كل شيء عن نظام مكابح السيارة

مكابح السيارة

في هذه المقالة ، ندرس مبادئ ومكونات وأداء وتطور نظام مكابح السيارة.

نظام مكابح السيارة

نظام مكابح السيارة

منذ اختراع السيارة الأولى، كانت كيفية التحكم في السيارة وإيقافها أحد الاهتمامات الرئيسية للمصنعين. تلعب الفرامل (نظام مكابح السيارة) دورًا مهمًا باعتبارها أكثر أنظمة السلامة أهمية في السيارات. عندما سُئل أوتو بوجاتي ، مؤسس شركة بوجاتي، عن عدم وجود نظام فرملة في سيارات سباق Grand Prix الخاصة بالشركة، أجاب: “سياراتي مصممة للتحرك، وليس للتوقف”. ومع ذلك، سرعان ما أصبح واضحًا أن دور الكبح في السيارات كان خارج نطاق حتى نماذج السباقات. لهذا السبب، من الماضي إلى الحاضر، شهدنا دائمًا تقدم وتطور وظهور مختلف الابتكارات في أنظمة فرملة السيارات. اليوم، على عكس الماضي، فإن الفرامل ليست مسؤولة فقط عن إبطاء السيارة وإيقافها، ولكنها تؤثر أيضًا على توجيه وشحن السيارات الهجينة.

نعلم جميعًا أن الضغط على دواسة الفرامل يبطئ السيارة ويوقفها في النهاية، ولكن كيف تتسبب قوة القدم الصغيرة في توقف السيارة؟ كيف تنتقل هذه القوة إلى عجلات السيارة؟ للإجابة على هذه الأسئلة، نحتاج إلى أن نكون على دراية بعملية الكبح الشاملة من البداية إلى النهاية.

عندما تضغط بقدمك على دواسة الفرامل، تنتقل قوة قدمك عبر سائل إلى الفرامل الموجودة في العجلات. من الواضح أن قوة قدمك منخفضة جدًا بحيث لا تستطيع إيقاف سيارة ذات وزن وسرعة عاليين، لذلك يجب زيادة هذه القوة بطريقة ما. يضاعف المهندسون قوة قدم السائق من خلال تطبيق المبادئ الفيزيائية. يتم ذلك من خلال مبدأي الميزة الميكانيكية (الرافعة)( mechanical advantage) وزيادة القوة الهيدروليكية. تصل القوة المتزايدة لقدم السائق إلى الفرامل المثبتة في العجلات، ثم تنقل المكابح هذه القوة إلى العجلة على شكل قوة احتكاك، وفي المرحلة الأخيرة من هذه العملية تدخل هذه القوة إلى سطح الطريق على شكل قوة الاحتكاك وتقلل السرعة وفي النهاية تتوقف. قبل معالجة مكونات نظام الكبح، نقوم أولاً بفحص المبادئ الفيزيائية للميزة الميكانيكية، الهيدروليك والاحتكاك في عملية الكبح.

الميزة الميكانيكية (رافعة)

الميزة الميكانيكية هي كمية ثنائية الأبعاد تشير إلى أن القوة المقاومة (القوة التي تمارسها الآلة على الجسم) هي عدة أضعاف القوة الدافعة (القوة التي نبذلها على الآلة) في السيارة. في الروافع، بسبب قض النظر عن الاحتكاك، تكون الميزة الميكانيكية مساوية لنسبة طول ذراع المشغل إلى طول الذراع المقاومة. كما هو موضح في الصورة أدناه ، يتم تطبيق القوة F على الجانب الأيسر من الرافعة، وبالتالي فإن طول ذراع المشغل هو ضعف طول الذراع المقاومة (يمين). لهذا السبب، من خلال قسمة طول ذراع المشغل على طول الذراع المقاومة ، فإن الميزة الميكانيكية لهذه الرافعة هي 2، مما يعني تطبيق قوة 2F على الجانب الأيمن من الرافعة. عن طريق تغيير المسافات في الروافع، يمكن تغيير معامل تكاثر القوى.

نظام مكابح السيارة

الرافعات وأنواعهن

الهيدروليك

الأساس المادي وراء الأنظمة الهيدروليكية بسيط للغاية. في الأنظمة الهيدروليكية، يمكن أن تنتقل القوة من خلال سائل غير قابل للضغط. نظرًا للخصائص الفيزيائية الجيدة للزيوت، في معظم الأنظمة الهيدروليكية، يكون السائل المستخدم هو الزيت، وبالتالي يتم استخدام سائل الفرامل كسائل في نظام فرامل السيارة. في الأنظمة الهيدروليكية، باستخدام قانون باسكال(Pascal’s law)، يمكن تحويل قوة الخرج بسهولة إلى مضاعف قوة الإدخال. قانون باسكال هو قانون أساسي في الديناميكا المائية ينص على أن التغيير في الضغط في أي نقطة في سائل غير قابل للضغط ينتقل إلى جميع نقاط وأسطح السائل. يتم الحصول على هذا الضغط من العلاقة التي يكون فيها P أی الضغط، و F  وهي القوة، و A  وهي مساحة السطح التي يتم تطبيق القوة عليها.

نظام مكابح السيارة

يوضح الشكل أعلاه نظامًا هيدروليكيًا بسيطًا به أسطوانتان مائعتان محاطتان بمكبس ومتصلان ببعضهما البعض بواسطة مسار هيدروليكي. تنقل القوة الهابطة F1 الواقعة على المكبس الأيسر الضغط إلى سطح السائل بالكامل. والنتيجة هي أن القوة الصاعدة F2 يتم إنتاجها على المكبس الأيمن ، والتي تكون أكبر من F1 ، لأنه وفقًا لقوة باسكال ، تنتقل القوة F1 بشكل موحد إلى سطح السائل غير القابل للضغط ، وبالتالي P1 = P2 ، وبالنظر إلى المساحة الأكبر A2 ، F2 أكبر من F1. نقطة أخرى جديرة بالملاحظة في الأنظمة الهيدروليكية هي أن أنبوب الواجهة بين مكبسين يمكن أن يكون بأي طول وشكل ، ويمكن أيضًا أن يتفرع من هذا الأنبوب للمكابس الأخرى.

الإحتكاك

نظام مكابح السيارة

ببساطة، الاحتكاك هو الدرجة التي ينزلق بها جسمان فوق بعضهما البعض. وفقًا للشكل أعلاه، فإن كلا الكتلتين مصنوعتان من نفس المادة، لكن إحداهما تزن أكثر من الأخرى. من الناحية الحسية، نعلم جميعًا أن دفع كتلة أثقل أصعب من دفع كتلة أخف، والسبب ليس سوى الاحتكاك. لتوضيح المشكلة، نحتاج إلى إلقاء نظرة فاحصة على الجانب السفلي من الكتل. على الرغم من أن سطح الكتل قد يبدو أملسًا للعين المجردة، إلا أن الحقيقة هي أنه حتى الأسطح الأكثر نعومة على المقياس المجهري بها درجات خشونة عديدة. عندما يتم وضع جسمين فوق بعضهما البعض، فإن عدم استواء أسطحهما يلتصق ببعضهما البعض، وكلما زاد وزن الجزء العلوي من الجسم، زاد عدم استواء الأسطح في بعضها البعض، مما يجعل الأمر صعبًا للغاية بالنسبة للاثنين.

نظام مكابح السيارة

تحتوي المواد المختلفة على هياكل مجهرية مختلفة، على سبيل المثا ، يعد تحريك سطحين من المطاط فوق بعضهما البعض أكثر صعوبة من انزلاق سطحين من الصلب فوق بعضهما البعض. لذلك، لإدخال مادة الأسطح في حسابات الاحتكاك، يتم استخدام معامل يسمى معامل الاحتكاك (the coefficient of friction)، وهو نسبة القوة المطلوبة لانزلاق الجسم إلى الوزن. لذلك، تعتمد قوة الاحتكاك على الوزن، وكلما زاد الوزن زادت القوة المطلوبة. يتم استخدام نفس المفهوم في نظام الكبح. عندما يتم ضغط الوسادات على قرص العجلة المتحركة، تزداد قوة الاحتكاك مع تأثير القوة على الوسادات.

الآن بعد أن أصبحنا على دراية بالمبادئ الفيزيائية التي تحكم نظام الكبح، فقد حان الوقت لدراسة تاريخ ومكونات وتطورات نظام فرملة السيارة. تم تركيب أنظمة الفرامل الأولى المثبتة على السيارات مباشرة على العمود للتحكم في سرعة دوران العمود بدلاً من تقليل سرعة العجلات. تسببت هذه الأنظمة في حدوث توتر شديد في عمود السيارة، وكان السبب الوحيد لاستخدام هذا النظام هو تعقيد تركيب نظام الفرامل على عجلات السيارة. مع تقدم العلم وظهور العديد من الابتكارات (خاصة الأنظمة الهيدروليكية) أفسحت فرامل العمود المجال أمام فرامل العجلة. على الرغم من كل الابتكارات، حتى عام 1930، تم تثبيت الفرامل فقط على العجلات الخلفية للسيارة، ونتيجة لذلك لم يكن لهذه السيارات ثبات مناسب في الزوايا وفي ظروف الكبح الطارئ. تدريجيًا، مع تقدم صناعة السيارات، تم تجهيز جميع عجلات السيارات الأربع بمكابح وتم تقديم نظام فرملة الكابل. بعد ذلك، تم إدخال المكابح الهيدروليكية ومن ثم تم إدخال أنظمة مؤازرة مفرغة لتقليل القوة المطلوبة للضغط على دواسة الفرامل، ومع ضغط بسيط على دواسة الفرامل ، يتم توفير القوة اللازمة لتقليل السرعة وإيقاف السيارة.

أنواع أنظمة مكابح السيارة

بشكل عام، يتبع تشغيل أنظمة الكبح المختلفة نفس المبادئ الفيزيائية والفرق الوحيد هو في درجة الفعالية وكيفية انتقال قوة قدم السائق إلى الفرامل المثبتة في العجلات. تنقسم الفرامل إلى فئتين عامتين، ميكانيكية وهيدروليكية، وكل منهما مقسمة إلى فئات فرعية أصغر. في ما يلي، سوف نفحص كل من هذه الأنظمة.

نظام الكبح الميكانيكي

تعتبر المكابح الميكانيكية من أولى الأمثلة المثبتة في السيارات. في نظام الكبح الميكانيكي، تنتقل قوة قدم السائق إلى كابل واجهة عبر دواسة الفرامل، وينقل الكابل القوة المطبقة إلى حذاء المكابح (the brake shoes). أحذية الفرامل هي في الواقع نفس وسادات الفرامل (the brake pads)، باستثناء أنه بدلاً من إحداث احتكاك مع القرص، فهي داخل حجرة على شكل وعاء وتخلق احتكاكًا مع السطح الداخلي للوعاء. على الرغم من أن هذا النظام بسيط، إلا أنه يحتوي على بعض العيوب التي جعلته قديمًا مع مرور الوقت. أحد العيوب الرئيسية لهذا النظام هو احتمال انكسار سلك الفرامل وفشل نظام الكبح بشكل كامل.بالإضافة إلى ذلك، على عكس الأنظمة الأخرى مثل الكبح الهيدروليكي، لا يمكن مضاعفة القوة المطبقة على الدواسة.

نظام الكبح الهيدروليكي

نظام الكبح الهيدروليكي

يشبه التشغيل الأساسي للفرامل الهيدروليكية تقريبًا الفرامل الميكانيكية، باستثناء أنه بدلاً من الأسلاك تستخدم الأنابيب التي تحتوي على سائل غير قابل للضغط (سائل الفرامل). بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الفرامل القرصية بدلاً من فرامل الوعاء نظرًا لسهولة مضاعفة قوة قدم السائق في هذا النظام. في هذا النظام، عن طريق الضغط على دواسة الفرامل، يتم أولاً مضاعفة قوة قدم السائق من خلال شكل رافعة الدواسة، وفي الخطوة التالية، يتم تطبيقها على المكبس الرئيسي لنظام الفرامل. ثم تدخل قوة المكبس الرئيسي السائل خلف المكبس وتتسبب في تحرك السائل في الأنابيب المركبة. عندما يتحرك السائل عبر الأنابيب، تنتقل القوة المطبقة على المكبس الرئيسي عبر السائل إلى المكابس الفرعية في فرامل العجلات. مستوى المكابس الفرعية أقل من مستوى المكبس الرئيسي، وبالتالي فإن القوة المطبقة على الوسادات أو اللنتات تزداد مرة أخرى، بحيث تكون القوة المطبقة على الوسادات في النهاية أكبر من القوة الصغيرة لقدم السائق.

صمم المهندسون أنظمة مساعدة الفرامل لتحسين أداء الفرامل وزيادة قوة قدم السائق. في هذه الأنظمة، التي تسمى أنظمة الكبح المؤازرة(servo braking systems)، يعتمد أساس التشغيل على فرق الضغط بين الجزء الخلفي والأمامي للمكبس الرئيسي. يتكون النظام من صمام هواء وحاجز بلاستيكي ونابض ويقع بين دواسة الفرامل واسطوانة الفرامل الرئيسية.

يتم توصيل صمام الهواء مباشرة من خلال أنبوب بمشعب سحب الهواء الدافع، والذي يسمح بامتصاص الهواء على جانبي الحجاب الحاجز ويسود فراغ نسبي في هذه المنطقة. من خلال الضغط على دواسة الفرامل، تغلق قوة قدم السائق صمام الهواء من خلال وصلة ميكانيكية، مما يسمح للهواء الخارجي بالدخول خلف الفتحة. مع دخول الهواء الخارجي، يتم إنشاء فرق ضغط بين الجزء الأمامي والخلفي للحجاب الحاجز، مما يزيد من قوة الدواسة ويطبق أخيرًا القوة المتزايدة على الأسطوانة الرئيسية. عند رفع القدم عن الدواسة، يفتح صمام الهواء مرة أخرى ويؤدي الزنبرك المدمج إلى عودة الدواسة والتوصيلات الميكانيكية إلى الوضع الأصلي. في حالة انقطاع التيار الكهربائي أو حتى حدوث عطل في نظام المؤازرة، يظل نظام الكبح في السيارة نشطًا، باستثناء أنه يجب استخدام المزيد من القوة على دواسة الفرامل.

تتمثل إحدى مشكلات النظام الهيدروليكي في إمكانية تمزق وتسرب أنابيب نقل زيت الفرامل، مما قد يؤدي في النهاية إلى تعطل نظام فرامل السيارة. لحل هذه المشكلة، تم تجهيز معظم السيارات الحديثة بدائرتين منفصلتين لتدفق السوائل مع أسطوانتين رئيسيتين بحيث إذا تعطلت إحدى الدوائر، فلن تواجه فرامل السيارة مشكلة. في الأنظمة ذات الدائرتين، قد يتم توصيل دائرة واحدة بالعجلات الأمامية ودائرة واحدة بالعجلات الخلفية، أو قد يتم توصيل دائرة واحدة بأربع عجلات وقد يتم توصيل دائرة واحدة بالعجلات الأمامية فقط.

في ظل ظروف الكبح الشديدة ، يميل وزن السيارة إلى التحرك للأمام، مما يؤدي إلى انخفاض وزن العجلات الخلفية، مما يزيد من احتمالية قفل العجلات الخلفية، مما قد يؤدي إلى الانزلاق المميت. لمنع حدوث ذلك، فإن نظام الكبح في معظم السيارات اليوم مزود بصمام ذكي حساس للحمل يمكنه ضبط ضغط سائل الفرامل. باستخدام هذا الصمام، يتم إرسال ضغط أقل من الزيت إلى العجلة التي تكون على وشك الانزلاق لمنع قفل العجلة. بالإضافة إلى ذلك، تم تجهيز سيارات اليوم بأنظمة تحكم متطورة أخرى مثل ABS، والتي، مع مراعاة العوامل المختلفة، تتنبأ بإمكانية قفل العجلات في ظل ظروف الفرملة الشديدة ولا تسمح للعجلات بالقفل مع الفرملة المتكررة في جزء صغير من ثانية.

الفرامل الوعائیة

تعتبر فرامل الوعائیة من أولى الأمثلة على الفرملة في السيارات. في هذه الفرامل، يتم تثبيت وعاء مجوف بداخله خلف عجلة القيادة. يتم توصيل الأحذية المدمجة بمفصلة واحدة في أحد الطرفين ومكبس في الطرف الآخر. يبدأ وعاء الفرامل بالدوران مع دوران العجلة، وبمجرد الضغط على دواسة الفرامل، تنتقل القوة الهيدروليكية إلى المكبس المتصل بالحذاء، وعندما يعمل المكبس، يلتصق الحذاء بالسطح الداخلي للحذاء، تقليل سرعة العجلة. تشمل عيوب فرملة الوعاء قوة فرملة منخفضة وسرعة تسخين إذا تم استخدامها بشكل مستمر. هذا هو سبب استخدام فرامل الوعاء في العجلات الخلفية، الأمر الذي يتطلب قوة فرملة أقل. على الرغم من العيوب، تتطلب فرامل الوعاء القليل من الصيانة، وهي ميزة كبيرة.

الفرامل الوعائیة

بمرور الوقت، يتآكل سطح حذاء الفرامل بسبب الاحتكاك، مما يزيد المسافة بين الحذاء والسطح الداخلي للوعاء. نتيجة لذلك، يجب الضغط بقوة أكبر على دواسة مكابح السيارة لوضع المزيد من الزيت على المكبس في فرامل الوعاء حتى يتمكن من تحريك الحذاء لمسافة أبعد. لحل هذه المشكلة، تم تجهيز فرامل الوعاء الجديدة بنظام ضبط ميكانيكي للمسافة يمكنه دائمًا الحفاظ على المسافة بين الحذاء والسطح الداخلي للوعاء ثابتة.

المكابح القرصية

تُعرف الفرامل القرصية بأنها أحدث مثال على أنظمة الكبح. تحاول هذه الفرامل حل المشكلات في الفرامل الوعائیة قدر الإمكان. على سبيل المثال، قدرة نقل الحرارة للفرامل القرصية أفضل بكثير من تلك الموجودة في نماذج الوعاء، مما يقلل بشكل كبير من أداء الكبح في ظل ظروف الكبح المستمر. بالإضافة إلى ذلك، تزن الفرامل القرصية أقل بكثير من الفرامل الوعائیة وهي قادرة على إزالة الماء من القرص بسرعة أكبر. ميزة أخرى لهذه الفرامل هي قوتها العالية. تضع المكابح القرصية مزيدًا من القوة على العجلات وتكون قادرة على منع السيارة من التحرك لمسافة أقصر.

المكابح القرصية

المكونات الرئيسية لللفرامل القرصية هي القرص الکابح (disc brakes)، وسادات أو لنتات(pads)،فرجار الفرامل او کالیبرة الفرامل (brake calipers). يتم توصيل قرص الفرامل بالعجلة ويتم تدويره في نفس الوقت الذي تدور فيه العجلة، ويحيط جانباهما بوسادات، ويتم توصيل الفرجار، وهو نفس غطاء مكبس الفرامل الفرعي، بالوسادات. من خلال الضغط على دواسة الفرامل، يرسل المكبس الرئيسي سائل الفرامل إلى المكابس الفرعية المضمنة في العجلات. ثم يتسبب ضغط الزيت في فتح المكبس الفرعي ويقوم المكبس الفرعي بضغط الوسادات على سطح القرص لتقليل السرعة وإيقاف احتكاك السيارة بسطح القرص. الوسادات قريبة جدًا من سطح القرص وهي في الحقيقة مماسة دائمًا لسطح القرص. عن طريق إزالة القدم من الدواسة، يتم تقليل ضغط الزيت وإزالة ضغط الوسادات من سطح القرص. تتلف الوسادات  بمرور الوقت بسبب الاحتكاك وتحتاج إلى الاستبدال، لذلك في سيارات اليوم، تم دمج مستشعر بسيط في الوسادات يضيء ضوء تحذير على عداد المسافات مع انخفاض مستوى اللوحة. إذا لم يتم استبدال الوسادات في الوقت المناسب، فقد تتسبب في تلف سطح قرص الفرامل.

و انواع اخری من نظامات مكابح السيارة التی لم نذکرها کأقراص السيراميك الكربوني ونظام المكابح المانعة للانغلاق والكبح الديناميكي ونظام الكبح مع استعادة الطاقة و أخیراً و لیس أخراً الفرامل الكهربائية التی صممت مؤخراً.

منشور ذات صلة
السيارات ذاتية القيادة 6 Minutes

كيف تعمل السيارات ذاتية القيادة؟

جاسم ناظري

أول ما تحتاجه السيارة هو القدرة على اكتشاف موقعها في العالم. للقيام بذلك تحتاج السيارات ذاتية القيادة إلى HDMap يتضمن الكثير من البيانات حول الطريق والمناطق المحيطة.

صمام السيارة 6 Minutes

ما هو صمام السيارة وما دوره في أداء المحرك؟

أمير مقدم

يقع الصمام على رأس الأسطوانة في السيارة ويتحكم في دخول وخروج الهواء. لنكون أكثر دقة، هذا الجزء الفطري مسؤول عن التحكم في دخول الهواء إلى غرفة الاحتراق وخروج الدخان من خلال فتحات رأس الأسطوانة.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

السلة