پایان نامه کمک فنر ها ( بررسی انواع و روش طراحی آن ها )

پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی مکانیک

رشته : مکانیک (حرارت و سیالات)

کمک‌ فنر به همان اندازه که ایمنی حرکت را تضمین می کند، وظیفه خوش سواری
را نیز بر عهده دارد. کمک فنر باید از پریدن( جهیدن) چرخها جلوگیری کند،
یعنی تماس بین چرخ و جاده را همیشه برقرار سازد همچنین کله زدن خودرو را میرا کند.

با طراحی و ساخت سیستم های تعلیق جدید با قطعات نگهدارنده و راهنمای کم اصطکاک، و افزایش سرعت و توان خودرو، امروزه انتظارات از این قطعه نسبت به سالهای گذشته به مراتب بیشتر است.

از این رو هر خودرو، کمک فنر خاص خود را دارد. کمک فنر نیز مانند لاستیک و لنت ترمز، تنش و شرایط کاری دشوار را تحمل می کند و از این رو نیاز به بازدید منظم دارد. تعویض به هنگام کمک فنر می تواند بر ایمنی راننده و سرنشینان اثر مهمی بگذارد. البته در این باره مشکلاتی وجود دارد.

فرسودگی و کارکرد لاستیک را می توان به خوبی از سایش عاج لاستیک دریافت. اما از آنجا که کمک فنر در داخل شاسی قراردارد، بازرسی آن ساده نیست. مشکل دیگر این است که آزمایش کارکرد کمک فنر نصب شده دشوار است.

خرابی و نارسایی کمک فنر، به ندرت ناگهانی و بدون نشانه قبلی بروز می کند. اما، کاهش توان میرایی معمولاً به گونه ای است که راننده کاهش تدریجی آن را حس نمی کند و به مرور زمان، شیوه رانندگی خود را با آن وفق می دهد.

پس فقط کنترل منظم، به شیوه ای که انجمن کنترل خودرو توف با دستگاه آزمایش ارتعاش انجام می دهد،( بخش 1-2 را ببینید)، نارسایی کمک فنر را آشکار می‌کند. انجمن توف راینلند تا به حال بیش از 25 مرکز آزمایش کمک فنر برپا کرده است. آزمایشهایی که شرکت بوگه و فیشتل و ساکس از سال 1972 میلادی تاکنون انجام داده اند، نشان می دهد که سی درصد از خودروهای آزمایش شده. یک کمک فنر خوب داشته اند. در حدود سه درصد از خودروهای آزمایش شده سه یا چهار کمک فنر غیر قابل استفاده داشته اند. سازمان خودرو سازی مرکز فنی آلیانس واقع در محل ایسمانینگ شهر مونیخ با استفاده از همین روش آزمایش به نتایجی مشابه دست یافته است.

1-1-کاربرد و شیوه نصب

کمک فنر را که جزء میرا کننده خودرو است، بین جرم فرم بندی نشده( تعلیق) و جرم فنر بندی شده( بدنه) نصب می کنند. اتصال بالایی کمک فنر را به بدنه خودرو و اتصال پایین آن را به بند واسطه و یا مستقیماً به محور خودرو وصل می کنند. برای دستیابی به بهترین بازده ممکن، محل قرارگیری کمک فنر بر روی شاسی را به گونه‌ای طراحی می کنند که اتصال پایین کاملاً بیرون و در نزدیکی چرخ باشد و کمک فنر عمودی قرار گیرد، ( شکل 1-1). البته دستیابی به این طرح همیشه امکان پذیر نیست.

شیوه و نحوه قرارگیری و نصب کمک فنر در خودرو به پارامترهای زیر بستگی دارد:

از آنجا که در خودروی سواری خانوادگی و باری پایین بودن و افزایش

شکل 1-1: در شکل محور عقب خودروی رنو مدل 9 و 11 را می بینید. کمک فنرها تقریباً عمودی و نزدیکی چرخ قرار گرفته اند. البته برای سهولت نصب و استفاده بهتر از فضا کمی به سمت جلو تمایل دارند. در این خودرو بزرگنمایی ID برابر 24/1 است، یعنی نیروی میرایی وارد بر چرخ 24/1 برابر کمتر از نیروی میرایی کمک فنر است

شکل 1-2: محور عقب امگا کاروان: در شکل شیوه قرار گیری و نصب کمک فنرها بر سگدست را می بینید که به سمت داخل تمایل دارند. به دلیلی شیب دار بودن کمک فنرها نسبت به خط قائم. سطح بارگیری افزایش می یابد. قائم قرار دادن کمک فنرها، سطح بارگیری و فضای داخل خودرو را کاهش می دهد

سطح بارگیری یک نیاز مهم در طراحی به شمار می آید، اغلب کمک فنرها را شیب دار و با زاویه معینی نسبت به خط قائم نصب می کنند،( شکل 1-2).

اندازه و ابعاد لاستیک، به دلیل امکان نصب لاستیک پهن و زنجیر چرخ، کمک فنر را از چرخ دور می کنند. البته مقدار زاویه‌دار کردن کمک فنر در خودرو محدود است. برای جلوگیری از پایین آمدن بیش از حد سطح روغن در محفظه تعادل فشار و مکیده شدن هوا به داخل محفظه کار در کمک فنر دو جداره، زاویه تمایل کمک فنر نسبت به خط قائم، یعنی زاویه  در حالت پربار، نباید حتی المقدور از 45 درجه تجاوز کند، اگر مجبور به نصب کمک فنر با زاویه بزرگتری باشیم، حتماً باید از کمک فنری که مستقل از راستای نصب( موقعیت پیستون)عمل می کند، استفاده کرد.

برای راحتی، سعی بر آن است که در خودروهای سواری جا به جایی فنر( جمع و باز شدن محور) را بیافزایند. به این ترتیب می توان بدون آسیب دیدن لاستیک های ایستان، حتی در شرایط بحرانی و زیر بار از جا به جایی کافی هنگام جمع شدن کمک فنر بهره برد.

اگر به جا به جایی بیشتری نیاز باشد، ناچار باید نسبت میرایی کمک فنر به چرخ را تغییر داد( یعنی نامناسب انتخاب کرد) و یا به علت طول مرده بلندتر، طول کمک فنر را بزرگتر انتخاب کرد. برای نصب یک کمک فنر بلندتر باید نقطه اتصال پایین در سطحی پایین تر و محل اتصال بالا در سطحی بلندتر قرار گیرد. این امر در خودروی اپل امگا صادق است. اتصال چشمی پایینی در ارتفاع 162 میلی متر بالای سطح جاده به سگدست متصل است و اتصال پینی بالایی در داخل صندوق عقب قرار گرفته است و به بدنه پیچ شده است.

شکل 1-3: همان گونه که در شکل بالا( نمای بالا و نمای پشت محور عقب) می‌بینید. کمک فنرها را در اپل سناتور تقریباً عمودی نصب کرده اند، پایین قرار داشتن نقطه اتصال پایین و امتداد دادن اتصال بالایی کمک فنر به صندوق عقب، کورس بلند آن را برابر 280 میلیمتر امکان پذیر می سازد. در اینجا بزرگنماییiD  حدود 9/0 است. فضای آزاد  بین کمک فنر و چرخ را برای نصب زنجیر چرخ و فنر بادی نیمه کشسان تنظیم کننده ارتفاع در نظر گرفته اند.

برای مجهز کردن لاستیک چرخ محرک خودرو به زنجیر چرخ، کمک فنرها کاملاً در داخل و بین فنرهای تخت قرار می گیرند. شکل 1-5 نمایی از محور عقب خودروی باربری دیملر بنز مدل 308/ D  207 ، را نشان می دهد. به دلیلی پایین آمدن سطح باربری و صرفه جویی در فضا، کمک فنرها کمی به سمت جلو نیز متمایل هستند. زاویه دار قرار گرفتن کمک فنر در راستای طولی یا عرضی در خودرو اثر میرایی در حالت پربار را می کاهد. ( شکل 1-2 را ببینید) در هنگام جمع شدن کمک فنر و حرکت همزمان بدنه به سمت بالا، زاویه  بزرگتر می شود و در نتیجه مقدار بزرگنمایی میرایی iD   نیز افزایش می یابد. بدین ترتیب با ثابت ماندن نیروی میرایی FD  ، نیروی میرایی  مؤثر  در نقطه تماس چرخ کاهش می یابد. هر چه کمک فنرها به یکدیگر نزدیکتر باشند( یعنی اتصالات پایین آنها بیشتر در داخل قرار گیرند)، فاصله مؤثر آنها یعنی bD  نسبت به عرض خودرو یعنی bh  کوچکتر می شود( شکل 3-12) و نسبت میراییi تأثیر نامطلوبی در میرایی بدنه دارد

شکل 1-4: نگاهی به زیر شاسی محور جلوی خودروی سیتروئن دیان. در اینجا کمک فنرها کاملاً افقی و موازی با میله های کششی 2 قرار گرفته اند.

هنگام جمع شدن تعلیق در محور جلو و عقب خودروهای سیتروئن مدل دیان 6و سی وی6 ، میله های کششی طولی 2 به کمک بند طولی 1 به فنرهای مارپیچ فشار وارد می کنند،( شکل 1-4 را ببینید).

در این نمونه، کمک فنرها را کاملاً افقی و موازی با میله های 2 نصب می کنند. از این رو کمک فنرها هنگام جمع شدن تعلیق کشیده می شوند،( برخلاف معمول که هنگام جمع شدن تعلیق، کمک فنر فشرده می شود).

کمک فنرهای یک جداره با بالشتک گازی و پیستون گاز که در بخش 2-2-1 بررسی می شود، برای این گونه شرایط کارکرد و نصب به صورت افقی بسیار مناسب هستند.

1-2- آزمایش کمک فنر

1-2-1- آزمایش بر روی خودرو

هنوز هم دارندگان خودرو از آزمایش تجربی کمک فنر یعنی نوسان دادن خودرو در جهت عمودی با دست برای ارزیابی وضعیت سیستم تعلیق و آزمایش کمک فنر استفاده می کنند. این شیوه آزمایش را خودرو سازان و تولید کنندگان کمک فنر صریحاً رد می کنند و برای آن دلایل زیادی دارند. کارکرد یک کمک فنر به سرعت آن بستگی دارد، یعنی سرعتی که با آن میله پیستون در داخل کمک فنر به بالا و پایین حرکت می‌کند.

با نوسان دادن خودرو با دست نمی توان به سرعتهای زیاد دست یافت. واکنش به سرعت های زیاد که برای ایمنی حرکت مهم است، در اینجا آزمایش نمی شود. علاوه بر آن به دلیل وجود اصطکاک درونی در سیستم تعلیق خودرو، نتایج به دست آمده چندان قابل اعتماد نیست یا حتی می تواند اشتباه باشد.

پس از کارکرد زیاد خودرو، مفاصل راهنمای تعلیق به سختی قادر به حرکت هستند، زیرا مقدار اصطکاک درونی موجود نسبتاً زیاد می شود در این صورت اگر کمک فنر به طور مؤثر عمل نکند، اصطکاک درونی سیستم برای میرا کردن نوسانات و ارتعاشات در فرکانس کم کافی است.

از طرف دیگر، اگر خودرویی را که مفاصل تعلیق روان و کمک فنری با اصطکاک درونی اندک دارد، در سرعت کم، بیازمایند. احساس می کنند که خودرو به شدت به نوسان در می آید( حتی هنگامی که کمک فنر به خوبی عمل می کند). دستگاه آزمایش ارتعاشی که شرکت بوگه طراحی و تولید کرده است، آزمایش صحیح کمک فنر را میسر می کند،( شکل 1-5) در این دستگاه هر دو محور در جهت عمودی و در حالت بحرانی به نوسان در می آیند. هنگام عبور از حالت بحرانی، فرکانس تشدید و دامنه بیشینه سیستم تعلیق را با واحد میلیمتر اندازه گیری می کنند. این مقادیر را با حد مجازی که سازنده خودرو تعیین کرده است، مقایسه می کنند.

مشکلات دستگاه آزمایش ارتعاش عبارتند از:

علاوه بر میرایی کمک فنر، اصطکاک مکانیزم سیستم تعلیق( بوشهای راهنما و مفاصل گویی) نیز در نتایج به دست آمده دخیل هستند. اگر مقدار اصطکاک زیاد باشد. به اشتباه چنین نتیجه گیری می شود که کمک فنر کارآیی لازم را دارد.

به دلیل محدودیت فرکانس و دامنه ورودی، دستگاه سنجش ارتعاش، کارآیی کمک فنر را فقط در محدوده باریک سرعت می آزماید. از این رو با این نتایج نمی توان کارآیی کمک فنر را در محدوده کاری واقعی ارزیابی کرد.

شکل 1-5: دستگاه آزمایش ارتعاش ساخت شرکت بوگه. لرزاننده 4 به اندازه دامنه حرکت لنگ الکتروموتور در جهت عمودی به نوسان در می آید. با قطع کرده ( خاموش کردن) محرک، جرم محور از محدوده فرکانس تشدید عبور می کند. به کمک دامنه نوسان در بازه یاد شده می توان با استفاده از رابطه فیزیکی( که بین دامنه نوسان و نیروی میرایی وجود دارد) به مقدار نیروی میرایی دست یافت و نحوه کارکرد کمک فنر را ارزیابی کرد.

شکل 1-6: چرخه آزمایش کمک فنر بر روی دستگاه آزمایشVDA . در آزمایش خودکار کمک فنر، نیروی میرایی پس از طی کردن ششمین کورس در سرعت معینی اندازه گیری می شود. اندازه گیری نیروی میرایی در ششمین کورس به این علت است که بتوان با گذشت پنج کورس قبلی از هواگیری کمک فنر ونیز دقت اندازه گیری سرعت پیستون و نیروی میرایی اطمینان یافت. از آنجا که تغییر دادن فرکانس و تعداد دور ساده تر از تغییر دادن دامنه نوسان است، کورس پیستون برابر با 100 میلیمتر ثابت نگه داشته می شود. 

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)