سازی امکان‌پذیر بود. پس از یک دهه، اکثر کالاسکه‌های بریتانیایی به فنر مجهز شدند؛ فنرهای چوبی برای خودروهای سبک تک اسبه و فنرهای فولادی برای خودروهای بزرگتر. اینگونه، فنرهای برگی که از زمان مصر باستان (از جنس چوب و بیشتر در کمان‌های بزرگ نظامی) مورد استفاده قرار می‌گرفتند،  کالاسکه‌ها و فورد مدل تی از این سیستم استفاده می‌کردند و هنوز نیز این سیستم در خودروهای بزرگ و سنگین، معمولاً در محور عقب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای اولین بار در سال 1901، مورس (Mors) در پاریس از جاذب‌های ضربه (کمک‌فنر) در خودرو استفاده کرد. هنری فورنیر (Henri Fournier) با کمک ماشین مورس (Mors Machine) توانست مسابقه‌ی مهم پاریس تا برلین را در بیستم ژوئن 1901 با اختلاف زمانی قابل توجهی ببرد. پس از آن در سال 1906 برای اولین بار فنرهای حلقوی پا به عرصه‌ی تعلیق خودرو گذاشتند و از آن پس در اکثر خودروها از این فنرها استفاده می شود. سال 1920 میله‌های پیچشی (Torsion Bar) وارد سیستم‌های تعلیق شده و در سال 1922 سیستم‌های تعلیق مستقل معرفی شدند.

مرور تاریخ دیگر کافیست. بهتر است به معرفی این سیستم‌ها بپردازیم.

قبل از بررسی انواع سیستم‌های تعلیق، دانستن اهمیت، وظایف و مشخصات یک سیستم تعلیق مطلوب، حداقل به اختصار، ضرویست.

اولین نکته‌ای که به نظر می‌رسد، و شاید در دید برخی از مصرف کنندگان تنها نکته‌ی حائز اهمیت، راحتی سفر است. خودرو تنها از طریق بخش بسیار کوچکی از تایرها که با زمین در ارتباط است (Contact Patch) به جاده متصل است و از طریق همین ناحیه،‌ تمامی نیروها چه قائم و چه در راستای جاده بین خودرو و جاده رد و بدل می‌شوند. اکثر پارامتر‌های یک خودروی مطلوب، چه از دید فاکتروهایی مانند راحتی سفر و چه از دید حرکت‌های طولی خودرو نظیر شتاب و ترمز‌گیری، مربوط به این نکته است که این نیروها چطور به جاده وارد شده، همچنین خود نیروها و عکس‌العمل آنها کنترل شوند. با دانستن این نکته، کافیست بدانیم تمامی اجزاء خودرو از طریق سیستم تعلیق و فرمان به تایرها متصل می‌شوند. تمامی ارتباط تایرها و جاده با یک جسم چند تنی که با سرعت زیادی در حرکت‌است سیستم تعلیق است، بدیهی‌ست این سیستم و طراحی آن از اهمیت بسزایی برخوردار است.

یک دسته از نیروهایی که باید توسط این سیستم کنترل شوند، نیروهای ناشی از حرکت خودرو به بالا و پایین است. که بخش اعظم راحتی سفر مربوط به چگونگی کنترل این حرکات است. به طور کلی جرم خودرو به دو دسته‌ی جرم فنربندی شده و جرم فنربندی نشده تقسیم می‌شود و می‌توان به طور خلاصه گفت که از دید حرکات عمود بر جاده، یک خودرو مطلوب خودرو‌ییست که در هنگام عبور از ناهمواری‌های جاده، تنها تایرها بالا و پایین شده و کابین ثابت بماند. برای حصول این هدف باید تعادلی بین سختی فنر، ضریب کمک‌فنر و زوایای بین فنربندی و بدنه برقرار شود که این به هنر طراح این سیستم بر می‌گردد.

اما آیا راحتی سفر تنها وظیفه‌ی سیستم تعلیق است؟

برای پاسخ به این سؤال باید گقت که حتی بخش عمده‌ای از واژگون شدن خودرو نیز مربوط به مشخصات سیستم تعلیق آن است. و همچنین فرمان‌پذیری خودرو و رفتار خودرو در حین شتاب‌ و ترمز‌گیری باید در طراحی یک سیستم تعلیق لحاظ شود. برای مثال، اگر زوایای سیستم تعلیق به درستی تنظیم نشوند، ممکن است وقتی در یک دست‌انداز تایر‌های خودرو به سمت بالا حرکت می‌کنند، در عین حال خودرو به سمت چپ یا راست فرمان بگیرد، تصور کنید خودرو در حال حرکت با سرعت در یک جاده باشد و در برخورد با یک ناهمواری، به یک طرف منحرف شود، چه فاجعه‌ای رخ خواهد داد؟

با این توضیحات سعی شد اهمیت و مشخصات سیستم تعلیق بیان شود، توضیح و تشریح بیشتر حرکات سیستم تعلیق، نیازمند فرصتی طولانی و بحث‌های تخصصی‌تر مهندسی است که جایگاهی در بحث فعلی ما ندارد.

به طور کلی سیستم‌های تعلیق در مرسوم‌ترین دسته‌بندی به سه دسته‌ی مستقل، نیمه مستقل و وابسته(غیر مستقل) تقسیم می‌شوند. این دسته‌بندی مربوط به ارتباط چرخ‌های روی یک محور با یکدیگر است که در سیستم‌های تعلیق وابسته، حرکت یک چرخ به طور مستقیم روی چرخ دیگر تاثیر گذاشته که این امر مطلوب نیست.

سیستم تعلیق محور صلب

سیستم محور صلب (Rigid Axle) سیستمی است که دو چرخ توسط یک محور صلب به یکدیگر متصل شده‌اند. این نوع سیستم که ابتدایی‌ترین آن نیز هست، معایب بسیاری دارد که موجب شده امروزه در خودروهای سواری بلا استفاده و تنها در خودروهای تجاری قابل تحمل باشد. برخی معایب سیستم‌های محور صلب عبارتند از:

تاثیر متقابل چرخ‌ها روی یکدیگر

فضای مورد نیاز بالای محور برای حرکت بالا و پایین آن در ازای حرکت فنر

ظرفیت اندک برای تنظیمات بهینه‌سازی خواص سینماتیکی و الاستوسینماتیکی

وزن. اگر دیفرانسیل بر روی محفظه‌ی محور باشد، موجب افزایش وزن فنربندی‌نشده و پرش چرخ در جاده‌های ناهموار می‌شود.

بخش اعظم مشکل در حالتی است که این محور راننده باشد (گشتاور موتور به این محور منتقل شود.) هرچند با وجود قطعات با کیفیت تولیدی و طراحی فنر و میراکننده‌ی مناسب می‌توان رفتار این سیستم تعلیق در حالتی که محور راننده باشد بهبود یافته است، باز هم این سیستم در خودروهای سواری مورد استفاده قرار نمی‌گیرند و تنها در خودروهای چهار چرخ رانش و اکثر مواقع در محور عقب خودروهای تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیستم تعلیق میل‌لنگ نیمه صلب

میل‌لنگ نیمه صلب (Semi-Rigid Crank Axle) یا با نام مرسوم آن یعنی تیر پیچشی (Twist-Beam) یک نوع دیگر از سیستم‌های تعلیق است که از آن به عنوان پرکاربردترین سیستم تعلیق نیمه مستقل یاد می‌شود. بخش اصلی این سیستم، میله‌ی افقی با سطح مقطع C یا H شکل یا مشابه است که وظیفه‌ی اصلی این عضو تحمل تمام نیروهای جانبی وارده می‌باشد. در عین حال این عضو به عنوان یک میله‌ی پادغلت (Anti-Roll Bar) نیز کاربرد دارد. کار میله‌ی پادغلت جلوگیری از غلتش بیش از حد خودرو و واژگونی آن است.

مزایای زیاد این سیستم چه از نظر عملکردی و چه از نظر نصب و تعمیرات، موجب شده است که امروزه در محور عقب بسیاری از خودروهای جلو رانش (Front-Wheel Drive) به کار رود. در تصویر بالا تیر پیچشی مربوط به محور عقب خودروی هوندا سی-آر زد 2012 قابل مشاهده است.

سیستم‌های تعلیق مستقل

سیستم تعلیق خودروهای سواری باید ویژگی‌های خاصی داشته باشد. این سیستم باید بتواند موتور و سیستم انتقال قدرت را در خود جای دهد، با شتاب روز افزون سرعت‌های بالا در هنگام پیچیدن روز  در حال افزایش خودروهای سواری مطابقت داشته باشد، همچنین الگوهای ایمنی شاسی که هر روز در حال افزایش هستند را رعایت کند. این‌ها توسط سیستم تعلیق مستقل امکان‌پذیر است که اهم مزایای آن عبارتند از:

  فضای مورد نیاز اندک

  خواص سینماتیکی و الاستوسینماتیکی خوب و ظرفیت برای بهینه‌سازی این خواص

  سهولت فرمان‌پذیری با وجود سیستم‌های رانش

  وزن کم

  عدم تاثیر متقابل چرخ‌ها بر یکدیگر

سیستم تعلیق دو جناغی

سیستم تعلیق دو جناغی (Double Wishbone) از دو عضو عرضی شبیه به استخوان جناغ و موسوم به بازوهای کنترلی (Control Arm) تشکیل شده‌است که فنر و کمک‌فنر مابین آن‌ها قرار گرفته‌اند. این دو عضو توسط اتصالاتی لولایی به بدنه یا شاسی خودرو متصل می‌شوند. هرچه فاصله‌ی این دو بازو از یکدیگر بیشتر باشد، نیروی وارده بر بازوها و اتصالات آن‌ها کمتر شده و در نتیجه تغییر شکل‌ها کمتر و کنترل چرخ دقیق‌تر خواهد بود.

مزیت اصلی این سیستم تعلیق، ظرفیت بالای بهینه‌سازی خواص سینماتیکی آن است. موقعیت دو بازوی کنترلی نسبت به یکدیگر و زوایای آن‌ها  مرکز غلت بدنه و قطب ناوش (Pitch Pole) (حرکت ناوشی دوران خودرو حول محور عرضی است، برای مثال پایین رفتن جلو خودرو هنگام ترمزگیری و بالا آمدن آن هنگام شتاب‌گیری) تعیین می‌کند. همچنین طول این اعضا می‌تواند نحوه‌ی حرکت چرخ را تعیین کند. تشریح دقیق مزایای سینماتیکی سیستم‌های تعلیق نیاز به اطلاعات فنی اولیه‌ای در مورد دینامیک خودرو دارد و در این متن از آن‌ها صرف نظر می‌گردد. 

سیستم تعلیق نمایش‌داده شده در شکل بالا مربوط به آئودی آر8 2008 می‌باشد.

سیستم تعلیق مکفرسون

سیستم تعلیق مکفرسون (McPherson) پیشرفت و ارتقاء سیستم تعلیق دوجناغی می‌باشد. در این سیستم عضو عرضی بالایی با یک تکیه‌گاه بر روی پنل جایگیری چرخ تعویض شده‌است که انتهای فنری حلقوی و پیستون کمک‌فنر به آن متصل می‌شوند. تمام نیروها در تمام جهات به این نقطه وارد می‌شوند و این باعث ایجاد تنش‌هایی در میله‌ی پیستون کمک‌فنر می‌شود. به همین دلیل برای جلوگیری از تغییر شکل این ملیه، قطر آن در این سیستم افزایش داده می‌شود.

مزیت اصلی سیستم مک‌فرسون این است که تمام اجزائی تعلیق و کنترل چرخ را می‌توان در یک مجموعه ترکیب کرد.

از مزایای دیگر این سیستم می‌توان به نکات زیر اشاره کرد:

  نیروهای جانبی کمتر به دلیل ارتفاع مؤثر زیاد سیستم

  فضای حرکت زیاد برای فنر

  اتصالات و تکیه‌گاه‌های کمتر

  گزینه‌های طراحی بهتر

  جای‌گیری کم در دو طرف خودرو و فضای مناسب برای قرار دادن موتوری پهن که استفاده 

این مزایا مخصوصاً اشغال فضای اندک و نصب و تعویض راحت، موجب شده‌است تا این نوع سیستم تعلیق برای چرخ‌های جلوی اکثر خودروها مورد استفاده قرار بگیرد و همین استقاده‌ی گسترده‌ی آن موجب شده‌است تا تمهیداتی برای کم کردن نقش برخی از معایب آن استفاده شود. چند عیب عمده‌ی این سیستمعبارتند از:

مشخصات سینماتیکی‌ای که کمتر مطلوبند

انتقال نیروها و ارتعاشات به قسمت داخلی جایگاه چرخ که یکی از نقاط نسبتاً منعطف انتهای جلویی خودرو است

کم کردن ارتعاشات و صداها در این سیستم سخت‌تر است

در برخی سیستم‌های فرمان، نصب این سیستم‌ها بر روی این سیستم تعلیق، گران‌تر شده و انتقال نیروهای نا مطلوب بین این دو سیستم وجود خواهد داشت

فضای عمودی نسبتاً زیاد

سیستم تعلیق بازوی پشتی محور عقب

سیستم تعلیق بازوی پشتی محور عقب (Rear Axle Trailing Arm) که همچنین موسوم به محور میل‌لنگ (Crank Axle) است، متشکل از بازویی طولی است که قابلیت دوران نسبت به چهارچوب سیستم تعلیق را دارد. بازوی کنترلی نیاز است که نیروهایی در تمام جهات را تحمل کند و از این جهت تحت تنش‌های خمشی و پیچشی زیادی قرار دارد اما وجود آن موجب خواص سینماتیکی خوبی در این سیستم می‌شود.

سیستم تعلیق بازوی پشتی ساده بوده و در خودروهای جلو رانش متداول است. این سیستم این امکان را ایجاد می‌کند که کف بدنه‌ی خودرو در قسمت عقب صاف باشد و بتوان باک بنزین یا تایر زاپاس را براحتی بین دو بازوی عقبی جای داد.

سیستم تعلیق شبه بازوی پشتی برای محور عقب

سیستم تعلیق شبه بازوی پشتی برای محورهای عقب (Semi-Trailing-Arm Rear Axle) نوعی از سیستم تعلیق بازوی پشتی است که معمولاً در خودروهای سواری عقب رانش و یا چهارچرخ رانش مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این سیستم بازوهای کنترلی پشتی با زاویه‌ای به بدنه متصل می‌شوند که این امر با طراحی مناسب طول این بازوها خواص سینماتیکی بهتری برای خودرو فراهم می‌کند.

سیستم تعلیق چند عضوی

نوعی از سیستم تعلیق چند عضوی (Multi-Link Suspension) برای اولین بار توسط مرسدس بنز در سال 1960 در خودرو C111 معرفی شد. پس از آن سیستم‌های چند عضوی با قابلیت رانش یا بدون قابلیت رانش در خودروهای مختلف استفاده می‌شوند. تصویر بالا مربوط به سیستم تعلیق چند لینکی در خودروی آئودی آر.اس. کیو3 می‌باشد.

برای کنترل نیروها و گشتاورهای چرخ، تا پنج عضو بسته به نوع هندسه و کاربردهای سینماتیکی و الاستوسینماتیکی محور در این سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجایی که جایگیری و جهات لینک‌ها تقریباً انتخابی است (بسته به فضای در دسترس) گستره‌ی زیادی در آزادی طراحی وجود دارد. علاوه بر میزیت‌های عمومی سیستم‌های تعلیق مستقل که پیش‌تر اشاره شد، مزایای دیگری نیز در این سیستم وجود دارد که کنترل دقیق تمامی نیروهای چرخ، فرصت خوب برای کنترل قابل توجه حرکت ناوشی خودرو و بهبود بهینه‌ی خواص سینماتیکی از جمله‌ی این مزایا هستند.

اما عیوب عمده‌ای سبب شده‌است که استفاده از این مکانیزم عموماً در خودروهای لوکس و گران‌قیمت میسر باشد. از جمله‌ی این عیوب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

  به دلیل تعداد زیاد اعضا، تکیه‌گاه‌ها و اتصالات هزینه‌ی تولید و نصب این مکانیزم میزان قابل توجهی بیشتر است.

  حساسیت این سیستم به خستگی و خوردگی اجزا و اتصالات بیشتر است

  نیاز به نظارت دقیق در ارتباط با هندسه و صلبیت اجزا

در این متن اکثر سیستم‌های تعلیق و نوع دسته‌بندی عمده‌ی آن‌ها بیان شد. دسته‌بندی دیگری نیز برای سیستم‌های تعلیق از لحاظ فعال یا عدم فعال بودن (Active or Passive)‌ آن‌ها وجود دارد که در فرصت مقتضی به آن پرداخته خواهد شد.

ویدیو زیر را بیانگر فشار ها و نیروهایی است که یک سیستم تعلیق در وضعیت های مختلف جاده تحمل میکند.