يقع ذراع التأرجح عادة بين العجلة والجسم، وهو مكون أمان مرتبط بالسائق ينقل القوة، ويضعف انتقال الاهتزاز، ويتحكم في الاتجاه.
يقع ذراع التأرجح عادةً بين العجلة والجسم، وهو مُكوّن أمان مُرتبط بالسائق، ينقل القوة، ويُقلل من انتقال الاهتزازات، ويُتحكم في الاتجاه. تُقدّم هذه المقالة التصميم الهيكلي الشائع لذراع التأرجح في السوق، وتُقارن وتُحلّل تأثير الهياكل المختلفة على العملية والجودة والسعر.
ينقسم نظام تعليق هيكل السيارة تقريبًا إلى نظام تعليق أمامي ونظام تعليق خلفي. يحتوي كلا النظامين على أذرع تأرجح تربط العجلات بهيكل السيارة. عادةً ما تقع هذه الأذرع بين العجلات وهيكل السيارة.
يتمثل دور ذراع التوجيه في ربط العجلة بالهيكل، ونقل القوة، وتقليل انتقال الاهتزازات، والتحكم في الاتجاه. وهو عنصر أمان يتعلق بالسائق. يحتوي نظام التعليق على أجزاء هيكلية ناقلة للقوة، مما يسمح للعجلات بالتحرك بالنسبة للجسم وفق مسار محدد. تنقل هذه الأجزاء الهيكلية الحمل، ويتحمل نظام التعليق بأكمله أداء التحكم في السيارة.
الوظائف المشتركة وتصميم هيكل ذراع تأرجح السيارة
1. لتلبية متطلبات نقل الحمل وتصميم هيكل الذراع المتأرجح والتكنولوجيا
تستخدم معظم السيارات الحديثة أنظمة تعليق مستقلة. ووفقًا لأشكالها الهيكلية المختلفة، يمكن تقسيم أنظمة التعليق المستقلة إلى نوع عظم الترقوة، ونوع ذراع السحب، ونوع متعدد الوصلات، ونوع الشمعة، ونوع ماكفرسون. يُعد كل من الذراع المتقاطع والذراع السحب هيكلًا ثنائي القوة لذراع واحد في نظام متعدد الوصلات، مع نقطتي اتصال. يُجمع قضيبان ثنائيا القوة على المفصل العام بزاوية معينة، وتشكل خطوط توصيل نقاط الاتصال هيكلًا مثلثيًا. يُعد ذراع ماكفرسون السفلي للتعليق الأمامي ذراعًا متأرجحًا نموذجيًا بثلاث نقاط اتصال. ويشكل الخط الذي يربط نقاط الاتصال الثلاث هيكلًا مثلثيًا مستقرًا يتحمل الأحمال في اتجاهات متعددة.
يتميز ذراع التأرجح ثنائي القوة بهيكل بسيط، وغالبًا ما يُحدد تصميمه الهيكلي وفقًا لاختلاف الخبرات المهنية وسهولة المعالجة لكل شركة. على سبيل المثال، هيكل الصفائح المعدنية المختومة (انظر الشكل 1)، يتكون هيكل التصميم من صفيحة فولاذية واحدة بدون لحام، ويكون تجويف الهيكل في الغالب على شكل حرف "I"؛ هيكل الصفائح المعدنية الملحومة (انظر الشكل 2)، يتكون هيكل التصميم من صفيحة فولاذية ملحومة، ويكون تجويف الهيكل في الغالب على شكل حرف "口"؛ أو تُستخدم ألواح تقوية محلية للحام وتقوية الوضع الخطير؛ هيكل معالجة آلة تشكيل الفولاذ، يكون تجويف الهيكل صلبًا، ويتم تعديل شكله في الغالب وفقًا لمتطلبات تصميم الهيكل؛ هيكل معالجة آلة تشكيل الألومنيوم (انظر الشكل 3)، يكون تجويف الهيكل صلبًا، ومتطلبات الشكل مشابهة لتزوير الفولاذ؛ هيكل أنبوب الفولاذ بسيط في الهيكل، ويكون تجويف الهيكل دائريًا.
هيكل ذراع التأرجح ثلاثي النقاط معقد، وغالبًا ما يُحدد تصميمه الهيكلي وفقًا لمتطلبات مُصنِّع المعدات الأصلية. في تحليل محاكاة الحركة، لا يتداخل ذراع التأرجح مع الأجزاء الأخرى، ومعظمها يتطلب مسافة دنيا. على سبيل المثال، يُستخدم هيكل الصفائح المعدنية المختومة غالبًا بالتزامن مع هيكل الصفائح المعدنية الملحومة، حيث يُغيّر ثقب تسخير المستشعر أو دعامة توصيل قضيب التثبيت، وما إلى ذلك، هيكل تصميم ذراع التأرجح؛ حيث يظل التجويف الهيكلي على شكل "فم"، ويكون تجويف ذراع التأرجح مغلقًا. الهيكل المُشكَّل بالطرق، يكون التجويف الهيكلي في الغالب على شكل حرف "I"، ويتميز بخصائص تقليدية لمقاومة الالتواء والانحناء؛ الهيكل المُشكَّل بالصب، والشكل والتجويف الهيكلي مُجهَّزان في الغالب بأضلاع تقوية وثقوب لتخفيف الوزن وفقًا لخصائص الصب؛ لحام الصفائح المعدنية: الهيكل المُدمج مع التشكيل بالطرق، ونظرًا لمتطلبات مساحة تصميم هيكل السيارة، يتم دمج الوصلة الكروية في التشكيل بالطرق، ويتم توصيل التشكيل بالصفائح المعدنية. يوفر هيكل تصنيع الألومنيوم المزور المصبوب استخدامًا وإنتاجية أفضل للمواد مقارنة بالطرق، كما أنه يتفوق على قوة المواد المصبوبة، وهو تطبيق للتكنولوجيا الجديدة.
2. تقليل انتقال الاهتزازات 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 الفعل الرأسية لسطح الطريق المؤثرة على العجلات غالبًا ما تكون مؤثرة، خاصةً عند القيادة بسرعة عالية على سطح طريق غير ممهد، مما يسبب أيضًا شعورًا بعدم الراحة للسائق. تم تركيب عناصر مرنة في نظام التعليق، وتحويل الوصلة الصلبة إلى وصلة مرنة. بعد اصطدام العنصر المرن، يولد اهتزازًا، وهذا الاهتزاز المستمر يجعل السائق يشعر بعدم الراحة، لذلك يحتاج نظام التعليق إلى عناصر تخميد لتقليل سعة الاهتزاز بسرعة.
نقاط التوصيل في التصميم الهيكلي لذراع التأرجح هي وصلة العناصر المرنة ووصلة المفصل الكروي. توفر هذه العناصر المرنة تخميدًا للاهتزازات ودرجات حرية دورانية وتذبذبية محدودة. تُستخدم البطانات المطاطية غالبًا كمكونات مرنة في السيارات، كما تُستخدم البطانات الهيدروليكية والمفصلات المتقاطعة.
الشكل 2 ذراع تأرجح لحام الصفائح المعدنية
يتكون هيكل البطانة المطاطية في الغالب من أنبوب فولاذي بطبقة خارجية مطاطية، أو هيكل شطيرة من أنبوب فولاذي ومطاط وأنابيب فولاذية. يتطلب الأنبوب الفولاذي الداخلي متطلبات مقاومة الضغط والقطر، وتتميز أطرافه بنقوش مانعة للانزلاق. تُعدّل طبقة المطاط تركيبة المادة وهيكل التصميم وفقًا لمتطلبات الصلابة المختلفة.
غالبًا ما تتطلب الحلقة الفولاذية الخارجية زاوية إدخال، مما يساعد على التثبيت بالضغط.
تتميز البطانة الهيدروليكية بهيكل معقد، وهي منتج ذو عملية معقدة وقيمة مضافة عالية ضمن فئة البطانة. يوجد تجويف في المطاط وزيت في التجويف. يُصمم هيكل التجويف وفقًا لمتطلبات أداء البطانة. في حال تسرب الزيت، تتلف البطانة. توفر البطانة الهيدروليكية منحنى صلابة أفضل، مما يؤثر على قابلية قيادة السيارة بشكل عام.
تتميز المفصلة المتقاطعة بهيكل معقد، وهي مكونة من مفصلات مطاطية وكرات. تتميز بمتانة أفضل من البطانات، وزاوية تأرجح ودوران أفضل، ومنحنى صلابة خاص، وتلبي متطلبات أداء المركبة بأكملها. يُصدر تلف المفصلات المتقاطعة ضوضاء داخل الكابينة أثناء حركة المركبة.
3. مع حركة العجلة، يتغير التصميم الهيكلي لعنصر التأرجح عند نقطة اتصال ذراع التأرجح
يؤدي عدم استواء سطح الطريق إلى قفز العجلات لأعلى ولأسفل بالنسبة للجسم (الإطار)، وفي الوقت نفسه تتحرك العجلات، مثل الدوران أو السير بشكل مستقيم، مما يتطلب مسارًا معينًا لتلبية متطلبات معينة. يتصل ذراع التأرجح والمفصل العام في الغالب بمفصلة كروية.
مفصل ذراع التأرجح الكروي يوفر زاوية تأرجح أكبر من ±18 درجة، وزاوية دوران 360 درجة. يلبي تمامًا متطلبات دوران العجلات وتوجيهها. كما يلبي المفصل الكروي شروط الضمان لمدة سنتين أو 60,000 كم، و3 سنوات أو 80,000 كم للمركبة بأكملها.
وفقًا لطرق توصيل ذراع التأرجح بمفصلة الكرة (وصلة الكرة)، يمكن تقسيمها إلى وصلة برغي أو برشام، حيث تحتوي المفصلة الكروية على شفة؛ وصلة تداخل بالضغط، حيث لا تحتوي المفصلة الكروية على شفة؛ وصلة متكاملة، حيث يجمع ذراع التأرجح ومفصلة الكرة في جهاز واحد. في الهياكل المعدنية المفردة والهياكل الملحومة متعددة الصفائح، يُستخدم النوعان الأولان من التوصيلات على نطاق واسع؛ بينما يُستخدم النوع الثاني من التوصيلات مثل تشكيل الفولاذ وتشكيل الألومنيوم والحديد الزهر على نطاق واسع.
يجب أن تلبي المفصلة الكروية متطلبات مقاومة التآكل تحت ظروف الحمل، لأن زاوية العمل أكبر من زاوية الجلبة، مما يزيد من متطلبات عمرها الافتراضي. لذلك، يجب تصميم المفصلة الكروية كهيكل متكامل، يتضمن نظام تزييت جيد للتأرجح ونظام تزييت مقاوم للغبار والماء.
الشكل 3 ذراع تأرجح من الألومنيوم المطروق
تأثير تصميم ذراع التأرجح على الجودة والسعر
1. عامل الجودة: كلما كان أخف كان أفضل
يُعد التردد الطبيعي للجسم (المعروف أيضًا بتردد الاهتزاز الحر لنظام الاهتزاز)، والذي يُحدد بصلابة التعليق والكتلة التي يدعمها زنبرك التعليق (الكتلة النابضة)، أحد أهم مؤشرات أداء نظام التعليق التي تؤثر على راحة قيادة السيارة. تردد الاهتزاز الرأسي الذي يستخدمه جسم الإنسان هو تردد حركة الجسم لأعلى ولأسفل أثناء المشي، والذي يتراوح بين 1 و1.6 هرتز تقريبًا. يجب أن يكون التردد الطبيعي للجسم قريبًا قدر الإمكان من هذا النطاق الترددي. عندما تكون صلابة نظام التعليق ثابتة، كلما كانت الكتلة النابضة أصغر، قلّ التشوه الرأسي للتعليق، وارتفع التردد الطبيعي.
عندما يكون الحمل الرأسي ثابتًا، كلما كانت صلابة التعليق أصغر، كلما انخفض التردد الطبيعي للسيارة، وكلما كبرت المساحة المطلوبة لقفز العجلة لأعلى ولأسفل.
عندما تكون حالة الطريق وسرعة السيارة متماثلتين، كلما صغرت الكتلة غير المعلقة، قلّ تأثير الصدمة على نظام التعليق. تشمل الكتلة غير المعلقة كتلة العجلة، والمفصل العام، وكتلة ذراع التوجيه، وغيرها.
بشكل عام، يتمتع ذراع التأرجح المصنوع من الألومنيوم بأخف كتلة، بينما يتمتع ذراع التأرجح المصنوع من الحديد الزهر بأكبر كتلة. أما الأنواع الأخرى، فتقع بين هذين الوزنين.
نظرًا لأن كتلة مجموعة أذرع التأرجح أقل من 10 كجم في الغالب، مقارنة بمركبة تزيد كتلتها عن 1000 كجم، فإن كتلة ذراع التأرجح لها تأثير ضئيل على استهلاك الوقود.
2. عامل السعر: يعتمد على خطة التصميم
كلما زادت المتطلبات، ارتفعت التكلفة. وبما أن قوة وصلابة هيكل ذراع التأرجح تلبي المتطلبات، فإن متطلبات تحمل التصنيع، وصعوبة عملية التصنيع، ونوع المادة وتوافرها، ومتطلبات تآكل السطح، جميعها تؤثر بشكل مباشر على السعر. على سبيل المثال، عوامل مقاومة التآكل: يمكن للطلاء المجلفن كهربائيًا، من خلال التخميل السطحي والمعالجات الأخرى، تحقيق حوالي 144 ساعة؛ وتنقسم حماية السطح إلى طلاء طلاء كهروفوري كاثودي، والذي يمكن أن يحقق مقاومة للتآكل لمدة 240 ساعة من خلال تعديل سمك الطلاء وطرق المعالجة؛ وطلاء الزنك والحديد أو الزنك والنيكل، والذي يمكنه تلبية متطلبات اختبار مقاومة التآكل لأكثر من 500 ساعة. مع زيادة متطلبات اختبار التآكل، تزداد تكلفة القطعة.
يمكن تقليل التكلفة عن طريق مقارنة مخططات التصميم والهيكل للذراع المتأرجح.
كما نعلم جميعًا، تختلف أداءات نقاط التوصيل الصلبة باختلاف ترتيباتها. وتجدر الإشارة إلى أن نفس ترتيب نقاط التوصيل الصلبة وتصميمات نقاط التوصيل المختلفة قد تختلف في التكلفة.
هناك ثلاثة أنواع من التوصيلات بين الأجزاء الهيكلية والمفاصل الكروية: التوصيل عبر الأجزاء القياسية (البراغي والصواميل والمسامير)، والتوصيل بالتداخل، والدمج. مقارنةً بهيكل التوصيل القياسي، يُقلل هيكل التوصيل بالتداخل من أنواع الأجزاء، مثل البراغي والصواميل والمسامير وغيرها. كما أن الهيكل المتكامل المكون من قطعة واحدة يُقلل من عدد أجزاء غلاف المفصل الكروي مقارنةً بهيكل التوصيل بالتداخل.
هناك نوعان من الاتصال بين العضو الهيكلي والعنصر المرن: العناصر المرنة الأمامية والخلفية متوازية محوريًا وعمودية محوريًا. تحدد الطرق المختلفة عمليات التجميع المختلفة. على سبيل المثال، يكون اتجاه ضغط الجلبة في نفس الاتجاه وعموديًا على جسم ذراع التأرجح. يمكن استخدام مكبس مزدوج الرأس أحادي المحطة لضغط الجلبات الأمامية والخلفية في نفس الوقت، مما يوفر القوى العاملة والمعدات والوقت؛ إذا كان اتجاه التركيب غير متسق (رأسيًا)، يمكن استخدام مكبس مزدوج الرأس أحادي المحطة لضغط الجلبة وتثبيتها على التوالي، مما يوفر القوى العاملة والمعدات؛ عندما تكون الجلبة مصممة للضغط من الداخل، يلزم وجود محطتين ومكبستين، لضغط الجلبة على التوالي.
