گزارش کاراموزی بررسی کمک فنر


کمک فنر دو جداره بی فشار
کمک فنر دو جداره بی فشار ارزانترین و اقتصادی ترین نوع کمک فنر هیدرولیکی برای خودروی سواری است.
اصلاح بی فشار بیانگر آن است که سطح روغن در حالت سکون کمک فنر و در دمای محیط (دمای متعارف) در فشار اتمسفر قراردارد.دراینجا فشاری که هنگام فشرده شدن کامل کمک فنر،افزایش دما یا در کمک فنر بادی کمکی به دلیل پخشش تنش (فشاری)در آب بند به سطح روغن وارد می شوند،در نظر گرفته نمی شوند،زیرا مقادیر آن ناچیز و از این رو قابل اغماض است.
ساختار و شیوه کارکرد
شکل 2-1 ساختار کمک فنر را نشان می دهد.این طبق اصول کارکرد کمک فنر که طبق اصول کارکرد کمک فنر دو جداره عمل می کند،از یک محفظه کار (لوله سیلندر 2 به نام لوله فشار)تشکیل شده است.این لوله از پایین به شیرهای زیرین و از بالا به راهنمای میله پیسون 8 و رینگ آب بند 5 محدود می شود.میله پیسون 6 بین راهنمای میله پیسون و آب بند حرکت می کند.میله پیسون از یک سو به پیسون1(واقع در محفظه کار) و از سوی دیگر به مفصل چشمی بالایی و لوله حفاظ متصل است.لوله سیلندر 2 در داخل لوله دیگری قرار دارد که به لوله بیرونی 3 یا لوله نگهدارنده موسوم است.از آنجا که این کمک فنر در لوله دارد،کمک فنر دو جداره نامیده می شود.بین لوله سیلندر 2 و لوله بیرونی 3،محفظه تعادل فشار C ایجاد می شود که حدودتاً تا
شکل 2-1: کمک فنر دو جداره ساخت شرکت بوگه با اتصالات چشمی در هر دو انتها.از آنجا که محفظه تعادل فشار را درپیرامون محفظه کار کمک فنر طراحی کرده اند،در شکل،مجموعه شیر پیسون و شیر زیرین 4 را که در انتهای محفظه کار قراردارد،می بینید.شکل 2-3 شیوه کارکرد کمک فنر دو جداره را نشان می دهد.
شکل 2-2:شیوه کارکرد کمک فنر دوجداره
نیمه روغن دارد.اما محفظه کار را از روغن کاملاً پر می کنند.لوله نگهدارنده 3 از طرفی به راهنمای میله پیسون و از سوی دیگر به کلاهک 1 که شیر زیرین را نگه می دارد،وصل می شود و پیش تنیدگی درونی مجموعه را کاملاً تامین می کند.در قسمت زیرین کلاهک،اتصال چشمی را جوش می دهند.
البته برای اتصال کمک فنر به شاسی می توان به جای مفصل چشمی از اتصالات پینی استفاده کرد،هنگام جمع شدن چرخ،اتصالات بالا و پایین کمک فنر به یکدیگر نزدیک می شوند و به این ترتیب میله پیسون 6 و همراه آن پیسون 1 که در انتهای آن قراردارد،به سمت پایین رانده می شود.با پایین آمدن میله پیسون در محفظه بالایی کار(A1 )، میله پیسون حجم روغنی برابر با V1 را جابه جا می کند،این حجم برابر است با:
سطح مقطع میله پیسون ضرب در جابه جایی میله پیسون= V1
از طرفی دیگر مقداری از روغن به حجم V2 از شیر گلویی II روی پیسون به داخل محفظه کار A1 جریان می یابد.این حجم برابر است با:
جابه جایی میله پیسون ضرب در مقطع رینگی شکل محفظه A1 = V2
از آنجا که مقاومت شیر IV در برابر جریان روغن به مراتب بزرگتر از شیر II است،لذا بخش بزرگ میرایی در مرحله فشار،در شیر زیرین ایجاد می شود.فشار محفظه A1 و A2 تقریباً یکسان است.هنگام باز شدن چرخ،اتصالات کمک فنر از یکدیگر دور می شوند که به این ترتیب میله پیسون،همراه پیسون به سمت بالا می آید. در این صورت،حجم روغن V2
شکل 2-3: برای جلوگیری از پایین آمدن بیش از حد سوراخ در سطح روغن محفظه تعادل فشار C باید کمک فنر دو جداره به گونه ای نصب کرد که شیب میله پیسون نسبت به خط قائم از 45 درجه بیشتر نباشد( یعنی 450›C).البته کمک فنر دارای بالشتک گاز از این قاعده مستثنی است.
پیسون I ا محفظه کار A1 به محفظه A2 جریان می یابد و حجم روغن V1 از شیر زیرین III از محفظه تعادل فشار C به محفظه کار A2 مکیده می شود. از آنجا که مقاومت شیر I در برابر جریان روغن به مراتب بزرگتر از شیر III است،بخش بزرگ میرایی در مرحله کشش،در شیر پیسون به وجود می آید.
در کنار عبور روغن از شیرهای تنظیم پذیر I تا IV روغن از محلهایی نیز نشت می کند که جلوگیری از آن ممکن نیست.این نشت از شکاف موجود بین پیسون و لوله فشار و نیز شکاف بین راهنمای میله پیسون و میله پیسون رخ می دهد که هنگام اعمال فشار به محفظه کار،مانند مقطع های گلویی کمکی برای جریان روغن کار می کنند.باید هنگام طراحی و تنظیم میرایی این جریان های اضافی را در نظرگرفت.
سطح روغن در محفظه تعادل فشار باید به گونه ای باشد که از مکش هوا از شیر زیرین به داخل محفظه کار،حتی در شرایط کاری دشوار جلوگیری می شود این حالت می تواند هنگامی که میله پیسون در دمای خیلی کم کارکرد(40- درجه سانتیگراد)کاملاً به بالا می آید،پدید آید.در ضمن،شیب نصب کمک فنر در خودرو را نیز باید در نظر گرفت.بر اثر شیب کمک فنر نسبت به خط قائم،سطح روغن در محفظه تعادل فشار پایین می آید،(شکل 2-3 را ببینید).از این رو برای این زاویه حد معینی وجود دارد.زاویه تا جای ممکن نباید از 45 درجه فراتر رود.البته در اینجا باید افزایش زاویه هنگلم جمع شدن کمک فنر را نیز در نظر گرفت.این پدیده،به ویژه در محورهای صلب شدیدتر بروز می کند،(شکل 1-5 و 4-12 را ببیند).
هواگیری و موازنه حجم
از آنجا که در کمک فنر دوجداره،هنگام کارکرد،ناگزیز در داخل محفظه کار حباب هوا تولید می شود.حتماً نیاز به هواگیری است.نفوذ هوا در محفظه کار می تواند به یکی از روشهای زیر رخ دهد:
* حمل و نگهداری کمک فنر به صورت افقی قبل از نصب در خودرو.به این ترتیب هوا از محفظه تعادل فشار از شیر زیرین به محفظه کار راه می یابد و در نهایت هوای راه یافته در پایین راهنمای میله پیسون جمع شود.
* پایین رفتن سطح روغن در محفظه کار پس از ایست طولانی مدت خودرو (مثلاً در مدت شب).اگر تدابیر ویژه ای در شیر زیرین نیاندیشیم،(مثلاً دیسک غوطه ور یا شیر قطع ارتباط)روغن در محفظه کار به محفظه تعادل فشار راه می یابد،(این پدیده را پدیده لوله U شکل می نامند).به این ترتیب هوا از شکاف رینگ بین راهنمای میله پیسون و میله پیسون به محفظه کار جریان می یابد.
* خنک شدن کمک فنر پس از پایان کار،هنگامی که روغن در محفظه کار منقبض می شود،هوا از شکاف رینگ راهنمای میله پیسون به محفظه کار نفوذ می کند.
اگر تدابیری برای جلوگیری از راه یافتن و انباشتن هوا به محفظه کار کمک فنر نیاندیشیم،در آنجا بالشتک هوا به وجود می آید و در نتیجه بویژه در دمای کم کارکرد،سروصدای ناهنجاری بروز می کند.این پدیده را نقص بیکاری می نامند.
از این رو باید با طراحی مناسب از افراد هوا پس از چند کورس پیسون اطمینان یافت.فرار هوا معمولاً از شکاف رینگ بین میله پیسون و راهنمای میله پیسون انجام می گیرد.با به کارگیری روشهایی در شیرزیرین برای هواگیری مانند شیر قطع ارتباط،از پایین آمدن سطح روغن براثر فشار ایستایی جلوگیری می کنند.در استفاده از این روش باید برای جبران حجم روغنی که به خاطر خنک شدن منقبض شده است،معادل آن حجم را به محفظه کار اضافه کرد،(شکل 3=11 راببینید).
شرکت بوگه، رینگ مخروطی 11 و چندین راهگاه را، در قسمت بیرونی راهنمای میله پیسون طراحی کرده است که نسبت به یکدیگر به صورت قائم قرار گرفته اند(مجرای E و
شکل 2-4:مجموعه آب بندی میله پیسون کمک فنر دو جداره ساخت شرکت بوگه در تولید انبوه.کمک فنر به کمک لبه دار کردن جداره بیرونی 3 بر لبه U متعلق به راهنمای میله پیسون 8 بسته می شود.
G)و یا این طرح مشکل یاد شده را حل کرده است،(شکل 2-4 را ببینید).رینگ 11،مخزن روغن R2 را می سازد که در هنگام خنک شدن کمک فنر،روغن از داخل آن به راهگاه های G و E راه می یابد.مزیت دیگر این طرح آن است که هوایی که بر اثر قرارگیری نادرست با آزمایش دستی کارکرد کمک فنر به داخ محفظه کار راه یافته است،به بیرون راه پیدا می کند.
راهگاههای E و G در این موارد به عمل هواگیری کمک فنر کمک می کند.رینگ مخروطی 11 از کف آلود شدن روغنی که از راهگاه E با فشارجریان می یابد و به لوله بیرونی 3 برخورد می کند،جلوگیر می کند.
در هنگام کشش،فشار زیاد دربالای پیسون،روغن را از شکاف S1 (بین میله پیسون و راهنما)و راهگاههای کناری E و G به محفظه بالا می مکد.مقدار اندکی روغن میله پیسون را روان می کند و در مخزن رزرو روغن R2 جمع می شود.سپس،از شکاف S2 (که بین رینگ مخروطی 11 و ولله بیرونی 3 ایجاد می شود)به محفظه تعادل فشار C باز می گردد.لوله بیرونی 3 در هنگام حرکت با جریان هوای بیرون خنک می شود.شکاف رینگ S1 و تعداد و اندازه راهگاه های عرضی G مانند روزنه ثابت جریان روغن است.بنابراین،سطح مقطع این راهگاه ها را باید هنگام تنظیم میرایی در نظر گرفت.
هنگامی که میله پیسون زیر فشار به پایین رانده می شود،محفظه کار پرفشار می شود.به این ترتیب،حتی در مرحله فشار،روغن از طریق رینگ S1 و راهگاههای EوG بافشار جریان می یابد.این روغن پس از بازگشت به لولهبیرونی 3،خنک می شود.
رینگ آب بند،میله پیستون با پیستون، راهنما
رینگ آب بند
شیوه تولید و ساخت کمک فنر دوجداره،ر خلاف نوع یک جداره،دشوار نیست.این کمک فنر،کوتاه تر از کمک فنر یک جداره است و در خودروی سواری،خانوادگی و باری کاربرد دارد.مزیت این کمک فنر،سادگی ساختار رینگ آب بند میله پیستون است.کارآیی رینگ های آب بند چند لبه ای در طی سالیان رسیده است و امروزه شرکت های بزرگ کمک فنرسازی،مانند دلکو،کلی و مونرو به تولید انبوه آنها می پردازند.(شکل های 2-5 و 2-8 را ببینید).
همان طور که در بالا یاد شد،مزیت بزرگ این رینگ های آب بند،ساختار ساده و دوام آنان است.رینگ آب بند بین راهنمای میله پیستون و یک کلاهک درپوش که به شکل هندسی آب بند منطبق شده است،قرار می گیرد.یک فنر مارپیچ استوانه ای یا مخروطی شکل پیش تنیدگی لازم را برای آب بندی مطلوب تامین می کند.
رینگ آب بند را معمولاً از جنس کائوچوی نیتریل پربونان1، والستومرفلور2،و ویتون3بر می گزیند تا در دمای زیاد به خوبی کار کنند.
نقطه ضعف این نوع رینگ،اصطکاک نسبتاً زیاد آن است.افزایش اصطکاک چسبشی رینگ در نقاط برگشت پیستون نیز،(شکل 2-8)در خوش سواری و صدای کارکرد اثرات منفی دارد،(بخش 3-7 را ببینید).
شکل 2-5:رینگ آب بند چند لبه ای کمک فنر دوجداره بی فشار شرکت ساخت شرکت فرویدنبرگ4و گوتسه5 در حالت سوار شده.یک فنر مارپیچ پیش تنیدگی لازم را تامین می کند.نیروی فنر را با توجه به شکل و جنس رینگ آب بند بر می گزینند.نیروی فشاری که در جهت شعاعی (عرضی) به میله پیستون وارد می آید،در رینگ آب بند از جنس رینگ آب بند باز جنس پریونان حدود 130 نیوتن و در رینگ از جنس سیلیکون در حدود 58 نیوتن است.
شکل 2-8:مقایسه اصطکاک بین رینگ آب بند چند لبه ای،یک لبه ای و دو لبه ای ساخت شرکت فرویدنیرگ،که در شرایط کارکرد زیراندازه گیری کرده اند:فشاردرونی:صفر اتمسفر،سرعت پیستون،5/2 میلیمتر بر ثانیه،کورس پیستون:75 میلیمتر،اعداد مثبت شده در نمودار،نیروی اصطکاک را درنقاط برگشت پیستون نشان می دهد.
عمر مفید کمک فنر در درجه اول به آب بندی آن بستگی دارد ودوام آب بندی را کیفیت سطح میله پیستون تعیین می کند.بنابراین،سطح میله پیستون باید سخت باشد تا ذرات گرد و غبار نتوانند آن را بخراشند،باید در برابر خوردگی مقاوم باشد تا ازآسیب رسیدن به آب بند جلوگیری کند و برای کاهش اصطکاک باید صیقلی باشد.
برای ساخت میله پیستون در تولید انبوه کمک فنرها از فولاد آبداده C45K استفاده می کنند که دارای خصوصیات فیزیکی و استحکام شکست به شرح زیر است:
Rm=700-800N/mm2
Re=480N/mm2
As=14%
میله پیستون را به عمق 2/0 تا 5/0 میلیمتر سختکاری القایی می کنند،به گونه ای که حداقل به سختی سطحی برابر با 53 راکول برسد.سپس،برای دستیابی به شرایط آب بندی مطلوب،سطح آن نیز پرداخت (سنگزنی)می کنند و با کروم سخت به ضخامت 8 تا 10 میکرومتر می پوشانند و دوباره پرداخت می کنند.در نهایت سختی آن به حداقل 62 راکول می رسد.بیشینه زیری سطح آن در شرایط،حدود 2 میکرومتر است.
Rt=2um
در انتهای درونی میله پیستون،پیستون میراکننده را نصب می کنند.شرکتهای آلمانی،پیستون میراکننده را از جنس آهن کلوخه شده6می سازند پیستون رابه همراه فنرهای شیر بر روی میله پیستون پیچ می کنند.
محفظه سیلندر،مخزن روغن،لوله محافظ
لوله سیلندر که مانند محفظه کار پیستون عمل می کند،از پایین به شیر زیرین و از بالا به راهنما میله پیستون تکیه می کنند.برای دستیابی به آب بندی مطلوب در نقاط تماس،باید شیوه مونتاژ و بستن کمک فنر،و انطباق مخزن روغن و لوله سیلندر به گونه ای باشد که پیش تنیدگی فشاری لازم در محل آب بند ایجاد شود.این پیش تنیدگی باید به گونه ای باشد که مقادیر بیشینه فشارهای درونی سیلندر تماس آب بند را جدا نکند.
شکل 2-10:مقایسه زبری سطح جداره سیلندر کمک فنر.در شکل بالا وضعیت زبری سطح را در حالت نو و در شکل پایین زبری همان جداره سیلندر را پس ازساعات معین کارکرد می بینید.در اینجا از پیستون با پوشش تفلونی استفاده کرده اند.همان طور که در شکل می بینید،لوله سیلندر صافی سطح خوبی دارد که نتیجه آن کاهش اصطکاک در هنگام حرکت است.
برای کاهش اصطکاک پیستون و سایش آن،جداره داخلی سیلندر باید زبری سطح مناسبی داشته باشد.شکل 2-10 زبری سطح جداره سیلندر کمک فنر را در حالت نو و پس از کارکرد مسافتی برابر با 10000 کیلومتر نشان می دهد.
سیلندر و مخزن روغن را از لوله های فولادی جوشکاری شده می سازند،اما لوله های محافظ را برای کاهش وزن مجموعه،از مواد مصنوعی و پلاستیکی می سازند.
وظیفه لوله محافظ،حفاظت از میله پیستون در برابر پرتاب سنگ،پاشش آب و جلوگیری از نفوذ گرد و غبار به داخل آب بند است.در مواردی که لوله محافظ علاوه بر وظایف یاد شده،وظایف ویژه دیگری نیز،داشته باشد،باید از لوله محافظ فولادی استفاده کرد.
کمک فنر برای موقعیت کاری دشوار،خودروی سواری
برخی از خودروسازان،خودروهایی را که به کشورهای گرمسیر باید یا بد آب و هوا صادر می کنند،به کمک فنرهایی با تحمل شرایط دشواری کار مجهز می کنند.این کمک فنر را به نام کمک فنر گرمسیری یا کمک فنر بد آب و هوایی می شناسند.این کمک فنرها در دو زمینه با دیگر کمک فنرهای معمول،متفاوت هستند:
* مخزن بزرگتر با گنجایش روغن بیشتر برای بهینه سازی انتقال گرما از سطح کمک فنر
* استفاده از آب بند ویتون به جای آب بند متداول پربونان،این آب بند معمول،دمایی حدد 100 درجه سانتیگراد را تحمل می کند،اما از آب بند ویتون می توان در دمای کاری 160 تا 220 درجه سانتیگراد نیز استفاده کرد.
-روشهای تولید
برای کاهش هزینه ساخت،کمک فنر دوجداره را برای خودرو سواری و باری،به گونه ای طراحی می کنند که پس از مونتاژ و بستن کمک فنر،پیاده کردن آن امکان پذیر نیست به این ترتیب پس از خرابی این کمک فنر قابل تعمیر نیست.روشهای معمول بستن کمک فنر ،عبارتند از :
الف) برگرداندن جداره بیرونی 3 بر روی لبه U شکل راهنمای میله پیستون 8،(شکل 2-4).با این روش،آب بند 5 را در راهنمای میله پیستون نگه می دارند البته اگر بخواهیم برای اطمینان یک لاستیک ضربه گیر نگهدارنده داشته باشیم،حتماً به یک کلاهک محافظ نیاز است،(شکل 2-15)این موضوع نقطه ضعف بستن کمک فنر از روش یاد شده است.
ب)بستن مجموعه با لبه دار کردن لوله بیرونی 3 در چندین نقطه در محیط لوله،مزایا و معایب این روش حدوداً با روش الف یکسان است البته در این روش ساختار آب بندی کاملاً متفاوت است.
پ) جوش دادن لوله بیرونی 3 با یک کلاهک مسدود کننده برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد رینگ آب بند در این روش،باید قطعات در حال جوشکاری را به خوبی خنک کرد.مزیت بزرگ این طرح،امکان نصب ایستادن فشار با طراحی مناسب کلاهک مسدود کننده است.
کمک فنر را با جوشکاری لوله بیرون به کفه از پایین می بندند.گاه،یک لوله نگهدارنده را با روش فشاری به کفه کمک فنر متصل می کنند،در این صورت نیاز به جوشکاری نیست.
در کمک فنر پرتوان و کمک فنر خودروی باری و مسابقه ای،از اتصالات پیچی استفاده می کنند،تا بتوان در صورت لزوم،این کمک فنرهای گران قیمت را تعمیر کرد و تنظیم آنها را به راحتی تغییر داد،(شکل 2-13 و 8-5 را ببینید).
برای این که محفظه کار،هنگام اعمال فشارهای هیدرولیکی،از آب بندی خارج نشود،در تمام روش های بیستن کمک فنر،باید قسمت داخلی قطعاتی مانند کفه کمک فنر،شیر زیرین،لوله فشار و راهنمای میله پیستون را به اندازه کافی پیش فشرده کرد.مخزن روغن در حالت ایستایی زیر پیش تنیدگی کشش قرار دارد.

کمک فنر دو جداره بافشار

– کمک فنر دو جداره مجهز به بالشتک گاز
کمک فنر بالکشتک گاز یک نمونه ویژه از کمک فنر دو جداره است،که در شرکت بوگه و دلکو ساخته می شود.(شکل 2-14).کیسه نایلونی G را که در شکل می بینید،در داخل محفظه تعادل فشار c قرار می گیرد.این کیسه را با گاز سرد کننده خاصی به نام گاز فرئون 13 پر می کنند.تراکم پذیری آن جابه جایی روغن را هنگام رانده شدن میله پیستون،امکان پذیر می کند.فضایی را که خارج از این کیسه در داخل محفظه تعادل فشار باقی می ماند،از روغن پر می کنند.میله پیستون را کاملاً به سمت بالا می رانند،سپس فضای ایجاد شده درمحفظه فشار را پر می کنند.
شکل 2-14:کمک فنر دوجداره ساخت شرکت بوگه با میرایی مستقل از راستای نصب،که به بالشتک گازی مجهز است.کمک فنر T27/32 و T40/50 از همین نوع هستند.حتی در شرایط دشوار کارکرد کمک فنر،روغن کف آلود نمی شود.هنگام سکون خودرو نیز،بالشتک گاز از پایین آمدن سطح روغن ذر مخزن جلوگیری می کند.
مشکلاتی که در ابتدا در دوام بالشتک گاز و نفوذ روغن به درون بالشتک وجود داشت،برطرف شده است و امروزه این نوع کمک فنر تمامی خواسته هایی را که از کمک فنر متداول خودروی سواری انتظار می رود،برآورده می کند.از آنجا که فشارگاز بالشتک نسبت به کمک فنر بافشارکمتر است،میرایی این کمک فنر نسبت به راستای نصب مستقل است که این مزیت بزرگی است.کمک فنر دو جداره را می توان حداکثر با زاویه جانبی 45 درجه (نصب کرد،ولی کمک فنر با بالشتک گاز را می توان با هر زوایه ای،حتی افقی،نصب کرد.

کمک فنر دو جداره بافشار
کمک فنر دوجداره بافشار به نام کمک فنر دوجداره گازی یا کمک فنر کم فشار نیز شناخته می شود،نمونه توسعه یافته و کاملتر کمک فنر دوجداره بی فشار است.مزایای کمک فنر یاد شده عبارتنداز:
* جلوگیری از کف آلود شدن روغن و اختلال در رفتار میرایی،(بخش 4-3-2 را ببینید).
* بهبود صدای کارکرد کمک فنر،(بخش 3-6 را ببینید).
* جلوگیری از پایین آمدن سطح روغن در محفظه کار.
اختلاف کمک فنر دوجداره کم فشار با کمک فنر دوجداره بی فشار،در ساختار مجموعه آب بند راهنما،(شکل 2-15)و نیز،اعمال فشار گاز برابر با 4 تا 8 اتمسفر در محفظه تعادل فشار دربالای سطح روغن است.به این ترتیب،مزایای آن نسبت به کمک فنر یک جداره بافشار عبارتنداز:
* نیازی به تغییر طول کمک فنر نیست و در نتیجه کورس پیستون تغییر نمی کند،(بخش 5-1 را ببینید)
* مقدار نیروی رانده شدن میله پیستون کوجک است و در نتیجه ارتفاع خودرو بسیار کم تغییر می کند.
* هزینه ساخت کمک فنر کم است.
برای اطمینان از وجود فشارگاز معین درمحفظه تعادل فشار و کارکرد صحیح کمک فنر و میرایی مطلوب پس از پیمودن مسافت طولانی،از قفل گاز استفاده می کنند.قفل گاز اجازه می دهد که روغن به داخل محفظه تعادل فشار کمک فنر برگردد،ولی در خلاف جهت جریان،از فرار گاز جلوگیری می کند.در کنار این تدابیر،در کمک فنر بافشار از آب بند دو لبه ای استفاده می کنند.خاصیت این آب بند،اصطکاک اندک آن است که زیر فشار کارکرد فقط اندکی افزایش می یابد،(شکل 2-8 را ببینید).
برای جلوگیری از پایین آمدن سطح روغن در محفظه تعادل فشار،کافی است مساحت رینگ شکل محفظه تعادل فشار را بزرگتر از سطح مقطع محفظه کار انتخاب می کنیم.اغلب برای اطمینان بیشتر ،صفحه مخصوصی را بر شیرزیرین در نظر می گیرند.این صفحه را به نام صفحه قطع ارتباط می شناسند.
شکل 2-15:شرکت بوگه در کمک فنر دوجداره بافشار از مجموعه آب بند خاصی استفاده می کند که ساختار آن با دیگر مجموعه های آب بند متداول کمی متفاوت است.قفل گاز 3 که بین آب بند میله پیستون 1 و راهنمای 2 در نظر گرفته اند به همراه آب بند 4 در راهنمای کمک فنر،اجازه می دهد که روغن از محفظه کار 5 به محفظه تعادل فشار 6 برگردد،اما نمی گذارد که روغن درجهت مخالف جریان یابد.

کمک فنر یک جداره بافشار
برای ایجاد میرایی در تعلیق خودروی سواری،فقط از کمک فنر یک جداره بافشار استفاده می کنند.نمونه یک جداره بی فشار را فقط در لرزش گیر موتور به کار می برند.از آنجا که فشار موجود در کمک فنر یک جداره بافشار به مراتب بیشتر از کمک فنر دوجداره بافشاراست،لدا این گونه کمک فنر،کمک فنر پرفشار، نیز نامیده می شود.
ساختارو شیوه کارکرد
طراحی و ساخت کمک فنر دوجداره تلسکوپی در سال 1938 میلادی و کمک فنر یک جداره بافشار ده سال پس از آغاز شد.دانشمند فرانسوی به نام دکربن7 در آن زمان کمک فنری طراحی کرد که عمل میرایی را فقط با یک لوله انجام می داد.(شکل 2-19 را ببینید).شیوه کارکرئ و ساختار کمک فنر یک جداره را شکل 2-20 و 2-21 می بینید.در سیلندر11،محفظه کار 2 را،که حاوی روغن است،از محفظه کوچکتر گاز جدا می کند.از انجا که گاز تراکم پذیر است،هنگام حرکت میله پیستون به بالا و پایین،جابه جایی روغن را به راحتی انجام می پذیرد.پیستون گاز در داخل لوله سیلندر به صورت شناور قراردارد و خود را با جابه جایی روغن سازگار می کند.پیستون گاز را با اورینگ 13 آب بندی می کنند.میله پیستون 8 به همراه پیستون 5،که در انتها آن قراردارد،در داخل محفظه کار جا به جا می شود.میله پیستون را به مجموعه آب بندی راهنما آب بندی می کنند.کمک فنر را نیز با همین مجموعه آب بندی می بندند.ایجاد میرایی کشش و فشار به کمک شیرهای 6و7،که روی پیستون قراردارند،صورت می پذیرد.در کمک فنر یک جداره،شیرزیرین وجود ندارد.کمک فنر را با مفصل های چشمی 9 و 10 به شاسی متصل می کنند.به خاطر جداکردن کامل روغن از گاز،می توان کمک فنر را درهر راستای دلخواه در مجموعه تعلیق قرارداد.حتی میله پیستون را می توان به سمت بالا یا پایین قرارداد.هنگام بازشدن چرخ،روغن از شیر مرحله کشش 6 از بالای محفظه کار به محفظه پایین آن 2 جریان می یابد.فشارگاز در محفظه 3،پیستون گاز را به بالا می راند و به این ترتیب حجم روغنی که بر اثر حرکت میله پیستون جابه جا شده است،جبران می شود.هنگام جمع شدن چرخ،شیر مرحله فشار 7 فعال می شود.در این صورت،بر اثر حجم روغنی که میله پیستون جابه جا می کند،پیستون گاز به پایین می رود.تمام سطح پیستون گاز در ایجاد نیروی میرایی فشار موثر است.اگر فشار ایجاد شده بر پیستون (فشار میرایی)از فشار دورن محفظه گاز فراتر رود،پیستون گاز سریعتر از معمول پایین می آید.در این صورت فشاردر شیر مرحله فشار بیشتر می شود.اگر قطر پیستون برابر با 36 میلیمتر باشد،برای ایجاد فشار لازم،نیرویی برابر با 8/2 کیلونیوتن و اگر قطر پیستون برابر با 46 میلیمتر باشد نیرویی برابر با 6/4 کیلونیوتن لازم است.
شکل 2-19:ساختار یک کمک فنریک جداره با فشار و یا پیستون گاز.
شکل 2-20 (پایین)نمایش یک کمک فنر کی جداره با فشار،با پیستون گاز که توسط دانشمند معروف فرانسوی دکربن طراحی کرده است.پیستون گاز 1 روغن و گاز را کاملاً از یکدیگر جدا می کند.هنگام جمع و باز شدن کمک فنر،با جابه جا شدن سطح روغن در لوله سیلندر11،این پیستون نیز به پایین و بالا حرکت می کند.با قراردادن محفظه 2و3 در پشت یکدیگر طول مرده کمک فنر Lfix افزایش می یابند.
شکل 2-21:(چپ) کمک فنر یک جداره بافشار،ساعت شرکت بوگه.این کمک فنر در هر دو انتها اتصالات چشمی دارد،(قطعات 9و10در شکل).مجموعه آب بند راهنمای 12،رینگ آب بند پیش از آن و پیستون گاز 1 که گود طراحی شده است(قطعه شماره 1)را در شکل می بینید.با این روش،فضای لازم برای حرکت مهره قفلی و پیستون،هنگام فشرده شدن کمک فنر ایجاد می شود.در کمک فنرهای ساخت شرکت فیشتل و ساکس و بیلشتاین لوله سیلندر 11 را با روش پرسکاری سرد به مجموعه متصل می کنند،در حالی که این کمک فنر (ساخت شرکت بوگه)لوله سیلندر 11 را به کفه ضخیم زیرین جوشکاری کرده اند.
شکل 2-22: مجموعه آب بندی میله پیستون ساخت شرکت بیلشتاین.که برای کارکرد در دمای 40- تا 200 درجه سانتیگراد طراحی کرده اند.راهنمای میله پیستون 1 یک سوراخ سختکاری دارد که از جنس آلومنیوم کلوخه ای است(مثلاً AlMgSilF28).قطر بیرونی میله پیستون 9 برابر با و قطر سوراخ است.این تلرانس ها مطابق با استاندارد ISO D7/h7 است. به این ترتیب لقی مجاز طبق استاندارد یاد شده بین 5/0 و 9/0 میلیمتر می شود.

رینگ آب بند،میله پیستون،راهنما
برای مدتی طولانی مشکل اصلی کمک فنر یک جداره،آب بندی میله پیستون بود.زیرا در حالت ایستایی،همان فشار گاز که زیر پیستون گاز است به روغن نیز وارد می شود،(شکل 2-21 را ببینید)و به دور میله پیستون منتقل می شود.در نتیجه سال ها تحقیقات،روش های تولید و به کارگیری مواد پلاستیکی مدرن،سازندگان توانسته اند به مجموعه آب بندی دست یابند که از لحاظ دوام،خواسته های طراحی امروزه را برآورده کند و به این ترتیب مشکل اصلی کمک فنر یک جداره – یعنی از حالت آب بندی خارج شدن زود هنگام آب بند-را برطرف کرده اند،(شکل 2-22 را ببینید).
برخلاف کمک فنر دوجداره،در این طرح،از یک راهنمای میله پیستون که قابل تفکیک است و رینگ ضامن فشار 2 را نگه می دارد،برای بستن کمک فنر استفاده می شود.راهنمای میله پیستون زیر فشار داخلی روغن،تا رینگ ضامن دومی 3 به پایین فشرده می شود و به این ترتیب رینگ 2 در داخل شیار لوله 4 قرار می گیرد.
پس ازبرداشتن فشار روغن،راهنما،میله پیستون رابه رینگ 2 می فشرد،آب بندی مجموعه نسبت به بیرون برعهده اورینگ 5 و وظیفه آب بندی مجموعه نسبت به میله پیستون بر عهده قطعه 6 است.فلانچ در داخل فرورفتگی و راهنمای 1 و گلویی در درون صفحه پربونان 7 قرار می گیرد.فشار داخلی و لهیدگی،که بر صفحه انتهایی 8 وارد می شوند، گلویی آب بند را نسبت به میله پیستون 9 می فشرد.هرچه دمای روغن درحین کارکرد بیشتر شود،فشار داخلی افزایش می یابد و به این ترتیب آب بند بیشتر و شدیدتر فشرده می شود.اگر کمک فنر به ضربه گیر کشش مجهز باشد،هنگام بازشدن چرخ (ضربه گیر کشش)به صفحه 8 برخورد می کند.
شکل 2-23: منحنی تغییر فشار درونی در محفظه کار کمک فنر نسبت به تغییر نیروی میرایی در جهت کشش و فشار.این تغییرات برای سیستمهای میرایی مختلف و نیز ابعاد هندسی متفاوت محاسبه شده است.1- کمک فنر دوجداره بی فشار،قطر پیستون برابر با 27 میلیمتر.2- کمک فنر دوجداره بی فشار،قطر پیستون برابر با 32 میلمیتر. 3- کمک فنر یک جداره بافشار،قطر پیستون برابر با 36 میلمیتر. 4-کمک فنر یک جداره بافشار،قطر پیستون برابر با 46 میلیمتر. در هر دو کمک فنر دوجداره،میله پیستون به قطر 11 میلیمتر فقط نیروی میرایی در جهت فشار را تنظیم و کنترل می کند،(از این رو رفتار میرایی آنها شدیداً افزاینده است که در نمودارهای خطی یک و دو می بینید).در اینجا،تعبیه شیر مرحله فشار بر روی پیستون نیز امکان پذیر است،(شکل 3-21 راببینید).به علت وجود پیش فشار بیشتر از 25 اتمسفر در کمک فنر یک جداره بافشار،نمودار مربوط (نمودار 3و4)در ارتفاع بالاتری از مبداء،محور عمودی را قطع می کند وبه همین دلیل محور عمودی را در عددی مثبت قطع می کند.
در کمک فنر یک جداره بافشار،علاوه بردقت ابعاد و تلرانس هندسی آب بند 6،کیفیت این مقدار برای آب بندی مطلوب پیستون لازم است.
محاسن و معایب
محاسن کمک فنر یک جداره بافشار به شرح زیر است:
* خنک کاری مطلوب لوله سیلندر 11 که در تماس مستقیم با جریان هوای محیط قرار دارد،(شکل 2-21).
* به علت عدم وجود محفظه تعادل فشار در مقایسه با دیگر کمک فنرها،می توان با قطر بیرونی مشابه،قطر پیستون را بزرگتر در نظر گرفت(مثلاً 36 میلیمتر به جای 27 میلیمتر.در نتیجه فشارداخلی سیلندر کمترمی شود،(شکل 2-23 را ببینید).
* به خاطر فشار داخلی،روغن کف آلود نمی شود.در نتیجه،میرایی مناسب،حتی در تحریک ناچیز و فرکانس زیاد تضمین می شود.
* به دلیل وجود پیستون گاز،راستای نصب دلخواه است.
* حتی پس از مدت طولانی ساکن بودن خودرو،سطح روغن در سیلندر پایین نمی آید و در نتیجه پدیده نامطلوب نقص بیکاری بروز نمی کند.
البته در کنار این مزایا،معایبی نیز وجود دارد که عبارتنداز:
* هزینه بیشتر به دلیل دقت بیشتر در هنگام تولید و ساخت،مونتاژ پیچیده و نیز دشواری آب بندی گاز.
* نیاز به فضای بیشتر برای نصب کمک فنر به علت مرده بلندتر.
* در هنگام نشتی روغن،پیستون گازدر جهت پیستون کمک فنر حرکت می کند.در این صورت،در حالت کاملاً فشرده،پس از مصرف روغن رزرو،ممکن است پیستون گاز به پیستون روغن برخورد کند.
در ضمن،نیروی رانده شدن میله پیستون FKA بر اثر فشارداخلی،دمای بیشتر افزایش می یابد.(مقدار نیروی یاد شده در دمای متعارف 20 درجه سانتیگراد برابر با 190 تا 250 نیوتن است).اگر فنربندی تعلیق فرم باشد،بدنه تا 20 میلیمتر از جای خود بلند می شود،در نتیجه،اگر کمک فنر دوجداره بی فشار را با کمک فنر یک جداره بافشار عوض کنند،جا به جایی فنر هنگام کشش کاهش می یابد و مرکز نقل بدنه بالا می رود.البته اگر کارخانه کمک فنر یاد شده را برای تولید انبوه انتخاب کند،این نقص ها با طراحی کوتاه تر طول کمک فنر برطرف می شوند.

بررسی نیروی میرایی

نیروی هیدورلیکی میراکننده
منحنی مشخصه کمک فنر
نیروی فنر تابعی از جابه جایی چرخ است.اما نیروی میرایی به سرعت آن بستگی دارد.منظوراز سرعت،سرعت نسبی اتصالات بالا و پایین هنگام جمع و بازشدن کمک فنر است.اگر نیروی ایستایی FF به یک فنر اعمال شود،فنر تا اندازه معینی طبق تساوی زیر جابه جا می شود:
(4-1)
ضریب CF نمایانگر سختی فنر است.فنر انرژی را ذخیره می کند و در هنگامی که برای ایمنی حرکت مناسب نیست،آن را به سیستم باز می گرداند.اگر به یک کمک فنر،نیروی ثابت اعمال شود،کمک فنر با سرعت ثابت در کورس خود باز یا بسته می شود.تساویی که بین نیروی میرایی FD و سرعت VD وجود دارد،به شرح زیراست:
(4-2)
در این تساوی KD ضریب میرایی و u نمای میرایی است.کارمکانیکی حاصل از جابه جایی کمک فنر به گرما تبدیل می شود و از بین می رود.نمودارهای حاصل از نتایج آزمایش کمک فنر،تغییرات نیروی میرایی را برحسب جا به جایی در گامهای ثابت سرعت نشان می دهد،(در اینجا)سرعت میرایی با تغییر دور دستگاه می شود،بخش 1-2-2 را ببینید).مساحت نمودار نمایانگر کار انجام شده درهر کورس کمک فنر است.
برای دستیابی به منحنی مشخصه کمک فنر،یعنی منحنی نیرو-سرعت،نیروی میرایی پیشینه FAE و سرعت متناظر پیستون را از نمودار تغییرات نیرو- جا به جایی (شکل 1-12 و 1-13 )و می خوانند و در منحنی نیرو به سرعت در سرعت متناظر ثبت می کنند،(شکل 4-1).برای تعیین منحنی در اولین مرتبه،نیروی میرایی پیشینه را از 6 نمودار،به منحنی مشخصه انتقال می دهند.آزمایش کمک فنر،مطابق توضیحات بخش 1-2-2- است.هنگام کنترل کمک فنر در تولید انبوه،برای صرفه جویی در وقت آزمایش،فقط به اندازه گیری دو یا سه نقطه در منحنی مشخصه اکتفا می کنند.
شکل ظاهری منحنی مشخصه کمک فنر و منحنی سختی فنر شباهت فراوانی به یکدیگر دارند،(شکل 4-2 را ببینید).از این رو،برای شناسایی بهتر مشخصه کمک فنر،نیروی میرایی کشش را در جهت مثبت و نیروی میرایی فشار را در جهت منفی نشان می دهند.بنابراین،نیروی میرایی کشش در ناحیه اول مختصاتی و نیروی میرایی فشار در ناحیه سوم مختصاتی رسم می شوند،(شکل 8-31 و 8-40 الف را ببینید).
شکل 4-1:برای دستیابی به منحنی مشخصه کمک فنر،یعنی منحنی نیرو- سرعت،نیروی میرایی پیشینه کشش و فشار یعنی FAD را از منحنی نیرو- جابه جایی می خوانند و آنها را برحسب سرعت های متناظر در منحنی نیرو-سرعت ثبت می کنند.
شکل 4-2:در منحنی مشخصه فنر،تغییر نیرو برحسب نیوتن نسبت به جابه جایی برحسب میلیمتر ثبت می شود،اما منحنی مشخصه کمک فنر،تغییر نیروی میرایی برحسب سرعت حرکت پیستون را با واحد متر بر ثانیه نشان می دهد.اگر میرایی فشار در ناحیه سوم ترسیم نشده باشد،(مانند شکل بالا)،شکل ظاهری دو منحنی کشش و فشار به یکدیگر تشبیه است.
شکل 4-3:منحنی مشخصه کمک فنر با رفتاری خطی،دو نمودار چپ نسبت کشش به فشار برابر با 3 و در نمودار راست نسبت کشش به فشار برابر با 1 است.
در کمک فنر یک جداره بافشار و کمک فنر،دوجداره بافشار،براثر وجود فشار در محفظه گاز،نیرویی به نام نیروی رانده شدن میله پیستون FKA بر میله پیستون وارد می شود که به محل قرارگیری میله پیستون هنگام آزمایش بستگی دارد.درمنحنی نیرو- جابه جایی،خط مبنای کمک فنر بر اثر نیروی FKA به پایین (مرحله فشار)انتقال می یابد.
شکل 4-4:در منحنی مشخصه کمک فنر بافشار،خط مبنای کمک فنر نسبت به محور افقی به اندازه FKA (یعنی نیروی رانده شدن میله پیستون)فاصله دارد.ضمناً هنگام فشرده شدن کمک فنر،بالشتک گاز پیش تنیدگی بیشتری پیدا می کند و برعکس،هنگام بازشدن کمک فنر،از پیش تنیدگی موجود کاسته می شود.به همین دلیل،خط مبنای کمک فنر خمیدگی پیدا می کند.هنگام خواندن نیروی میرایی برای دستیابی به منحنی مشخصه،خط بر مبنای کمک فنر را بر روی دستگاه اندازه گیری با جبران نیروی FKA بر محور افقی منطبق می کنند.
این نیرو،نیروی میرایی را نیز از نقطه مرگ بالا به پایین می افزاید،(شکل 4-4 را ببینید).فاصله خط مبنای کمک فنر با محور افقی را می توان با دستگاه اندازه گیری الکترونیکی جبران کرد و آن را تصحیح کرد.خمیدگی خط مبنای کمک فنر،در اندازه نیروی میرایی کشش و فشار FA,E اثر کمی دارد،زیرا این نیروها را در وسط کورس پیستون می خوانند.
به این ترتیب با داشتن منحنی مشخصه نیرو- سرعت نمی توان پی برد که نمودار متعلق به کمک فنر بی فشار با کمک فنر با فشار است.البته یک فرد با تجربه می تواند از روی نحوه تغییر میرایی،به شیوه کارکرد و شناسایی سیستم شیرهای روغن دست یابد،(بخش 4-1-2 راببینید).
همچنین،از منحنی مشخصه میرایی نمی توان به اندازه اصطکاک درونی کمک فنر پی برد.برای دستیابی به اندازه اصطکاک سیستم،علاوه بر یافتن نیروی میرایی،ضروری است که کمک فنر را در سرعت بسیار کم پیستون آزمایش کرد،(بخش 4-2 را ببینید).در نتیجه منحنی تغییر میرایی نیز متفاوت است.

میرایی کاهنده،افزاینده و خطی
شکل منحنی مشخصه و نمودار نیرو- جابه جایی مستقیماً به یکدیگر بستگی دارند.نمونه ای از منحنی کاهنده میرایی را در شکل 4-1 می بینید.در این شکل،مساحت نمودار نیرو-جابه جایی بزرگ است و در نتیجه،میانگین نیروی میرایی بیشتر ازسایر منحنی ها است،(شکل 4-14 را ببینید.)برای مقایسه بهتردر پایین شکل 4-5 منحنی میرایی افزاینده را نیز می بیند.نیروی میرایی تابع نمایی ازسرعت است.منحنی سرعت – نیرو در پایین شکل در کنار منحنی نیرو- جابه جایی رسم شده است.
منحنی میرایی با رفتار کاهنده این ویژگی را دارد که در جابه جایی های اندک چرخ و در سرعت کم پیستون،نیروی میرایی زیادی ایجاد می کند،عیب این ویژگی این است که فنربندی به جابه جایی ها و ناهمواریهای جاده پاسخ مطلوب نمی دهد.مزیت میرایی کاهنده،ایجاد پایداری غلتشی هنگام تغییر مسیر و گردش خودرو در سر پیچ است.بدنه به آهستگی شیب پیدا می کند و ارتعاشات آن حول محور افقی در مقایسه با میرایی افزاینده کمتر است.این رفتار در تمایل خودرو به سرزنی نیز رخ می دهد.هنگام ترمزگیری ناگهانی،سرزنی و پایین رفتن جلوی خودرو چندان مطلوب نیست.ازآنجا که ایستان،اندازه نیروی پیشینه میرایی را که به بدنه محور
شکل 4-5:منحنی مشخصه کمک فنر می تواند رفتاری افزاینده (شکل بالا)،خطی (شکل میانی)یا کاهنده(شکل پایین)داشته باشد.منحنی مشخصه میرایی و نیرو جابه جایی مستقیماً به یکدیگر وابسته هستند.نمودار منحنی افزاینده،کمترین مساحت و در نتیجه کمترین مقدار میانگین میرایی را دارد.بیشترین میانگین نیروی میرایی متعلق به منحنی کاهنده است.منحنی تغییر میرایی را با تساوی زیر تخمین می زنند:FD=KD.
خودرو وارد می شود،محدود می کند،کافی است که منحنی میرایی در سرعت زیاد پیستون،به آهستگی افزایش یابد.اگر در یک خودرو که شاسی و تعلیق آن را از نظر استحکام برای کمک فنری با رفتار کاهنده طراحی کرده اند،از کمک فنری با رفتار افزاینده استفاده شود،هنگام کارکرد ترک و شکست در شاسی و قطعات تعلیق ایجاد می شود.
اما میرایی افزاینده دارای این مزیت است که نیروی میرایی در سرعت کم،کوچک و ناچیز است و در نتیجه خوش سواری خودرو در ناهمواریهای کوچک مطلوبتر است.افزایش نیروی میرایی به شکل افزاینده در سرعت زیاد پیستون،افزایش ضریب میرایی،یعنی KD و در نتیجه بزرگ شدن میرایی بدنه و تعلیق را به دنبال دارد،(ضرایب Dwv و Duv در تساوی 4-5 و 7-4،بخش 4-1-5 را ببینید).افزایش میرایی محور از پریدن چرخها جلوگیری می کند و در نتیجه،هنگام عبور از جاده ناهموار،تماس جاده و چرخ را همواره برقرار می سازد.نمودار نیرو-جابه جایی در میرایی افزاینده،نسبتاً تیز است،یعنی مساحت کمتری دارد و به این ترتیب در مقایسه با نیروی میرایی پیشینه،میانگین میرایی کمتری ایجاد می کند.
شیرهای میرایی پیشرفته و کارآمد،امروزه دستیابی به منحنی مشخصه دلخواه و تنظیم میرایی مورد نظر را امکان پذیر می سازند.نمودارهای میرایی دیگر به ندرت صرفاً افزاینده،خطی یا کاهنده هستند.با ترکیب مقاطع گلویی مختلف و اثر متقابل آنها،رفتار میرایی در بازه های سرع متفاوت می شود.یعنی نمای میرایی تابعی از سرعت پیستون است،(n=f(VD)).برای دقت بیشتر،بهتر است از دو طرف معادله لگاریتم بگیریم،(تساوی 4-2 را ببینید).
(4-3) log FD=log KD + n.log VD
به این ترتیب با انتقال میرایی و رسم منحنی در محور دو لگاریتمی،یک خط داریم.ضریب زاویه این خط بیانگر نمای افزاینده یا کاهنده میرایی است،(شکل 4-6 را ببینید).در مثال انتخاب شده،میرایی افزاینده در محدوده میان بر و بار کامل،نیز رفتار کاهنده میرایی در بازه سرعت بین 3/0 تا 7/0 متر بر ثانیه را می بینید.

نسبت کشش به فشار
در بخش 4-1-6 برای محاسبه و تعیین ضریب میرایی KD فرض بر آن است که نیروی میرایی،میانگین نیروی میرایی در جهت کشش و فشاراست،یعنی
(4-19)
این فرض در محاسبات ریاضی با تقریب خوب و دقت مناسب قابل قبول است.
با فرض این که مقدار میرایی کل ثابت و برابر با مجموع میرایی کشش و فشار باشد،یعنی FA+FE=cont. نسبت کشش به فشار آن برابر با یک باشد،نوسانات محور را سریعتر جذب و مسیرا می کند،(شکل 4-7 وشکل راست شکل 4-3 را ببینید).اگر نیروی میرایی فشار
شکل 4-6:منحنی مشخصه کمک فنر برای میرایی مرحله کشش درمحور عقب خودروی اپل امگا.از شکل سمت راست،که در محور دو لگاریتمی رسم شده است،می توان پی برد که منحنی در کجا رفتار افزاینده و در کجا رفتار کاهنده دارد.
شکل 4-7:منحن نیرو – جابه جای یک کمک فنر با نسبت کشش به فشار برابر با یک،(نیروی مساوی در کشش وفشار در سرعت مساوی،شکل 4-3 را ببینید).
شکل 4-8:اگر در حالتی که فقط میرایی کشش داریم و میرایی فشار صفر است،نوسانات بار چرخ را صددرصد فرض کنیم،هنگام نصب کمک فنر با نسبت کشش به فشار برابر با یک،نوسانات بار چرخ به 80 درصد کاهش می یابد.این اعداد نتیجه محاسبات و تحقیقات انجام شده است.در محور افقی نسبت کشش به مجموع کشش وفشار درج شده است.هنگامی که نسبت کشش به فشار برابر با یک باشد،نسبت یاد شده برابر 5/0 است،(نقطه کمینه منحنی).
نسبتاً بزرگ باشد،جابه جایی چرخ اندک می شود و به این ترتیب انرژی ذخیره شده در فنر محدود می شود.شکل 4-8 نشان می دهد که چگونه با افزایش میرایی فشار،نوسان بار چرخ کاهش می یابد و به این ترتیب تماس ممتد بین چرخ و جاده امکان پذیر می شود.البته عیب افزایش میرایی فشار،کاهش خوش سواری وسخت تر بودن لغزش چرخها است.از این رو،مرسوم است که نسبت کشش به فشار iAEدر محور جلو و عقب را به شرح زیر برگزینند. iAE برای محور جلو 2 تا 5،برای محور عقب 5/1 تا 4.
فنربندی محور جلو میزان خوش سواری را تعیین می کند،(از این رو میرایی فشار آن کمتر است).اما محور عقب باید دارای فنربندی و تعلیقی باشد که بتواند نوسان بار چرخ را بکاهد.
البته،اگر نیروی میرایی فشار را بیش از حد در اتصالات کمک فنر وجود دارد.اندازه نیروی میرایی فشار به ساختار کمک فنر و رفتار شیرها بستگی دارد.همان گونه که در بخش های 3-3 و 3-4 گفتیم،افزایش میرایی فشار بیش از حد معینی در کمک فنر دوجداره،با دشواریهای زیادی همراه است.شکل 3-12 ساختارشیر روغن در مرحله فشار را که برای دستیابی به مقادیر پیشینه میرایی لازم است،نشان می دهد،(بخش 3-5 را ببینید).در کمک فنر دو جداره بافشار نیز برای افزایش نیروی میرایی در جهت فشار محدودیت هایی وجود دارد،زیرا فشار مخزن روغن را نمی توان نامحدود افزایش داد.برخلاف کمک فنر دوجداره بافشار،سیستم کمک فنر یک جداره بافشارمشکلی ایجاد نمی کند،(بخش 3-5 را ببینید).البته در کمک فنر یک جداره بافشار اندازه نیروهای میرایی به مقدار فشار گاز بستگی دارد.
4-1-4-شیوه انتخاب و نوع فنربندی
شرکت های خودروساز مهم در آلمان مانندب.ام.و، اپل و فورد و دیگر شرکت ها،برای خوش فرمانی و خوش سواری علاوه بر نمونه های متداول از کمک فنر سری S که سخت تر هستند،استفاده می کنند.البته این کمک فنر را نباید با سری R که سخت تری از سری S است و برای خودروی مسابقه ای طراحی شده است،اشتباه گرفت.همه این کمک فنرها به گونه ای طراحی شده اند که هنگام جمع و بازشدن سخت هستند و جا به جایی های کوچکی دارند.این کمک فنرها شیب غلتش بدنه را هنگام حرکت بر سر پیچها می کاهند و در نتیجه،از توزیع نامناسب نیرو بر چرخها جلوگیری می کنند،(بخش 3-6 کتاب مبانی تعلیق را ببینید.)البته باید دانست که کمک فنر را در کدام فنربندی،نصب می کنند.از آنجا که سطح خودروی مسابقه ای معمولاًپایین است،از فنرهای سخت تر استفاده می شود که طول کوتاهتری دارند.
شکل 4-9:منحنی مشخصه میرایی کمک فنر محور عقب خودروی اپل کادت و خودروی مسابقه ای.در اینجا علاوه بر میرایی،سختی مجموعه فنرهای کوتاه تنظیم شده است،(بخش 2-1-4 را در کتاب سیستم تعلیق چرخ را ببینید).
بنابراین برای رسیدن به هدف یادشده،معمولاً طول کمک فنر را نیز کوتاه در نظر می گیرند.هنگام تعویض یک کمک فنر با کمک فنر سخت تر باید به ساختار کمک فنر نیز دقت کرد.اگر از کمک فنر یک جداره استفاده می شود،مستقل از سختی میرایی،سطح خودرو بالاتر می رود.مگر این که با استفاده از فنرهای کوتاه،نیروی رانده شدن میله پیستون را متعادل کنند.
البته باید هنگام این تغییر به بلندترین طول کمک فنر L3 دقت کرد.طول فنر باید به گونه ای باشد که هنگامی که کمک فنر کاملاً باز می شود،فنر هنوز پیش تنیدگی داشته باشد.
شکل 4-9 منحنی مشخصه کمک فنر محور عقب خودروی اپل کادت را با مشخصات زیر نشان می دهد:
تنظیم کمک فنر
سختی فنر(اصلی- پیشینه)،
نیوتن بر میلیمتر
معمولی = N
24-55
مسابقه ای = GT
52-30
مسابقه با فشار =Gsi
40-65
رالی =R
50-109

4-1-5- محاسبه نسبت میرایی کل خودرو محور چرخها
در رفتار ارتعاشی خودرو،کمک فنر وظیفه مهمی دارد.نیروی میرای Fd نیز اهمیت زیادی دارد.کمک فنر این نیروی میرایی رادر سرعت نسبی معین ایجاد می کند،که نهایتاً به نقطه تماس چرخ منتقل می شود.اثر میرایی محور جلو و عقب با یکدیگر متفاوت هستند.برای راحتی در این فصل از اندیس v برای محور جلو و اندیس h برای محور عقب استفاده می کنیم.به این ترتیب برای ضریب میرایی داریم:
(4-4)
با استفاده از تساوی بالا،نسبت میرایی بدنه Dwv به شرح زیر است:
(4-5)
نسبت میرایی،عددی بی بعد است زیرا:

سختی فنر تعلیق یعنیCv برحسب نیوتن بر متر است.مقدار 0.5mwv عکس العمل وزن خودرو بر یک طرف محوراست.
(4-6)
جرم فنربندی نشده خودرو Muv (یعنی جرم کامل محور جلو)را باید از بار محور کم کرد.کتاب ها مبانی و مکانیک خودرو اطلاعات دقیقی را درباره محاسبه دقیق muv و mwv در اختیار علاقمندان قرار می دهند.نسبت میرایی محور Duv را نیز با استفاده ضریب میرایی کمک فنر Kd محاسبه می کنند،تنها با این تفاوت که در اینجا نیمی از جرم فنربندی شده محور 0.5mwv و سختی لاستیک CR را نیز در محاسبات،وارد می کنند.
(4-7)
سختی پلاستیک CR به فشار هوا و عوامل متعدد دیگری که در کتاب لاستیک و چرخ مفصلاً بحث و بررسی شده اند،بستگی دارد.مقدار سختی لاستیک به طور کلی در بازه ای بین تا نیوتن بر متر است.

میرایی موثر در نقطه تماس چرخ
ضریب میرایی موثر به محل نقطه تماس چرخ بستگی دارد.در سیستم تعلیق مستقل،کمک فنر را در محلی از تعلیق می بندند که سرعت کمتری نسبت به نقطه تماس چرخ دارد.از این رو کمک فنر باید با سرعت نسبی کمتر،نیروی بیشتری اعمال کند.به همین دلیل در محاسبات میرایی خودرو،از بزرگنمایی میرایی iD استفاده می کنند،(کتاب مکانیک خودرو را ببینید).
اگر کمک فنر در یک سیستم تعلیق دو جناغی کار کند(شکل 4-10)،علاوه بر طول ، فاصله اتصال کمک فنر از محور دورن داخلی یعنی ، نیز در محاسبه بزرگنمایی میرایی iD تاثیردارد.بزرگنمایی میرایی iD به زاویه انحراف کمک فنر(یعنی زاویه ای که محور طولی کمک فنر با خط قائم می سازد)وابسته است.
(4-8)
اگر کمک فنر به بند پایین بسته شود،طول GD در محاسبه به کارمی آید.
در سیستمهای تعلیقی که سازه کمک فنر و مجموعه فنر- کمک فنر،چرخ را نیز راهنمایی می کنند،زاویه محور فرمان گیری چره نیز بزرگنمایی میرایی اثر دارد.
(4-9)
شکل 4-10:سیستم تعلیق دو جناغی.نیروی میرایی موثر بر نقطه تماس چرخ،علاوه بر تنظیم دورنی کمک فنر به بزرگنمایی iD یعنی نیز بستگی دارد.
شکل 4-11:برای کاهش شعاع خراش rs ، مفصل گویی G را به چرخ نزدیک می کنند،بنابراین زاویه a یعنی زاویه بین محور طولی کمک فنر و خط GE پدید می آید.هنگامی که مجموعه فنر- کمک فنر علاوه بر میرایی،چرخها را نیز هدایت کند،زاویه a نیز باید در محاسبه iD منظور شود.
همان گونه که در شکل 4-11 می بینید،اگر مفصل راهنمای G بیرون تر از امتداد کمک فنر باشد،بزرگنمایی میرایی iD به شرح زیر است:

(4-10)
برای بررسی دقیق تر و مطالعات بیشتر در ای زمینه توصیه می کنیم که به کتابهای مکانیک خودرو مبانی iD برابر یک است.با شیب دادن کمک فنر،این بزرگنمایی بسته به زاویه کمک فنر، تغییر می کند،که این تغییر مناسب نیست،(شکل 4-12).
(4-11)
اگردر فنربندی مرکب،فاصله کمک فنرها bD از عرض خودرو bh کمتر شود،بزرگنمایی میرایی غلتشی بیشتر می شود.در نتیجه،میرایی غلتش بدنه کاهش می یابد و رفتار خودرو هنگام عبور از جاده موج دار در حین غلتش نامطلوب می شود.
(4-12)
کمک فنرها را می توان به محور یا به پایین بندهای طولی خودرو متصل کرد،(شکل 4-13).در حالت دوم،فواصل a و b و نیز زاویه انحراف جانبی کمک فنر از نمای جانبی در روابط مربوط برای محاسبه iD دیده می شوند.
شکل 4-12:اگر کمک فنر را کاملاً عمودی نبندند،بلکه با زاویه نسبت به خط قائم نصب کنند،هنگام جمع شدن کمک فنر این زاویه افزایش می یابد و در نتیجه،میرایی خودروی پربار نامطلوب می شود.تساویهای 4-11 تا 4-13 در بخش 4-1-6 این مطلب را نشان می دهند.ضمناً هر چه کمک فنر بیشتر در داخل قرارگیرد و فاصله آنها از هم کمتر باشد،کمتر می تواند جلوی نوسانات غلتشی خودرو را بگیرد.
شکل 4-13:اگر محور صلب خودرو با دو بند راهنمایی شود و کمک فنرها را بر بندها پایین نصب کنند،بزرگنمایی میرایی برابر است با: که در آن زاویه راستای کمک فنر با خط قائم است.
(4-13)
(4-14)
تساوی های 4-11 تا 4-14 را نمی توان در هر آرایش محور به کاربرد،زیرا در هر سیستم تعلیق روابط فرق می کند.پس از تعیین بزرگنمایی میرایی iD می توان با توجه به تعاریف موجود به روابط زیر دست یافت،در اینجا اندیس d برای چرخ و اندیس D برای کمک فنر استفاده می شود:
(4-15)
(4-16)
(4-17)
برای دستیابی به نتایجی نزدیک به حقیقت،باید اصطکاک موجود در مفصل بندها را منظور
شکل 4-14 : برای تعیین نسبت میرایی بدنه Dwn و محور Duv (ونیز ضرایب میرایی kd و kD )از حداکثر سرعت پیستون VD,max و نیروی پیشینه میرایی درجهت کشش و فشار یعنی FA و Fn در محاسبات استفاده می شود.نیروهای میرایی FA و Fn را می توان به راحتی از منحنی مشخصه کمک فنر،شکل مقابل اندازه گرفت.البته دراینجا شکل ظاهری نمودار آنچنان اهمیت ندارد،بلکه روش درست آن است که مساحت محصور داخل نمودار را اندازه می گیرند و برای محاسبه نیروی متوسط میرایی در سرعت متوسط پیستون،یعنی به کار می برند.
کرد،(بخش 4-2 را ببینید).متناظر با نیروی اصطکاک یعنی F1 ، ضریب میرایی اصطکاک kdr را تعریف می کنیم.
(4-18)
Fr نیروی اصطکاک معادل در نقطه تماس چرخ است.نیروی اصطکاک را عموماً برای کسل محور چرخ بیان می کنند،مثلاًF1r=200 N.اما مقداری که در محاسبات استفاده می شود،نیروی اصطکاک یک سمت محور است و نیمی از F1r است،یعنی .
با توجه به دور دستگاه nD (دور بر دقیقه)و کورس پیستون s (متر)می توان به سرعت پیستون VD ،حداکثر سرعت پیستون VD.max و سرعت متوسط VD,med دست یافت.روش ساده تر این است که عدد VD.max را با حداکثر سرعت میرایی که از نمودار 4-14 به دست می آید،مقایسه کنیم.داشتن ضریب میرایی kd و kD برای تعیین نیروی کمک فنر FD ضروری است.می توان با استفاده از نیروی میرایی کشش FA که کمک فنر هنگام باز شدن وارد می کند، و نیروی میرایی فشار FE که هنگام باز شدن وارد می کند، و نیروی میرایی فشار FE که هنگام جمع شدن وارد می کند،نیروی میرایی کل را به دست آورد.
شکل 4-15:برای محاسبه نیروی میرایی کشش وفشار،که به نقطه تماس چرخ و جاده انتقال می یابند،گام اول،تعیین نیروی میرایی موثر در نقطه تماس چرخ است،. گام دوم،تعیین سرعت معادل است که در آن نیروی میرایی ایجاد می شود،. در اینجا ضریب تبدیل میرایی VD به Vd ،بزرگنمایی میرایی iD است.
شل4-16:در این شکل،منحنی مشخصه یک کمک فنر (ساخت کارخانه بوگه)را در کنار تغییرات میرایی در نقطه تماس چرخ می بینید،بزرگنمایی میرایی iD را در محسبات 44/1 فرض کرده اند.
میانگین دو عدد مذکور اندازه تقریبی نیروی میرایی کل را با دقت کافی تعیین می کند.البته در اینجا،اثر پارامترهایی مانند نسب کشش به فشار و اثر قطر پیستون و گرم شدن روغن بر میرایی دیده نشده اند،به این ترتیب داریم:
(4-19)
با در نظر گرفتن نیروی اصطکاک Fr داریم:
(4-19)
با استفاده از تساوی زیر (4-21)می توان حداکثر سرعت پیستون را تعیین کرد:
(4-20)
اگردور دستگاه آزمایش کمک فنر nD برحسب دور در دقیقه بیان شود،تساوی آخر را،باید بر عدد 1000×60 تقسیم کرد:

اگر منحنی مشخصه کمک فنر در جهت کشش و فشار مشخص باشد،می توان میرایی موثر در نقطه تماس چرخ را با استفاده از بزرگنمایی میرایی iD در هر نقطه منحنی تعیین کرد.در شکل 4-15 روش این کار را می بیندی.ابتدا در گام 1 نیروی میرایی موثر کشش و فشار با استفاده از بزرگنمایی میرایی iD>I محاسبه می شود و در گام 2 سرعت معادل درنقطه تماس چرخ Vd=Vd.id محاسبه می شود.شکل 4-16 منحنی مشخصه کمک فنر ساخت کارخانه بوگه آلمان را نشان می دهد که میرایی موثر آن از روش یاد شده به دست آمده است.

مثال عددی
برای نشان دادن اثر نامطلوب وزن زیاد جرم فنربندی شده بر میرایی،در اینجا نسبت های میرایی Dwh و Duh رابرای محور محرک عقب یک خودروی استاندارد را محاسبه کنیم.همان طور که در شکل 4-13 می بینید،کمک فنرها روی بندهای طولی پایینی تعلیق نصب شده اند.
داده های زیر مفروضند:با محور mh =500 کیلوگرم وزن محور muh=100 کیلوگرم؛ سختی فنر=Ch 18 نیوتن بر میلیمتر یا 18000 نیوتن بر متر؛ بزرگنمایی ID=2/1؛ سختی لاستیک CR =190 نیوتن بر میلیمتر.
مقادیر تنظیم دستگاه آزمایش کمک فنر عبارتنداز:کورس s=100 میلیمتر،دور nD =100 دور بر دقیقه؛ نیروی میرایی کشش FA =120 نیوتن؛نیروی میرایی فشار FE=400 نیوتن،نیروی اصطکاک Fr =50 نیوتن.
با داده های بالا نتایج زیر به دست می آید:
(4-21)
(4-20)

(4-4)
(4-6)
(4-7)

نتیجه به دست آمده برای Dwh کمی از محدوده مطلوب یعنی Dw=0.25-0.3 بزرگتر است.مقدار اصطکاک،نسبت میرایی Dwh را فقط به اندازه 8 درصد می افزاید.برای تضمین ایمنی حرکت،کمک فنر باید علاوه بر ایجاد میرایی مناسب برای بدنه،تماس جاده و چرخ را نیز کنترل کند.با جایگذاری تساوی هیا 4-5 و 4-7 می توان به تساویی بین ضرایب Dwh و Duh دست یافت.

در این مثال،محورمحرک عقب خودرو که وزن زیادی را تحمل می کند،میرایی کافی ندارد و به این ترتیب انتظار می رود که چرخها در جاده های ناهموار از جاده جدا شوند.اگر سیستم تعلیق چرخ سبک تر باشد،(مثلاً muh =50 کیلوگرم)مقدار نسبت میرایی بزرگتر می شود،یعنی Duh=0.229 ،که این مقدار برای میرایی کافی است.محاسبه Dwh و Duh فقط متعلیق به یک آزمایش معین کمک فنر با کورس یکصد میلی متر و دور یکصد دور بر دقیقه است.اگر منحنی مشخصه میرایی خطی نباشد،مقادیر Dwh و Duh می توانند بزرگتر یا کوچکتر از نقطه محاسبه شده باشند،(یعی در منحنی در بالا و پایین نقطه قرار گیرند).برعکس می توان از نسبت میرایی(مثلاً Duh=0.3)به تنظیم داده های کمک فنر (یعنی کورس و دور)دست یافت.در اینجا باید ابتدا نسبت میرایی کشش به فشار iAE را تعیین کرد،(بخش 4-1-3 را ببینید).
(4-22)
اگر این تساوی را در تساوی 4-19 جایگزین کنیم،مقدارنسبت کشش به فشار به دست می آید.

البته باید گفت که اینگونه محاسبات فقط یک برآورد کلی و تخمینی برای مهندسین طراح و صنایع است و طبیعتاً نمی تواند جایگزین محاسبات طولانی تنظیم دقیق میرایی کمک فنر باشد.

میرایی اصطکاک
قدیمی ترین نوع اصطکاک برای میرایی نوسان بدنه و کنترل چرخ،اصطکاک کولمب است.حتی قبل از سال 1930 میلادی در فنربندی محور و چرخ خودرو و موتور سیکلت از لنت اصطکاک استفاده می کردند،که با یک فنر پیش تنیده می شد.این لنت ها در هنگام جمع و باز شدن چرخها به سطوح فولادی فشرده می شدند.شبیه این پدیده درفنرهای چند لایه ای تخت رخ می دهد.از این رو بافنرهای تخت ارتعاشات و نوسانات زودتر ازبین می روند.البته این عیب وجود دارد که فنربندی خودرو سخت می شود و خوش سواری آن کاهش می یابد.
امروزه این اشکال به صورت خیلی خفیف تر در مفاصل تعلیق چرخ ها وجود دارد.برای هدایت چرخها جلو نیاز به مفاصل گویی و بندهای مفصل دار است،که یاتاقان های لاستیکی و فلزی دارند.در همه این اتصالات اصطکاک درونی وجود دارد،(فصل 2 کتاب سیستم تعلیق و چرخ را ببینید).برای ارزیابی صحیح میرایی،باید میرایی اصطکاک را به نیروی میرایی کل نیز افزود.برای آنکه فنربندی درتحریک ناچیز جاده (جابه جایی اندک چرخ)نیز رفتار مطلوب و مناسبی داشته باشد،باید اصطکاک درونی کمک فنر تا جایی که می شود ناچیز باشد.
شکل 4-17:نمودارهای نیرو-جابه جایی و نیرو-سرعت برای میرایی اصطکاک در شرایط ایده آل.
شکل 4-18:نمودار اصطکاک یک کمک فنر دوجداره که در دستگاه آزمایش کمک فنر VDA در دوره های بیش از یک دور بر دقیقه نگاشته اند.عدم افزایش اصطکاک در نقاط برگشت نشانه وجود یک سیستم آب بندی خوب و مطلوب است،(شکل 2-8).
اصطکاک درونی کمک فنر بین اجزاء زیر به وجود می آید:
* میله پیستون و آب بند
* میله پیستون و راهنما
* پیستون و سیلندر
مقدار اصطکاک در کمک فنر دوجداره – که آب بندهای آن زیر هیچگونه فشار داخلی نیست-حدود 30 نیوتن(شکل 4-18)و در کمک فنر یک جداره بافشارتقریباً 50 است.شکل 4-17 منحنی نیرو – جابه جایی و نیرو-سرعت را برای میرایی اصطکاک در شرایط ایده آل نشان می دهد.در شکل 4-18 نمودار اصطکاک یک کمک فنر را که در دستگاه آزمایش کمک فنر VDA به دست آمده است،می بینید.معمولاً هنگام آزمایش مجموعه فنر-کمک فنر،بار جانبی نیز بر کمک فنر وارد می کنند و در نتیجه،تنش خمشی حاصل را نیز در محاسبات در نظر می گیرند،(شکل 4-19).
نیروی میرایی که در آزمایش کمک فنر وابسته به سرعت پیستون به وجود می آید،اصطکاک موجود در کمک فنر را نیز شامل می شود.نیروی اصطکاک موجود در یاتاقان های محور نیز به آن اضافه می شود.بنابراین مقدار میرایی واقعی در نقطه چرخ و جاده برآیند همه نیروهای یاد شده است،(تساوی 4-18 و 4-20 را دربخش 4-1-6 ببینید).اندازه نیروی میرایی کشش و فشار در کمک فنر،با افزایش سرعت پیستون بیشتر می شود،اما نیروی اصطکاک تقریباً تغییر نمی کند.بنابراین،اثر اصطکاک بر میرایی در سرعت زیاد ناچیز است،اما در جابه جایی اندک چرخ،اثرآن قابل چشم پوشی نیست،(شکل 4-20)
شکل4-19:برای دستیابی به شرایط واقعی حرکت خودرو،معمول است که نیروی اصطکاک را در سازه کمک فنر بر حسب کورس پیستون و با باز جانبی می گیرند.به همین دلیل،بار وارد بر بازیو اهرم را کم کم می افزایند.در شکل بالا،افزایش اصطکاک در نقاط برگشت پیستون (که با U نشان داده شده اند)و اصطکاک لغزشی G سازه کمک فنر با قطر پیستون 32 میلمیتر و قطر میله پیستون 22 میلیمتر،را می بینید،اصطکاک لغزشی سازه کمک فنر کوچکتراز اصطکاک درنقاط برگشت پیستون است.
شکل 4-20:برای رسیدن به میرایی حقیقی در کمک فنر،باید نیروی اصطکاک موجود در مفصل بندها را به میرایی هیدرولیکی افزود.
شکل4-20الف: منحنی مشخصه کمک فنر دوجداره بی فشار ساخت کارخانه دلکو با قطر پیستونی برابر با 24 میلیمتر.افزایش نیروی میرایی در دمای کم و شکست منحنی در دمای زیاد روغن را در شکل بالا می بینید.افزایش شدید نیروی میرایی در محدوده روزنه ثابت شیرها در دمای منفی سی درجه سانتیگراد و کاهش مجدد آن از سرعت 26/0 متر بر ثانیه پیستون بخوبی در شکل نمایان است،علت کاهش مجدد نیروی میرایی در سرعت زیاد،گرم شدن روغن در هنگام آزمایش کمک فنراست.
عوامل موثر بر میرایی

4-3-1- دما
گرانروی روغن کمک فنر با دما تغییر می کند.این تغییر،بر نیروی میرایی نیز کم و بیش تاثیر می گذارد.شکل 4-20 الف منحنی مشخصه یک کمک فنر دو جداره بی فشار ساخت کارخانه دلکو را در دماهای مختلف نشان می دهد.سخت شدن کمک فنر در دمای کم و نرم شدن آن در دمای زیاد در این نمودارها بخوبی دیده می شود.سخت شدن کمک فنر از راحتی و خوش سواری می کاهد و نرم شدن کمک فنر،نوسانات بدنه خودرو را می افزاید ونیز تماس بین چرخها را کم می کند.از آنجا که دو خواسته خوش سواری و ایمنی حرکت تا حدودی متضاد هستند،باید در هنگام طراحی کمک فنر،راه حلی سازشکارانه را برگزید.کمک فنر نوین با قابلیت تنظیم پذیری الکتریکی،که در بخش 8-4 بحث و مطالعه شده است،دراین زمینه بسیار بهبود یافته است.در کمک فنربا فشار،علاوه بر منحنی مشخصه کمک فنر،شدت و تغییرات نیروی رانده شدن میله پیستون FKA نیز عواملی چون گرم شدن روغن،حجم محفظه گاز،مقدار روغن موجود در کمک فنر و جابه جایی میله پیستون بستگی دارد.برخی از این روابط و وابستگی ها را در شکل 4-21 می بینید.
کف آلود شدن روغن
در کمک فنر یک جداره که در بخش 2-3 معرفی کردیم،پدیده کف آلود شدن روغن وجود ندارد.زیرا محفظه روغن و گاز را یک پیستون کاملا از یکدیگر جدا می کند.در صورت عدم وجود پیستون گاز،مثلاً در کمک فنر دو جداره،روغن مستقیماً با گاز در تماس است.مهمترین عواقب این امر عبارتنداز:
* روغن تا رسیدن به حد اشباع،هوا جذب می کند.این مقدار به طور تخریبی حدود 9% به ازای هر بار واحد فشار است.
* تکانهای دینامیکی در کمک فنر بی فشار که به محور چرخها متصل است،هوا و روغن را شدیدتر در محفظه تعادل فشار مخلوط می کند.
با حرکت میله پیستون به بالا،روغن کف آلوده شده به محفظه کار مکیده می شود.کف آلود شدن روغن،نیروی میرایی را در منحنی مشخصه کمک فنر می کاهد،که در شکل 4-22 می بینید.در نقاط برگشت پیستون،نیروی میرایی به تدریج و به کندی افزایش می یابد و مساحت منحنی مشخصه،کوچک می شود.
برای کاهش کف آلود شدن روغن،سازندگان کمک فنر سابقاً قطعه چوب پنبه شکلی را داخل محفظه روغن می گذاشتند.البته این کار بر کارکرد کمک فنر اثر نامطلوب دارد،زیرا نیروی میرایی کشش را به شدت کم می کند.
شرکت موترو،یک لوله مارپیچ را برای هواگیری (شکل 4-23)در محفظه تعادل فشار قرارداده است و بدون کاهش میرایی در مرحله کشش به هدف یاد شده دست یافته است.سازندگان دیگر نیز در صورت گرفتن سفارش،این قطعه را برای جلوگیری از کف آلود شدن روغن در کمک فنر به کار می برند.
راه حل مناسب تر ایجاد فشار در کمک فنر دوجداره است،(بخش 2-2-1 و 2-2-2- را ببینید).این کار از کف آلود شدن روغن تا حدود زیادی جلوگیری می کند.
شکل 4-21:در کمک فنر ی یک جداره بافشار بر اثر اعمال فشار داخلی بین 20 و 28 اتمسفر در دمای 20 درجه سانتیگراد،میله پیستون با نیروی FKA رانده می شود.مقدار نیروی یاد شده به دمای روغن و نیز به مقدار روغن موجود در محفظه روغن بستگی دارد.

-میرایی تئوری و حقیقی
سازندگان کمک فنر،میرایی تئوری را که در نمودار منحنی مشخصه کمک فنر نشان می دهند،شاخص مهمی برای ارزیابی کارکرد کمک فنر می دانند،البته،برای دستیابی به میرایی حقیقی باید مقدار دیگری به میرایی تئوری،افزود.
اگرچه بزرگنمایی میرایی iD تعیین کننده میرایی موثر در چرخ است،(بخش 4-1-6- را ببینید)،در عمل مقدار میرایی واقعی در چرخ بزرگتر از مقدار محاسبه شده است،زیرا:
* حدود 2 تا 10درصد به علت اصطکاک در اتصالات محور و مفصل ها به میرایی تئوری افزوده می شود.
* اگر از کمک فنرهایی با سطح پیستون بزرگتر استفاده شود،تا 10درصد به میرایی تئوری افزوده می شود.
* اگر نسبت میرایی کشش به فشار کوچکتر از 3 باشد،یا اگر از کمک فنر یک جداره استفاده شود،تا 5 درصد به میرایی تئوری افزوده می شود.
* در میرایی کاهنده تا 10 درصد به میرایی تئوری افزوده می شود،در این حالت نمودار مساحت بزرگتری دارد و در نتیجه،میانگین نیروی میرایی از بیشینه نیروی میرایی محسابه شده بزرگتر است.نکات اول و دوم اثر چشمگیری بر مقدار میرایی بدنه Dwv دارند.

تلرانس میرایی
در جدول 5-2 علاوه بر تلرانس نیروی میرایی،سرعت پیستون را نیز می بینید.
سرعت بیشینه پیستون (VD,max ) 524/0 متر بر ثانیه و کورس پیستون (S0 )100 میلیمتر و تعداد دور (n)100 دور بر دقیقه بوده است.
تلرانس میرایی به سیستم شیرهای عبور روغن و نیز به مقطع گلویی جریان عبور روغن بستگی دارد.در کمک فنر تولید انبوه دوجداره،تلرانس مجاز اغلب طبق جدول صفحه 100است.
شکل 4-22 (بالا)کاهش نیروی میرایی در نقاط برگشت پیستون،بر اثر کف آلود شدن روغن،کم بودن مقدار روغن در محفظه کار با پدیده نقص بیکاری یعنی حرکت مجدد خودرو پس از سکون طولانی و خنک شدن و نشتی روغن به وجود می آید.در شکل،منحنی مشخصه یک کمک فنر دوجداره بی فشار را می بینید.عوامل یادشده،منحنی را در نقاط برگشت پیستون دماغه دار می کنند.
شکل 4-23: (چپ)ساختار یک کمک فنر دو جداره بی فشار ساخت شرکت مونرو:در اینجا کمک فنر را با لبه دار کردن و جوش دادن جداره بیرونی 1 به کلاهک 2 می بندند.در شکل،آب بند راهنمای میله پیستون را می بینید که فنر مخروطی شکل 5 آن را به میله پیستون 6 و به کلاهک 2 می فشرد.راهنمای میله پیستون فنر مخروطی شکل 6 را نگه می دارد.یک راهگاه مورب در راهنما هوا را تخلیه می کند و راهگاه مارپیچ 8 که به دور سیلندر 7 تابیده شده است،از کف آلود شدن روغن جلوگیری می کند.شیر مرحله کشش 9 و شیر زیرین 10 مشابه نمونه هایی هستند که در شکل های 3-8 و 3-11 می بینید.ساختار اتصالات چشمی 11 مطابق نوع TYP2 در شکل 5-8 است.
تلرانس
دور آزمایش در کورس
سرعت پیستون
20%
Rpm10
m/s52%
5/17%
Rpm25
m/s 131/0
15%
Rpm50
m/s262/0
5/12%
Rpm75
m/s393/0
10%
Rpm100
m/s524/0

شیرهای عبور روغن در کمک فنر یک جداره اجازه تلرانس تنگ تری را نیز می دهند.در نمونه های شرکت بیلشتاین که در شکل های 2-21 و 6-47 می بینید،در محدوده اندازه گیری شده،حداقل میرایی تا 50 نیوتن،معادل با 5/7 تا 8 درصد تلرانس دارد.

– کاهش اثر میرایی
علت نارسایی کمک فنر در اغلب موارد،نشتی بیش از حد روغن است که ناشی از خرابی و درست عمل نکردن رینگ آب بند است.دلیل آن،دمای بیش از حد و یا ساییدگی مکانیکی است.
اگر کمک فنری را طبق شرایطی که در شکل 1-11 می بینید،بیازماییم،منحنی مشخصه کمک فنر شروع مرحله نارسایی را مطابق با نمودار شکل 4-22 به دست می آوریم.عواقب نارسایی کمک فنر در خودرو عبارتنداز:سرزنی،شیب غلتش بیش از حد بدنه،ناآرامی فرمان،ناپایداری و بی ثباتی هنگام گردش و ساییدگی لاستیک ها.در نهایت کمک فنر نیروی میرایی ایجاد نمی کند.در این حال،منحنی مشخصه موازی با محور افقی می شود و ارتفاع خطوط،،اندازه اصطکاک درونی را نشان می دهد،(شکل 4-18 را ببینید).
البته نیروی میرایی با کارکرد خودرو تغییر می کند و این تغییرات تابع هیچ قانون معینی نیست.اگر کمک فنر درست طراحی شده باشد و کار نکند،منحنی تغییر نیروی میرایی آن مطابق شکل 4-24 است.منحنی A کاهش نیروی میرایی با کارکرد خودرو را،که اغلب صادق است،نشان می دهد.علت کاهش میرایی کمک فنر با کارکرد،نشتی آب بند میله پیستون(نشتی روغن بر اثر ایجاد شکاف)،صاف و صیقلی شدن آب بند شیر و سطح سیلندر و نیز کاهش سختی فنر شیرها است.
اگر وزنه ثابت عبور جریان روغن بر اثر برخورد صفحات شیر بسته شوند،نیروی میرایی افزایش می یابد.نمونه این حالت د منحنی B شکل بالا نمایان است.اگر افزایش نیروی میرایی از روش یاد شده در بازه محدودی رخ دهد،کاهش میرایی درونی کمک فنر جبران می شود.در این صورت پدیده یاد شده نامطلوب نیست و مثبت ارزیابی می شود.
شکل 4-24:تغییر نیروی میرایی با مسافت کارکرد خودرو.با رسم کاهش میرایی به صورت درصدی از مقادیر جدید در سرعتهای یکسان،می توان به نمودار بالا دست یافت.منحنی A که در شکل می بینید،کاهش میرایی را بر حسب مسافت کارکرد خودرو نشان می دهد.این منحنی در اغلب خودروها صدق می کند، و این کاهش میرایی بر اثر خرابی مقاطع گلویی و شیرهایی که زیر پیش تنیدگی فنر قرار دارند،ایجاد م شود.در سرعت کم که تنها روزنه های ثابت روغن فعال هستند،با افزایش مسافت کارکرد،تغییر میرایی می تواند مسیری افزاینده داشته باشد،(منحنی B).همان طور که در مثال 3-10 الف می بینید،هنگامی که روزنه های ثابت عبور روغن بر اثر برخورد صفحات شیر بسته شوند،حالت یاد شده رخ می دهد.

روغن کمک فنر
روغن هایی که در کمک فنر به کار می روند،روغنهای معدنی رقیق هستند.برای بهبود برخی از ویژگیهای این روغن،بسته به ساختار و درجه پالایش،مواد افزودنی خاصی به روغن خام می افزایند.مهمترین آنها عبارتنداز:
* پلیمرهایی که در برابر تنش برشی مقاوم هستند و گرانروی را بهبود می بخشند،برای بهبود رفتار گرانروی – دمای روغن به کا رمی روند،(شکل 4-25).
* بوتیل آمینولیت یا دی الکول دیتر فسفات روی8 که برای بهبود مقاومت در برابر سایش،افزایش مقاومت به اکسیداسیون و در نتیجه افزایش طول عمر مفید روغن استفاده می شوند.
البته باید گفت که هیچ استاندارد عمومی برای روغن کمک فنر وجود ندارد.خودروسازان شرایطی را برای رفتار مطلوب کمک فنر خواستارند.این شرایط بسته به نوع،ساختار شیرها و اجزاء و مواد تشکیل دهنده قطعات لغزشی در پیستون و راهنما متفاوت هستند.برای دستیابی به این خواسته ها سازندگان کمک فنرجلسات و مذاکراتی رابا تولید کنندگان روغن برگزار می کنند و شرایط ویژه کارکرد و مشخصات فنی را با مشخصات روغن تطبیق می دهند.
مباحثی که در این زمینه مهم هستند،عبارتنداز:
* رفتار روغن در دماهای مختلف:برای جلوگیری از سخت شدن کمک فنر در دمای کم و قابلیت لغزش قطعات متحرک از یک سو و محدود ساختن میزان تبخیر روغن در دمای زیاد،گرانروی روغن باید زیاد باشد.
* خواص اصطکاکی:برای رسیدن به اهداف و خواسته هایی چون خوش سواری،باید طراحی کمک فنر به گونه ای باشد که نیروی اصطکاک درسطوح لغزشی کمک فنر تا جایی که می شود اندک باشد.کیفیت روغن استفاده شده در کمک فنر،اندازه ضریب اصطکاک را تعیین می کند.
* سر و صدای کارکرد و کمک فنر:برای آن که سروصدای کارکرد کمک فنر (صدای جریان روغن)اندک باشد،نیاز به سازگاری روغن کمک فنر با شیرهای عبور روغن است،(بخش 3-6 را ببینید).
* طول عمر مفید کمک فنر:خرابی و نارسایی کمک فنر اغلب به علت نشت روغن است،سازگاری روغن هیدورلیک با اجزاء آب بندیو،درافزایش عمر مفید کمک فنر،موثر است.

واحد
روغن تازه
روغن کارکرده
وزن حجمی در دمای 20 درجه سانتیگراد
g/mL
8.9/0
915/0
گرانروی در دمای 40+ درجه سانتیگراد
Mm2/s
14
7/20
گرانروی در دمای 20+درجه سانتیگراد

Mm2/s
7/35
1/58
گرانروی در دمای 0 درجه سانتیگراد
Mm2/s
8/124
5/260
گرانروی در دمای 20- درجه سانتیگراد
–
931
2731
شاخص گرانروی
C 0
27
28
نقطه ریزش

36-
36-
عدد خنثی شدن

2
1/3
عدد اشباع
درصد وزنی
2/2
5/4
خاکستر(اکسید)
درصد وزنی
26/0
49/0
بوتیل امینولیت
درصد وزنی
64/0
55/0
گوگرد
درصد وزنی
28/0
37/0
فسفر
درصد وزنی
8%
11/0
روی
درصد وزنی
8%
12/0

شکل 4-25:نتایج آزمایش روغن کمک فنر در تولید انبوه.در جدول بالا درصد وزنی برخی عناصر مهم و تغییرات گرانروی آن پس از طی مسافت پنجاه هزار کیلومتر(روغن کارکرده)را می بینید.این نتایج نشان می دهند که نیروی میرایی با افزایش طول عمر خودرو،بویژه در دمای پایین افزایش می یابد.

فهرست مطالب
عنوان صفحه
کمک فنر دوجداره بی فشار 1
ساختار و شیوه کارکرد 1
هواگیری و موازنه حجم 4
رینگ آب بند میله پیستون با پیستون راهنما 6
محفظه سیلندر مخزن روغن لوله محافظ 9
کمک فنر برای موقعیت کاری دشوار خودروی سواری 10
روشهای تولید 11
کمک فنر دو جداره با فشار 12
کمک فنر یک جداره با فشار 15
ساختار و شیوه کارکرد 16
رینگ آب بند میله پیستون راهنما 18
محاسن و معایب 20
بررسی نیروی میرایی 21
نیروی هیدرولیکی میرا کننده 22
منحنی مشخصه کمک فنر 22
میرایی کاهنده ،افزاینده و خطی 25
نسبت کشش به فشار 27
شیوه انتخاب و نوع فنر بندی 29
محاسبه نسبت میرایی کل خودرو محور چرخها 31
میرایی موثر در نقطه تماس با چرخ 32
مثال عددی 38
میرایی اصطکاک 40
عوامل موثر بر میرایی 43
میرایی تئوری و حقیقی 45
تلرانس میرایی 46
کاهش اثر میرایی 48
روغن کمک فنر 50

1-NBR (Nittril-Kautschunk)

2-FPM (Flour-Elatomer)
3- Viton
4-Freudenberg
5-Goetze
6 Sintered Iron
7 De Carbon
8 ZDDP
—————

————————————————————

—————

————————————————————

1