سيستم هاي تعليق هيدروپنوماتيک | بهمن موتور

سيستم هاي تعليق هيدروپنوماتيک

سيستم هاي تعليق هيدروپنوماتيک

 منبع : مهندسی محصول بهمن موتور

 نويسنده : مسعود اسدی گرما رودی - مهبد معین جهرمی     ایمیل : masoud.asadi@yahoo.com - mahbodmoeinjahromi@bmcenterco.com

1- سيستم هاي تعليق هيدروپنوماتيک
از چهل سال پيش، سيتروئن يک سيستم اساساٌ متفاوت را به منظور ايجاد راحتي در صنعت خودرو به کار گرفته که سيستم تعليق هيدروپنوماتيک ناميده شده است (شکل 1). سيستمي که علاوه بر سيستم تعليق مي تواند در سيستم ترمز و فرمان نيز بکار برده شود. اساس تکنولوژي آن هيدروليک،  است. با بکارگيري آنها، سيستم تعليق فوق العاده نرم و راحت توسط تقابل سيال و گاز تحت فشار بدست می آيد و از اين نظر بسيار شبيه سيستم هيدروگاز مذکور در قسمت قبلي می باشد. سيتروئن ابتدا آن را به صورت محدود در چندين مدل امتحان کرد و سپس آن را در بسياري از خودروهاي خود مورد استفاده قرار داد. در اينجا يک مدل ساده از آن را که روي مدل BX نصب شده، شرح داده می شود.
 

شکل1 سيستم تعليق هيدروپنوماتيک

 
سيستم توسط يک پمپ هيدروليک که توسط تسمه به موتور متصل است تغذيه می شود. پمپ سيال پرفشار را به آکومولاتور رسانده و در آنجا سيال ذخيره شده و آماده تخليه در مدار خود تنظيم می شود. اين پمپ هم چنين براي فرمان هيدروليک و ترمزها و در مدل DS براي گيربکس نيمه اتوماتيک نيز بکار برده می شود. قسمت کره اي همانند فنرها در تعليق هاي معمولي هستند و ضربه گيرها در حقيقت عضوهاي هيدروليکي هستند که باعث می شوند سيال مانند فنر عمل کند. عملکرد فنري در اين سيستم تعليق توسط عضوهاي هيدروليکي که آکومولاتور ناميده می شود، تامين می شود. آکومولاتور شامل مجموعه گاز (معمولاً نيتروژن) تحت فشار در يک محفظه بطري شکل با ديافراگم می باشد که در حقيقت يک بالن يا عضو کره اي (شکل2) است که اجازه مي دهد سيال تحت فشار، گاز را فشرده کند و پس از آن با افت فشار، گاز سيال را به عقب رانده تا همواره فشار سيستم بالا نگه داشته شود.
 

لوله  که به پمپ هيدروليک متصل می شود                                               پيستون که به ميل کمک متصل می شود
 شکل 2 عضوهاي هيدروليکي در حالت فشرده (سمت راست) و غير فشرده(سمت چپ)

 
با غلبه فشار سيال بر فشار گاز، نيتروژن توسط ديافراگم فشرده شده و به سمت عقب هل داده می شود، سپس زماني که فشار در سيال کاهش می يابد، گاز ديافراگم را به سمت عقب هل داده و سيال از قسمت کره اي به سمت بيرون رانده شده، گاز و سيال به حالت تعادل باز می گردند. اين تعادل هيدروپنوماتيک باعث باز و جمع شدن فنر می شود. درحقيقت تقابل گاز فشرده، سيال هيدروليک و ديافراگم يک فنر را تشکيل می دهند. منفذ ورودي در  انتهاي پاييني کره جريان سيال را محدود کرده و باعث ايجاد ميرايي می شود. بايد توجه شود، سيالي که در قسمت کروي روي ديافراگم عمل می کند نيروي خود را چگونه تامين می کند. عملکرد عضو کليدي استرات (پايه کمک فنر يا ميل کمک) در سيستم سيتروئن بايد مورد توجه قرار گيرد.
قسمت کره اي در اين سيستم در واقع در انتهاي پايه کمک نصب می شود. پايه کمک ذاتاٌ مانند يک سرنگ براي تزريق سيال به داخل قسمت کره اي عمل می کند. زماني که چرخ ها به مانع برخورد می کند به سمت بالا تحريک شده و پيستون را به عقب هل می دهد و اين عمل باعث فشردن سيال از طريق منافذ ريز داخل قسمت کره اي شده تا قسمت پر شده از گاز انرژي را جذب کند. در زمان عبور خودرو از روي دست انداز، گاز ديافراگم را به عقب هل می دهد و سيال را به سمت پايين پايه کمک فشار می دهد، لذا چرخ به سمت پايين، به زمين فشار داده می شود. سيتروئن طرح هاي جالبي را به منظور فنربندي خودروهای خود بکار گرفته است. با بکارگيري اين طرح ها تا زماني که سيستم هيدروليک است، سطح خوش سواري به آساني می تواند تغيير کند. سيتروئن از يک سري شيرهاي ويژه استفاده کرده است که اصطلاحاٌ تصحيح کننده هاي ارتفاع ناميده می شوند. به منظور تصحيح ارتفاع خودرو، يک گيره روي وسط ميله غلتشي قرار گرفته که توسط يک اهرم به تصحيح کننده هاي ارتفاع متصل می شوند. اين اهرم در مدل هاي مختلف مثلاٌ در مدلDX،GX ،BX  يک ميله پيچشي ساده است که داراي قطر 8 ميليمتر و طول 400 ميليمتر می باشد و در مدل ايکس ام و زانتيا يک مجموعه فنرحلقوي با اهرم دوگانه می باشد ولي از نظر عملکردي يکسان هستند. در حقيقت اين سيستم با اندازه گيري ارتفاع وسط ميله غلتشي به صورت اتوماتيک از ارتفاع چرخ هاي جلو و عقب ميانگين گيري می کند، لذا قابليت تشخيص غلتش خودرو را ندارد، به عبارت ديگر اين سيستم از تشخيص غلتش خودرو ناتوان است و فقط می تواند شرايطي را مهيا سازد که هر دو سمت سيستم تعليق با هم بالا و پايين برود.
ويژگي قابل توجه ديگر سيستم سيتروئن قابليت پيش تنظيم خودرو می باشد. اين عمل به دليل استفاده از لوله هاي متقاطع و اريب بين ميل کمک هاي چپ و راست روي همان محور می باشند. اين ميل کمک ها دائماٌ توسط لوله اي به قطر  3/5 ميلي متر با هم  در ارتباط هستند. (البته به جزء سيستم فعال). تصحيح کننده ارتفاع به اتصال T شکل اين لوله هاي متقاطع متصل می شود. زماني که تصحيح کننده ارتفاع بسته است (که تقريباٌ در تمام زمان رانندگي روي می دهد)، شيرها جايگزين انتهاي ثابت شده، لذا لوله ها از چپ به راست وارد عمل می شوند. زماني که چرخ به دست انداز می خورد مقداري روغن به داخل کره در آن سمت از طريق منافذ ضربه گير جاري شده و مقداري نيز به طرف ديگر جريان می يابد و چرخ را به آن سمت می کشد. اين عمل باعث ايجاد پاسخ نرم در مقابل غلتش شده و تمايل به پايدار کردن بيشتر خودرو حول محور غلتش و کاهش نوسانات جانبي را دارد. بر اساس عملکرد در جهت جانبي اين لوله هاي متقاطع، سيستم تعليق در تحريک و مود پيچشي بسيار نرم عمل می کند زيرا قسمت هاي کره اي شکل (که عملکرد فنرگونه دارند) سيستم تعليق در مقابل حرکت کوچک غلتشي همانند فنرهاي رايج مقاومت چنداني از خود نشان نمی دهند و فقط ميله پيچشي اين کار را انجام می دهد (اين عمل باعث می شود کشش در سرعت هاي خيلي پايين در روي زمين هاي ناهموار بهبود يابد). در حقيقت بدون ميله هاي پيچشي سيستم تعليق بطور کامل حول محور غلتش ناپايدار خواهد بود. به عبارت ديگر سختي غلتشي فقط از طريق ميله پيچشي تامين مي شود و هيچ گونه کنترل ميرايي جريان روغن از يک سمت به سمت ديگر به غير از محدوديت هايي مانند قطر کم لوله ها وجود ندارد. بنابراين در سيتروئن هاي قديمي غلتش بسيار نرم بدنه وجود داشت.  اين سيستم با تغيير اتصالات عرضي، نقص ها و کمبودهاي خود را اصلاح کرده است. به اين منظور مقدار قطر لوله از 3/5 ميليمتر به 10 ميليمتر افزايش يافته است و در نقطه مياني يک واحد به يک قسمت کره اي شکل اضافه، يک  شير قطع/وصل  و دو شير ميرا کننده استفاده شده است. در حالت "مود نرم" (که به صورت ديناميکي توسط کامپيوتر انتخاب می شود) اين کره مياني در مدار وارد شده و فنريت بيشتري توسط دو شير ميراکننده در مجموعه ايجاد می شود. سيستم بطور موثر داراي دو مدار موازي براي روغن است تا در صورت تحريک از طريق دست انداز (در مدار) جريان يافته و نرخ ميرايي متفاوتي را ايجاد کند. شيرهاي ميرا کننده در پايه کمک قسمت کره اي بسيار سفت مي باشند در حالي که نمونه بکار رفته در وسط نرمتر است و مجموعاٌ سه مرحله ميرايی شامل يک مرحله نرم و دو مرحله سفت وجود دارد. در حقيقت هر گونه غلتش بدنه خودرو نيازمند جابجايي روغن از شيرهاي ميراکننده خيلي سفت در قسمت هاي کره اي بالاي ميل کمک (در هنگام غلتش خودرو) يا در جهت عرضي، که در آن صورت مايع روغن بايد از طريق دو شير ميرايی سري در واحد مرکزي عبور کند، می باشد، به آن معنا که حرکت غلتشي به صورت هيدروليک در سيستم هيدرواکتيو ميرا شده است.
اين سيستم بر روي خودروهاي زانتيا و ايکس ام استفاده شده است. به دليل استفاده از لوله هايي با قطر بيشتر همواره پتانسيلي براي ايجاد جريان هاي آني و پاسخ سريع در هنگام برخورد خودرو به دست انداز وجود دارد. لذا پايداري محور غلتش خودرو نسبت به مدل هاي قبلي بهبود چشمگيري داشته است. در مود سفت که توسط کامپيوتر به صورت ديناميکي و بر اساس ورودي هايي نظير زاويه غربيلک فرمان و سرعت روي جاده انتخاب مي شود، واحد مرکزي ايزوله و جداسازي می شود و به صورت کامل از جريان عرضي روغن جلوگيري شده و کره مياني ايزوله می شود. لذا فنر سفت تر، ميرايي بيشتر و غلتش بسيار کمتر بدنه را نتيجه خواهد داد. اين سيستم بسيار موثر بوده اگرچه فقط زانتيا مجهز به اين سيستم شده است. کيفيت سواري آن هنوز از خودروهاي ب ام و پايين تر است که براي مشتريان تجاري سيتروئن به هيچ وجه قابل قبول نمی باشد، اگرچه عملکرد خوش فرماني آنها بسيار عالي است. شکل (3) مدارهاي سيستم هيدروپنوماتيک در مودهاي مختلف را نشان می دهد.
 

شکل 3 مدارهاي سيستم هيدرو پنوماتيک در مودهاي مختلف

 
مزيت ديگر سيستم تعليق هيدروليک، ارتباط بين تلاش ترمزگيري به مولفه وزني روي چرخ ها می باشد. در سيتروئن بی ايکس تلاش ترمزي عقب توسط فشاري که روي سيال LHM توسط وزن روي ميل کمک ها بدست می آيد، ايجاد می شود. در زماني که وزن به دليل ترمزگيري به سمت جلو جابجا می شود، فشار کمتري روي سيستم تعليق عقب وجود خواهد داشت. در اين حالت سيستم تعليق فشار کمتري را بر روي سيال اعمال خواهد کرد. لذا با کاهش مولفه وزن روي چرخ عقب، تلاش ترمزگيري نيز کاهش يافته، بنابراين سيستم هيدروپنوماتيک از قفل شدن چرخ هاي عقب جلوگيري خواهد کرد. در کنار تمامي اين مزيت ها سيتروئن را بايد پيشگام سيستم تعليق تحت پردازشگر کامپيوتري دانست. آنها در اوايل دهه 90 با به کارگيري يک پردازشگر که بر اساس ورودي هاي شاسي و تحريک هاي جاده سيستم تعليق را کنترل و عملکرد آن را بهينه مي کرد، استفاده از پردازشگر در خودروها را آغاز کردند. اين سيستم تصميمات اتخاذ شده توسط واحد پردازشگر را به عملگرهايي نظير شيرهاي خود تنظيم فرستاده تا در حالت حرکت با سرعت ثابت، سيستم تعليق نرم و در حالت رانندگي سخت تر، سيستم تعليق سخت و اسپورت را تدارک ببيند. لذا اين سيستم به راننده اجازه می دهد در حالي که سطح خوش سواري را ثابت نگه داشته از پاسخ خودرو نيز در مقابل تحريک هاي مختلف لذت ببرد. در حالت کلي اين سيستم سعي در حذف غلتش بدنه دارد.

9-2  سيستم تعليق هيدروليک
اين سيستم توسط کمپاني اسپانيايي با نام کريوت طراحي شد و ابتدا توسط تيم خودروهاي اسپورت S101 هلند بکار گرفته شد. در شکل (4) يک نمونه از اين سيستم در کنار سيستم مک فرسون را در جلوي خودرو نشان داده شده است. اين شکل قبل از بازرسي فني در مسابقات 24 ساعته آلمان تهيه شده است. ابتدا هر دو سيستم وجود داشت اما بعد از بازرسي فني خودرو، سيستم مک فرسون باز شد تا براي اولين بار خودرو فقط مجهز به سيستم تعليق هيدروليک شود (شکل 5). در فسمت مرکزي سيستم يک واحد کنترلي که در نزديکي کابين قرار دارد، نصب شد. گفته می شود اين سيستم نمی تواند با سيستم تعليق هيدروپنوماتيک بکار گرفته شده در سيتروئن مقايسه شود، به دليل اين که اين سيستم از پمپ استفاده نمی کند و کل سيال هيدروليک به کار گرفته شده در سيستم داخلي آن کمتر از يک ليتر می باشد. اين سيستم بسيار جديد می باشد در حقيقت به جاي فنرها و لرزه گيرها واحد مرکزي هيدروپنوماتيک مودهاي سيستم تعليق را به روش وابسته کنترل می کند.
 

سيستم تعليق مک فرسوني + هيدروليکي

شکل 4 سيستم تعليق مک فرسوني و هيدروليکي

 
سيستم هيدروليک جديد سيستم مک فرسوني  حذف شده و بجاي آن از ميله هاي صلب استفاده شده تا از ايجاد جابجايي جلوگيري شده و حالت فنري توسط واحدهاي هيدروليک که در زير اهرم فشاري بلند نشان داده شده در شکل انجام شود

شکل  5 سيستم تعليق هيدروليک

 
10-2 سيال فرو يا سيالهاي ميراکننده مغناطيسي رئولوژيکال
اين سيستم توسط آئودي در سال 2006 در روي مدل تی تی بکار گرفته شد و يکي از ابتکارات به کار رفته در آن، سيستم تعليق مغناطيسي نيمه فعال بود. اين سيستم به منظور در نظر گرفتن مسئله خوش سواري و فرمان پذيری به طور همزمان و يافتن يک نقطه بهينه با در نظر گرفتن دو پارامتر فوق طراحي و ابداع شده است. اين سيستم در حقيقت يک سيستم قابل تطبيق است. يک حلقه کنترلي مدار بسته است که نسبت به تغييرات سطح جاده در کسري از ميلي ثانيه بطور همزمان واکنش نشان می دهد.
 
 1-10-2 چگونگی کارکرد سيستم
لرزه گيرهاي بکارگرفته شده در سيستم آئودي توسط روغن هاي رايج مورد استفاده در لرزه گيرهاي قديمي پر نمی شود. لرزه گيرها توسط سيال مغناطيسس رئولوژيکال پر می شود. اين سيال يک نوع روغن هيدروکربني است که شامل ذرات ريز مغناطيسي می باشد. زماني که ولتاژ به حلقه اي درون پيستون لرزه گير اعمال می شود، شدت ميدان مغناطيسي افزايش می يابد. درون ميدان مغناطيسي تمامي ذرات مغناطيسي روغن در عرض ميکرو ثانيه طوري تراز می شوند که در عرض لرزه گير قرار گيرند. به دليل اين که لرزه گير سعي می کند روغن را از طريق کانال جريان فشرده کند، قرارگيري ذرات به صورت معکوس نسبت به اين حرکت، روغن را محکم و سفت تر می کند که در نتيجه باعث سفت تر شدن سيستم تعليق می شود. در حقيقت اين سيستم با کمک يک ميدان مغناطيسي و جهت گيري سيال در راستاي خطوط ميدان مغناطيسي عمل می کند. شکل (6) يک سيال "فرو" را نشان می دهد. سيستم آئودي مجهز به يک واحد کنترلي متمرکز است. اين واحد کنترل بطور دائم آنچه را که اتفاق می افتد آناليز کرده و مقدار ميرايي را بر اساس نتايج گِيج حس کننده شتاب توسط سيگنال هايي به هسته هاي هر لرزه گير می فرستد، تنظيم می کند. پاسخ اين سيستم به دليل عدم وجود هيچ گونه قطعه متحرکي بسيار سريع می باشد. به طوري که سيستم در عرض ميکروثانيه عمل می کند و بسيار سريع تر از هر تکنولوژي سيستم فعال می باشد. توان مفيد براي هر ميل کمک نزديک 5 وات است و در عين حال اين سيستم فضاي بيشتري را نسبت به واحد مک فرسون رايج اشغال نمی کنند.

شکل  6 سيال هاي ميراکننده مغناطيسي رئولوژيکال

 
شکل (7) اصول اساسي سيال فرو مغناطيسي شده را برحسب سيال مغناطيسي نشده و برش مجموعه پيستون در نوع لرزه گير مغناطيسي شده نشان می دهد. توپ هاي آبي کوچک جانشين ذرات سيال به صورت بزرگنمايي شده می باشد.
 

شکل 7 طرح لرزه گيرها مجهز به سيال فرو

 
11-2  سيستم تعليق الکترومگنتيک خطي
يکي از آخرين تکنولوژي ها در سيستم تعليق می باشد که توسط بوس اختراع شد. به جاي فنرها و لرزه گيرها در گوشه هاي خودرو، يک موتور الکترومگنتيک خطي و آمپلي فاير جايگزين شده است. در داخل موتور الکترومگنتيک خطي، آهن ربا و سيم حلقه ها وجود دارد (شکل8). زماني که منبع الکتريکي به حلقه ها اعمال می شود، موتور واکنش نشان داده و باعث ايجاد يک حرکت بين چرخ و بدنه خودرو می شود. يکي از بزرگ ترين مزيت هاي الکترومگنتيک، سرعت بالا می باشد. موتور الکترومگنتيک خطي به اندازه کافي در هنگام تحريک ها پاسخ می دهد. مزيت ديگر کاهش و کنترل غلتش بدنه توسط سفت کردن سيستم تعليق در گوشه ها انجام می شود و اين سيستم به منظور افزايش يا کاهش ديناميکي ارتفاع خوش سواري مورد استفاده قرار گيرد. لذا مي توان ارتفاع خودرو را براي بزرگراه هاي هموار پايين تر آورده و در مسيرهاي پردست انداز شهري افزايش داد.
 

شکل 8 طرح سيستم تعليق الکترومگنتيک خطي

 
آمپلي فاير در پاسخ به الگوريتم هاي کنترلي نيروي الکتريکي را به موتور می فرستد. الگوريتم ها بر اساس پردازش اطلاعات سنسورهاي مشاهده گر که اطلاعاتي را از اطراف خودرو می فرستد و ارسال دستورات به آمپلي فاير نصب شده روي موتورهاي خطي، تهيه شده اند. با استفاده از اين الگوريتم ها خودرو حرکتي نرم داشته و حرکت غلتش و دوران به شدت کاهش می يابد (شکل 9). کاهش اتلاف توان، اندازه کوچکتر از لرزه گيرهاي رايج، طرح کاملاٌ فشرده و نصب آسان از مزيت هاي اين سيستم محسوب می شود.
 

شکل 9 رفتار سيستم تعليق هاي معمولي در مقايسه با سيستم تعليق الکترومگنتيک خطي

 
12-2 سيستم تعليق هاي کمبر متغير
کمبر مناسب (همراه با کستر (تمايل محور فرمان به طرف جلو يا عقب خودرو)) و زاويه تباعد-تقارب(تمايل چرخ ها به طرف داخل يا خارج نسبت به امتداد مستقيم) ) اين اطمينان را می دهد که سطح تماس تاير تا حد امکان روي سطح جاده به صورت صاف قرار گرفته است. مشکل سيستم هاي تعليق با طرح هندسي ثابت اين است که کمبر را براي رانندگي در مسير مستقيم تنظيم می کنند.  اين بدين معني است که در هنگام عبور خودرو از يک پيچ، سطح کمتري از تاير در معرض تماس با سطح جاده قرار می گيرد با چرخش فرمان تاير کج و منحرف می شود.
در سال 2006 اولين مدل از طرح جديد ارائه شد. ايده اين طرح ساده می باشد زماني که غربيلک فرمان می چرخد ورودي هاي فرمان توپي سر کمک فنر سيستم تعليق نوع مک فرسون را به صورت عرضي جابجا می کند. به عبارت ديگر انتهاي ميل کمک به صورت صلب به سيني شاسي پيچ نمی شود. زماني که نقطه سر توپي حرکت می کند، کمبر سيستم تعليق تغيير می کند و به سمت چپ حرکت کرده که باعث تغيير مکان و انحراف چرخ ها به سمت چپ می شود، در نتيجه سطح تماس بيشتري در هنگام حرکت خودرو روي پيچ حاصل می شود. به اين معني که چرخ داخلي منحرف شده  و کمبر آن مثبت می شود (تقريباٌ موازي چرخ خارجي) که باعث چسبندگي بيشتر خودرو به جاده می شود. کمبر متغير روي ساييدگي تاير نيز تاثير دارد. داده هاي وسيله اندازه گيري دماهاي بالا در طول تست نشان می دهد حداکثر اختلاف دماي سطح داخل، وسط و بيروني تاير 2 درجه می باشد در صورتي که با سيستم هاي رايج اين اختلاف به 20 درجه می رسد (سطح داخلي گرم تر می شود). درخودروي RSX که داراي سيستم دو جناغي می باشد صفحات تنظيم کننده کمبر به يک ريل خطي متصل می باشند که به آنها اجازه می دهد آزادانه حرکت کنند. درجه بازي زاويه کمبر که توسط ورودي هاي فرمان اعمال می شود، توسط تغيير فاصله ميله ها از نقاط لولايي قابل تنظيم است يعني زماني که ميله ها نزديک تر به نقطه لولايي نصب می شوند، کمبر بيشتري با ورودي هاي فرمان کمتر به وجود خواهد آمد. شکل (10) صفحه کمبر در بالاي يکي از سيني شاسي ها و اتصالات مکانيکي فرمان را نشان می دهد.

شکل 10 مکانيزم ايجاد کمبرمتغير

 
  -Servo
- Accumulator
-Fancy valve
-Height corrector
-Roll bar
-Torsion bar
-Dead end
-Wrap mode
-Roll stiffness
-On off valve
-Damper valve
-Hard mode
-Braking effort
-Creuat
-Ferro fluid or Magneto-rheological fluid dampers
-Gauge
- Bose
-Pitch
- Variable-Camber suspension
-Caster
-Toe in , Toe out
-Linear Guide
-Pivot point