بررسی سیستم تعلیق نیوماتیک

[بهداد]

بررسی سیستم تعلیق نیوماتیک
خودروسازان همواره به دنبال ارتقای محصولات خود و تعریف استانداردهای نوین در صنعت خودروسازی هستند. بهبود ایمنی و کیفیت سواری و رانندگی همواره از چالش‌های اصلی خودروسازان بوده و هست. از جمله بخش‌هایی که طراحان توجه ویژه‌ای به آن دارند، سیستم تعلیق است که نقش بسیار اساسی در راحتی و کیفیت رانندگی دارد.

سیتروئن به عنوان یک شرکت پیشرو در طراحی سیستم‌های هدایت و تعلیق، همواره نوآوری‌های زیادی در این زمینه داشته و استانداردهای نوینی برای یک رانندگی راحت و ایمن ارائه کرده است. یکی از این نوآوری‌ها که شهرت زیادی برای سیتروئن به ارمغان آورد، سیستم تعلیق هیدرونیوماتیک (Hydropenumatic تلفیقی از دو واژه ‌هایدرو به معنای آبی و واژه نیوماتیک به معنای بادی که برخی اوقات به اشتباه پنوماتیک تلفظ می‌شود) است؛ سیستمی که به خوبی نشان داد‌ چگونه می‌توان یک خودرو را همچون عبور از بالش ابری از پستی‌ها و بلندی‌های مسیر عبور داد.

وظیفه سیستم تعلیق در یک خودرو، جلوگیری از انتقال نوسانات ناشی از ناهمواری‌های جاده و حفظ پایداری خودرو برای راحتی سرنشین و رانندگی ایمن و مطمئن است. برای اینکه سیستم تعلیق بتواند چنین کاری را انجام دهد، نیاز به یک عضو انعطاف‌پذیر جهت جذب نوسانات و یک عضو کنترل‌کننده نوسانات دارد. در عموم خودروها از فنرلول برای جذب انرژی و از کمک‌فنر برای کنترل و تعدیل نوسانات استفاده می‌شود. بدین صورت فنر با متراکم و آزاد‌شدن خود امکان حرکت به اجزای سیستم جهت پذیرش ضربه را داده و کمک‌فنر با ایجاد تاخیر در حرکت فنر، نوسانات آن را محدود و کنترل می‌کند. در سیستم ابداعی سیتروئن به منظور کارایی بهتر، قطعه‌ای به نام گوی هیدرونیوماتیک جایگزین فنرلول و کمک فنر شده است. همان‌طور که از نام این سیستم پیداست، دو جزء اصلی آن شامل گاز و مایع بوده که این دو جزء در داخل گوی قرار گرفته و یک دیافراگم پلاستیکی از تداخل گاز و مایع جلوگیری می‌کند. اساس کار سیستم هیدرونیوماتیک بر دو قانون تراکم‌پذیری گازها و غیر قابل تراکم بودن مایعات استوار است. در گوی هیدرونیوماتیک، بالای دیافراگم گاز نیتروژن با فشار معینی ذخیره شده و در پایین گوی روغن هیدرولیک با فشار بالا جریان دارد. یک سیلندر و یک پیستون گوی را به بازوی اکسل متصل می‌کنند. هنگامی که باری به اکسل وارد می‌شود، پیستون به روغن هیدرولیک نیرو وارد کرده و روغن دیافراگم را به سمت بالا فشار می‌دهد. در نتیجه گاز نیتروژن متراکم شده و بعد از پایان بارگذاری، مجموعه به حالت اولیه باز‌می‌گردد. در واقع گاز نیتروژن نقش فنر را ایفا کرده و از آنجایی که سرعت واکنش سیالی همچون گاز در متراکم و آزاد شدن (و در نتیجه جذب شوک) بسیار سریع‌تر از قطعه‌ای جامد همچون فنر فولادی است، عملکرد تعلیق هیدرونیوماتیک بسیار نرم‌تر از سیستم‌های متداول است. به منظور جلوگیری از هرگونه رفتار ناگهانی و تداوم نوسان، در ورودی روغن گوی یک دمپر هیدرولیکی نصب شده که از جریان یافتن ناگهانی روغن جلوگیری می‌کند. دمپر در واقع شامل یک نازل باریک و 2 عدد نوار لاستیکی بوده که مانع حرکت سریع مایع می‌شود. درنتیجه دمپر با ایجاد تاخیر در جریان روغن و متراکم و آزاد شدن گاز، نقش کمک فنر را انجام می‌دهد. با کم و زیاد کردن حجم روغن در حال جریان در پایین دیافراگم، می‌توان ارتفاع خودرو را تغییر داده و در حد مطلوب و یا دلخواه نگه داشت.

سیستم هیدرونیوماتیک شامل بخش‌های مختلفی است. سیتروئن بعد از ارائه مدل XM نسل جدیدی از این مجموعه با نام هیدرواکتیو را ارائه کرده که شامل بخش‌های زیر است:

1- واحد تامین و حفظ فشار (واحد تغذیه)

2- واحد کنترل سیستم تعلیق

3- سیستم ترمز

4- سیستم فرمان

در ادامه به بررسی اجزای این سیستم می‌پردازیم:

1.واحد تامین و حفظ فشار
هر سیستم هیدرولیک برای آنکه بتواند کار خود را انجام دهد، نیاز به یک منبع تغذیه و یک فشار معین در سیال خود دارد. ذخیره مایع و تامین فشار بر عهده واحد تغذیه است. در سیستم هیدرونیوماتیک، واحد تامین و حفظ فشار شامل یک مخزن اصلی، یک پمپ، یک گوی انباره و رگلاتور است. پمپ با گشتاور پیشرانه به گردش در‌می‌آید و روغن موجود در مخزن اصلی را به گوی انباره پمپ می‌کند. گوی انباره در واقع یک گوی هیدرونیوماتیک ترکیب شده با یک رگلاتور بوده که با ورود روغن، گاز نیتروژن آن متراکم شده و با رسیدن به حد نهایی تراکم خود فشار روغن را بالا می‌برد. در این حالت رگلاتور فشار روغن را ثابت نگه داشته و در صورت افزایش فشار، خروجی پمپ را به کانال برگشت مخزن اصلی متصل می‌کند و درنتیجه پمپ هرز می‌چرخد. با کاهش فشار مجددا رگلاتور ورودی انباره را باز کرده و مجددا فشار بالا می‌رود. در نتیجه رگلاتور فشار را در حدود 140 بار (Bar یک واحد ویژه اندازه‌گیری فشار و هر بار معادل 100 کیلو پاسکال است) ثابت نگه می‌دارد و مدار اصلی در حالت آماده برای تغذیه تعلیق و ترمز می‌ماند. با کاهش سطح روغن به‌صورت غیرعادی و افت فشار سیستم، سوئیچ داخل مخزن اصلی تحریک شده و چراغ هشدار موجود در پنل نمایش را روشن می‌کند. روغن مورد استفاده، روغنی سبز رنگ موسوم به LHM بوده که مخفف Liquid Hydraulic Mineral یا مایع هیدرولیک معدنی بوده که از مشتقات غیر‌نفتی است و تمایل پایینی برای خورندگی و واکنش با آب دارد. در نسل‌های جدیدتر از نوع متفاوتی از این روغن با رنگ نارنجی استفاده شده است. جزء نهایی سیستم تامین فشار، شیر اطمینان است که روغن فشار بالای انباره را تحویل سیستم تعلیق و ترمز می‌دهد. در شرایط اضطراری، این شیر اولویت را به مدار ترمز می‌دهد. مدل‌های اولیه تنها دارای یک گوی انباره بودند اما در مدل‌های جدیدتر برای هر اکسل یک گوی انباره مستقل در نظر گرفته شده ‌‌که هر کدام رگلاتور و شیر اطمینان مجزا دارند.

2.واحد کنترل سیستم تعلیق
سیستم تعلیق هیدرونیوماتیک اصولا به صورت الکترومکانیکی کنترل می‌شود (در مدل‌های غیر‌هیدرواکتیو مجهز به هیدرونیوماتیک نظیر DS و SM و برخی ‌مدل‌های زانتیا، کنترل کاملا مکانیکی است). انشعاب خروجی انباره‌ها به تنظیم‌گرهای ارتفاع متصل است. هر اکسل یک تنظیم‌گر ارتفاع دارد که ‌روی میل ضد‌پیچش سوار شده است. وظیفه تنظیم‌گرها تشخیص بروز نوسان و باز و بسته کردن سوپاپ‌های خود جهت تغییر مقدار روغن جریان یافته از انباره به هر گوی است تا بدین ترتیب با تغییرات بارگذاری ارتفاع خودرو ثابت بماند. تنظیم‌گر ارتفاع ساختاری مکانیکی داشته که دارای یک بازوی متصل به میله‌های پیچشی و 2 سوپاپ است. بازوی آن با تغییر زاویه اکسل حرکت کرده و در صورت کاهش ارتفاع سوپاپ ورودی را باز و با افزایش ارتفاع آن را می‌بندد و سوپاپ خروجی را باز می‌کند. در نتیجه هنگام کاهش ارتفاع روغن بیشتری به داخل گوی‌ها جاری شده و ارتفاع تصحیح می‌شود و بالعکس. در مدل‌های هیدرواکتیو، شیرهای برقی کار تصحیح‌کننده‌های ارتفاع را انجام می‌دهند و به صورت مستقیم از واحد کنترل الکترونیکی سیستم (ECU) فرمان می‌گیرند. واحد کنترل به کمک حسگرهای خود اشراف کاملی به شرایط حرکت خودرو داشته و با بررسی فاکتورهایی از قبیل سرعت خودرو، وضعیت غربیلک فرمان و سرعت گردش آن، وضعیت دریچه گاز، شدت تغییر ارتفاع خودرو و شتاب وارده در مورد وضعیت شیرهای برقی هر اکسل تصمیم گرفته و حجم روغن ارسالی از انباره‌ها به هر اکسل را کنترل می‌کند.

در واقع عملا ECU تصمیم می‌گیرد که هر تنظیم‌گر چه مقدار روغن از انباره دریافت کرده و حجم روغن داخل گوی‌های هر چرخ و در نتیجه ارتفاع آنها را کنترل می‌کند. با استفاده از یک اهرم که در کنار ترمزدستی تعبیه شده می‌توان ارتفاع خودرو را به میزان دلخواه تنظیم کرد. این اهرم ارتفاع مرجع را برای هر تنظیم‌گر تعیین کرده و تنظیم‌گرها ارتفاع خودرو را بر مبنای موقعیت این اهرم تصحیح می‌کنند. در مدل‌های جدیدتر تنظیم‌گرهای ارتفاع کاملا الکترونیکی شده و فاقد اتصالات مکانیکی هستند و تماما توسط ECU کنترل می‌شوند. به دلیل یکسان‌بودن توزیع فشار روغن در هر گوی، قابلیت‌های جالبی برای این سیستم فراهم شده که از جمله آنها قابلیت حرکت‌ روی 3 چرخ است؛ ویژگی‌ای که سیتروئن همواره ‌روی آن مانور تبلیغاتی زیادی داده است. در صورت نبود یک چرخ، گاز نیتروژن گوی آن چرخ متراکم نشده و حجم روغن کمتری داخل آن گوی قرار می‌گیرد. از آنجا که فشار روغن ثابت بوده و تنظیم‌گر می‌خواهد ارتفاع را ثابت نگه دارد، عملا حجم خروجی روغن در گوی چرخ مخالف قرار گرفته و تعادل در 3 چرخ برقرار می‌شود.

یکی از مشکلاتی که در این سیستم وجود دارد، کاهش ارتفاع خودرو یا اصطلاحا نشست خودرو در پارک طولانی مدت است. در هنگام خاموشی طولانی‌مدت به دلیل نچرخیدن پمپ، انباره‌ها به ‌تدریج فشار خود را از دست می‌دهند چرا که همواره مقداری روغن از کانال‌های برگشت به مخزن اصلی باز‌می‌گردد. در نتیجه با کاهش حجم روغن گوی‌ها، ارتفاع خودرو به تدریج کاهش پیدا می‌کند. برای جلوگیری از بروز چنین مشکلی، در مدل‌های جدیدتر شیرهای ضد‌نشست در خروجی روغن اکسل‌های جلو و عقب نصب شده که ‌هنگام خاموش‌بودن خودرو مانع برگشت روغن به مخزن شده و از افت فشار انباره‌ها جلوگیری می‌کند.

3.سیستم ترمز
انشعاب دوم از شیر اطمینان انباره‌ها مدار سیستم ترمز است. مدار ترمز اکسل جلو و عقب مستقل از هم بوده و هرکدام فشار مورد نیاز خود را از انباره‌های اکسل مربوطه دریافت می‌کند. سیستم ترمز به کار رفته در مجموعه هیدرونیوماتیک مکانیسمی متفاوت از سیستم‌های ترمز متداول دارد. در ترمزهای معمولی، مدار ترمز فشار مورد نیاز خود را از نیروی ماهیچه پای راننده تامین کرده و با استفاده از بوستر خلأ فشار آن را تقویت می‌کند. اما در سیستم ترمز خودروهای هیدرونیوماتیک، فشار ترمز از انباره‌های تعلیق تامین‌شده و پدال ترمز تنها نقش یک فرمان‌دهنده را دارد و نیرویی به سیستم وارد نمی‌کند. این ویژگی مزایای زیادی برای این سیستم فراهم کرده چرا که در این مدل ترمز کورس پدال ترمز کم بوده، سرعت پاسخ سیستم ترمز بالاست و نیازی به اعمال نیروی زیاد از جانب راننده در ترمزهای شدید نیست. ضمن آنکه خبری از مایع ترمز مستقل نبوده و از همان روغن LHM تغذیه می‌شود. در ترمز هیدرونیوماتیک انشعاب روغن از شیر اطمینان گوی‌های انباره به شیر پدال ترمز رسیده و در آن جریان پیدا می‌کند. شیر پدال ترمز 2 مدار دارد که مدار ترمز جلو از انباره اکسل جلو و مدار ترمز عقب از گوی‌های هیدرونیوماتیک اکسل عقب تغذیه می‌شود. در حالت آزاد بودن پدال ترمز، روغن هر دو مدار از گوی‌ها به شیر ترمز جریان داشته و از کانال برگشت به مخزن اصلی می‌ریزد. اما هنگام فشار دادن پدال ترمز، شیر ترمز باز شده و فشار روغن انباره‌ها روی پیستون سیلندرهای ترمز اعمال می‌شود و عمل ترمزگیری انجام می‌شود. هر چه پدال ترمز بیشتر فشار داده شود شیر ترمز بیشتر باز شده و فشار روغن بیشتری بر ترمزها اعمال می‌شود. با رها شدن پدال ترمز، روغن اضافی از کانال برگشت به مخزن اصلی می‌ریزد. در مدل‌های مجهز به ترمز ABS، بلوک ABS حد فاصل شیر ترمز و ترمزها قرار گرفته و مکانیسم آن مانند سیستم‌های ABS عادی است.

4. سیستم فرمان هیدرولیک
سیستم فرمان هیدرولیک به کار رفته در خودروهای هیدرونیوماتیک درست مانند فرمان هیدرولیک خودروهای عادی است با این تفاوت که فاقد پمپ و مدار روغن مستقل بوده و از پمپ و روغن سیستم هیدرونیوماتیک (LHM) تغذیه می‌شود. پمپ هیدرولیک واحد تامین و حفظ فشار دارای 2 خروجی مستقل است که خروجی اول آن انباره‌های تعلیق را تغذیه می‌کند اما خروجی دوم آن مستقیم به جعبه فرمان متصل است و فشار مورد نیاز کارکرد آن را تامین می‌کند.

در نهایت همان‌طور که مشاهده کردید، در سیستم هیدرونیوماتیک برخلاف خودروهای عادی مدار روغن مستقل برای سیستم فرمان و ترمز وجود ندارد و تمامی سیستم‌های تعلیق، ترمز و هیدرولیک فرمان از پمپ واحد تامین فشار تغذیه شده و از روغن LHM استفاده می‌کنند. این روغن حدودا هر 2سال یک‌بار باید تعویض شده و با هربار تعویض، گوی‌های هیدرونیوماتیک باید مورد بازرسی قرار گرفته و در صورت نیاز گاز نیتروژن درون آنها مجددا شارژ شود؛ چرا‌که گاز ذخیره‌شده داخل گوی‌ها به مرور زمان از داخل آن فرار می‌کند.

سخن نهایی:
با همه ویژگی‌های مثبت و قابل توجه و البته کاملا منحصربه‌فرد مجموعه سیستم هیدرونیوماتیک چون سواری بسیار نرم و آرام، پایداری مثال‌زدنی و ... نباید این نکته را از خاطر برد که این سیستم ضعف‌های مشخص و مختص به خود را دارد که پیچیدگی، دشواری تعمیرات، دوام کم (در مقایسه با نمونه‌‌های رایج و سنتی فنرهای فلزی و کمک‌های روغنی) کم بودن مکانیک‌های خبره، نیاز به تبحر و تجربه بسیار زیاد در امر تعمیرات این سیستم منحصر‌به‌فرد و در نتیجه همه اینها هزینه زیاد حفظ و نگهداری این سیستم از بارزترین نکات منفی آن است که به هنگام خرابی، مالک را به دردسر سنگینی می‌اندازد.