بازوی چرخان معمولاً بین چرخ و بدنه قرار دارد و یک قطعه ایمنی مربوط به راننده است که نیرو را منتقل می‌کند، انتقال ارتعاش را تضعیف می‌کند و جهت را کنترل می‌کند.
بازوی نوسان معمولاً بین چرخ و بدنه قرار دارد و یک جزء ایمنی مربوط به راننده است که نیرو را منتقل می‌کند، انتقال ارتعاش را کاهش می‌دهد و جهت را کنترل می‌کند. این مقاله طراحی ساختاری رایج بازوی نوسان در بازار را معرفی می‌کند و تأثیر ساختارهای مختلف را بر فرآیند، کیفیت و قیمت مقایسه و تحلیل می‌کند.
سیستم تعلیق شاسی خودرو تقریباً به دو بخش سیستم تعلیق جلو و سیستم تعلیق عقب تقسیم می‌شود. هر دو سیستم تعلیق جلو و عقب دارای بازوهای نوسانی برای اتصال چرخ‌ها و بدنه هستند. بازوهای نوسانی معمولاً بین چرخ‌ها و بدنه قرار دارند.
نقش بازوی چرخان راهنما، اتصال چرخ و شاسی، انتقال نیرو، کاهش انتقال ارتعاش و کنترل جهت است. این یک جزء ایمنی است که راننده را درگیر می‌کند. قطعات ساختاری انتقال دهنده نیرو در سیستم تعلیق وجود دارد، به طوری که چرخ‌ها طبق یک مسیر مشخص نسبت به بدنه حرکت می‌کنند. قطعات ساختاری بار را منتقل می‌کنند و کل سیستم تعلیق، عملکرد هندلینگ خودرو را بر عهده دارد.
توابع مشترک و طراحی ساختار بازوی نوسان خودرو
۱. برای برآورده کردن الزامات انتقال بار، طراحی و فناوری ساختار بازوی نوسانی
اکثر خودروهای مدرن از سیستم‌های تعلیق مستقل استفاده می‌کنند. بر اساس اشکال ساختاری مختلف، سیستم‌های تعلیق مستقل را می‌توان به نوع جناغی، نوع بازوی دنباله‌دار، نوع چند اتصالی، نوع شمعی و نوع مک‌فرسون تقسیم کرد. بازوی ضربدری و بازوی دنباله‌دار یک ساختار دو نیرویی برای یک بازوی واحد در چند اتصالی هستند که دارای دو نقطه اتصال می‌باشند. دو میله دو نیرویی روی مفصل یونیورسال با زاویه خاصی مونتاژ می‌شوند و خطوط اتصال نقاط اتصال یک ساختار مثلثی را تشکیل می‌دهند. بازوی پایینی سیستم تعلیق جلو مک‌فرسون یک بازوی نوسانی سه نقطه‌ای معمولی با سه نقطه اتصال است. خط اتصال سه نقطه اتصال یک ساختار مثلثی پایدار است که می‌تواند بارها را در جهات مختلف تحمل کند.
ساختار بازوی نوسان دو نیرو ساده است و طراحی سازه اغلب با توجه به تخصص حرفه‌ای و راحتی پردازش هر شرکت تعیین می‌شود. به عنوان مثال، سازه ورق فلزی مهر و موم شده (شکل 1 را ببینید)، سازه طراحی یک صفحه فولادی تکی بدون جوشکاری است و حفره سازه‌ای عمدتاً به شکل "I" است؛ سازه ورق فلزی جوش داده شده (شکل 2 را ببینید)، سازه طراحی یک صفحه فولادی جوش داده شده است و حفره سازه‌ای بیشتر به شکل "口" است؛ یا از صفحات تقویت کننده محلی برای جوشکاری و تقویت موقعیت خطرناک استفاده می‌شود؛ در سازه پردازش دستگاه آهنگری فولادی، حفره سازه‌ای جامد است و شکل آن عمدتاً مطابق با الزامات طرح شاسی تنظیم می‌شود؛ در سازه پردازش دستگاه آهنگری آلومینیومی (شکل 3 را ببینید)، ساختار حفره جامد است و الزامات شکل آن مشابه آهنگری فولادی است؛ سازه لوله فولادی از نظر ساختار ساده است و حفره سازه‌ای دایره‌ای است.
ساختار بازوی نوسانی سه نقطه‌ای پیچیده است و طراحی ساختاری آن اغلب بر اساس الزامات سازنده اصلی (OEM) تعیین می‌شود. در تحلیل شبیه‌سازی حرکت، بازوی نوسانی نمی‌تواند با سایر قطعات تداخل داشته باشد و اکثر آنها حداقل الزامات فاصله را دارند. به عنوان مثال، ساختار ورق فلزی مهر شده عمدتاً همزمان با ساختار جوش داده شده ورق فلزی استفاده می‌شود، سوراخ مهار سنسور یا براکت اتصال میله اتصال تثبیت کننده و غیره ساختار طراحی بازوی نوسانی را تغییر می‌دهد. حفره ساختاری هنوز به شکل "دهان" است و حفره بازوی نوسانی یک ساختار بسته بهتر از یک ساختار باز است. ساختار ماشینکاری شده با آهنگری، حفره ساختاری عمدتاً "I" شکل است که دارای ویژگی‌های سنتی مقاومت در برابر پیچش و خمش است. ساختار ماشینکاری شده با ریخته‌گری، شکل و حفره ساختاری عمدتاً با دنده‌های تقویت کننده و سوراخ‌های کاهش وزن مطابق با ویژگی‌های ریخته‌گری مجهز شده‌اند. جوشکاری ورق فلزی ساختار ترکیبی با آهنگری، به دلیل الزامات فضای چیدمان شاسی خودرو، اتصال گوی در آهنگری ادغام شده و آهنگری با ورق فلزی متصل می‌شود. ساختار ماشینکاری آلومینیوم فورج شده با ریخته‌گری، استفاده و بهره‌وری بهتری از مواد را نسبت به آهنگری فراهم می‌کند و از استحکام مواد ریخته‌گری که کاربرد فناوری جدید است، برتر است.
۲. کاهش انتقال ارتعاش به بدنه و طراحی ساختاری عنصر الاستیک در نقطه اتصال بازوی نوسانی
از آنجایی که سطح جاده‌ای که خودرو روی آن حرکت می‌کند نمی‌تواند کاملاً صاف باشد، نیروی واکنش عمودی سطح جاده که بر چرخ‌ها وارد می‌شود، اغلب ضربه‌زننده است، به خصوص هنگام رانندگی با سرعت بالا روی سطح جاده نامناسب، این نیروی ضربه همچنین باعث می‌شود راننده احساس ناراحتی کند. عناصر الاستیک در سیستم تعلیق نصب می‌شوند و اتصال صلب به اتصال الاستیک تبدیل می‌شود. پس از ضربه به عنصر الاستیک، ارتعاش ایجاد می‌شود و ارتعاش مداوم باعث می‌شود راننده احساس ناراحتی کند، بنابراین سیستم تعلیق به عناصر میراگر نیاز دارد تا دامنه ارتعاش را به سرعت کاهش دهد.
نقاط اتصال در طراحی ساختاری بازوی نوسانی، اتصال المان الاستیک و اتصال مفصل گوی هستند. المان‌های الاستیک، میرایی ارتعاش و تعداد کمی از درجات آزادی چرخشی و نوسانی را فراهم می‌کنند. بوش‌های لاستیکی اغلب به عنوان اجزای الاستیک در خودروها استفاده می‌شوند و بوش‌های هیدرولیکی و لولاهای ضربدری نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
شکل 2 بازوی نوسانی جوشکاری ورق فلزی
ساختار بوش لاستیکی عمدتاً یک لوله فولادی با لاستیک در خارج یا یک ساختار ساندویچی از لوله فولادی-لاستیک-لوله فولادی است. لوله فولادی داخلی نیاز به مقاومت در برابر فشار و الزامات قطر دارد و دندانه‌های ضد لغزش در هر دو انتها رایج هستند. لایه لاستیکی فرمول مواد و ساختار طراحی را مطابق با الزامات مختلف سفتی تنظیم می‌کند.
بیرونی‌ترین حلقه فولادی اغلب نیاز به زاویه اتصال اولیه دارد که برای پرس‌کاری مناسب است.
بوش هیدرولیک ساختار پیچیده‌ای دارد و محصولی با فرآیند پیچیده و ارزش افزوده بالا در دسته بوش‌ها است. در لاستیک حفره‌ای وجود دارد و روغن در حفره وجود دارد. طراحی ساختار حفره مطابق با الزامات عملکرد بوش انجام می‌شود. در صورت نشت روغن، بوش آسیب می‌بیند. بوش‌های هیدرولیک می‌توانند منحنی سختی بهتری ارائه دهند که بر قابلیت رانندگی کلی خودرو تأثیر می‌گذارد.
لولای ضربدری ساختار پیچیده‌ای دارد و بخشی مرکب از لولاهای لاستیکی و گوی است. این لولا می‌تواند دوام بهتری نسبت به بوش، زاویه نوسان و زاویه چرخش، منحنی سختی ویژه و الزامات عملکرد کل وسیله نقلیه را فراهم کند. لولاهای ضربدری آسیب‌دیده هنگام حرکت وسیله نقلیه باعث ایجاد سر و صدا در کابین می‌شوند.
۳. با حرکت چرخ، طراحی ساختاری عنصر نوسان در نقطه اتصال بازوی نوسان
سطح ناهموار جاده باعث می‌شود چرخ‌ها نسبت به بدنه (قاب) بالا و پایین بپرند و همزمان چرخ‌ها حرکت می‌کنند، مانند پیچیدن، حرکت مستقیم و غیره، که مستلزم آن است که مسیر حرکت چرخ‌ها الزامات خاصی را برآورده کند. بازوی نوسانی و مفصل یونیورسال عمدتاً توسط یک لولای گوی به هم متصل می‌شوند.
لولای گوی بازویی می‌تواند زاویه نوسانی بیش از ±18 درجه و زاویه چرخش 360 درجه را فراهم کند. به طور کامل الزامات مربوط به انحراف چرخ و فرمان را برآورده می‌کند. همچنین لولای گوی، الزامات گارانتی 2 سال یا 60،000 کیلومتر و 3 سال یا 80،000 کیلومتر برای کل خودرو را برآورده می‌کند.
با توجه به روش‌های مختلف اتصال بین بازوی نوسانی و لولای گوی (اتصال گوی)، می‌توان آن را به اتصال پیچ و مهره‌ای یا پرچی تقسیم کرد، لولای گوی دارای فلنج است؛ اتصال تداخلی پرسی، لولای گوی فلنج ندارد؛ یکپارچه، بازوی نوسانی و لولای گوی همه در یک. برای سازه‌های فلزی تک ورقی و سازه‌های جوش داده شده با فلز چند ورقی، دو نوع اتصال اول بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ نوع دوم اتصال مانند فورج فولادی، فورج آلومینیومی و چدن بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
لولای گوی باید در شرایط بار، مقاومت در برابر سایش را برآورده کند، زیرا زاویه کار بزرگتری نسبت به بوش دارد و به طول عمر بیشتری نیاز دارد. بنابراین، لولای گوی باید به عنوان یک ساختار ترکیبی طراحی شود، از جمله روانکاری خوب لولا و سیستم روانکاری ضد گرد و غبار و ضد آب.
شکل 3 بازوی نوسانی فورج شده آلومینیومی
تأثیر طراحی بازوی نوسان بر کیفیت و قیمت
۱. ضریب کیفیت: هر چه سبک‌تر، بهتر
فرکانس طبیعی بدنه (که به عنوان فرکانس ارتعاش آزاد سیستم ارتعاش نیز شناخته می‌شود) که توسط سختی سیستم تعلیق و جرمی که توسط فنر سیستم تعلیق پشتیبانی می‌شود (جرم فنربندی شده) تعیین می‌شود، یکی از شاخص‌های مهم عملکرد سیستم تعلیق است که بر راحتی سواری خودرو تأثیر می‌گذارد. فرکانس ارتعاش عمودی مورد استفاده بدن انسان، فرکانس حرکت بدن به بالا و پایین در حین راه رفتن است که حدود 1 تا 1.6 هرتز است. فرکانس طبیعی بدن باید تا حد امکان به این محدوده فرکانسی نزدیک باشد. هنگامی که سختی سیستم تعلیق ثابت است، هرچه جرم فنربندی شده کوچکتر باشد، تغییر شکل عمودی سیستم تعلیق کمتر و فرکانس طبیعی بالاتر است.
وقتی بار عمودی ثابت باشد، هر چه سختی سیستم تعلیق کمتر باشد، فرکانس طبیعی خودرو کمتر و فضای مورد نیاز برای بالا و پایین پریدن چرخ بیشتر است.
وقتی شرایط جاده و سرعت خودرو یکسان باشد، هر چه جرم فنربندی نشده کوچکتر باشد، بار ضربه وارده به سیستم تعلیق کمتر خواهد بود. جرم فنربندی نشده شامل جرم چرخ، مفصل یونیورسال و جرم بازوی راهنما و غیره می‌شود.
به طور کلی، بازوی نوسان آلومینیومی سبک‌ترین جرم و بازوی نوسان چدنی بیشترین جرم را دارد. بقیه در بین این دو قرار دارند.
از آنجایی که جرم مجموعه‌ای از بازوهای چرخان عمدتاً کمتر از 10 کیلوگرم است، در مقایسه با وسیله نقلیه‌ای با جرم بیش از 1000 کیلوگرم، جرم بازوی چرخان تأثیر کمی بر مصرف سوخت دارد.
۲. عامل قیمت: بستگی به طرح طراحی دارد
هرچه الزامات بیشتر باشد، هزینه نیز بیشتر است. با فرض اینکه استحکام و سختی ساختاری بازوی نوسانی الزامات را برآورده کند، الزامات تحمل تولید، سختی فرآیند تولید، نوع و در دسترس بودن مواد و الزامات خوردگی سطح، همگی مستقیماً بر قیمت تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، عوامل ضد خوردگی: پوشش الکتروگالوانیزه، از طریق غیرفعال‌سازی سطح و سایر عملیات، می‌تواند حدود ۱۴۴ ساعت مقاومت در برابر خوردگی ایجاد کند؛ حفاظت سطح به پوشش رنگ الکتروفورتیک کاتدی تقسیم می‌شود که می‌تواند از طریق تنظیم ضخامت پوشش و روش‌های عملیات، مقاومت در برابر خوردگی ۲۴۰ ساعت را ایجاد کند؛ پوشش روی-آهن یا روی-نیکل که می‌تواند الزامات آزمایش ضد خوردگی بیش از ۵۰۰ ساعت را برآورده کند. با افزایش الزامات آزمایش خوردگی، هزینه قطعه نیز افزایش می‌یابد.
با مقایسه طرح‌های طراحی و ساختار بازوی نوسانی، می‌توان هزینه را کاهش داد.
همانطور که همه ما می‌دانیم، چیدمان‌های مختلف نقاط اتصال، عملکرد رانندگی متفاوتی را ارائه می‌دهند. به طور خاص، باید اشاره کرد که چیدمان نقاط اتصال یکسان و طرح‌های مختلف نقطه اتصال می‌توانند هزینه‌های متفاوتی را به همراه داشته باشند.
سه نوع اتصال بین قطعات سازه‌ای و اتصالات گوی وجود دارد: اتصال از طریق قطعات استاندارد (پیچ، مهره یا پرچ)، اتصال با اتصال تداخلی و یکپارچه‌سازی. در مقایسه با ساختار اتصال استاندارد، ساختار اتصال با اتصال تداخلی انواع قطعات مانند پیچ، مهره، پرچ و سایر قطعات را کاهش می‌دهد. ساختار یکپارچه و یک تکه نسبت به ساختار اتصال با اتصال تداخلی، تعداد قطعات پوسته اتصال گوی را کاهش می‌دهد.
دو نوع اتصال بین عضو سازه‌ای و عنصر الاستیک وجود دارد: عناصر الاستیک جلو و عقب به صورت محوری موازی و به صورت محوری عمود بر هم هستند. روش‌های مختلف، فرآیندهای مونتاژ متفاوتی را تعیین می‌کنند. به عنوان مثال، جهت فشار دادن بوش در یک جهت و عمود بر بدنه بازوی نوسانی است. می‌توان از یک پرس دو سر تک ایستگاهه برای فشار دادن و نصب همزمان بوش‌های جلو و عقب استفاده کرد و در نیروی انسانی، تجهیزات و زمان صرفه‌جویی کرد. اگر جهت نصب ناهماهنگ (عمودی) باشد، می‌توان از یک پرس دو سر تک ایستگاهه برای فشار دادن و نصب متوالی بوش استفاده کرد و در نیروی انسانی و تجهیزات صرفه‌جویی کرد. هنگامی که بوش برای فشار دادن از داخل طراحی شده است، دو ایستگاه و دو پرس مورد نیاز است که به ترتیب بوش را فشار می‌دهند.
