بررسي انواع و روش طراحي كمک فنرها

فهرست مطالب

فصل اول 6
– كاربرد و شيوه نصب 6
– آزمايش كمك فنر 6
1-1-كاربرد و شيوه نصب 8
1-2-1- آزمايش بر روي خودرو 13
فصل دوم 17
-كمك فنر دوجداره بي فشار 17
– كمك فنر دوجداره بافشار 17
– كمك فنر يك جداره با فشار 17
2-1- كمك فنر دو جدارة بي فشار 18
2-1-1- ساختار و شيوة كاركرد 18
2-1-2- هواگيري و موازنة حجم 23
2-1-3- رينگ آب بند،ميلة پيستون با پيستون، راهنما 25
2-1-4- محفظة سيلندر،مخزن روغن،لولة محافظ 29
2-1-5- كمك فنر براي موقعيت كاري دشوار،خودروي سواري 30
2-2-1- كمك فنر دو جدارة مجهز به بالشتك گاز 32
2-3- كمك فنر يك جدارة بافشار 36
2-3-1- ساختارو شيوة كاركرد 36
2-3-2-رينگ آب بند،ميلة پيستون،راهنما 40
فصل سوم 45
– نيرو هيدروليكي ميرا كننده 45
– ميرايي اصطكاك 45
– عوامل موثر در ميرايي 45
– روغن كمك فنر 45
3-1-نيروي هيدورليكي ميراكننده 46
3-1-1-منحني مشخصه كمك فنر 46
3-1-3- نسبت كشش به فشار 53
شكل 3-9 منحني مشخصه 58
3-1-6- ميرايي مؤثر در نقطه تماس چرخ 60
3-2- ميرايي اصطكاك 69
3-3- عوامل مؤثر بر ميرايي 74
3-3-3 –ميرايي تئوري و حقيقي 77
3-3-5- كاهش اثر ميرايي 79
3-4- روغن كمك فنر 81
فصل چهارم 87
-ابعاد و طول كمك فنر 87
– اتصالات كمك فنر 87
– ضربه گير و ايستان لاستيكي 87
4-1-ابعاد و طول كمك فنر 88
4-1-2-طول كمك فنر يك جداره 91
4-1-3-كمك فنر مجهز به ضربه گير كشش و فشار 93
4-1-4 فضاي لازم 97
4-2-اتصالات كمك فنر 99
4-2-1-خواسته هاي طراحي 99
4-2-2 اتصالات چشمي 100
4-2-3-اتصالات پيني : 105
4-3-2-ضربه گير فشار كمك فنر و ايستان 121
فصل پنجم 128
– كمك فنر تنظيم پذير الكتريكي 128
– كمك فنر تنظيم پذير الكترونيوماتيكي 128
– كمك فنر تنظيم پذير هيدروليكي 128
5-1-كمك فنر تنظيم پذير الكتريكي 129
5-1-1- خواسته هاي طراحي 129
شيوة ميرايي 131
منحني مشخصة ميرايي 131
5-1-3- سيستم شركت بوگه 135
5-1-5- سيستم شركت فيشتل و ساكس 145
– كاربرد 162
– لرزش گير فرمان براي خودروي سواري و باري سبك 162
– لرزش گير فرمان براي خودروي باري 162
– لرزش گير با تنظيم پذيري وابسته به راستاي نصب 162
1-كاربرد 163
4-لرزش گير فرمان با ميرايي وابسته به راستاي نصب 175
نشان هاي به كار رفته در روابط واحدها 177
منابع و مآخذ 184

كمك‌فنر به همان اندازه كه ايمني حركت را تضمين مي كند، وظيفة خوش سواري
را نيز بر عهده دارد. كمك فنر بايد از پريدن( جهيدن) چرخها جلوگيري كند،
يعني تماس بين چرخ و جاده را هميشه برقرار سازد همچنين كله زدن خودرو را ميرا كند.
با طراحي و ساخت سيستمهاي تعليق جديد با قطعات نگهدارنده و راهنماي كم اصطكاك، و افزايش سرعت و توان خودرو، امروزه انتظارات از اين قطعه نسبت به سالهاي گذشته به مراتب بيشتر است.
از اين رو هر خودرو، كمك فنر خاص خود را دارد. كمك فنر نيز مانند لاستيك و لنت ترمز، تنش و شرايط كاري دشوار را تحمل مي كند و از اين رو نياز به بازديد منظم دارد. تعويض به هنگام كمك فنر مي تواند بر ايمني راننده و سرنشينان اثر مهمي بگذارد. البته در اين باره مشكلاتي وجود دارد.
فرسودگي و كاركرد لاستيك را مي توان به خوبي از سايش عاج لاستيك دريافت. اما از آنجا كه كمك فنر در داخل شاسي قراردارد، بازرسي آن ساده نيست. مشكل ديگر اين است كه آزمايش كاركرد كمك فنر نصب شده دشوار است.
خرابي و نارسايي كمك فنر، به ندرت ناگهاني و بدون نشانة قبلي بروز مي كند. اما، كاهش توان ميرايي معمولاً به گونه اي است كه راننده كاهش تدريجي آن را حس نمي كند و به مرور زمان، شيوة رانندگي خود را با آن وفق مي دهد.
پس فقط كنترل منظم، به شيوه اي كه انجمن كنترل خودرو توف با دستگاه آزمايش ارتعاش انجام مي دهد،( بخش 1-2 را ببينيد)، نارسايي كمك فنر را آشكار مي‌كند. انجمن توف راينلند تا به حال بيش از 25 مركز آزمايش كمك فنر برپا كرده است. آزمايشهايي كه شركت بوگه و فيشتل و ساكس از سال 1972 ميلادي تاكنون انجام داده اند، نشان مي دهد كه سي درصد از خودروهاي آزمايش شده. يك كمك فنر خوب داشته اند. در حدود سه درصد از خودروهاي آزمايش شده سه يا چهار كمك فنر غير قابل استفاده داشته اند. سازمان خودروسازي مركز فني آليانس واقع در محل ايسمانينگ شهر مونيخ با استفاده از همين روش آزمايش به نتايجي مشابه دست يافته است.

1-1-كاربرد و شيوه نصب
كمك فنر را كه جزء ميرا كننده خودرو است، بين جرم فرم بندي نشده( تعليق) و جرم فنر بندي شده( بدنه) نصب مي كنند. اتصال بالايي كمك فنر را به بدنة خودرو و اتصال پايين آن را به بند واسطه و يا مستقيماً به محور خودرو وصل مي كنند. براي دستيابي به بهترين بازده ممكن، محل قرارگيري كمك فنر بر روي شاسي را به گونه‌اي طراحي مي كنند كه اتصال پايين كاملاً بيرون و در نزديكي چرخ باشد و كمك فنر عمودي قرار گيرد، ( شكل 1-1). البته دستيابي به اين طرح هميشه امكان پذير نيست.
شيوه و نحوة قرارگيري و نصب كمك فنر در خودرو به پارامترهاي زير بستگي دارد:
از آنجا كه در خودروي سواري خانوادگي و باري پايين بودن و افزايش
شكل 1-1: در شكل محور عقب خودروي رنو مدل 9 و 11 را مي بينيد. كمك فنرها تقريباً عمودي و نزديكي چرخ قرار گرفته اند. البته براي سهولت نصب و استفادة بهتر از فضا كمي به سمت جلو تمايل دارند. در اين خودرو بزرگنمايي ID برابر 24/1 است، يعني نيروي ميرايي وارد بر چرخ 24/1 برابر كمتر از نيروي ميرايي كمك فنر است.
شكل 1-2: محور عقب امگا كاروان: در شكل شيوة قرار گيري و نصب كمك فنرها بر سگدست را مي بينيد كه به سمت داخل تمايل دارند. به دليلي شيب دار بودن كمك فنرها نسبت به خط قائم. سطح بارگيري افزايش مي يابد. قائم قرار دادن كمك فنرها، سطح بارگيري و فضاي داخل خودرو را كاهش مي دهد.

سطح بارگيري يك نياز مهم در طراحي به شمار مي آيد، اغلب كمك فنرها را شيب دار و با زاوية معيني نسبت به خط قائم نصب مي كنند،( شكل 1-2).
اندازه و ابعاد لاستيك، به دليل امكان نصب لاستيك پهن و زنجير چرخ، كمك فنر را از چرخ دور مي كنند. البته مقدار زاويه‌دار كردن كمك فنر در خودرو محدود است. براي جلوگيري از پايين آمدن بيش از حد سطح روغن در محفظة تعادل فشار و مكيده شدن هوا به داخل محفظة كار در كمك فنر دو جداره، زاوية تمايل كمك فنر نسبت به خط قائم، يعني زاوية  در حالت پربار، نبايد حتي المقدور از 45 درجه تجاوز كند، اگر مجبور به نصب كمك فنر با زاوية بزرگتري باشيم، حتماً بايد از كمك فنري كه مستقل از راستاي نصب( موقعيت پيستون)عمل مي كند، استفاده كرد.
براي راحتي، سعي بر آن است كه در خودروهاي سواري جا به جايي فنر( جمع و باز شدن محور) را بيافزايند. به اين ترتيب مي توان بدون آسيب ديدن لاستيك هاي ايستان، حتي در شرايط بحراني و زير بار از جا به جايي كافي هنگام جمع شدن كمك فنر بهره برد.
اگر به جا به جايي بيشتري نياز باشد، ناچار بايد نسبت ميرايي كمك فنر به چرخ را تغيير داد( يعني نامناسب انتخاب كرد) و يا به علت طول مردة بلندتر، طول كمك فنر را بزرگتر انتخاب كرد. براي نصب يك كمك فنر بلندتر بايد نقطة اتصال پايين در سطحي پايين تر و محل اتصال بالا در سطحي بلندتر قرار گيرد. اين امر در خودروي اپل امگا صادق است. اتصال چشمي پاييني در ارتفاع 162 ميلي متر بالاي سطح جاده به سگدست متصل است و اتصال پيني بالايي در داخل صندوق عقب قرار گرفته است و به بدنه پيچ شده است.

شكل 1-3: همان گونه كه در شكل بالا( نماي بالا و نماي پشت محور عقب) مي‌بينيد. كمك فنرها را در اپل سناتور تقريباً عمودي نصب كرده اند، پايين قرار داشتن نقطة اتصال پايين و امتداد دادن اتصال بالايي كمك فنر به صندوق عقب، كورس بلند آن را برابر 280 ميليمتر امكان پذير مي سازد. در اينجا بزرگنماييiD  حدود 9/0 است. فضاي آزاد  بين كمك فنر و چرخ را براي نصب زنجير چرخ و فنر بادي نيمه كشسان تنظيم كنندة ارتفاع در نظر گرفته اند.

براي مجهز كردن لاستيك چرخ محرك خودرو به زنجير چرخ، كمك فنرها كاملاً در داخل و بين فنرهاي تخت قرار مي گيرند. شكل 1-5 نمايي از محور عقب خودروي باربري ديملر بنز مدل 308/ D  207 ، را نشان مي دهد. به دليلي پايين آمدن سطح باربري و صرفه جويي در فضا، كمك فنرها كمي به سمت جلو نيز متمايل هستند. زاويه دار قرار گرفتن كمك فنر در راستاي طولي يا عرضي در خودرو اثر ميرايي در حالت پربار را مي كاهد. ( شكل 1-2 را ببينيد) در هنگام جمع شدن كمك فنر و حركت همزمان بدنه به سمت بالا، زاوية   بزرگتر مي شود و در نتيجه مقدار بزرگنمايي ميرايي iD   نيز افزايش مي يابد. بدين ترتيب با ثابت ماندن نيروي ميرايي FD  ، نيروي ميرايي  مؤثر  در نقطة تماس چرخ كاهش مي يابد. هر چه كمك فنرها به يكديگر نزديكتر باشند( يعني اتصالات پايين آنها بيشتر در داخل قرار گيرند)، فاصلة مؤثر آنها يعني bD  نسبت به عرض خودرو يعني bh  كوچكتر مي شود،
( شكل 3-12) و نسبت ميراييi  تأثير نامطلوبي در ميرايي بدنه دارد.

شكل 1-4: نگاهي به زير شاسي محور جلوي خودروي سيتروئن ديان. در اينجا كمك فنرها كاملاً افقي و موازي با ميله هاي كششي 2 قرار گرفته اند.
هنگام جمع شدن تعليق در محور جلو و عقب خودروهاي سيتروئن مدل ديان 6و سي وي6 ، ميله هاي كششي طولي 2 به كمك بند طولي 1 به فنرهاي مارپيچ فشار وارد مي كنند،( شكل 1-4 را ببينيد).
در اين نمونه، كمك فنرها را كاملاً افقي و موازي با ميله هاي 2 نصب مي كنند. از اين رو كمك فنرها هنگام جمع شدن تعليق كشيده مي شوند،( برخلاف معمول كه هنگام جمع شدن تعليق، كمك فنر فشرده مي شود).
كمك فنرهاي يك جداره با بالشتك گازي و پيستون گاز كه در بخش 2-2-1 بررسي مي شود، براي اين گونه شرايط كاركرد و نصب به صورت افقي بسيار مناسب هستند.

1-2- آزمايش كمك فنر
1-2-1- آزمايش بر روي خودرو
هنوز هم دارندگان خودرو از آزمايش تجربي كمك فنرـ يعني نوسان دادن خودرو در جهت عمودي با دست ـ براي ارزيابي وضعيت سيستم تعليق و آزمايش كمك فنر استفاده مي كنند. اين شيوه آزمايش را خودرو سازان و توليد كنندگان كمك فنر صريحاً رد مي كنند و براي آن دلايل زيادي دارند. كاركرد يك كمك فنر به سرعت آن بستگي دارد، يعني سرعتي كه با آن ميلة پيستون در داخل كمك فنر به بالا و پايين حركت مي‌كند.
با نوسان دادن خودرو با دست نمي توان به سرعتهاي زياد دست يافت. واكنش به سرعت هاي زياد كه براي ايمني حركت مهم است، در اينجا آزمايش نمي شود. علاوه بر آن به دليل وجود اصطكاك دروني در سيستم تعليق خودرو، نتايج به دست آمده چندان قابل اعتماد نيست يا حتي مي تواند اشتباه باشد.
پس از كاركرد زياد خودرو، مفاصل راهنماي تعليق به سختي قادر به حركت هستند، زيرا مقدار اصطكاك دروني موجود نسبتاً زياد مي شود در اين صورت اگر كمك فنر به طور مؤثر عمل نكند، اصطكاك دروني سيستم براي ميرا كردن نوسانات و ارتعاشات در فركانس كم كافي است.
از طرف ديگر، اگر خودرويي را كه مفاصل تعليق روان و كمك فنري با اصطكاك دروني اندك دارد، در سرعت كم، بيازمايند. احساس مي كنند كه خودرو به شدت به نوسان در مي آيد( حتي هنگامي كه كمك فنر به خوبي عمل مي كند). دستگاه آزمايش ارتعاشي كه شركت بوگه طراحي و توليد كرده است، آزمايش صحيح كمك فنر را ميسر مي كند،( شكل 1-5) در اين دستگاه هر دو محور در جهت عمودي و در حالت بحراني به نوسان در مي آيند. هنگام عبور از حالت بحراني، فركانس تشديد و دامنة بيشينة سيستم تعليق را با واحد ميليمتر اندازه گيري مي كنند. اين مقادير را با حد مجازي كه سازنده خودرو تعيين كرده است، مقايسه مي كنند.
مشكلات دستگاه آزمايش ارتعاش عبارتند از:
علاوه بر ميرايي كمك فنر، اصطكاك مكانيزم سيستم تعليق( بوشهاي راهنما و مفاصل گويي) نيز در نتايج به دست آمده دخيل هستند. اگر مقدار اصطكاك زياد باشد. به اشتباه چنين نتيجه گيري مي شود كه كمك فنر كارآيي لازم را دارد.
به دليل محدوديت فركانس و دامنه ورودي، دستگاه سنجش ارتعاش، كارآيي كمك فنر را فقط در محدودة باريك سرعت مي آزمايد. از اين رو با اين نتايج نمي توان كارآيي كمك فنر را در محدوده كاري واقعي ارزيابي كرد.

شكل 1-5: دستگاه آزمايش ارتعاش ساخت شركت بوگه. لرزانندة4 به اندازه دامنه حركت لنگ الكتروموتور در جهت عمودي به نوسان در مي آيد. با قطع كرده ( خاموش كردن) محرك، جرم محور از محدودة فركانس تشديد عبور مي كند. به كمك دامنة نوسان در بازة ياد شده مي توان با استفاده از رابطة فيزيكي( كه بين دامنة نوسان و نيروي ميرايي وجود دارد) به مقدار نيروي ميرايي دست يافت و نحوة كاركرد كمك فنر را ارزيابي كرد.

شكل 1-6: چرخة آزمايش كمك فنر بر روي دستگاه آزمايشVDA . در آزمايش خودكار كمك فنر، نيروي ميرايي پس از طي كردن ششمين كورس در سرعت معيني اندازه گيري مي شود. اندازه گيري نيروي ميرايي در ششمين كورس به اين علت است كه بتوان با گذشت پنج كورس قبلي از هواگيري كمك فنر ونيز دقت اندازه گيري سرعت پيستون و نيروي ميرايي اطمينان يافت. از آنجا كه تغيير دادن فركانس و تعداد دور ساده تر از تغيير دادن دامنة نوسان است، كورس پيستون برابر با 100 ميليمتر ثابت نگه داشته مي شود.
2-1- كمك فنر دو جدارة بي فشار
كمك فنر دو جدارة بي فشار ارزانترين و اقتصادي ترين نوع كمك فنر هيدروليكي براي خودروي سواري است.
اصلاح بي فشار بيانگر آن است كه سطح روغن در حالت سكون كمك فنر و در دماي محيط (دماي متعارف) در فشار اتمسفر قراردارد.دراينجا فشاري كه هنگام فشرده شدن كامل كمك فنر،افزايش دما يا در كمك فنر بادي كمكي به دليل پخش تنش (فشاري)در آب بند به سطح روغن وارد مي شوند،در نظر گرفته نمي شوند،زيرا مقادير آن ناچيز و از اين رو قابل اغماض است.

2-1-1- ساختار و شيوة كاركرد
شكل 2-1 ساختار كمك فنر را نشان مي دهد.اين كمك فنر كه طبق اصول كاركرد كمك فنر دو جداره عمل مي كند،از يك محفظة كار (لوله سيلندر 2 به نام لولة‌فشار)تشكيل شده است.اين لوله از پايين به شيرهاي زيرين و از بالا به راهنماي ميلة پيستون 8 و رينگ آب بند 5 محدود مي شود.ميلة پيستون 6 بين راهنماي ميلة پيستون و آب بند حركت مي كند.ميله پيستون از يك سو به پيستون1(واقع در محفظه كار) و از سوي ديگر به مفصل چشمي بالايي و لولة حفاظ متصل است.لوله سيلندر 2 در داخل لولة‌ ديگري قرار دارد كه به لولة بيروني 3 يا لولة نگهدارنده موسوم است.از آنجا كه اين كمك فنر در لوله دارد،كمك فنر دو جداره ناميده مي شود.بين لولة‌سيلندر 2 و لولة بيروني 3،محفظة تعادل فشار C ايجاد مي شود كه حدودتاً تا نيمه روغن دارد.اما محفظة كار را از روغن كاملاً پر مي كنند.لولة نگهدارنده 3 از طرفي به راهنماي ميلة پيستون و از سوي ديگر به كلاهك 1 كه شير زيرين را نگه مي دارد،وصل مي شود و پيش تنيدگي دروني مجموعه را كاملاً تأمين مي كند.در قسمت زيرين كلاهك،اتصال چشمي را جوش مي دهند.

شكل 2-1: كمك فنر دو جدارة ساخت شركت بوگه با اتصالات چشمي در هر دو انتها.از آنجا كه محفظة تعادل فشار را درپيرامون محفظة‌كار كمك فنر طراحي كرده اند،در شكل،مجموعة شير پيستون و شير زيرين 4 را كه در انتهاي محفظة كار قراردارد،مي بينيد.شكل 2-3 شيوة كاركرد كمك فنر دو جداره را  نشان مي دهد.
شكل 2-2:شيوة كاركرد كمك فنر دوجداره

البته براي اتصال كمك فنر به شاسي مي توان به جاي مفصل چشمي از اتصالات پيني استفاده كرد،هنگام جمع شدن چرخ،اتصالات بالا و پايين كمك فنر به يكديگر نزديك مي شوند و به اين ترتيب ميلة پيستون 6 و همراه آن پيستون 1 كه در انتهاي آن قراردارد،به سمت پايين رانده مي شود.با پايين آمدن ميلة پيستون در محفظة بالايي كار(A1 )، ميلة پيستون حجم روغني برابر با V1 را جابه جا مي كند،اين حجم برابر است با:
سطح مقطع ميلة پيستون ضرب در جابه جايي ميلة پيستون= V1
از طرفي ديگر مقداري از روغن به حجم V2 از شير گلويي II‌ روي پيستون به داخل محفظة كار A1 جريان مي يابد.اين حجم برابر است با:
جابه جايي ميله پيستون ضرب در مقطع رينگي شكل محفظة A1 = V2
از آنجا كه مقاومت شير IV در برابر جريان روغن به مراتب بزرگتر از شير II‌ است،لذا بخش بزرگ ميرايي در مرحلة فشار،در شير زيرين ايجاد مي شود.فشار محفظة A1 و A2  تقريباً يكسان است.هنگام باز شدن چرخ،اتصالات كمك فنر از يكديگر دور مي شوند كه به اين ترتيب ميلة‌پيستون،همراه پيستون به سمت بالا مي‌آيد.

شكل 2-3: براي جلوگيري از پايين آمدن بيش از حد سوراخ در سطح روغن محفظة تعادل فشار C‌ بايد كمك فنر دو جداره به گونه اي نصب كرد كه شيب ميلة پيستون نسبت به خط قائم از 45 درجه بيشتر نباشد(‌يعني 450›C).البته كمك فنر داراي بالشتك گاز از اين قاعده مستثني است.