نگاهی نو به مشکلی قدیمی – مزایا و کاربردهای سیستم های تعلیق فعال هندسه متغیر

مقدمه

سیستم تعلیق فعال… وظیفه سیستم تعلیق خودرو، جذب ارتعاشات وارده از جاده و تامین چسبندگی لازم بین چرخ و زمین است، در حالی که این دو هدف الزامات متفاوتی دارند. برای بهبود جذب ارتعاشات و افزایش راحتی سواری بهتر است ضریب فنر و میراگر کاهش یافته و به‌ عبارتی سیستم نرم باشد. درحالی که افزایش چسبندگی و درنتیجه فرمان‌پذیری خودرو معمولا نیازمند یک سیستم‌ تعلیق سفت با ضرایب فنریت بالا است، که قادر به تامین نیروی عمودی مورد نیاز در تایر، در شرایط مختلف کاری باشد. به‌همین دلیل طراحی سیستم‌ تعلیق کاری پیچیده است که نیازمند درنظر گرفتن مجموعه گسترده‌ای از پارامترهای متضاد و دستیابی به یک نقطه کاری بهینه است. به همین دلیل، پیکربندی‌های رایج در صنعت خودرو تا این حد مشابه یکدیگر هستند و در واقع تنها با ابعاد پلتفرم‌های مختلف سازگار می‌شوند.

بهبود عملکرد سیستم تعلیق می‌تواند بدون نیاز به طراحی مجدد شاسی یا سیستم انتقال قدرت، منجر به افزایش کیفیت سواری یا فرمان‌پذیری خودرو شود. به همین دلیل ساخت سیستم‌های تعلیق با قابلیت تغییر خصوصیات ارتعاشی در حین حرکت یکی از قدیمی‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی به‌شمار می‌رود. مهندسین در طول این چند دهه اخیر و با گسترش نفوذ فناوری الکترونیک  سیستم‌های فعال و نیمه‌فعال مختلفی را توسعه ‌داده‌اند و گستره متنوعی از پیکربندی‌های مختلف و عملگرهای متفاوت در این راه به‌کار گرفته‌شده است.

هرچند نخستین خودروی تجاری مجهز به فناوری تعلیق هوشمند در سال‌های پایانی دهه ۸۰ میلادی به بازار عرضه شد، اما در طول این سال‌ها هنوز پاسخ مصر‌ف‌کنندگان به این فناوری چندان امیدوار کننده نبوده‌است. هرچند در سال‌های اخیر تعداد خریدارانی که حاضر هستند برای بهبود عملکرد دینامیکی خودرو خود آپشن سیستم‌تعلیق نیمه‌فعال خریداری کنند افزایش یافته، اما هنوز بازار در تسخیر سیستم‌های تعلیق غیرفعال سنتی است که مقرون به‌صرفه و ساده بوده و اطمینان‌پذیری بالایی دارند.

یک فناوری جایگزین برای سیستم‌های فعال و نیمه‌فعال پرمصرف، پیچیده و پرهزینه که اخیرا بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌است، تغییر اصول کاری سیستم است. به این معنی که از عملگرها برای تغییر نسبت اهرم عناصر غیرفعال تولیدکننده نیرو (فنر و میراگر) و چرخ استفاده شده و در واقع هندسه تعلیق تغییر کند. در این مقاله قصد داریم بیشتر با این سیستم‌های تعلیق و ویژگی‌های عملیاتی و ایمنی آن‌ها آشنا شویم. با ما همراه باشید.

شروع ماجرا

همان‌طور که اشاره‌شد، تلاش طراحان برای غلبه بر دوگانگی موجود بین کیفیت سواری و فرمان‌پذیری خودرو منجر به تلاش‌های گسترده برای اصلاح یا بهبود شاخص‌های عملکردی سیستم‌های تعلیق شده‌است. نخستین سیستم‌تعلیق فعال در سال ۱۹۶۱ توسط شرکت White Westinghouse توسعه داده‌شد. توجه کنید درباره دورانی صحبت می‌کنیم که هنوز پای سیستم‌های جرقه‌زنی ترانزیستوری هم به صنعت خودرو باز نشده بود و طبیعتا سیستم توسعه داده‌شده تمام مکانیکی بود.

هرچند شرایط بازار خودرو در آن زمان آمادگی پذیرش مفهوم سیستم تعلیق فعال را نداشت و به دلیل نبود انگیزه تجاری کافی پیگیری نشد. تا سال‌ها در این زمینه تحقیقات پراکنده‌ای صورت می‌گرفت، اما به نظر نمی‌رسید که این تحقیقات توانسته باشند منجر به تولید محصولی قابل‌توجه شده باشند. تا این‌که تیم شرکت لوتوس در مسابقات فرمولا ۱ از این فناوری در خودروی خود استفاده کرد و نشان‌داد که سیستم‌تعلیق فعال چه مزیت‌های عمده‌ای می‌تواند داشته‌باشد. در این دهه فناوری الکترونیک از حالت نظامی خارج‌شده و برای نخستین بار به صورت گسترده در صنایع غیرنظامی بکارگرفته شده‌بود.

صنایع خودروسازی تازه در حال آزمون و خطا با این فناوری بودند و حتی شرکت‌های حاضر در فرمولا ۱ که بالاترین سطح فناوری خودرو محسوب می‌شوند نیز بیشتر از آن برای مدیریت بهره‌وری موتورهای توربوشارژ آن زمان بهره می‌بردند.  شرکت انگلیسی لوتوس جزو نخستین شرکت‌هایی بود که به استفاده از فناوری تعلیق فعال در مسابقات علاقه نشان داد و از اوایل دهه ۸۰ شروع به آزمایش پروتوتایپ‌های مختلف کرد. پس از سال‌ها روند کند آزمایش و ثبت اطلاعات، بالاخره در فصل ۱۹۸۸ برای نخستین بار به استفاده عملیاتی از آن در کل طول فصل پرداخت. هدف تیم لوتوس – هوندا از بکارگیری این سیستم ثابت نگاه داشتن ارتفاع خودرو در شرایط مختلف کاری به منظور افزایش بهره‌وری آئرودینامیک و نیز بیشینه‌ساختن چسبندگی تایرها بود.

سیستم تعلیق مورد استفاده لوتوس یک سیستم فعال پهنای‌باندکامل[۱] یا تام‌الختیار[۲]  بود که از عملگرهای الکتروهیدرولیکی به جای فنر و میراگر غیرفعال استفاده می‌کرد. این عملگر باید قادر می‌بود نیرویی در مقیاس چهاربرابر نیروی جانبی ضرب‌در ضریب اهرم تعلیق را فراهم کند و طبیعتا سنگین‌تر از سیستم غیرفعال معمول می‌بود. این سیستم حدود ۱۰-۱۲ کیلوگرم وزن اضافه به شاسی تحمیل کرده و علاوه‌براین نیروی لازم برای پمپ هیدرولیک را از موتور می‌گرفت. اما مزیت‌های آن به سرعت در پیست‌های دارای پستی و بلندی مثل گراندپری بوستون و پس از آن در موناکو آشکار شد و توجه تیم‌های رقیب از جمله ویلیامز را جلب کرد.

روند توسعه فناوری تعلیق فعال، در یکی دو سال بعدی به جایی رسید که، سیستم‌های فعال تبدیل به بخشی از پیکربندی رایج خودروهای فرمولا ۱ شده‌ بود و تمامی تیم‌ها به نوعی از این فناوری استفاده می‌کردند. هرچند هزینه‌های هنگفت تحقیق و توسعه صدای بسیاری از شرکت‌کنندگان را درآورده بود و سرعت‌های بسیار بالای خودروهای ویلیامز در هنگام پیچیدن در سال ۹۳ به حدی رسید که در فصل ۹۴ استفاده از تعلیق فعال در فرمولا ۱ ممنوع اعلام‌شد. هرچند سیستم‌های تعلیق فعال با این حکم عملا از حالت عملیاتی خارج شدند، اما مزیت‌های استفاده از این سیستم‌ها به صورت کاملا عملی به نمایش درآمد و همین امر باعث شد تا تحقیق و توسعه در این زمینه ادامه پیدا کند.

سیستم‌ های رایج فعال و نیمه‌فعال و خصوصیات کلی آن‌ها

همان طور که گفتیم، از اواخر دهه ۷۰ میلادی صنایع الکترونیک از حالت عمدتا نظامی خود خارج شد و باعث تحول صنایع مختلف شد. با پیشرفت عملگرهای الکترومکانیکی، معرفی مفاهیمی مانند تعلیق نیمه‌فعال با فنر و میراگر متغیر با زمان و توسعه فناوری کنترل باعث چرخش نگاه‌ها به سمت سیستم‌های فعال و نیمه‌فعال با رویکرد الکترونیکی معطوف شد. هرچند نخستین خودروهای تجاری مجهز به سیستم‌های تعلیق نیمه‌فعال در اواخر دهه ۸۰ میلادی به بازار عرضه شدند، اما هنوز در چند دهه اخیر تعداد خودروهایی که با این گزینه به بازار عرضه می‌شوند انگشت‌شمار و خریداران این مدل خودروها نیز بسیار محدود بوده‌اند. البته این روند درحال تغییر است و با معرفی سیستم‌های جدید و کارایی بهینه‌شده آن‌ها بسیاری از مشتریان در قسمت خودروهای لوکس تمایل به استفاده از این نوع تعلیق پیدا کرده‌اند.

سیستم‌های تعلیق فعال الکترومکانیکی، مانند آن‌چه توسط شرکت Bose توسعه داده‌شد، شامل عملگرهای فعال الکترومکانیکی به عنوان تامین‌کننده نیروی عمودی هستند و می‌توانند کیفیت سواری خودرو را به صورت قابل‌توجهی افزایش دهند. این سیستم‌تعلیق برای تولید نیرو به هیچ شتاب یا حرکتی در اجزای سیستم تعلیق نسبت به یکدیگر نیازی ندارد، در نتیجه می‌توان با کنترل مناسب عملا تاثیر هرگونه شتاب عمودی و حرکت جانبی را به طور موثر خنثی کرد. اما فناوری پیچیده، قیمت بالای عملگرهای الکترومکانیکی، مصرف انرژی زیاد و حجم قابل ملاحظه این سیستم در کنار وزن و قیمت بالای آن باعث شد بیشتر در حد یک نمونه اثبات‌گر فناوری باقی بماند. امروزه تنها تعداد محدودی از سدان‌های بسیار لوکس گزینه تعلیق فعال را ارائه می‌دهند که به عنوان مثال در سیستم‌ کنترل فعال بدنه یا [۳]ABC مرسدس بنز با عملگرهای هیدروالکتریک فرکانس پایین (تا ۲هرتز) و سیستم تعلیق فعال با فنرهای بادی در بی‌ام‌و سری ۷ جدید دیده می‌شود.

برخلاف سیستم‌های فعال، سیستم‌های نیمه‌فعال برای تولید نیرو نیازمند حرکت نسبی اجزاء تعلیق نسبت به یکدیگر هستند. یعنی هیچ عملگر فعالی در سیستم وجود ندارد، اما با تغییر خصوصیاتی مانند ضریب میرائی یا فنریت می‌توان با شرایط عملیاتی مختلف سازگار شده و کیفیت سواری و پایداری خودرو را بهبود بخشید. مزیت‌های عمده تعلیق نیمه‌فعال عبارت‌اند از نیاز کم به انرژی، سرعت مناسب واکنش، امکان استفاده در صورت خرابی سیستم و بکارگیری عناصر غیرفعال مانند فنرهای معمولی که باعث کاهش قیمت این سیستم‌ها می‌شوند. به همین دلیل هم می‌توان گفت این گونه نسبت به مدل‌های فعال شانس‌ بیشتری برای حضور در خودروهای تولید‌انبوه دارد. در عمل هم همین‌طور بوده و برای مثال شاهد بکارگیری تعلیق نیمه‌فعال به صورت استاندارد در شاسی‌بلند جدید مازراتی با نام لوانته هستیم و تقریبا تمامی خودروهای رده‌بالا و لوکس با امکان انتخاب سیستم تعلیق هوشمند یا گزینه‌های نیمه‌فعال را فراهم کرده‌اند.

یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای ایجاد قابلیت تنظیم خواص ارتعاشی در حین حرکت، استفاده از میراگرهای نیمه‌فعال است. این میراگرها به دو دسته کلی میراگرهای دارای حفره قابل تنظیم و میراگرهای دارای سیال با ویسکوزیته متغیر. میراگرهای دارای حفره قابل تنظیم از طریق تغییر قطر سوراخ موجود در بالای پیستون سیال در میراگر اقدام به تنظیم شدت‌جریان و در نتیجه ضریب میرایی می‌کنند. هرچند ماهیت مکانیکی سیستم تنظیم قطر سوراخ و استهلاک بالای آن باعث مشکلاتی در زمینه اطمینان‌پذیری و عمر خدمتی ایجاد می‌کند. میراگرهای مگنتورئولوژیک (MRF)[4] با بهره‌گیری از سیال‌های حساس به میدان مغناطیسی اقدام به تنظیم خصوصیات ارتعاشی میراگر می‌کنند.

این میراگرها برای عملکرد خود نیازی به قطعات متحرک اضافی ندارند و ساختار نسبتا ساده آن‌ها و اطمینان‌پذیری بیشتر این دسته‌ از میراگرها در کنار قیمت پایین‌تر این فناوری باعث محبوبیت بیشتر آن شده‌است. به‌همین دلیل تحقیقات مرتبط با سیستم‌های نیمه‌فعال مجهز به میراگرهای MRF  در سال‌های اخیر یکی از موضوعات داغ بوده و فناوری مرتبط با ساخت انواع مختلف و استراتژی‌‌های کنترلی اختصاصی آن پیشرفت قابل توجهی داشته‌است. حتی با استفاده از این فناوری سیستم‌هایی که علاوه‌بر ضریب میرایی قادر به تغییر ضریب سختی فنر باشند نیز توسعه یافته‌اند و مزایای نسبی از جمله سادگی در مقایسه با فناوری‌ فنر بادی و مصرف انرژی پایین‌تر را به نمایش‌ گذاشته‌اند. همه این پیشرفت‌ها باعث رشد بازار این دسته از سیتسم‌های نیمه‌فعال شده‌است.

ارزش کل بازار صنایع تعلیق خودرو در سال ۲۰۱۸ در حدود ۶۶ میلیارد دلار برآورد می‌شود و هنوز سیستم‌های غیرفعال سنتی حاکم بلامنازع آن هستند. هرچند به دلیل مسایلی مانند کاهش قیمت حسگرها، افزایش توقعات مشتریان و افزوده‌شدن قابلیت بهبود هوشمند عملکرد خودرو به فهرست قابلیت‌های رایج خودروهای رده‌بالا، سهم سیستم‌های تعلیق فعال و نیمه‌فعال رو به رشد است. حتی درصد کوچکی از این بازار ۶۶ میلیارد دلاری رقم قابل ملاحظه‌ای خواهد بود. به همین دلیل شاهد رشد سرمایه‌گذاری و تحقیق در این حوزه در سال‌های اخیر هستیم و در آینده نیز این بخش کماکان یکی از قسمت‌های روبه‌رشد فناوری خودرو باقی خواهد ماند.

زمانی برای تغییر

برای حل هر مشکلی، همیشه بیش از یک راه‌حل وجود دارد. اساس مهندسی مدرن را می‌توان در همین رویکرد خلاصه‌ کرد، چرا که هدف از پیشرفت‌های بدست‌آمده حل مشکلات قدیمی با روش‌های جدید بوده‌است. برای تغییر خواص ارتعاشی سیستم تعلیق روش‌های مختلفی وجود دارد که برخی از آن‌ها را معرفی کردیم. اما همیشه روش‌های دیگری نیز وجود دارد.

در سیستم‌های تعلیق نیمه‌فعال، به‌جای استفاده از میراگرهای قابل‌تنظیم، می‌توان از تغییر نسبت هندسی اجزاء تعلیق و در نتیجه تغییر نیروهای ایجاد‌شده توسط فنر و میراگر استفاده‌کرد. به این گونه سیستم‌ها تعلیق با هندسه‌متغیر گفته می‌شود و با وجود تازگی نسبی در صنایع خودرو، عملا یک ایده بسیار قدیمی محسوب می‌شود. نخستین نمونه عملی از این گونه تعلیق را می‌توان در موتورسیکلت Velocette Thruxton مدل ۱۹۶۵ مشاهده‌کرد. در این موتور سیکلت که از تعلیق بازوی پیرو در محور عقب استفاده می‌کند، راننده می‌تواند در حالت ثابت و با استفاده از یک مکانیزم ساده محل اتصال بالایی فنر و میراگر را برروی یک مسیر منحنی جابجا کند. به‌این ترتیب با تغییر طول آزاد و پیش‌نیروی موجود در فنر امکان اصلاح مشخصات عملکردی بر اساس تشخیص راننده فراهم می‌شد.

ایده اصلی در پس سیستم‌های تعلیق فعال با هندسه‌متغیر، خودکار کردن این عمل تنظیم و انجام مداوم آن در حین حرکت خودرو است. برای این‌ منظور کافی است یک نیروی عملگر به صورت عمود بر نیروهای تعلیق عمل ‌کند. این سیستم‌ها برای تولید نیرو وابسته به حرکت نسبی اجزاء تعلیق به هم هستند و عملگر فعالی وجود ندارد، بنابراین در دسته تعلیق‌های نیمه‌فعال قرار می‌گیرند. از جمله خصوصیات ذاتی چنین سیستم‌ای اندازه کوچک و نیروی کم لازم برای عملگرها، مصرف انرژی بسیار پایین و وزن کم آن اشاره کرد. همچنین در صورت بروز خرابی، تنها قابلیت تغییر هندسی مختل شده و سیستم‌تعلیق به‌سادگی به پیکربندی غیرفعال خود باز می‌گردد که خود امتیاز بزرگی از نظر اطمینان‌پذیری به‌شمار می‌رود.

++

سیستم‌های هندسه‌متغیر، بسته به نوع عملگر و هندسه مورد استفاده در گروه‌های مختلفی قرار می‌گیرند. در برخی از این سیستم‌ها با استفاده از یاتاقان‌های جدید و یا پیکربندی‌های متفاوت اجزاء تعلیق برخی از عملکردهای موردنظر بدست آمده‌است. برخی دیگر از یک میله‌موج‌گیر فعال برای کنترل غلط خودرو استفاده می‌کنند. یک روش دیگر، تغییر محل اتصال اجزای غیرفعال مانند فنر و میراگر است، که برای انجام آن روش‌های مختلفی وجود دارد.

تغییر خطی محل اتصال عناصر تولید‌کننده نیروی غیرفعال با تغییر طول آزاد فنر و زاویه قرار‌گیری آن تغییرات موردنظر در خصوصیات ارتعاشی را فراهم می‌کند. نخستین بار این ایده در سیستم فعال توسعه‌داده‌شده در دانشگاه Delft بکارگرفته شد که در آن یک عملگر دورانی سر یک فنر را روی یک مسیر دایره‌ای به حرکت در می‌آورد در حالی که سردیگر در انتهای مخروط فضایی ایجاد‌شده ثابت‌است. به این‌وسیله طول و جهت فنر تغییر کرده و سهم آن در نیروی اعمال‌شده توسط مکانیزم بر چرخ تغییر می‌کند.

هرچند تلاش شده در طراحی این سیستم تعلیق اصل صفربودن کارمجازی و نیروی مصرفی در فنر رعایت شود، اما حرکات سیستم تعلیق و اصطکاک بین اجزاء سبب می‌شود تا حالت ایده‌آل از دست برود. یک رویکرد دیگر، استفاده از عناصر مکاترونیکی، مانند سروو موتورها، موتورهای الکتریکی و مکانیزم‌های ساده برای ایجاد حرکات مورد نیاز در سر فنر است. مسایلی مانند رشد استفاده از فناوری الکترونیک در خودرو، جهت‌گیری کلی صنایع  به سمت خودروهای تمام الکتریک و فناوری تجاری مورد استفاده در این دست سیستم‌های تعلیق باعث می‌شود در آینده این فناوری تبدیل به فناوری غالب در حوزه سیستم‌های تعلیق فعال باشد.

سیستم تعلیق فعال مکاترونیکی و آینده‌ای روشن

سیستم‌های هندسه متغیر مکاترونیک، مانند سیستم تعلیق فعال هندسه‌متغیر سری[۵]  که توسط امپریال کالج لندن توسعه یافته‌است، یک رویکرد جدید در زمینه سیستم‌های هندسه متغیر محسوب می‌شوند. در این سیستم‌ها از عملگرهای ساده الکتریکی و مکانیزم‌های هادی برای کنترل حرکت و تغییر خصوصیات سیستم استفاده می‌شود. تعلیق‌های هندسه‌متغیر مکاترونیکی می‌توانند تقریبا تمامی پارامترهای عملکردی خودرو را تحت تاثیر قرار دهند که از جمله می‌توان به کنترل شاسی (حرکات شیرجه، بلند‌شدن جلوی خودرو، غلط، ایزوله‌کردن ارتعاشات، تغییر ارتفاع خودرو، بهبود عملکرد آئرودینامیکی خودرو، تنظیم توزیع وزن روی محورهای جلو و عقب و تغییر خصوصیات فرمان‌پذیری و کیفیت سواری اشاره کرد. سیستم‌های تعلیق نیمه‌فعال معمولی تنها قادر به انجام بخشی از این کارها و آن‌هم تنها در حالت گذرا هستند.

هرچند همان‌طور که اشاره‌شد سیستم‌های تعلیق با میراگرهای قابل تنظیم عملکرد مناسبی در بخش ایزوله‌کردن ارتعاشات با مصرف انرژی کم دارند. این مسایل در مورد سیستم‌های تعلیق هندسه‌متغیر به معنی طراحی سیستم‌های کنترلی با پهنای باندبالا است که دشواری‌های فنی و پیچیدگی‌های خاص خود را دارد. اما به صورت کلی می‌توان گفت که این سیستم‌ها در کنار بهبود عملکرد دینامیکی خودرو، با افزایش حدود پایداری و دامنه عملیاتی خودرو امنیت راننده و ماشین را نیز افزایش می‌دهند. به همین دلیل تحقیقات در این زمینه روندی روبه‌رشد دارد و محققان در حال تلاش برای غلبه بر نواقص عملکردی و طراحی این سیستم دارند.

البته این فناوری هنوز در آغاز راه قرار دارد و برای تبدیل توانایی بالقوه آن به حالت بالفعل نیازمند مطالعه، انجام آزمایش‌های میدانی و البته توسعه فناوری کنترلی مناسب هستیم. مسایلی مانند کاربرد این سیستم‌ها در شرایط جدید، از جمله رانندگی بیابانی[۶] یا استفاده از آن برای بهبود پایداری و فرمان‌پذیری نیازمند توسعه استراتژی‌های کنترلی مناسب و غلبه بر مسایلی مانند اشباع فرکانسی عملگرها و پهنای‌باند سیستم کنترل هستند. با این‌حال ویژگی‌هایی مانند حجم و وزن‌کم، قیمت پایین، استفاده از فناوری‌های موجود در بازار و بکارگیری عناصر غیرفعال باعث می‌شوند تا سیستم‌های هندسه‌متغیر مکاترونیکی یکی از گزینه‌های مطلوب برای بهبود عملکرد سیستم تعلیق خودرو باقی‌بمانند.

واژه نامه:

[۱] Full-Bandwidth

[۲] Full-authority

[۳] Active Body Control

[۴] Magnetorheological Fluid

[۵] Series Active Variable Geometry Suspension (SAVGS)

[۶] Off-road

منابع:

[۱] Arana, C., Evangelou, S. A., & Dini, D. (2016). Series Active Variable Geometry Suspension Application to Chassis Attitude Control. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 21(1), 518–۵۳۰٫

[۲] Cheng, C., Evangelou, S. A., Arana, C., & Dini, D. (2015). Active Variable Geometry Suspension robust control for improved vehicle ride comfort and road holding. In Proceedings of the American Control Conference (Vol. 2015–July, pp. 3440–۳۴۴۶).

[۳] Sharp, R. . S. (1998). Variable Geometry Active Suspension for Cars. Computing & Control Engineering Journal, D(October), 217–۲۲۲٫

[۴] Vivek K. Doulatani, S. V. C. (2014). Tracking Inventions in the Contemporary Automotive Passive Suspension Systems. International Journal on Mechanical Engineering and Robotics (IJMER), 2(2), 7–۱۱٫

خشایار مرید پور

کارشناس ارشد مهندسی خودرو-تعلیق