זרוע הנדנדה ממוקמת בדרך כלל בין הגלגל לגוף, והיא רכיב בטיחותי הקשור לנהג שמעביר כוח, מחליש את העברת הרטט ושולט בכיוון.
זרוע הנדנדה ממוקמת בדרך כלל בין הגלגל לגוף, והיא רכיב בטיחות הקשור לנהג שמעביר כוח, מפחית את העברת הרטט ושולט בכיוון. מאמר זה מציג את העיצוב המבני הנפוץ של זרוע הנדנדה בשוק, ומשווה ומנתח את השפעתם של מבנים שונים על התהליך, האיכות והמחיר.
מתלי שלדת רכב מחולקים באופן גס למתלה קדמי ומתלה אחורי. גם למתלים הקדמיים וגם לאחוריים יש זרועות מתנדנדות המחברות את הגלגלים לגוף. זרועות הנדנדה ממוקמות בדרך כלל בין הגלגלים לגוף.
תפקידה של זרוע הנדנדה המכוונת הוא לחבר את הגלגל לשלדה, להעביר כוח, להפחית את העברת הרטט ולשלוט בכיוון. זוהי רכיב בטיחותי המעורב בנהג. במערכת המתלים ישנם חלקים מבניים המעבירים כוח, כך שהגלגלים נעים יחסית לגוף בהתאם למסלול מסוים. החלקים המבניים מעבירים את העומס, וכל מערכת המתלים נושאת בביצועי הטיפול של המכונית.
פונקציות נפוצות ועיצוב מבנה של זרוע נדנדה לרכב
1. כדי לעמוד בדרישות העברת העומס, תכנון וטכנולוגיית מבנה זרוע הנדנדה
רוב המכוניות המודרניות משתמשות במערכות מתלה עצמאיות. בהתאם לצורות המבנה השונות, ניתן לחלק את מערכות המתלה העצמאיות לסוג עצם בריח, סוג זרוע נגררת, סוג רב-חיבורי, סוג נרות וסוג מקפרסון. הזרוע הצולבת והזרוע הנגררת הן מבנה דו-כוחי עבור זרוע אחת במערכת הרב-חיבורית, עם שתי נקודות חיבור. שני מוטות דו-כוחי מורכבים על המפרק האוניברסלי בזווית מסוימת, וקווי החיבור של נקודות החיבור יוצרים מבנה משולש. הזרוע התחתונה של המתלה הקדמי של מקפרסון היא זרוע מתנדנדת טיפוסית בעלת שלוש נקודות חיבור. הקו המחבר את שלוש נקודות החיבור הוא מבנה משולש יציב שיכול לעמוד בעומסים בכיוונים מרובים.
מבנה זרוע הנדנדה הדו-כוחית הוא פשוט, והעיצוב המבני נקבע לעתים קרובות בהתאם למומחיות המקצועית השונה ונוחות העיבוד של כל חברה. לדוגמה, מבנה המתכת המוטבע (ראה איור 1), מבנה העיצוב הוא לוח פלדה יחיד ללא ריתוך, וחלל המבני הוא בעיקר בצורת "I"; מבנה המתכת המולחם (ראה איור 2), מבנה העיצוב הוא לוח פלדה מולחם, וחלל המבני הוא יותר בצורת "口"; או לוחות חיזוק מקומיים משמשים לריתוך וחיזוק המיקום המסוכן; מבנה מכונת חישול הפלדה, חלל המבני הוא מוצק, והצורה מותאמת בעיקר בהתאם לדרישות פריסת השלדה; מבנה מכונת חישול האלומיניום (ראה איור 3), חלל המבנה הוא מוצק, ודרישות הצורה דומות לחישול פלדה; מבנה צינור הפלדה הוא פשוט במבנה, וחלל המבני הוא עגול.
מבנה זרוע הנדנדה בעלת שלוש הנקודות הוא מסובך, והתכנון המבני נקבע לעתים קרובות בהתאם לדרישות היצרן המקורי (OEM). בניתוח סימולציית תנועה, זרוע הנדנדה אינה יכולה להפריע לחלקים אחרים, ולרובם יש דרישות מרחק מינימליות. לדוגמה, מבנה מתכת מוטבע המשמש בעיקר במקביל למבנה מתכת מולחם, חור רתמת החיישן או תושבת חיבור מוט החיבור של מוט המייצב וכו' ישנו את מבנה התכנון של זרוע הנדנדה; חלל המבנה עדיין בצורת "פה", וחלל זרוע הנדנדה יהיה. מבנה סגור עדיף על מבנה לא סגור. מבנה מעובד בחישול, חלל המבנה הוא בעיקר בצורת "I", בעל מאפיינים מסורתיים של עמידות בפני פיתול וכיפוף; מבנה מעובד ביציקה, הצורה וחלל המבנה מצוידים בעיקר בצלעות חיזוק וחורים להפחתת משקל בהתאם למאפייני היציקה; ריתוך מתכת. המבנה המשולב עם החישול, עקב דרישות שטח הפריסה של שלדת הרכב, מפרק הכדור משולב בחישול, והחישול מחובר לפח. מבנה עיבוד שבבי מאלומיניום יצוק מספק ניצול חומרים ופרודוקטיביות טובים יותר מאשר חישול, ויש לו חוזק חומרי עדיף על פני יציקות, שהוא יישום של טכנולוגיה חדשה.
2. הפחתת העברת הרטט לגוף, ואת העיצוב המבני של האלמנט האלסטי בנקודת החיבור של זרוע הנדנדה
מכיוון שפני הכביש שעליהם נוהגת המכונית אינם יכולים להיות שטוחים לחלוטין, כוח התגובה האנכי של פני הכביש הפועל על הגלגלים הוא לעתים קרובות בעל השפעה, במיוחד בעת נהיגה במהירות גבוהה על פני כביש גרועים. כוח פגיעה זה גורם גם לנהג להרגיש לא בנוח. , אלמנטים אלסטיים מותקנים במערכת המתלים, והחיבור הנוקשה מומר לחיבור אלסטי. לאחר הפגיעה באלמנט האלסטי, הוא יוצר רטט, והרטט המתמשך גורם לנהג להרגיש לא בנוח, ולכן מערכת המתלים זקוקה לאלמנטים של בולם זעזועים כדי להפחית את משרעת הרטט במהירות.
נקודות החיבור בתכנון המבני של זרוע הנדנדה הן חיבור אלמנט אלסטי וחיבור מפרק כדורי. האלמנטים האלסטיים מספקים בולם רעידות ומספר קטן של דרגות חופש סיבוביות ותנודות. תותבים מגומי משמשים לעתים קרובות כרכיבים אלסטיים במכוניות, ותותבים הידראוליים וצירים צולבים משמשים גם כן.
איור 2 זרוע נדנדה לריתוך יריעות מתכת
מבנה תותב הגומי הוא בעיקר צינור פלדה עם גומי מבחוץ, או מבנה סנדוויץ' של צינור פלדה-גומי-צינור פלדה. צינור הפלדה הפנימי דורש עמידות בלחץ וקוטר, ושני הקצוות משוננים נגד החלקה. שכבת הגומי מתאימה את נוסחת החומר ואת מבנה העיצוב בהתאם לדרישות קשיחות שונות.
לטבעת הפלדה החיצונית ביותר יש לעתים קרובות דרישה לזווית כניסה, מה שתורם להתאמת לחץ.
לתותב הידראולי מבנה מורכב, והוא מוצר בעל תהליך מורכב וערך מוסף גבוה בקטגוריית התותבים. יש חלל בגומי, ויש שמן בחלל. תכנון מבנה החלל מתבצע בהתאם לדרישות הביצועים של התותב. אם שמן דולף, התותב ניזוק. תותבים הידראוליים יכולים לספק עקומת קשיחות טובה יותר, מה שמשפיע על יכולת הנהיגה הכוללת של הרכב.
לציר הצלב מבנה מורכב והוא חלק מורכב של צירים מגומי וכדור. הוא יכול לספק עמידות טובה יותר מהתותב, זווית סיבוב וזווית סיבוב, עקומת קשיחות מיוחדת, ולעמוד בדרישות הביצועים של הרכב כולו. צירים צולבים פגומים ייצרו רעש לתא הנהג כאשר הרכב בתנועה.
3. עם תנועת הגלגל, העיצוב המבני של אלמנט הנדנדה בנקודת החיבור של זרוע הנדנדה
משטח הכביש הלא אחיד גורם לגלגלים לקפוץ מעלה ומטה יחסית לגוף (השלדה), ובמקביל הגלגלים נעים, כגון פנייה, נסיעה ישרה וכו', מה שמחייב את מסלול הגלגלים לעמוד בדרישות מסוימות. זרוע הנדנדה והמפרק האוניברסלי מחוברים בעיקר באמצעות ציר כדורי.
ציר הכדור של זרוע הנדנדה יכול לספק זווית סיבוב גדולה מ-±18°, ויכול לספק זווית סיבוב של 360°. עומד במלואו בדרישות סיבוב הגלגלים וההיגוי. וציר הכדור עומד בדרישות האחריות של שנתיים או 60,000 ק"מ ושלוש שנים או 80,000 ק"מ עבור הרכב כולו.
לפי שיטות החיבור השונות בין זרוע הנדנדה לציר הכדורי (מפרק הכדורי), ניתן לחלק אותה לחיבור בורג או מסמר, לציר הכדורי יש אוגן; חיבור התערבות בלחץ, לציר הכדורי אין אוגן; משולב, זרוע הנדנדה וציר הכדורי הכל באחד. עבור מבנה מתכת פח יחיד ומבנה מתכת מרותך מרובי פחיות, שני סוגי החיבורים הראשונים נמצאים בשימוש נרחב יותר; הסוג השני של חיבור כמו חישול פלדה, חישול אלומיניום וברזל יצוק נמצא בשימוש נרחב יותר.
ציר הכדור צריך לעמוד בעמידות בפני שחיקה בתנאי עומס, בשל זווית העבודה הגדולה יותר מאשר התותב, דרישת אורך חיים גבוהה יותר. לכן, ציר הכדור נדרש להיות מתוכנן כמבנה משולב, הכולל שימון טוב של הציר ומערכת שימון אטומה לאבק ועמידה למים.
איור 3 זרוע נדנדה מחושלת מאלומיניום
השפעת עיצוב זרוע הנדנדה על איכות ומחיר
1. גורם איכות: ככל שהקל יותר, כך טוב יותר
התדר הטבעי של הגוף (הידוע גם כתדר הרטט החופשי של מערכת הרטט) הנקבע על ידי קשיחות המתלים והמסה הנתמכת על ידי קפיץ המתלים (מסה קפיצית) הוא אחד ממדדי הביצועים החשובים של מערכת המתלים המשפיעים על נוחות הנסיעה ברכב. תדר הרטט האנכי בו משתמש גוף האדם הוא תדר התנועה של הגוף למעלה ולמטה במהלך ההליכה, שהוא כ-1-1.6 הרץ. התדר הטבעי של הגוף צריך להיות קרוב ככל האפשר לטווח תדרים זה. כאשר קשיחות מערכת המתלים קבועה, ככל שמסת המתלים קטנה יותר, כך העיוות האנכי של המתלים קטן יותר, והתדר הטבעי גבוה יותר.
כאשר העומס האנכי קבוע, ככל שקשיחות המתלה קטנה יותר, כך התדר הטבעי של המכונית נמוך יותר, והמרחב הנדרש לגלגל לקפיצה למעלה ולמטה גדול יותר.
כאשר תנאי הדרך ומהירות הרכב זהים, ככל שהמסה הלא קפיצית קטנה יותר, כך עומס הפגיעה על מערכת המתלים קטן יותר. המסה הלא קפיצית כוללת את מסת הגלגל, מסת המפרק האוניברסלי ומסת זרוע ההנחיה וכו'.
באופן כללי, לזרוע הנדנדה מאלומיניום יש את המסה הקלה ביותר וזרוע הנדנדה מברזל יצוק יש את המסה הגדולה ביותר. אחרים נמצאים באמצע.
מכיוון שמסת זרועות הנדנדה לרוב נמוכה מ-10 ק"ג, בהשוואה לרכב עם מסה של יותר מ-1000 ק"ג, למסת זרוע הנדנדה יש השפעה מועטה על צריכת הדלק.
2. גורם המחיר: תלוי בתוכנית העיצוב
ככל שיש יותר דרישות, כך העלות גבוהה יותר. בהנחה שהחוזק והקשיחות המבניים של זרוע הנדנדה עומדים בדרישות, דרישות סבילות הייצור, קושי תהליך הייצור, סוג החומר וזמינותו, ודרישות קורוזיה של פני השטח משפיעות ישירות על המחיר. לדוגמה, גורמים נגד קורוזיה: ציפוי אלקטרו מגולוון, באמצעות פסיבציה של פני השטח וטיפולים אחרים, יכול להשיג כ-144 שעות; הגנה על פני השטח מחולקת לציפוי צבע אלקטרופורטי קתודי, שיכול להשיג עמידות בפני קורוזיה של 240 שעות באמצעות התאמת עובי הציפוי ושיטות הטיפול; ציפוי אבץ-ברזל או אבץ-ניקל, שיכול לעמוד בדרישות בדיקת קורוזיה של יותר מ-500 שעות. ככל שדרישות בדיקת הקורוזיה עולות, כך גם עלות החלק עולה.
ניתן להפחית את העלות על ידי השוואת תוכניות התכנון והמבנה של זרוע הנדנדה.
כידוע לכולנו, סידורי נקודות חיבור שונים מספקים ביצועי נהיגה שונים. בפרט, יש לציין שאותו סידור נקודות חיבור ועיצובים שונים של נקודות חיבור יכולים לספק עלויות שונות.
ישנם שלושה סוגי חיבורים בין חלקים מבניים למפרקי כדור: חיבור באמצעות חלקים סטנדרטיים (ברגים, אומים או מסמרות), חיבור התערבות ואינטגרציה. בהשוואה למבנה החיבור הסטנדרטי, מבנה החיבור התערבות מקטין את סוגי החלקים, כגון ברגים, אומים, מסמרות וחלקים אחרים. מבנה החיבור המשולב, שהוא חלק אחד, מקטין את מספר החלקים במעטפת מפרק הכדור בהשוואה למבנה החיבור התערבות.
ישנן שתי צורות של חיבור בין רכיב המבנה לאלמנט האלסטי: האלמנטים האלסטיים הקדמיים והאחוריים מקבילים צירית וניצבים צירית. שיטות שונות קובעות תהליכי הרכבה שונים. לדוגמה, כיוון הלחיצה של התותב הוא באותו כיוון ומאונך לגוף זרוע הנדנדה. ניתן להשתמש במכבש דו-ראשי בעל תחנה אחת כדי ללחוץ על התותבים הקדמיים והאחוריים בו זמנית, ובכך לחסוך בכוח אדם, ציוד וזמן; אם כיוון ההתקנה אינו עקבי (אנכי), ניתן להשתמש במכבש דו-ראשי בעל תחנה אחת כדי ללחוץ ולהתקין את התותב ברצף, ובכך לחסוך בכוח אדם וציוד; כאשר התותב מתוכנן להילחץ מבפנים, נדרשות שתי תחנות ושני מכבשי לחץ, המחברים את התותב ברצף.
