انواع کمک فنر

همانطور که قبلا ذکر شد ، بر خلاف تفکر عامه ، کمک فنر وزن خودرو را ساپورت نمی کند بلکه وظیفه اصلی آن کنترل نوسانات فنرها و حرکات سیستم تعلیق و نگه داشتن چرخ به صورت چسبیده به جاده می باشد . این کار با تبدیل انرژی جنبشی حاصل از نوسانات فنر و سیستم تعلیق و تبدیل آن به انرژی گرمایی ( حرارتی ) در کمک فنر انجام می گردد .

برای ورود به بحث نحوه عملکرد یک کمک فنر ، ابتدا به زبان ساده و بدور از جزئیات به بررسی اساس کار آن پرداخته و سپس به تشریح کلی و تحصصی عملکرد ، اجزا و انواع آن خواهیم پرداخت ؛ یک کمک فنر شامل پیستونی است که در سطح مقطعش سوراخهای ریزی ( این سوراخها را Orifice می نامند ) تعبیه شده و به یک میله فولادی ( Piston Rod ) متصل است ، این پیستون درون یک محفظه بسته ( تیوپ ) فلزی که حاوی یک سیال هیدرولیکی ( عموما روغن ) است ، حرکت می نماید . اطراف محل حرکت میله به داخل و خارج محفظه به وسیله یک کاسه نمد کاملا آب بندی شده و سیال تحت فشار ، امکان خروج از محفظه را دارا نیست .

زمانی که نیرویی بر یک کمک فنر وارد شود ، کمک فنر به اصطلاح در سیکل فشرده شدن قرار گرفته و پیستون می خواهد به سمت پایین ، درون محفظه حرکت نماید ، اما از آنجا که سیال قابلیت فشرده شدن ندارد در مقابل این نیرو مقاومت می کند و چون برای رهایی از این فشار منفذی جز سوراخهای پیستون وجود ندارد ، برای دفع فشار وارده سیال از سوراخهای ریز درون پیستون عبور کرده و به پشت ( بالای )پیستون خواهد رفت ، این حرکت نیز بدلیل ریز بودن Orifice ها به کندی و با تولید حرارت انجام می گردد . همین کاهش سرعت جلوی نوسان فنر را گرفته و تعادل خودرو را برقرار می نماید . برای باز کردن کمک فنر فشرده شده ( سیکل بازشدن ) نیز عملیاتی مشابه سیکل فشرده شدن انجام می شود با این تفاوت که این بار سیال از بالای پیستون می خواهد به زیر پیستون منتقل شود .

میزان مقاومتی که یک کمک فنر از خود نشان می دهد بستگی به سرعت سیستم تعلیق ( دست اندازهای جاده ) همچنین  تعداد و سایز Orifice ها دارد.

اما ساختمان کمک فنرهای امروزی تا حدی پیچیده تر از آن چیزی است که در بالا ذکر شد ، تقریبا تمامی کمک فنرهای مدرن امروزی از نوع حساس به سرعت ( Velocity Sensitive ) می باشند ، بدین معنا که در سرعتهای بالای سیستم تعلیق ( جاده های پر دست انداز ) ، کمک فنر مقاومت بیشتر و برعکس در سرعتهای پایین مقاومت کمتری از خود نشان می دهد که این امر نرمی و راحتی رانندگی را بسیار بیشتر می نماید . اما در سیستمی که در بالا بطور ساده بررسی شد یک مشکل بزرگ به چشم می خورد ؛ حجم سیال پایین پیستون ، در هنگامی که پیستون تا انتها بالا آمده ، با حجم سیال بالای پیستون در زمانی که پیستون تا انتها پایین رفته مساوی نیست ، دلیل آن هم وجود میله کمک فنر در بالای پیستون می باشد .

اما این مشکل نیز به روشهای مختلفی در انواع کمک فنرهای موجود حل شده . حال با توجه به توضیحات ارائه شده در بالا به بررسی نحوه عملکرد یک کمک فنر متداول امروزی خواهیم پرداخت: همانطور که گفته شد کمک فنرها بر اساس جابجایی سیال در دو طرف پیستونی که در یک محفظه ( تیوپ ) حرکت می نماید ، در دو سیکل فشرده شدن و بازگشت ( کشش )‌ کار می کنند .

سیکل فشرده شدن ( Compression Cycle ) :

در هنگام فشرده شدن یا همان حرکت رو به پایین کمک فنر ، مقداری از سیال از طریق Orifice ها از قسمت B به قسمت A رفته و مقداری نیز از طریق سوپاپ فشردگی ( Compression Valve ) که در کف محفظه کمک فنر قرار دارد به تیوپ ذخیره ( Reserve Tube ) وارد می شود ، دلیل وجود تیوپ ذخیره اختلاف حجم دو قسمت A و B بدلیل وجود میله کمک فنر در قسمت B می باشد ، از اینرو مقدار سیالی که در قسمت B قرار دارد قابل جایگزینی در قسمت A کمک فنر نمی باشد . پس در اثر فشار وارده ، سوپاپ فشردگی باز شده و مقداری از سیال وارد تیوپ ذخیره که در گرداگرد محفظه اصلی و جدای از آن قرار دارد ، وارد می شود .

همانگونه که در ابتدا ذکر شد کمک فنرهای امروزی مجهز به سیستم حساس به سرعت می باشند ، این سیستم برای کنترل جریان سیال در سرعتهای محتلف سیستم تعلیق دارای قطعاتی اضافه در پیستون و سوپاپ فشردگی می باشد ، این قطعات ساده که شامل چند دیسک ( واشر ) ، یک فنر و ... می باشد باعث می شوند تا کمک فنر به نسبت سرعت ضربه اعمال شده در ۳ مرحله از خود واکنش نشان دهد ؛ اگر سرعت پایین باشد ، دیسکها در مقابل جریان روغن مقاومت می نماید ، این امر باعث عبور جریان آرامی به صورت نشتی از Orifice ها ، از قسمت B به قسمت A خواهد شد . در سرعتهای بیشتر ، فشار جریان روغن افزایش یافته پیستون را به سمت قسمت B فشار می دهد که باعث باز شدن اندک دیسکهای موجود در پیستون از روی کف پیستون می گردد و سیال با سرعت کم از درون Orifice ها عبور می کند ، اما در سرعتهای بسیار زیاد ، دیسکها تحت فشار وارده باز مانده و سیال نیز با سرعت زیاد از درون Orifice ها عبور می نماید ، اما همزمان با پیستون ، سوپاپ فشردگی موجود در محفظه نیز که عملکرد و ساختمانی مشابه با پیستون دارد ، در همان ۳ مرحله ، حجمی از سیال که قابل جایگیری در قسمت A نیست ( بدلیل وجود میله ) را تحت فشار وارده به تیوپ ذخیره در گرداگرد محفظه اصلی منتقل می نماید .

سیکل باز شدن ( Extension Cycle یا Rebound ) :

باز شدن یا کشش کمک فنر تحت نیروی پتانسیل ذخیره شده در فنر جمع شده ، انجام می گیرد و در اصل این فنر می باشد که با باز شدن خودش کمک فنر را نیز باز کرده و به حالت اولیه اش بر می گرداند . در این سیکل زمانیکه پیستون به سمت بالا کشیده می شود طی همان ۳ مرحله و بر حسب سرعت حرکت سیستم تعلیق ، سیال موجود در قسمت A از طریق Orifice ها به قسمت B منتقل شده و از آنجا که مقدار سیال موجود در قسمت A برای جایگزینی در قسمت B ناکافی است باید مقدار سیالی که در سیکل فشردگی در تیوپ ذخیره ،‌ جمع آوری شده ، وارد عمل شود . از آنجاییکه در این زمان فشار سیال موجود در تیوپ ذخیره بالاتر از فشار سیال موجود در قسمت B می باشد ، باعث باز نمودن سوپاپ فشردگی در کف کمک فنر می گردد و در پی آن سیال از تیوپ ذحیره جریان یافته و وارد قسمت B می گردد تا این قسمت را بطور کامل پر نماید ( باز شدن سوپاپ در این مرحله نیز حساس به سرعت و ۳ مرحله ای است ).

انواع کمک فنرها

          دو تیوپه

          تک تیوپه

          با مخزن بیرونی

دو تیوپه :

در این مدل از کمک فنر ، که همان نوع بررسی شده در بالاست ، یک تیوپ اصلی وجود دارد که پیستون در آن حرکت می نماید و تیوپ دوم که تیوپ ذخیره نام دارد ، در گرداگرد تیوپ اصلی قرار گرفته تا سیال مازاد را در خود جای دهد .

کمک های دو تیوپه انواع متنوعی دارند ، که برخی از لحاظ تکنولوژی منحصر به یک یا چند کارخانه بوده و دارای قیمتهای بالا و کارآییهای خاصی نیز می باشند ، اما انواع متداول آن به شرح زیر می باشند :

دو تیوپه گازی :

گسترش کمک فنرهای گازی باعث ایجاد برتری عمده ای در رانندگی با خودروهای مجهز به این نوع کمک فنر گردیده . این نوع از کمک فنر به مشکلات موجود در کنترل و هدایت خودروهایی که مجهز به شاسی و بدنه یکپارچه هستند یا فاصله چرخهایشان کم است یا نیاز به فشار بالای باد تایرها دارند ، خاتمه بخشیده . این کار تنها با افزودن مقداری گاز نیتروژن با فشار کم در تیوپ ذخیره انجام می گیرد . این در حالی است که تصور عامه بر این است که در کمک های گازی تنها از نوعی گاز استفاده می شود و از روغن خبری نیست . اما چنین نیست ، در این نوع کمک فنر ، گاز ( نیتروژن ) تنها حجم بسیار کمی از حجم مواد موجود در کمک را شامل می شود . فشار نیتروژن درون تیوپ ذخیره نیز ما بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ psi می باشد .

یکی دیگر از محاسن نیتروژن جلوگیری از ایجاد کف در کمک فنر است ، این کف ( Foam ) که حاصل ترکیب شدن روغن با هوا ( در کمک فنرهای دو تیوپه هیدرولیکی بجای نیتروژن ، هوا وجود دارد ) است ، قابل فشرده شدن می باشد ، از اینرو باعث اخلال در کار کمک شده و نرمی و راحتی رانندگی را از بین می برد همچنین واکنشهای کمک فنر را با تاخیر مواجه می کند . اما در انواع گازی ، نیتروژن تحت فشار قابلیت ترکیب شدن با روغن را دارا نیست . در صورتی هم که مقادیر کمی هوا در پروسه تولید یا در حین کارکرد کمک وارد آن شده باشد ، بدلیل وجود فشار نیتروژن تنها به صورت حباب در روغن پخش می شود .

دیگر مزیت کمک فنرهای گازی ، بازگشت جزئی آنها پس از فشرده شدن است ، این امر که بدلیل بیشتر بودن سطح مقطع زیر پیستون نسبت به سطح بالای پیستون ( بدلیل وجود میله )‌ و وجود فشار بالای نیتروژن وارد بر سطح بزرگتر ( زیر پیستون ) اتفاق می افتد ، باعث بالا رفتن ضریب فنر شده ، و تا حدی از پایین رفتن سر خودرو هنگام ترمز گیری ، پایین رفتن عقب خودرو در هنگام شتاب گیری و چپ شدن و انحراف خودرو جلوگیری می نماید.

دو تیوپه هیدرولیکی :

عینا مشابه نوع گازی می باشند ، با این تفاوت که در آنها بجای نیتروژن تحت فشار کم ، از هوا در فشار معولی استفاده می شود ، که مشکلاتی نظیر ایجاد کف در آنها اجتناب ناپذیر است ( نوع هیدرولیکی ، نسل اول کمک فنرهای دو تیوپه محسوب می شوند ، که همینک جای خود را به انواع گازی سپرده اند ) .

دو تیوپه Foam Cell :

در این نوع بجای اینکه اجازه داده شود گاز نیتروژن در تماس با سیال هیدرولیکی ( روغن ) قرار گیرد ، سلولهایی از نیتروژن اشباع شده بکار می رود ، این نوع نیز همانند نوع گازی ، از ایجاد کف هوا و روغن جلوگیری می نماید ، اما در صورتی که در دماهای بسیار بالا قرار گیرد ( کارکرد در جاده های با دست انداز بسیار زیاد در مدت زیاد ) پس از سرد شدن دیگر کیفیت اولیه خود را باز نخواهد یافت .

یکی از اشکالات کمک های دو تیوپه ، نداشتن قابلیت نصب شدن به صورت زاویه دار و یا سر و ته می باشد ، این امر باعث می شود ، در مواردی که سازنده با کمبود جا مواجه است امکان استفاده از این نوع کمک را نداشته باشد ، دیگر اشکال کمک های دو تیوپه نیز دفع نشدن کافی گرما به خارج می باشد ، چرا که تیوپ ذخیره مانعی بر سر خروج گرمای تولیدی در پیستون بوده و گرما نیز باعث کاهش ویسکوزیته روغن می گردد ، که این امر کارآیی کمک فنر را کاهش می دهد ( این مشکل در نوع گازی کمتر بوجود می آید ) . کمک های دو تیوپه در اکثر خودروهای سواری ، وانتها ، SUV ها و کامیونهای سبک بکار می رود .

تک تیوپه :

در این نوع از کمک فنر همانطور که از نامش پیداست ، تیوپ ذخیره وجود ندارد ، در درون تیوپ اصلی ۲ پیستون وجود دارد ؛ پیستون متحرک و پیستون جدا کننده ( معلق ) ، پیستون متحرک که به میله کمک فنر متصل است دقیقا مشابه انواع دو تیوپه عمل می نماید ،‌اختلاف اصلی اینجاست که در این نوع از سوپاپ فشردگی خبری نیست و بجای آن یک پیستون جدا کننده ، محفظه حاوی روغن را از محفظه گاز جدا می نماید ، محفظه زیرین حاوی گاز با فشار ۳۶۰ psi می باشد . در حین کارکرد در سیکل بازشدن ، هنگامی که فشاری بر پیستون متحرک وارد نشود بر اثر فشار نیتروپن زیرین ، بالا آمده و فضای خالی را پر می نماید ، در سیکل فشرده شدن نیز تحت فشار ، پیستون پایین می رود تا کمک تا انتها فشرده شود .

این نوع کمک فنر قابلیت نصب در تمامی حالتها را  داراست ، همچنین بدلیل فشار بالای نیتروژن ، بر خلاف دیگر انواع کمک فنر قابلیت ساپورت مقدار کمی از وزن خودرو را نیز دارد . در این نوع بدلیل نبود تیوپ ذخیره مشکل دفع حرارت تولیدی نیز وجود ندارد ، در صورت بروز گرما نیز نه تنها کارآیی آن کاهش نمی یابد بلکه در پی افزایش فشار نیتروژن ( در اثر گرما ) بهبود نیز می یابد . همچنین بدلیل نبود تماس بین روغن و گاز یا هوا مشکل تشکیل کف نیز وجود ندارد ، اما عیب این نوع کمک فنر آسیب پذیری آن است چرا که بدلیل نبود تیوپ ذخیره ، در صورت برخورد شیئی خارجی با پوسته کمک و ایجاد فرورفتگی ، پیستون از حرکت باز می ماند . این نوع کمک فنر در بسیاری از خودروهای سواری ، وانتها ، SUV ها و کامیونهای سبک استفاده می شود ، اما قیمت بالاتری نسبت به انواع تک تیوپه دارد .

با مخزن بیرونی :

این نوع که بهترین نوع کمک فنر محسوب می شود ، برای کارهای برجسته ای چون مسابقات اتومبیلرانی و موتورسیکلت رانی بکار می رود و قیمت بالایی نیز دارد . در این نوع ، از یک کمک فنر تک تیوپه سبک و کوچک استفاده می شود که بوسیله یک لوله به مخزنی که در قسمتی جدای از کمک فنر واقع شده و حاوی سیال و گاز می باشد وصل می شود ، درون مخزن یک پیستون جداکننده و یک سوپاپ فشردگی قرار دارد ، از اینرو می توان این نوع را ترکیبی از دو نوع قبلی یعنی دو تیوپه و تک تیوپه دانست .

اشغال فضای کمتر در پشت چرخ ، بدلیل پرتابل بودن مخزن دوم ( در برخی موارد به تیوپ اصلی چسبانده شده ، اما در اکثر موارد جدا می باشد ) ، خنک شدن بهتر و قابل تنظیم بودن ، از مزایای این نوع کمک فنرها محسوب می شود .

چند نکته :

مهندسین خودرو برای بدست آوردن کاراکترهایی چون بالانس ، تعادل و پایداری خودرو در شرایط مختلف ، میزان باز شدن دیسک های پیستون و سوپاپ فشردگی را به نسبت نوع خودرو ، وزن آن و شرایط کارکرد ، تنظیم می نمایند . این میزان باز شدن را Valving Value می نامند و با تغییر فنر موجود در پیستون و سوپاپ فشردگی قابل تغییر می باشد ، از اینرو در صورتی که قصد خرید کمک فنری غیر از نوع استاندارد خودرویتان دارید ، حتما به مقدار Valving Value کمک فنر جدید توجه نمایید تا با قطعه اصلی یکسان باشد .

برخی کمک فنرها به صورت زاویه دار نصب می شو ند که این امر باعث کاهش تاثیر کمک فنر می شود ، اما در مواردی که با کمبود جا مواجه باشند (‌ چه از نظر کمبود فضا برای قرارگیری در حالت عمودی و چه از نظر ارتفاع باز شدن ) کج کردن زاویه کمک ، اجتناب ناپذیر است .

این امر بیشتر در خودروهایی که از فنرهای تخت استفاده می کنند دیده می شود ، جدول زیر میزان کاهش تاثیر کمک در درجه های مختلف را نشان می دهد.

          هر چه قطر محفظه و پیستون ( Bore size ) بیشتر باشد ، فشار داخل تیوپ کمتر شده و دما نیز کاهش می یابد و تعدیل سیستم را بهبود می بخشد ، اما در مواردی که با کمبود جا مواجه باشند افزایش قطر امکان پذیر نیست .

زمان تعویض :

          روش قدیمی فشار بر روی گلگیر و توجه به نحوه رفتار کمک فنر هنوز یکی از بهترین روشها برای تشخیص خرابی کمک فنر است ( پس از چند تکان محکم ، دست خود را بر دارید اگر نوسان خودرو بیش از ۱ تا ۵/۱ بار ادامه یافت ، کمک فنر باید تعویض شود .

          گسیختگی کاسه نمد باعث نشتی روغن از کمک فنر می شود ، هر گاه نشتی از کمک فنر دیده شد ، زمان تعویض آن است .

          وجود مشکل در هندلینگ خودرو و انحراف در پیچها می تواند بر اثر خرابی کمک فنرها باشد .

          یک کمک فنر خوب ، به نسبت خرابی جاده هایی که خودروی شما در آنها حرکت می کند ؛ باید بین ۱۳۰ تا ۱۶۰ هزار کیلومتر کار کند ، اما این را نیز بدانید که شرایط یک کمک فنر نو بسیار متفاوت با کمک فنری است که بطور مثال ۱۰۰ هزار کیلومتر کار کرد دارد .

          همیشه کمک فنرها را به صورت جفت تعویض نموده و از تعویض تکی آنها خودداری نمایید