دستگاه ۳ میلیون دلاری برای تست شاسی خودرو در حالت درجا

در دنیای کنونی چیزی مانند «شروع طراحی وسیله نقلیه بر روی یک کاغذ سفید» وجود ندارد. صنعت اتومبیل با وجود دوران نسبتاً کوتاه‌مدت خود، نمایش خوبی از نظریه «انتخاب طبیعی» داروین است؛ آن هم بهتر از موجودی مانند «پلاتیپوس» که ظاهر خود را از گذشته‌ای بین ۱۹ تا ۴۸ میلیون سال پیش، حفظ کرده است. برخلاف این پستاندار تخم‌گذار و نوک‌اردکی، هر کدام از وسایل نقلیه امروزی، نتیجه‌ای از طراحی‌های هوشمندانه‌ای است که امتحان خود را در طول سال‌ها، در سالن کنفرانس دانشگاه‌ها، مقاله‌های تحقیقاتی و فایل‌های CAD، به‌خوبی پس داده‌اند.

تنظیمات سیستم تعلیق نیز از این قاعده مستثنی نیست. مهندسان شاسی خودرو، کار خود را با کانسپت‌هایی شروع می‌کنند که قبلاً عملکرد مناسب‌شان ثابت شده و هدف آنها، بهینه‌سازی این کانسپت‌هاست. اگر بخواهیم به شکلی‌ ساده بگوییم، آنها از یک «مبنا» استفاده می‌کنند. آنها شرایط مدل قبلی و رقبایش را مورد تحلیل و بررسی قرار می‌دهند. هنگامی نیز که جاه‌طلبی‌های آنها از محدوده‌ای فراتر رفت، به شرایطی مانند «خرید یک خودروهای اسپورت آلمانی با موتور عقب به ارزش ۹۰ هزار دلار به منظور توسعه یک فورد موستانگ» ختم می‌شود.

در طول مراحل توسعه، شرایط برای تشخیص کیفیت دینامیک خودرو چندان آسان نیست. مهندسان شاسی به دنبال فاکتورهایی هستند که نقشی تعیین‌کننده در دنیای واقعی خواهند داشت؛ از جمله بازخورد شاسی، کیفیت سواری و پیش‌بینی پذیری و قابل‌کنترل بودن رفتار خودرو در شرایط سخت رانندگی. ‌آنها در دنیایی آزمایشگاهی از فنربندی‌ها با درجات سختی متفاوت، ترکیبات تایرها و هندسه سیستم تعلیق کار می‌کنند که اثرات متقابل فاکتورها، بدون صرف‌نظر از برخی جزئیات به‌دست نمی‌آید. امّا برای پیدا کردن همبستگی بین رفتار آزمایشگاهی یک خودرو و شرایط دنیای واقعی برای آن چه باید کرد؟ اینکه چرا یک مدل خودرو در یک مسیر ناهموار در یک سرعت معیّن، یک سواری طبیعی و نرم دارد؟ یکی از راهکارها در این زمینه، استفاده از دستگاه موسوم به K&C است. این دستگاه در واقع، پیمانه‌ای است که در آن میزان فشردگی سیستم تعلیق در حدّ هزارم اینچ و همین‌طور، میزان دَوَران بدنه با دقت کسری از درجه اندازه‌گیری می‌شود.

دستگاه K&C اتفاقات سیستم تعلیق را در یک محیط کنترل‌شده شبیه‌سازی می‌کند و در این حالت، واکنش‌های وسیله نقلیه نسبت به این اتفاقات، با دقت بالا قابل‌اندازه‌گیری است. یک میز مجهز به کنترلرهای الکترونیکی که بوسیله گیره‌ به بدنه محکم شده، می‌تواند شرایط مشابه ناهمواری‌های جاده را برای سیستم تعلیق فراهم کند. همچنین شاید کمتر کسی یک خودرو با شتاب جانبی ۱.۰۰g در حالت درجا دیده باشد که دستگاه K&C قادر به انجام این کار است.

البته دستگاه K&C با چیزی شبیه به یک «کامیون میکسر» فرق دارد؛ چرا که بسیار آهسته و با آٰرامش عمل می‌کند و شاید اگر در یک کتابخانه باشد، توجه کمتر کسی را به خود جلب کند. مجموعه‌ای از سیم‌ها به  هر کدام از چرخ‌ها متصل هستند که در حالتی مشابه عروسک‌های خیمه‌شب‌بازی،  کوچکترین جابجایی‌ها را در هر «صفحه» و «محور» منتقل می‌کنند.

در دستگاه K&C، مجموعه‌ای از تست‌ها پیش‌بینی شده که در دو دسته کلی «سینماتیک» و «کمپلیانس» قرار می‌گیرند. سینماتیک‌ها شرایط حرکت را در غیاب نیروهایی که این حرکات را به‌وجود می‌آورند، بررسی می‌کنند و صرفاً اثرات هندسه سیستم تعلیق را اندازه‌ می‌گیرند. تست‌های کمپلیانس میزان تأثیرگذاری حرکت در پیچ، ترمزگیری و شتاب‌گیری را بر تغییر شکل سیستم تعلیق مشخص می‌کنند. این اندازه‌گیری‌ها میزان انعطاف‌پذیری بوشینگ‌ها، اعضای سیستم تعلیق، نگهدارنده‌های آنها و سایر قطعات مرتبط را نشان می‌دهند.

این ابزار توسعه شاسی، چیزی بیشتر از یک دستگاه آزمایش و «محک‌زنی» است. جین مارتیندال (Gene Martindale)، کسی که ۱۴ سال از عمرش را به عنوان یک «مهندس دینامیک» در بخش وسایل نقلیه پرفورمنس فورد گذرانده، یکی از کاربردهای متعدد K&C را در تیونینگ سیستم تعلیق، این‌ چنین توصیف می‌کند:

ممکن است خودرویی هندلینگ مناسبی نداشته و ما فکر کنیم که مشکلی در تعلیق جلو وجود دارد. وقتی با این خودرو رانندگی می‌کنیم، از علت این موضوع چندان مطمئن نیستیم، بنابراین به سراغ دستگاه K&C می‌رویم، خودرو را به حرکت درمی‌آوریم، در جهات مختلف به آن بار وارد می‌کنیم و شرایط غیرمنتظره سینماتیک یا کمپلیانس را در آن بررسی می‌کنیم.

برای داشتن تصویری بهتر از این موضوع، در ادامه دست‌اندرکاران مجله Car and Driver، دو نمونه از خودروهایی که می‌توانند گزینه‌های مطلوبی برای جابجایی‌های روزانه باشند، یعنی فولکس‌واگن گلف و یک GTI را تحت آزمایش‌های دستگاه K&C قرار داده‌اند. هر دوی این هاچ‌بک‌ها دارای یک سیستم تعلیق استرات در جلو، یک سیستم تعلیق مولتی‌لینک در عقب، ساب‌فریم‌ها با اتصالات صلب و چرخ‌های ۱۸ اینچی هستند. هر دو مدل یک رانندگی مقرون‌به‌صرفه با قابلیت‌های بالا و یک سواری و هندلینگ در حدّ خودروهای گران‌قیمت را در دسترس قرار می‌دهند. رفتار این خودروها، هیچ‌گاه خشک و خشن نیست، بلکه هر دو خودرو با طراوت و سرزنده هستند.

فولکس‌واگن گلف و GTI در آزمایشگاه «مورس مِژرمِنتز» واقع در «سالیزبوری» ایالت کارولینای شمالی امریکا، در دستگاه مدل AB دینامیکز SPMM 4000 مورد آزمایش قرار گرفتند. این فولکس‌واگن‌ها به مدت ۲ روز، یا به بیان دقیق‌تر، ۲ بعدازظهر، تحت فشار، ضربه، چرخش و شیرجه دستگاه بوده‌اند.

نتایجی که دستگاه K&C به‌دست می‌دهد، بسیار روشن و بدیهی هستند؛ از جمله اینکه مسلماً GTI صلب‌تر از برادرِ «کمتر ورزشکار» خود است. در مقایسه با گلف، نرخ چرخ‌های GTI که معیاری از سختی قائم و شامل مؤلفه‌های کویل اسپرینگ و دیواره‌های تایر است، به ترتیب در جلو و عقب، ۲۸ و ۳۳ درصد بیشتر است. موضوع جالب‌توجه اینکه که رفتار پنجه جلو و پشته عقب بدنه GTI به‌گونه‌ای است که شرایط را برای کم‌فرمان و چسبندگیِ کمتر فراهم می‌کند. البته این به معنای کم‌فرمانی یا چسبندگیِ کمتر GTI نسبت به گلف نیست؛ چرا که این رفتارهای هندلینگ به فاکتورهای دیگری نظیر تایرها، سختی غلتشی و برخی متغیرهای دیگر بستگی دارند. تفاوت بین این دو مدل خودرو که دارای پلتفرم مشترک نیز هستند، احتمالاً از ارتفاع کمتر بدنه GTI نسبت به گلف، به اندازه ۱۵ میلی‌متر ناشی می‌شود؛ موضوعی که موجب بازتعریف رابطه اتصال‌های سیستم تعلیق، بین بدنه و چرخ‌ها می‌گردد.

دستگاه K&C

میز الکترونیکی دستگاه K&C با استفاده از بست‌هایی که به لبه‌ها و شکاف‌های بدنه، محکم شده‌اند [۰۰۱]، خودرو را بالا، پایین و به گردش درمی‌آورد. در این میان، ربات هدایت فرمان [۰۰۲]، شرایط ورودی راننده را بر غربیلک فرمان شبیه‌سازی می‌کند و این در حالی است که پدهای زیر چرخ‌ها  [۰۰۳]می‌توانند میزان بار قائم برای هر تایر و نیروی ورودی جانبی و طولی را اندازه‌گیری کنند. بست چرخ‌ها  [۰۰۴]با استفاده از سیم‌های کششی به انکودرها  [۰۰۵]متصل می‌شوند تا میزان جابجایی برای هر چرخ ثبت شود.

هدایت فرمان در ناهمواری
«راستای پنجه» عبارت است  از زاویه جهت یک تایر با خط مرکزی در یک وسیله نقلیه. این راستا معمولاً اندازه‌ای ثابت دارد، امّا باید توجه داشت که وضعیت «پنجه» در شرایط بارگذاری مختلف برای سیستم تعلیق تغییر می‌کند. تغییرات قابل‌توجه در «راستای پنجه» در اثر ناهمواری جاده یا لغزش بدنه، معمولاً وضعیتی نامطلوب ایجاد می‌کند و موجب می‌شود که وسیله نقلیه نواقص طولی موجود در سطح مسیر را دنبال کند. سیستم تعلیق جلوی GTI در اثر لغزش و فشار، تغییرات بیشتری در راستای پنجه نسبت به گلف نشان می‌دهد. از نظر کلی، این موضوع باعث می‌شود که شرایط برای افزایش کم‌فرمانی فراهم گردد، اما باید توجه داشت که در مقایسه با فاکتورهای دیگر نظیر ترکیب تایر، کم‌ترین اثر را در تعیین چسبندگی جانبی خواهد داشت.

زاویه بیرونی پنجه در اثر فشار به سیستم تعلیق

گلف

چرخ چپ در جلو:‌ ۰.۱۲ درجه بر اینچ

چرخ راست در جلو: ۰.۱۷ درجه بر اینچ

GTI

چرخ چپ در جلو:‌ ۰.۲۰ درجه بر اینچ

چرخ راست در جلو: ۰.۲۱ درجه بر اینچ

سختی جانبی

صلبیت جانبی سیستم تعلیق و بالانس نسبی جلو و عقب در این زمینه، معیاری از کیفیت واکنش یک خودرو نسبت به ورودی‌های فرمان و نیروهای جانبی است. به منظور چسبندگی بهتر در سطوح شکسته مسیرها، معمولاً سیستم تعلیق در عقب، نسبت به جلو، نرم‌تر تنظیم می‌گردد تا از وقوع مواردی چون «بیش‌فرمانی ناگهانی» در پیچ‌ها جلوگیری شود. صلبیت بیشتری که برای GTI ثبت شده، احتمالاً ناشی از استفاده از تایرهای تابستانی و بوشینگ‌های مستحکم‌تر است.

سختی جانبی

گلف

جلو:‌ ۱۰۰۵ پوند بر اینچ

عقب: ۹۳۷ پوند بر اینچ

GTI

جلو:‌ ۱۲۶۶ پوند بر اینچ

عقب: ۱۰۹۸ پوند بر اینچ

جبران زاویه کمبر

زاویه کمبر زاویه‌ای است که چرخ با راستای قائم می‌سازد و از نمای جلو یا عقب قابل‌مشاهده است. وقتی یک وسیله نقلیه وارد پیچ می‌شود، چرخ‌های بیرونی به حالت «زاویه کمبر مثبت» متمایل می‌شوند؛ یعنی لبه بالای چرخ به طرف بیرون تمایل پیدا می‌کند. در نتیجه، بخشی از سطح تماس تایر با جاده از دست می‌رود و چسبندگی جانبی کاهش می‌یابد. مهندسان شاسی در برخورد با این موضوع، سیستم تعلیق را به گونه‌ای طراحی می‌کنند که در هنگام وارد آمدن فشار در پیچ، یک «کمبر منفی» اضافه کند. «جبران زاویه کمبر» برابر میزان این تصحیح به عنوان درصدی از «گردش بدنه» است. اگر بازگشت زاویه کمبر ‍۱۰۰ درصد باشد، ۲ درجه «گردش بدنه» با ۲ درجه «کمبر منفی» جبران می‌شود. امّا باید توجه داشت که در دنیای واقعی، هیچ خودروی جاده‌ای نمی‌تواند به این سطح از جبران زاویه کمبر برسد. در محور جلوی GTI، در مقایسه با گلف، درصد کمتری از زاویه کمبر جبران می‌شود که می‌توان آن را نتیجه‌ی ارتفاع پایین‌تر سیستم تعلیق و کنترل‌های محدودکننده کمبر در طراحی‌ سیستم‌های تعلیق استرات دانست.

جبران زاویه کمبر

گلف

جلو: ۱۸ درصد

عقب: ۱۹ درصد

GTI

جلو: ۱۵ درصد

عقب: ۲۰ درصد

منبع: caranddriver