يقع ذراع التأرجح عادة بين العجلة والهيكل، وهو عنصر أمان مرتبط بالسائق ينقل القوة، ويضعف انتقال الاهتزاز، ويتحكم في الاتجاه.
يقع ذراع التأرجح عادةً بين العجلة وهيكل المركبة، وهو عنصر أمان مهم لحماية السائق، إذ ينقل القوة ويقلل من انتقال الاهتزازات ويتحكم في الاتجاه. تتناول هذه المقالة التصميم الهيكلي الشائع لذراع التأرجح المتوفر في السوق، وتقارن وتحلل تأثير الهياكل المختلفة على عملية التصنيع والجودة والسعر.
ينقسم نظام تعليق هيكل السيارة تقريبًا إلى نظام تعليق أمامي ونظام تعليق خلفي. يحتوي كلا النظامين على أذرع متأرجحة لربط العجلات بهيكل السيارة، وعادةً ما تقع هذه الأذرع بين العجلات وهيكل السيارة.
تتمثل وظيفة ذراع التوجيه المتأرجح في ربط العجلة بالهيكل، ونقل القوة، وتقليل انتقال الاهتزازات، والتحكم في الاتجاه. وهو عنصر أمان مهم للسائق. يحتوي نظام التعليق على أجزاء هيكلية ناقلة للقوة، بحيث تتحرك العجلات بالنسبة لهيكل السيارة وفق مسار محدد. تنقل هذه الأجزاء الهيكلية الحمل، ويتحمل نظام التعليق بأكمله أداء السيارة.
الوظائف الشائعة والتصميم الهيكلي لذراع التأرجح في السيارة
1. لتلبية متطلبات نقل الأحمال، تصميم هيكل الذراع المتأرجح والتكنولوجيا
تستخدم معظم السيارات الحديثة أنظمة تعليق مستقلة. وبحسب تصميمها، تُصنّف أنظمة التعليق المستقلة إلى أربعة أنواع: نظام التعليق ذو الأذرع المتقاطعة، ونظام التعليق ذو الأذرع الخلفية، ونظام التعليق متعدد الوصلات، ونظام التعليق ذو الأذرع المتقاطعة، ونظام ماكفرسون. في نظام التعليق متعدد الوصلات، يُمثّل كل من الذراع المتقاطع والذراع الخلفية هيكلاً ثنائي القوة، حيث يتصلان بنقطتي اتصال. يتم تجميع قضيبين ثنائيي القوة على المفصل العالمي بزاوية محددة، وتشكل خطوط الاتصال بين نقاط الاتصال بنية مثلثة. أما ذراع التعليق الأمامي السفلي في نظام ماكفرسون، فهو ذراع متأرجح ثلاثي النقاط، ويتصل بثلاث نقاط اتصال. يشكل الخط الواصل بين نقاط الاتصال الثلاث بنية مثلثة مستقرة قادرة على تحمل الأحمال في اتجاهات متعددة.
يتميز هيكل ذراع التأرجح ثنائي القوة بالبساطة، وغالبًا ما يُحدد التصميم الهيكلي وفقًا للخبرة المهنية المختلفة وسهولة التصنيع لكل شركة. على سبيل المثال، في هيكل الصفائح المعدنية المختومة (انظر الشكل 1)، يكون التصميم عبارة عن صفيحة فولاذية واحدة غير ملحومة، ويكون تجويف الهيكل في الغالب على شكل حرف "I". أما في هيكل الصفائح المعدنية الملحومة (انظر الشكل 2)، فيكون التصميم عبارة عن صفيحة فولاذية ملحومة، ويكون تجويف الهيكل في الغالب على شكل حرف "口". أو تُستخدم صفائح تقوية موضعية للحام وتقوية المناطق الخطرة. في هيكل معالجة آلة تشكيل الفولاذ، يكون تجويف الهيكل صلبًا، ويتم تعديل الشكل في الغالب وفقًا لمتطلبات تصميم الهيكل. في هيكل معالجة آلة تشكيل الألومنيوم (انظر الشكل 3)، يكون تجويف الهيكل صلبًا، وتكون متطلبات الشكل مشابهة لتشكيل الفولاذ. أما هيكل الأنابيب الفولاذية فهو بسيط في تركيبه، ويكون تجويف الهيكل دائريًا.
يُعدّ هيكل ذراع التأرجح ثلاثي النقاط معقدًا، وغالبًا ما يُحدد التصميم الهيكلي وفقًا لمتطلبات الشركة المصنعة الأصلية. في تحليل محاكاة الحركة، يجب ألا يتداخل ذراع التأرجح مع الأجزاء الأخرى، ومعظمها يخضع لمتطلبات مسافة دنيا. على سبيل المثال، يُستخدم هيكل الصفائح المعدنية المختومة في الغالب بالتزامن مع هيكل الصفائح المعدنية الملحومة، وسيؤدي وجود فتحة لحزمة أسلاك المستشعر أو دعامة توصيل قضيب التثبيت، وما إلى ذلك، إلى تغيير هيكل ذراع التأرجح؛ ويظل التجويف الهيكلي على شكل "فم"، وسيكون الهيكل المغلق لذراع التأرجح أفضل من الهيكل المفتوح. أما في الهيكل المُشكّل بالتشكيل، فيكون التجويف الهيكلي في الغالب على شكل حرف "I"، والذي يتميز بخصائص تقليدية من مقاومة الالتواء والانحناء؛ وفي الهيكل المُشكّل بالصب، يتم تجهيز الشكل والتجويف الهيكلي في الغالب بأضلاع تقوية وفتحات لتقليل الوزن وفقًا لخصائص الصب؛ أما في الهيكل المُدمج مع التشكيل باللحام المعدني، ونظرًا لمتطلبات مساحة التخطيط لهيكل السيارة، يتم دمج المفصل الكروي في التشكيل، ويتم توصيل التشكيل بالصفائح المعدنية؛ يوفر هيكل تشكيل الألمنيوم المصبوب والمطروق استخدامًا أفضل للمواد وإنتاجية أعلى من التشكيل، كما أنه يتفوق على قوة المواد المستخدمة في المسبوكات، وهو تطبيق للتكنولوجيا الجديدة.
2. تقليل انتقال الاهتزاز إلى الجسم، والتصميم الهيكلي للعنصر المرن عند نقطة اتصال ذراع التأرجح
بما أن سطح الطريق الذي تسير عليه السيارة لا يمكن أن يكون مستويًا تمامًا، فإن قوة رد فعل سطح الطريق العمودية المؤثرة على العجلات غالبًا ما تكون قوية، خاصةً عند القيادة بسرعات عالية على طريق وعر، مما يُسبب شعورًا بعدم الراحة للسائق. ولذلك، تُركّب عناصر مرنة في نظام التعليق، لتحويل الوصلة الصلبة إلى وصلة مرنة. بعد تعرض العنصر المرن للصدمة، يُولّد اهتزازًا، وهذا الاهتزاز المستمر يُسبب شعورًا بعدم الراحة للسائق، لذا يحتاج نظام التعليق إلى عناصر تخميد لتقليل سعة الاهتزاز بسرعة.
تعتمد نقاط التوصيل في التصميم الهيكلي لذراع التأرجح على وصلات العناصر المرنة ووصلات المفاصل الكروية. توفر العناصر المرنة تخميدًا للاهتزازات وعددًا محدودًا من درجات حرية الدوران والتذبذب. تُستخدم البطانات المطاطية عادةً كمكونات مرنة في السيارات، كما تُستخدم البطانات الهيدروليكية والمفاصل المتقاطعة أيضًا.
الشكل 2: ذراع متأرجح للحام الصفائح المعدنية
يتكون هيكل الجلبة المطاطية في الغالب من أنبوب فولاذي مغطى بالمطاط، أو من هيكل مركب من أنبوب فولاذي-مطاط-أنبوب فولاذي. يتطلب الأنبوب الفولاذي الداخلي مقاومة للضغط وقطرًا محددًا، كما أن الحواف المسننة المانعة للانزلاق شائعة في كلا الطرفين. أما الطبقة المطاطية، فتُعدَّل تركيبتها وهيكلها وفقًا لمتطلبات الصلابة المختلفة.
غالباً ما تتطلب الحلقة الفولاذية الخارجية زاوية دخول محددة، مما يسهل عملية التركيب بالضغط.
تتميز الجلبة الهيدروليكية ببنية معقدة، وهي منتج ذو قيمة مضافة عالية ضمن فئة الجلبات، ويخضع لعملية تصنيع معقدة. تحتوي الجلبة على تجويف مطاطي مملوء بالزيت. يُصمم هيكل التجويف وفقًا لمتطلبات أداء الجلبة. في حال تسرب الزيت، تتلف الجلبة. توفر الجلبات الهيدروليكية منحنى صلابة أفضل، مما يؤثر إيجابًا على أداء قيادة المركبة بشكل عام.
يتميز المفصل العرضي ببنية معقدة، وهو جزء مركب من المطاط والمفصل الكروي. يوفر هذا المفصل متانة أفضل من الجلبة، وزاوية تأرجح ودوران مناسبة، ومنحنى صلابة خاص، ويلبي متطلبات أداء المركبة ككل. يؤدي تلف المفصل العرضي إلى إحداث ضوضاء داخل مقصورة القيادة أثناء سير المركبة.
3. مع حركة العجلة، يتغير التصميم الهيكلي لعنصر التأرجح عند نقطة اتصال ذراع التأرجح
يتسبب سطح الطريق غير المستوي في قفز العجلات لأعلى ولأسفل بالنسبة لهيكل الدراجة، وفي الوقت نفسه تتحرك العجلات، كالانعطاف أو السير في خط مستقيم، مما يتطلب مسارًا محددًا للعجلات. ويرتبط ذراع التأرجح والمفصل العالمي في الغالب بمفصل كروي.
يُتيح مفصل الكرة في ذراع التأرجح زاوية تأرجح أكبر من ±18 درجة، وزاوية دوران 360 درجة. ويلبي هذا المفصل متطلبات انحراف العجلات والتوجيه بشكل كامل. كما يُغطي ضمان المفصل الكروي المركبة بالكامل لمدة سنتين أو 60,000 كيلومتر، ولمدة ثلاث سنوات أو 80,000 كيلومتر.
بحسب طرق التوصيل المختلفة بين ذراع التأرجح والمفصل الكروي، يمكن تقسيمها إلى توصيل بالبراغي أو المسامير، حيث يحتوي المفصل الكروي على شفة؛ وتوصيل بالضغط والتداخل، حيث لا يحتوي المفصل الكروي على شفة؛ والتوصيل المتكامل، حيث يكون ذراع التأرجح والمفصل الكروي وحدة واحدة. بالنسبة للهياكل المعدنية ذات الصفيحة الواحدة والهياكل المعدنية الملحومة متعددة الصفائح، يُستخدم النوعان الأولان من التوصيلات على نطاق أوسع؛ أما النوع الأخير من التوصيلات، مثل التوصيل بالفولاذ المطروق والألومنيوم المطروق والحديد الزهر، فيُستخدم على نطاق أوسع.
يجب أن يتمتع المفصل الكروي بمقاومة عالية للتآكل تحت ظروف التحميل، نظرًا لزاوية عمله الأكبر مقارنةً بالجلبة، مما يتطلب عمرًا أطول. لذلك، يجب تصميم المفصل الكروي كهيكل متكامل، يشمل تزييتًا جيدًا لحركة التأرجح ونظام تزييت مقاوم للغبار والماء.
الشكل 3: ذراع تأرجح مصنوع من الألومنيوم المطروق
تأثير تصميم ذراع التأرجح على الجودة والسعر
1. عامل الجودة: كلما كان الوزن أخف كان ذلك أفضل
يُعد التردد الطبيعي للجسم (المعروف أيضًا بتردد الاهتزاز الحر لنظام التعليق)، والذي تحدده صلابة نظام التعليق والكتلة التي يدعمها نابض التعليق (الكتلة المعلقة)، أحد أهم مؤشرات أداء نظام التعليق، إذ يؤثر على راحة الركوب في السيارة. ويُعرف تردد الاهتزاز الرأسي الذي يستخدمه جسم الإنسان بتردد حركته لأعلى ولأسفل أثناء المشي، ويتراوح بين 1 و1.6 هرتز تقريبًا. وينبغي أن يكون التردد الطبيعي للجسم قريبًا قدر الإمكان من هذا النطاق الترددي. وعندما تكون صلابة نظام التعليق ثابتة، كلما قلت الكتلة المعلقة، قلّ التشوه الرأسي لنظام التعليق، وارتفع التردد الطبيعي.
عندما يكون الحمل الرأسي ثابتًا، كلما قلت صلابة نظام التعليق، انخفض التردد الطبيعي للسيارة، وزادت المساحة المطلوبة للعجلة للقفز لأعلى ولأسفل.
عندما تكون ظروف الطريق وسرعة المركبة متماثلتين، كلما قلّت الكتلة غير المعلقة، قلّ حمل الصدمة على نظام التعليق. تشمل الكتلة غير المعلقة كتلة العجلات، وكتلة المفصل العالمي، وكتلة ذراع التوجيه، وغيرها.
بشكل عام، يتميز ذراع التأرجح المصنوع من الألومنيوم بأخف وزن، بينما يتميز ذراع التأرجح المصنوع من الحديد الزهر بأكبر وزن. أما الأنواع الأخرى فتقع بينهما.
بما أن كتلة مجموعة أذرع التأرجح في الغالب أقل من 10 كجم، مقارنة بمركبة كتلتها أكثر من 1000 كجم، فإن كتلة ذراع التأرجح لها تأثير ضئيل على استهلاك الوقود.
2. عامل السعر: يعتمد على خطة التصميم
كلما زادت المتطلبات، ارتفعت التكلفة. وبافتراض أن قوة وصلابة ذراع التأرجح الهيكلية تلبي المتطلبات، فإن متطلبات دقة التصنيع، وصعوبة عملية التصنيع، ونوع المواد وتوافرها، ومتطلبات مقاومة التآكل السطحي، كلها تؤثر بشكل مباشر على السعر. على سبيل المثال، عوامل مقاومة التآكل: يمكن للطلاء المجلفن كهربائياً، من خلال التخميل السطحي ومعالجات أخرى، أن يحقق مقاومة للتآكل تصل إلى 144 ساعة تقريباً؛ وتنقسم حماية السطح إلى طلاء الطلاء الكهربائي الكاثودي، الذي يمكن أن يحقق مقاومة للتآكل تصل إلى 240 ساعة من خلال ضبط سمك الطلاء وطرق المعالجة؛ وطلاء الزنك والحديد أو الزنك والنيكل، الذي يمكن أن يلبي متطلبات اختبار مقاومة التآكل لأكثر من 500 ساعة. ومع زيادة متطلبات اختبار التآكل، تزداد تكلفة القطعة.
يمكن تقليل التكلفة من خلال مقارنة تصميمات ومخططات هيكل الذراع المتأرجح.
كما نعلم جميعاً، تُؤدي ترتيبات نقاط التثبيت المختلفة إلى أداء قيادة مُتباين. وتجدر الإشارة تحديداً إلى أن نفس ترتيب نقاط التثبيت وتصميمات نقاط التوصيل المختلفة قد تُؤدي إلى تكاليف مُتباينة.
توجد ثلاثة أنواع من الوصلات بين الأجزاء الهيكلية والمفاصل الكروية: الوصلة باستخدام أجزاء قياسية (مسامير، صواميل، أو برشام)، ووصلة التداخل، والوصلة المتكاملة. بالمقارنة مع الوصلة القياسية، تقلل وصلة التداخل من عدد أنواع الأجزاء المستخدمة، مثل المسامير والصواميل والبرشام وغيرها. كما أن الوصلة المتكاملة قطعة واحدة تقلل من عدد أجزاء غلاف المفصل الكروي.
توجد طريقتان للربط بين العنصر الإنشائي والعنصر المرن: إما أن يكون العنصران المرنان الأمامي والخلفي متوازيين محوريًا أو متعامدين محوريًا. وتحدد الطرق المختلفة عمليات تجميع مختلفة. على سبيل المثال، إذا كان اتجاه ضغط الجلبة في نفس اتجاه جسم ذراع التأرجح وعموديًا عليه، فيمكن استخدام مكبس أحادي المحطة مزدوج الرأس لضغط الجلبتين الأمامية والخلفية في آنٍ واحد، مما يوفر الجهد والمعدات والوقت. أما إذا كان اتجاه التركيب غير متناسق (عموديًا)، فيمكن استخدام مكبس أحادي المحطة مزدوج الرأس لضغط الجلبة وتركيبها على التوالي، مما يوفر الجهد والمعدات. وعندما تُصمم الجلبة ليتم ضغطها من الداخل، يلزم وجود محطتين ومكبسين لضغط الجلبة وتركيبها على التوالي.
