أَجهزة التعليق في المركبات
أجهزة التعليق في المركبات suspension systems هي مجموعة الأجهزة التي تربط بين جسم المركبة أو هيكلها وجهاز الحركة فيها, وتسمى أيضاً مجموعة التعليق وتقسم مجموعةُ التعليق, بحكم موقعها, المركبة إِلى كتلتين:
كتلة تحتية مؤلفة من عناصر السير, مثل العجلات والمحاور, التي ينتقل تأثير وزنها إِلى سطح الطريق بالتماس المباشر, وكتلة فوقية مؤلفة من جسم المركبة أو هيكلها وما يضمه, ينتقل تأثير وزنها إِلى الكتلة التحتية فسطح الطريق من خلال أجهزة التعليق.
وفي أثناء حركة المركبة وعملها, بسبب وعورة الطريق ومنعطفاته, أو بسبب تشوه العجلات وعدم توازنها, أو بسبب قوى العمل, تؤثر في المركبة قوى وعزوم دينامية عدة, يمكن تحديدها استناداً إِلى جملة إِحداثيات من حيث حركتها هي: المحور الطولي الموافق لاتجاه حركة المركبة X , والمحور العرضي للمركبة والموازي لسطح الطريق Y , والمحور الشاقولي للمركبة والعمودي على سطح الطريق Z , وينتقل تأثير هذه القوى والعزوم من خلال مجموعة التعليق إِلى جسم المركبة فتسبب إِزاحات خطية وزاويّة لأجزاء المركبة, مما يؤدي إِلى اهتزازات كل من كتلتي المركبة الفوقية والتحتية وترجحاتها.
وتتلخص مهمة مجموعة التعليق الأساسية في ضمان سلاسة حركة المركبة وثباتها قدر الإِمكان, وتحقيق راحة القيادة وسلامتها, ويتم ذلك بتخفيض تأثير الحمولات الدينامية ونقلها بمرونة معينة في اتجاه محدد مع امتصاص الاهتزازات المرافقة لها وإِخمادها, ولاسيما اهتزاز الكتلة الفوقية في الاتجاه الشاقولي. وكلما كانت نسبة الكتلة التحتية إِلى الكتلة الفوقية أقل ارتفعت درجة سلاسة حركة المركبة على أن تكون مؤشرات مرونة عناصر مجموعة التعليق وقدرتها على الإِخماد متناسبة مع كتلتي المركبة.
عناصر أجهزة التعليق ودور كل منها
تتألف أجهزة التعليق من العناصر الأساسية التالية: العناصر المرنة والعناصر الموجِّهة والعناصر المخمدة.
العناصر المرنة:
وهي تتلقى القوى الدينامية المؤثرة في الاتجاه الشاقولي, على نحو أساسي, فتحولها إِلى قوى اهتزازية انسيابية ويمكن لبعض العناصر المرنة أن تتلقى القوى الطولية والعرضية الناتجة من علاقة عجلات السير مع الطريق. وتقوم بهذه المهمة عناصر مرنة بتصاميم عدة منها:
ـ النوابض الصفيحية (المقصات) laminated leaf springs , بشكليها نصف الإِهليلجي أو ربع الإِهليلجي.
ـ نوابض الضغط الحلزونية helical compression springs .
ـ قضبان الفتل: torsion bars .
ـ مصادم مطاطية rubber buffers .
ـ مخمدات ذات أسطوانة أو وسادة هوائية air spring pellows and cylinders.
وإِن المؤشر المميز للعنصر المرن هو الصلابة stiffness , وهي تعبر عن مقاومة العنصر للَّيِّ deflection , وهي عكس المرونة elasticity .
ويعبَّر عن الصلابة بالقوة المنسوبة إِلى واحدة اللي (نيوتون /مم N/mm ) في مواصفات نوابض الضغط أو الشد, أو بعزم الفتل المنسوب إِلى واحدة زاوية الفتل نيوتون مم /5,5/ N/mm للنوابض العاملة على الفتل. ويكون مؤشر الصلابة ثابتاً للنوابض المعدنية في مجال التوائها المرن, أما مؤشر الصلابة للعناصر المرنة المطاطية أو الهوائية فلا يكون ثابتاً وإِنما تزداد قيمته مع ازدياد التواء العنصر, ويشترط في أغلب الأحيان أن تتصف مجموعة التعليق بمؤشر مرونة أو صلابة متغيرتين, لذلك تكون مجموعة التعليق من عناصر مرنة مركبة ذات صلابة أو مرونة مختلفة فيما بينها للحصول على محصلة صلابة متغيرة في مجال الالتواء المرن.
العناصر الموجِّهة:
وهي تنقل بوجه أساسي تأثير القوى الطولية والعرضية وعزومها فتحرر العناصر المرنة من تأثير هذه القوى وتحد من الحركة الاهتزازية في الاتجاه الشاقولي, وهي مخصصة للحفاظ على حركية صحيحة للمركبة, وخاصة الحفاظ على أبعاد توضُّع العجلات والمحاور وزواياه في المجال المناسب. وتقوم بهذه المهمة سواعد ذات مفاصل, تضمن حركة عجلات المركبة ومحاورها في مجال محدد. وتكون المفاصل مزودة في أغلب الأحيان بعناصر مطاطية لزيادة المرونة في نقل القوى.
العناصر المخمدة:
وهي مخصصة لامتصاص الاهتزازات والصدمات الناشئة في العناصر المرنة وفي أجزاء المركبة الفوقية. فهي تخفض سرعة الإِزاحة الشاقولية وتسارعها بين كتلتي المركبة بمقاومة الحركة الاهتزازية ومنع حدوث الطنين فيها. وتقوم بهذه المهمة مخمدات هيدرولية أو هيدروهوائية تتكوّن في داخلها, عند تعرضها للاهتزاز, مقاومة هيدرولية لحركة السائل مما يؤدي إِلى تحول جزء من الطاقة الحركية التي تنشأ عن الاهتزازات إِلى طاقة حرارية في السائل, ثم يتم إِخماد الاهتزازات وامتصاصها. وتعمل هذه المخمدات إِما باتجاه واحد, أي مقاومة حركة التمدد فقط, وإِما باتجاهين, أي مقاومة حركة التمدد والانضغاط, وتتصف بعض العناصر المرنة بإِخماد الحركة الاهتزازية إِخماداً ذاتياً بنسب مختلفة, وهذا تابع لنمط المقاومة الداخلية التي تحدث بالاحتكاك. وتكون مؤشرات العناصر المخمدة جيدة في مجموعة التعليق إِذا أمكنها تخفيض مدى الاهتزاز بمقدار 3 – 5 مرات لكل دور. ويمكن أن تقوم بمهام مجموعة التعليق عدة عناصر لكل منها وظيفة محددة, أو تقوم بها العناصر نفسها مثل النوابض الصفيحية (أو المقصات) التي تتميز بالمرونة الجيدة وبإِمكان إِخماد الاهتزازات العمودية بنسبة معينة بفضل مقاومة الاحتكاك الناشئ بين صفائحها, ويمكنها أن تنقل القوى والعزوم الطولية بدرجة معينة بفضل صلابتها في هذا الاتجاه وتعد المصادم المطاطية مخمدة للاهتزازات بدرجة معينة.
أجهزة التعليق في السيارات والجرارات ذات العجلات
تتعرض أجزاء هذه المركبات في أثناء عملها إِلى الاهتزاز والترجّح في اتجاهات عدة بحسب المحاور الثلاثة: الطولي X والعرضي Y , والشاقولي Z . وتتشابه على العموم أجهزة تعليق هذه المركبات فيما بينها, لكن اختيار عناصر مجموعة التعليق وتصميمها يتمان انطلاقاً من طبيعة عمل السيارة أو الجرار. فمن الضروري لسيارات الركوب ضمان سلاسة الحركة وسلامتها وراحة السائق والركاب ضماناً جيداً.
لذا يجب أن تتصف مجموعة التعليق فيها بالمرونة العالية, وبنسبة ملائمة لإِخماد الاهتزازات الشاقولية, وبالمتانة وبالخدمة المديدة.
أما في الجرارات والشاحنات فيمكن أن تكون مجموعة التعليق أقل مرونة وأن تتطلب نسبة أقل في إِخماد الاهتزازات, ولكنها تتطلب متانة عالية وخدمة طويلة. ويكون لسرعة المركبة دور مهم في تحديد مجموعة التعليق المناسبة لهذه المركبات.
ويبين الشكل (1) مخططات عدة لأنواع مجموعة التعليق الشائعة في السيارات والمركبات على عجلات مطاطية عموماً. وتكون مجموعة التعليق في هذه المركبات قاسية أو مرنة.
وتضم مجموعة التعليق القاسية عناصر موجِّهة فقط, وتقوم العجلات بمهمة العناصر المرنة فيها مع بعض المصادم المطاطية. ويستخدم هذا النوع من مجموعة التعليق في بعض الجرارات الثقيلة البطيئة السرعة.
وأما مجموعة التعليق المرنة فيستخدم فيها نوع واحد من العناصر المرنة المعدنية أو المطاطية أو الهوائية أو الهدروهوائية أو نوعان أو أكثر.
وتقسم مجموعة التعليق, بحسب المخطط الحركي لربط العجلات مع المحاور ومع الهيكل, إِلى مجموعة مستقلة ومجموعة غير مستقلة وهي على عدة أنواع:
1ـ مجموعة تعليق مستقلة أسطوانية شاقولية تتصل فيها العجلة اتصالاً مستقلاً بالهيكل من دون سواعد بوساطة عنصر واحد موجِّه ومرن ومخمِّد, وتكون إِزاحة العجلة في الاتجاه الذي يسمح به العنصر الموجِّه.
2ـ مجموعة تعليق مستقلة بساعد موجِّه واحد بساعدين أو بعدة سواعد تربط العجلة ربطاً مستقلاً بالهيكل, وتحوي أيضاً عناصر مرنة ومخمدة. وتسمح مجموعة التعليق هذه بالإِزاحة الشاقولية للعجلة لكنها تحدُّ من حركتها في الاتجاه الطولي أو العرضي أو في اتجاه فراغي معين بحسب توضع السواعد.
(الشكل -2) مجموعة تعليق غير مستقرة لمحور خلفي في سيارة سياحية
3ـ مجموعة تعليق غير مستقلة محورية, تتصل فيها كل عجلتين إِحداهما بالأخرى بوساطة محور جسر وتحوي أيضاً عناصر مرنة وموجهة ومخمدة تربط المحور بالهيكل, ويشيع استخدام مجموعة التعليق هذه في السيارات والجرارات. ويبين الشكل (2) عناصر مجموعة تعليق غير مستقلة لمحور خلفي في سيارة سياحية.
4ـ مجموعة تعليق غير مستقلة توازنية, تتصل فيها كل عجلتين إِحداهما بالأخرى بوساطة وصلة طولية توازنية وتحوي عناصر مرنة وموجهة تربط الوصلة بالهيكل. وتستخدم مجموعة التعليق هذه في الشاحنات المتعددة المحاور وفي بعض معدات الطرق.
أجهزة التعليق في الجرارات المزنجرة
تعمل الجرارات المزنجرة في أماكن وعرة غير معبدة غالباً وبسرعات بطيئة نسبياً 3 – 10كم/سا وبقوى دفع كبيرة. وتتعرض في أثناء سيرها وعملها لقوى وعزوم في مختلف الاتجاهات X,Y,Z تنتقل من الزناجير من خلال أجهزة السير والتعليق إِلى هيكل الجرار. لذلك فمن الضروري لأجهزة السير والتعليق تخفيف قوى الصدم ما أمكن في أثناء العمل وضمان سير انسيابي.
(الشكل -3) مخططات مجموعة تعليق المركبات المزنجرة
ويتصل جسم المركبة ببكرات أو طُلَم الاستناد من خلال عناصر مجموعة التعليق التي تشمل بعض العناصر المرنة كالنوابض الحلزونية أو الصفيحية أو قضبان الفتل المرنة إِضافة إِلى المصادم المطاطية. أما دور العناصر الموجِّهة فتقوم به عارضة الاستناد مع السواعد الحاملة للبكرات التي تسند الزنجير, ولا تحتوي مجموعة التعليق هنا على مخمدات خاصة لامتصاص الاهتزازات لقيام النوابض والمصادم المطاطية ذاتياً بهذه المهمة. لذلك تتصف مجموعة تعليق الجرارات المزنجرة عموماً بمرونة منخفضة نسبياً لطبيعة عملها وسرعتها البطيئة.
وتُقسم مجموعة تعليق المركبات المزنجرة إِلى ثلاثة أنواع أساسية هي: مجموعة التعليق القاسية ومجموعة التعليق نصف القاسية ومجموعة التعليق المرنة. ويبين الشكل (3) مخططات مجموعة تعليق المركبات المزنجرة.
مجموعة التعليق القاسية:
يكون فيها اتصال كل من دولاب التوجيه وعارضة الاستناد والبكرات ودولاب الدفع بجسم المركبة ثابتاً أو قاسياً من دون عناصر مرنة.
وتستخدم مجموعة التعليق هذه للمركبات شبه الثابتة كالحفارات الوحيدة السطل والروافع السهمية, وتكون سرعة سيرها بطيئة جداً (نحو 3 – 4كم/ سا), وتسير في طرق ممهدة ولمسافات قصيرة.
مجموعة التعليق نصف القاسية:
تكون فيها محاور بكرات الاستناد والعارضة من دون وصلات مرنة, أما دولاب التوجيه فيتصل مع العارضة بوصلة مرنة على شكل نابض حلزوني للتحكم في شد الزنجير في حين يرتكز جسم المركبة على العارضتين بعنصر مرن على شكل نابض صفيحي نصف إِهليلجي يتوضع عرضيّاً, أو على شكل بنية معدنية محدودة المرونة ترتكز على مساند مطاطية فوق كل عارضة, ومن جهة أخرى يتصل الجسم مع العارضتين بمحور في كل جانب يكون محور ترجّح لكامل الزنجير مع أجهزة الاستناد كي تتحقق المرونة المطلوبة لسير المركبة في المناطق الوعرة غير المستوية. وتُستخدم مجموعة التعليق هذه استخداماً واسعاً في المركبات والجرارات العاملة على نظام الدفع كالقواحط فهي تجمع ما بين إِمكان تحقيق قوى دفع كبيرة ضرورية للعمل, وإِمكان تخفيف قوى الصدم الناتجة في أثناء العمل, وهي تكفل سرعة سير تصل إِلى 8 – 10 كم/سا.
مجموعة التعليق المرنة:
تكون فيها بكرات الاستناد متصلة مع العارضة أو مع هيكل المركبة مباشرة بوصلات مرنة على شكل قضبان فتل أو نوابض حلزونية.
وتوفر مجموعة التعليق هذه مرونة جيدة لأجهزة الاستناد مما يتيح للزنجير تماسكاً أكبر مع تعرجات سطح الطريق فتحقق قوى دفع كبيرة. وتأخذ مجموعة التعليق هذه أشكالاً عدة في الجرارات والمركبات المزنجرة وذلك بحسب طبيعة العمل المطلوب.
(الشكل -4) مجموعة تعليق مرنة لجرار زراعي مزنجر
وفي بعض الجرارات الزراعية المزنجرة (الشكل 4), يتصل كل شفع من بكرات الاستناد بوصلة مرنة توازنية ذات نابض حلزوني تتصل بدورها مباشرة بهيكل المركبة بوساطة محور استناد, ويتصل دولاب التوجيه بالهيكل أيضاً بنابض حلزوني, وتصل سرعة المركبة إِلى 8-10كم/سا.
وفي آلات الطرق العاملة على نظام الدفع تكون مجموعة التعليق المرنة مشابهة لمجموعة التعليق نصف القاسية, إِلا أن كل بكرتين هنا تتصلان بوصلة توازنية مرنة تعتمد على قضبان فتل مستقلة مع مصادم مطاطية تحدد إِزاحتها الشاقولية. وتكفل مجموعة التعليق هذه السير بسرعة تصل إِلى 12 كم/سا.
وفي بعض الجرارات العاملة على نظام النقل يستند الهيكل إِلى بكرات, استناداً مستقلاً بقضبان فتل مرنة طويلة, تمتد عرضيّاً في أسفل هيكل المركبة, مما يعطي مرونة كبيرة لاستناد الكتلة الفوقية. وتكفل مجموعة التعليق هذه سرعة حركة تصل إِلى 20 كم/سا أو أكثر.
وتستخدم مجموعة التعليق المرنة هذه في معظم المركبات المزنجرة العسكرية, إِنما تتميز بكراتُ استنادها أو طُلَمها بأقطارها الكبيرة المزودة بإِطار مطاطي ثخين, بحيث تستطيع المركبة السير بسرعة تصل حتى 70 – 90 كم /سا.
أجهزة التعليق في مركبات السكك الحديدية
تتعرض مركبات السكك الحديدية من قاطرات أو مقطورات إِلى الحمل الدينامي الذي ينتقل من العجلات إِلى الجسم أو الهيكل من خلال المضاجع ومجموعة التعليق وقواعد ارتكاز الجسم.
وينشأ هذا الحمل من درجان العجلات على الخط الحديدي بسبب التواءات السكك والعجلات وتشوهاتها وعند مرور العجلات على الفواصل في نقاط اتصال السكك وفي المنعطفات أيضاً. ولتخفيف هذه القوى والصدمات الدينامية المتواترة توضع مجموعة التعليق بين جسم المركبة العلوي upper frame وهيكل العجلات (الكراسي) bogiesومضاجعها bearing boxes .
وتؤثر القوى الدينامية في جسم القاطرة أو المقطورة فتسبب الإِزاحة الشاقولية القفز على طول المحور الشاقولي والترجّح الطولي حول المحور العرضي والترجّح العرضي الجانبي حول المحور الطولي.
(الشكل -5) مخططات لأنواع مجموعة تعليق مركبات السكك الحديدية
وتعمل مجموعة التعليق على تحويل الحمل الدينامي المتواتر إِلى اهتزازات قابلة للخمود فتخفض تواتر الحركة الاهتزازية وسعتها وتسارع كتلة الجسم الفوقية. وتحوي مجموعة تعليق مركبات السكك الحديدية عناصر مرنة ومخمدة وموجهة. وتُستخدم النوابض الحلزونية والصفيحية في القطارات السريعة, إِضافة إِلى النوابض الحلزونية, عناصرُ مرنة هوائية وعناصر مخمدة في آن واحد, وهي على شكل حجرات مزدوجة مرنة تزود بالهواء المضغوط من خزان رئيس له دارة خاصة. وتتوضع هذه الحجرات فوق مضاجع العجلات, فتمتص القوى الدينامية بمرونة متغيرة, إِذ تزداد صلابة بزيادة قوى التحميل وتخمد الاهتزازات المرافقة. ويستفاد من النوابض الصفيحية والمساند المطاطية في عملية امتصاص الاهتزازات, وإِضافة إِلى ذلك توضع مخمدات خاصة هدرولية أو هدروهوائية أو احتكاكية لزيادة نسبة إِخماد الاهتزازات, وتقوم بعض السواعد والمساند, التي تزود بوصلات نابضية أو مطاطية, بدور العناصر الموجهة للحد من ترجّح جسم المركبة في الاتجاهين الطولي والعرضي.
ويبين الشكل (5) مخططات مجموعة تعليق مركبات السكك الحديدية. ويوجد نظام التعليق في مركبات السكك الحديدية بنوعين أساسيين: بمرحلة تعليق واحدة, وبمرحلتين اثنتين.
وتتوضع عناصر مجموعة التعليق ذات المرحلة الواحدة إِما بين الكراسي ومضاجع العجلات غالباً, أو بين جسم المركبة وكراسي العجلات, في حين تتوضع عناصر مجموعة التعليق ذات المرحلتين بين الكراسي والمضاجع جهازَ تعليق أساسياً, وبين الجسم والكراسي جهازَ تعليق ثانوياً. ويستخدم نظام التعليق ذو المرحلة الواحدة في قطارات الشحن. في حين يستخدم نظام التعليق ذو المرحلتين في قطارات نقل الركاب لضرورة سلاسة الحركة فيها.
(الشكل -6) عربة العجلات (الكرسي) بنظام تعليق على مرحلتين مع جهاز اعتراضي مترجح
وقد تكون مجموعة التعليق منفردة لكل مضجع من مضاجع العجلات أو تكون مشتركة بين مضجعين أو أكثر بوساطة أقواس توازنية ترتكز عليها لتوفير توزع القوى على المضاجع توزعاً عمودياً منتظماً, وهي تستخدم أساساً في القاطرات وتسمى أيضاً جهاز التعليق العمودي.
وفي بعض أنواع أجهزة التعليق ذات المرحلتين يكون العنصر المرن المتوضع بين قاعدة ارتكاز الجسم وكرسي العجلات على شكل نابض صفيحي إِهليلجي كامل عرضي يتمفصل بسواعد مترجِّحة متصلة بالكرسي, ويسمى جهاز التعليق العرضي وهو يكفل مرونة جيدة في الاتجاهين الشاقولي والجانبي للمركبة (الشكل 6) وهو مستخدم في مقطورات نقل الركاب.
أهم خصائص أجهزة التعليق
تتوقف قلة اهتزازات المركبة وجودة تعليقها في الدرجة الأولى على مرونة جملة التعليق أو صلابتها, وإِطارات المركبة, وكتلة الأجزاء الفوقية المتأثرة بالفعل النابضي وتوزعها, وكتلة الأجزاء التحتية غير المتأثرة بالفعل النابضي, ومقاومة الاحتكاك الداخلي لعناصر مجموعة التعليق, ومقاومة المخمدات ونسبة إِخمادها. كما تتوقف على العوامل الخارجية القسرية كتعرجات الطريق وانعطافاته وسرعة المركبة الخطية.
أما المقاييس التي يمكن بوساطتها تقويم جودة مجموعة التعليق ومقدار تأثير العوامل المذكورة فهي الإِزاحة والتسارع في الاتجاه الشاقولي للكتلة الفوقية وسعة التواء عناصر مجموعة التعليق المرنة والإِطارات لحالتي التحميل في الثبات والحركة, والإِزاحة الشاقولية للكتلة التحتية وتواتر الاهتزازات وسعتها لكل من الكتلة التحتية والفوقية. وتتغير هذه المقاييس تغيراً دورياً غير منتظم غالباً.
ومن المهم جداً لمجموعة التعليق تعيين سعة التواء العناصر المرنة في حالتي التحميل في الثبات والحركة لأنها تحدد بدورها تواتر الاهتزازات. ومن الم علوم أن تواتر الاهتزازات التي تحقق شروط سلاسة حركة المركبة, والتي يتحملها الإِنسان بسهولة, لا يزيد على 2.5 هرتز, بالمقارنة مع تواتر السير العادي على الأقدام الذي يراوح في المجال 1ـ1.5٪ هرتز, ولحالة السير النشيط في المجال 1.7 – 2.5 هرتز.
وفي المركبات ذات مجموعة التعليق المرنة يتغير تواتر الاهتزاز عكسياً مع الجذر التربيعي لسعة الاهتزاز أو التواء العنصر المرن, وهذا يتعلق بدوره بمقدار الحمولة المؤثرة فيه. لذلك ينخفض تواتر الاهتزازات مع زيادة حمولة المركبة بنسبة معينة. وفي هذا المجال يمكن ذكر القيم التقريبية لتواتر اهتزازات بعض المركبات التي تكفل سلاسة حركة جيدة: للسيارات السياحية 0.67 – 1 هرتز وللحافلات 1 – 1.5 هرتز, وللشاحنات 1.5 – 2 هرتز, وللمكنات والجرارات 1.5 – 2.5 هرتز, وللقاطرات والمقطورات 1.5 -1.7هرتز.
ويؤثر تحسين جودة أجهزة التعليق تأثيراً إِيجابياً في سلاسة الحركة وثباتها وسلامتها, فيحسِّن خصائص شد المركبة, مما يخفض الطاقة المهدورة لدى اهتزازات المركبة ويزيد اقتصاديتها وطول خدمتها, ويقلل من تآكل سطح الطريق أوالسكة.
