سیستم تعلیق مک فرسون چیست و چه معایب و مزایایی دارد؟

استرات مک فرسون نوعی تعلیق خودرو که از بالای یک دمپر تلسکوپی به عنوان محور بالایی فرمان استفاده می کند. این به طور گسترده ای در سیستم تعلیق جلو وسایل نقلیه مدرن استفاده می شود. این نام از مهندس خودرو آمریکایی Earle S. MacPherson که این طرح را اختراع و توسعه داد.

تاریخچه سیستم تعلیق مک فرسون خودرو

Earle S. MacPherson در سال 1945 به عنوان مهندس ارشد پروژه خودروی سبک شورلت منصوب شد. او وظیفه توسعه یک خودروی جدید و کوچکتر را برای بازار بلافاصله پس از جنگ بر عهده گرفت، تلاشی که منجر به تولید شورولت کادت شد.

کادت قرار بود یک وسیله نقلیه پیشگام باشد و سه نمونه اولیه که تا سال 1946 ساخته شده بودند طیف گسترده ای از نوآوری ها را به نمایش گذاشتند. یکی از اینها یک سیستم تعلیق مستقل جدید انقلابی بود که دارای چیزی بود که امروزه به نام مک فرسون شناخته می شود. قرار بود کادت اولین خودروی تولیدی با بند مک فرسون باشد، اما این پروژه در سال 1947 لغو شد و هرگز تولید تجاری نشد. این تا حد زیادی به دلیل نگرانی های جنرال موتورز در مورد حاشیه سود پیش بینی شده کادت بود.

پس از متوقف شدن پروژه کادت، مک فرسون ناراضی جنرال موتورز را ترک کرد تا به فورد . ثبت اختراعات در سال 1947 ( پتنت ایالات متحده 2,624,592 برای GM)  و در سال 1949 ( اختراع ایالات متحده 2,660,449 برای فورد)، [3] با ثبت اختراع اخیر [4] با استناد به طرح‌های Guido Fornaca از FIAT در اواسط دهه 1920 ثبت شد.

طراحی جدید استوانه مک فرسون ممکن است از دیگر طرح های قبلی نیز الهام گرفته باشد. تعلیق استرات پیش از جنگ Stout Scarab می‌توانست تأثیرگذار باشد، و در آن زمان، پایه‌های بلند در ارابه فرود هواپیما به خوبی شناخته شده بودند. فرانسوی Cottin-Desgouttes از طراحی مشابهی استفاده می کرد، البته با فنرهای برگ ،  اما سیستم تعلیق جلوی Cottin-Desgouttes به نوبه خود از طراحی 1904 توسط مهندس آمریکایی J. Walter Christie

مک فرسون پایه را برای هر چهار چرخ طراحی کرده است، اما معمولاً فقط برای سیستم تعلیق جلو استفاده می‌شود، [ نیاز به منبع ] جایی که یک فرمان و همچنین یک تعلیق برای چرخ را فراهم می‌کند.

یک سیستم تعلیق ساده مک فرسون بر روی چرخ جلوی سمت چپ یک خودروی دیفرانسیل عقب. جلوی خودرو در پایین سمت راست تصویر است.

سبز بالا: رابط بدنه خودرو/استارت
قرمز: بند فرمان یا حامل توپی
پایین بازوی کنترل یا بازوی کنترل مسیر
آبی روشن: میله یا میله گیر دنده فرمان
بنفش پایین: میله شعاع
بنفش رویی: فنر پیچشی
زرد: محفظه لوله ای حاوی کمک فنر یا دمپر
سبز پایین: قاب خودرو یا تک بدنه عضو

اولین خودروی تولیدی که از میله‌های مک فرسون استفاده می‌کرد، اغلب به اشتباه فورد ودت ،  اما قبل از مک‌فرسون، با سیستم تعلیق جلوی مستقل بر پایه جناغ‌ها و فنر مارپیچ بالایی ساخته شد.  تنها در سال 1954، پس از اینکه کارخانه Vedette توسط سیمکا تجدید نظر شده Simca Vedette به استفاده از پایه‌های جلو تغییر داد.

پس از ورود مک فرسون به فورد، اولین خودروی تولیدی که دارای پایه‌های مک فرسون بود، فورد کنسول بعدی زفیر .

طراحی

یک پایه مک فرسون از یک استخوان جناغی یا یک پیوند فشرده سازی قابل توجهی که توسط یک پیوند ثانویه تثبیت شده است، استفاده می کند، که یک نقطه نصب برای حامل توپی یا محور چرخ فراهم می کند. سیستم بازوی پایینی هم موقعیت جانبی و هم طولی چرخ را فراهم می کند. قسمت بالایی حامل توپی به طور سفت و سخت در پایین قسمت بیرونی پایه استرات ثابت شده است. که در قسمت داخلی آن به بالا و پایین می لغزد، که مستقیماً به سمت بالا به یک پایه در پوسته بدنه خودرو کشیده می شود. خط از پایه بالای پایه تا اتصال توپی پایینی روی بازوی کنترل به محور فرمان . محور استرات ممکن است از محور فرمان در پایین به سمت داخل زاویه داشته باشد تا لاستیک پاک شود، که باعث می شود در هنگام فرمان، قسمت پایینی از یک قوس پیروی کند.

استرات مک فرسون از معرفی تک بدنه ، زیرا طراحی آن به فضای عمودی قابل توجهی و یک پایه محکم در بالا نیاز دارد که ساختار یکپارچه می تواند فراهم کند. ساختار Unibody همچنین تنش های تعلیق را توزیع می کند. [14] استرات معمولاً هم فنر سیم پیچی را که بدنه روی آن آویزان است و هم کمک فنر را که معمولاً به شکل کارتریج نصب شده در داخل پایه است (نگاه کنید به سیم پیچ ). همچنین می‌توان بازوی فرمان را در قسمت بیرونی پایینی تعبیه کرد. کل مونتاژ بسیار ساده است و می توان آن را از قبل در یک واحد جمع کرد. همچنین، حذف بازوی کنترلی بالایی، عرض بیشتری را در محفظه موتور ایجاد می‌کند، که برای خودروهای کوچک‌تر، به‌ویژه با عرضی ، مانند اکثر محرک جلو خودروهای ، مونتاژ را ساده تر کرد میله ضد غلت ( میله پیچشی ) برای بازوی شعاع . به این دلایل، تقریباً در همه جا با تولیدکنندگان کم هزینه تبدیل شده است. علاوه بر این، یک روش آسان برای تنظیم هندسه تعلیق ارائه می دهد.

بسیاری از نسخه های مدرن بازوی کنترل پایینی را با یک استخوان جناغی جایگزین می کنند. یک میله ضد غلت اختیاری است و در صورت وجود، توسط یک میله توپی متصل به فنر فنر یا توسط یک توپ یا میله اتصال الاستومری به استخوان جناغی متصل می شود.

مزایا و معایب

از آنجایی که پایه‌های مک‌فرسون با ساختار قابل توجهی در ساختار تصادف جلوی خودرو بسته‌بندی شده‌اند، مهندسی خودروهایی که تصادف‌های همپوشانی کوچک‌تر سخت‌تر را با پایه‌ها پشت سر می‌گذارند، آسان‌تر است، برخلاف خودروهایی که دارای تعلیق دوبل جناغی هستند. نمونه های قابل توجه عبارتند از هوندا آکورد و سیویک ، و همچنین مرسدس کلاس E ، که همگی برای بهبود عملکرد تصادف از اسکلت استفاده کردند. سادگی کلی طراحی همچنین به این معنی است که اتصالات کمتری در سیستم تعلیق برای پوشیدن وجود دارد، بنابراین در طول زمان کاهش کمتری در هندلینگ و احساس فرمان وجود دارد . دیده می‌شود، پایه‌های تک لوله معکوس می‌توانند استحکام بیشتری را در سیستم تعلیق جلو ایجاد کنند پورشه 911 GT3 و کیمن GT4 و همچنین سوبارو ایمپرزا WRX STI . در نهایت، میله‌ها می‌توانند کارآمدتر از سایر انواع سیستم تعلیق جلو بسته‌بندی شوند، که فضای بار قابل‌توجهی در جلو در خودروهای موتور عقب/وسط، مانند پورشه 911 و باکستر .

پیدا کردن مرکز رول یک بند مک فرسون

تجزیه و تحلیل هندسی نشان می دهد که مجموعه نمی تواند حرکت عمودی چرخ را بدون درجاتی از زاویه خمیدگی ، حرکت جانبی یا هر دو اجازه دهد. به طور کلی در نظر گرفته نمی‌شود که هندلینگ آن به اندازه دوبل جناغی یا چند پیوندی باشد، زیرا به مهندسان آزادی کمتری در انتخاب تعویض کمبر و مرکز رول . خودروهایی که دارای ارتفاع سواری قابل تنظیم در کابین خلبان هستند، عموماً به دلیل تغییرات کامبر که بخشی اجتناب ناپذیر از طراحی است، نمی‌توانند دارای پایه‌های مک فرسون باشند. راید آسیب می بیند زیرا کمک فنر تقریباً حرکت عمودی یکسانی با چرخ دارد، بنابراین اهرم نسبتا کمی برای شکستن چسبندگی در مهر و موم ها وجود دارد. استرات مک فرسون تک محوری استاندارد نیز تمایل دارد که در جایی که مرکز محور فرمان از مرکز لاستیک های جلو منحرف شده است، دارای اسکاب مثبت باشد که منجر به هدایت گشتاور می شود.

علیرغم ایراداتی که وجود دارد، راه اندازی استرات مک فرسون هنوز در برخی از خودروهای با عملکرد بالا استفاده می شود، زیرا آنها تمایل به حرکت سیستم تعلیق نسبتاً کمی دارند و بنابراین مشکلات سینماتیک مشابهی ندارند.

تا سال مدل 1989 (964)، پورشه 911 از طرح پایه مشابهی استفاده می کرد که فنرهای سیم پیچی نداشت و سیستم تعلیق میله پیچشی . از آن زمان به بعد، تمام پورشه 911 دارای پایه مک فرسون جلو بودند، به جز مدل 911 GT3 مبتنی بر 992، که از یک جناغ دوبل استفاده می کند.

در سال‌های اخیر، جنرال موتورز و فورد مجموعه‌ای اصلاح‌شده با نام‌های «Hi-Per Strut» و «Revoknuckle» که پایه را به دو بخش تقسیم می‌کند که انعطاف‌پذیری بالا و پایین و دینامیک فرمان را به طور جداگانه کنترل می‌کند. از مزایای این طراحی می توان به تماس بیشتر با سطح و کاهش گشتاور فرمان اشاره کرد. معایب آن وزن و هزینه اضافی است، اما هزینه کمتری نسبت به دو جناغی یا چند پیوندی دارد. هوندا ست‌آپ تغییر شکل دیگری به نام «دو محور» که در طراحی سیستم تعلیق سیویک Type-R . یکی دیگر از انواع پایه مک فرسون، سیستم تعلیق جلوی دو محوری است که استخوان جناغی پایینی را به دو قسمت تقسیم می‌کند و در عین حال طراحی عمودی استاندارد پایه مک‌فرسون را حفظ می‌کند. این امکان کنترل بهتر هندسه فرمان و شعاع اسکراب را فراهم می کند، در حالی که امکان ترمز بزرگتر را فراهم می کند.

لرزش‌ها و نیرو‌های وارده از سطح جاده، به سیستم تعلیق فشار وارد می‌کنند و خودرو را مجبور می‌کنند تا در شرایط مختلف، عکس‌العمل‌های متفاوتی نشان دهد. در چنین وضعیتی، سیستم تعلیق خودرو مهم‌ترین نقش را ایفا می‌کند؛ زیرا وظیفه بهبود کیفیت سواری و قابلیت هدایت و کنترل خودرو را بر عهده دارد.در اینکه این سیستم یک مؤلفه اساسی در همه خودروها است، شکی نیست! اما آیا در میان انواع سیستم‌های تعلیق، تا به حال اصطلاح سیستم تعلیق مک فرسون (MacPherson Strut) را شنیده‌اید؟

سیستم تعلیق مک فرسون خودرو چیست؟

مک فرسون یک سیستم تعلیق مستقل است که تقریباً توسط همه سازندگان خودرو در تمام جهان برای چرخ‌های جلو استفاده می‌شود. این سیستم بر اساس یک طرح اولیه مثلثی طراحی شده‌ است که دارای دو قسمت به نام‌های بازوی کنترل (طَبَق) و میله شعاع (بازوی گشتاور یا استرات یا همان کمک‌فنر) است.

این دو قسمت ساختار مثلثی‌شکل را در برابر شاسی ماشین تشکیل می‎‌دهند که معمولاً در پایین سیستم تعلیق قرار دارند. امروزه این دو قسمت در یک بازوی کنترل بسیار بزرگ‌تر همراه با یک میله تثبیت‌کننده که شاسی و سیستم تعلیق را به هم متصل می‌کند، ساده‌سازی شده‌اند. این ساده‌سازی باعث شده ‌است تا تعمیر و نگه‌داری سیستم تعلیق مک فرسون نسبت به سیستم‌های دیگر کم هزینه‌تر باشد.

با توجه به اینکه میله شعاع به‌تنهایی نمی‌تواند پایداری خودرو را تضمین کند و چرخ‌ها تمایل به حرکت در جهت‌های مختلف دارند، بازوی کنترل به عنوان یک مؤلفه تقویت‌کننده به ساختار تعلیق اضافه می‌شود. درواقع، این مؤلفه از ناپایداری چرخ جلوگیری می‌کند.

بازوی کنترل به شکل «A» است که از یک طرف به توپی چرخ و از طرف دیگر به شاسی متصل است؛ هم‌چنین میله شعاع نیز از پایین به توپی چرخ و از بالا به بدنه خودرو وصل است. ناگفته نماند که فنر و کمک فنرها نیز روی میله شعاع سوار هستند. به این ترتیب، سیستم مک فرسون یک ساختار ثابت سه‌نقطه‌ای برای چرخ ایجاد می‌کند.

در طی سال‌ها تحولات زیادی در نمونه اولیه مک فرسون ایجاد شده‌است؛ از طرح‌های اولیه که از میله موج‌گیر به عنوان میله شعاع استفاده می‌شد، گرفته تا ایده‌های فعلی که این دو را به کلی از هم جدا کرده‌اند. در حال حاضر، برخی از اتومبیل‌ها به جای ترکیب بازوی کنترل و میله شعاع از سیستم جناغی استفاده می‌کنند.

با توجه به موارد گفته‌شده، به‌راحتی می‌توان به این نتیجه رسید که سیستم تعلیق مک فرسون با وجود همه کاستی‌های خود از ساختار بسیار کارآمدی برخوردار است؛ حتی خودروسازان بزرگی مانند بی ام و (BMW) و پورشه (Porsche) نیز از این سیستم استفاده می‌کنند؛ اما بیشتر خودروسازان هنوز از 99 درصد طراحی اصلی مک فرسون با تغییرات جزئی بهره می‌برند. برخی از افراد معتقدند که این سیستم، کنترل بیشتری به هندلینگ خودرو می‌دهد؛ اما هنوز این واقعیت باقی است که مک فرسون سیستمی کاملاً مؤثر برای ترکیب قدرت، انعطاف‌پذیری و پایداری خودرو است.

اجزای سیستم مک فرسون

در ادامه مقاله به بررسی اجزای اصلی (کمک‌فنر، فنر لول، بازوهای کنترلی یا طبق پایین و میل فرمان) و فرعی (بازوهای کنترلی، میله ضد‌پیچش و استرات‌بار) سیستم تعلیق مک فرسون خواهیم پرداخت.

اجزای اصلی سیستم تعلیق مک فرسون

برای اینکه کارکرد سیستم مک فرسون را بهتر درک کنید، مهم است که اجزای تشکیل‌دهنده آن را به‌خوبی بشناسید. هر یک از این اجزا هدف خاصی را دنبال می‌کنند که در ادامه با آن‌ها بیشتر آشنا می‌شویم.

کمک‌فنر (Shock Absorber)

این همان مؤلفه‌ای است که به استرات مشهور است. بیشتر استرات‌ها از گاز تحت‌فشار برای جذب ضربه استفاده می‌کنند. در سیستم تعلیق مک فرسون، استرات محلی است که می‌توان از طریق آن زاویه کاستور و کامبر (زوایای چرخ) را تنظیم کرد. با کمک‌فنر قابل‌تنظیم، حتی می‌توان میزان ضریب میرایی (میزان جذب نوسانات) را نیز تنظیم کرد.

فنر لول (Coil Spring)

فنر لول‌ها به جذب نیروی وارده از دست‌اندازهای جاده کمک می‌کنند. این نوع فنر، زمانی‌ که تحت فشار و تنش قرار گیرد، دچار تنش پیچشی می‌شود. ویژگی‌های یک فنر لول به مدول یانگ و مدول برشی وابسته است. این فنر نیروی عرضی را به وسیله طبق به شاسی منتقل می‌کند.

بازوهای کنترل یا طبق پایین (Lower Control Arms)

سیستم تعلیق مک فرسون فقط از بازوی کنترل در قسمت پایین استفاده می‌کند. درباره نحوه عملکرد و شکل ظاهری این بازو در بالا مطالبی بیان شد؛ به طور کلی، این مؤلفه به حفظ تعادل و پایداری خودرو و عدم حرکت چرخ‌ها در جهات مختلف کمک می‌کند.

میل فرمان (Steering Linkage)

میل فرمان جهت هدایت چرخ‌های جلو تعبیه شده‌ است. یکی از مهم‌ترین مزایای سیستم مک‌فرسون، وجود دامنه وسیعی از زاویه‌های فرمان است که باعث می‌شود مک فرسون یک سیستم تعلیق مناسب برای دریفت و رانندگی در پیست‌های اتومبیل‌رانی باشد.

اجزای فرعی سیستم تعلیق مک فرسون

اگرچه سیستم مک فرسون دارای یک طراحی پایه است، اما برای رفع نیازهای مختلف برخی تغییرات در طی سال‌ها روی آن اعمال شده‌اند. این تغییرات باعث طراحی و ساخت اجزای فرعی به شرح زیر شده‌اند:

بازوهای کنترلی (Control Arms)

سیستم تعلیق مک فرسون همیشه دارای بازوی کنترل پایینی بود (بازوی کنترل بالایی باعث می‌شود سیستم تعلیق جناغی ایجاد شود)؛ اما شکل بازوی کنترلی ممکن است متفاوت باشد. بیشتر بازوهای کنترلی به شکل «A» و «L» هستند. سازندگان تمایل دارند یکی از دو شکل را بسته به سایر ویژگی‌های طراحی خودرو انتخاب کنند.

میله ضدپیچش (Sway Bars)

یکی از مهم‌ترین مزایای سیستم مک فرسون این است که به چرخ‌های جلو اجازه حرکت مستقل از یکدیگر را می‌دهد؛ اما داشتن اتصال محکم بین دو چرخ می‌تواند یک مزیت بالقوه باشد. یک میله ضدپیچش، دو طرف سیستم تعلیق جلو را به هم متصل می‌کند (چپ و راست). این میله به ایجاد ثبات و جلوگیری از چرخش بدنه خودرو کمک می‌کند. بسیاری از وسایل نقلیه که از سیستم مک فرسون استفاده می‌کنند، دارای میله ضدپیچش هستند.

استرات‌بار (Strut Tower Brace)

استرات‌بار اساساً کاری شبیه به میله ضدپیچش را انجام می‌دهد؛ با این تفاوت که در بالای استرات‌ها نصب می‌شود. (قسمت‌های بالایی دو کمک‌فنر را به یکدیگر متصل می‌کند) یکی از ویژگی‌های مهم در این استرات‌بار این است که می‌توان این قطعه را زیر کاپوت تعبیه کرد. برخی از خودروها مانند «موستانگ بولیت» دارای استرات‌بار هستند.

فواید و معایب سیستم تعلیق مک فرسون

سادگی طراحی سیستم مک فرسون مزیت اصلی آن است. با ازبین‌بردن نیاز به بازوی کنترل جداگانه، ساختار مک فرسون به قطعات کمتری برای تولید نیاز دارد. این ویژگی باعث می‌شود ساخت این سیستم تعلیق هزینه کمتری را برای شرکت سازنده در پی داشته و نسبت به اغلب سیستم‌های تعلیق دیگر، از وزن و ابعاد کوچکتری برخوردار باشد. کوچک‌بودن باعث می‌شود مک‌فرسون فضای کمتری را اشغال کند. این مورد به کاهش وزن کلی خودرو کمک می‌کند و اجازه می‌دهد تا اتومبیل ضمن پایداری بیشتر و استهلاک کمتر، با سرعت بیشتری شتاب بگیرد.

علاوه‌براین، استرات‌های سیستم مک فرسون به صاف‌نگه‌داشتن وسیله نقلیه در مسیر مستقیم نیز کمک می‌کنند. هم‌چنین، سادگی در طراحی مک فرسون باعث شده ‌است تا هزینه تعمیر و نگه‌داری این سیستم پایین باشد.

متأسفانه سادگی از یک طرف مزیت و از طرف دیگر، بزرگ‌ترین نقص سیستم تعلیق مک فرسون است. نحوه بسته‌شدن پیچ و مهره آن به بدنه جایی که محور مستقیم به پایین و به چرخ متصل می‌شود، به‌خوبی لرزش‌ها را کاهش نمی‌دهد. با‌این‌حال، این مورد می‌تواند توسط بوش‌ها و پشتیبانی از مکانیزم‌ها و اجزای دیگر نرم شود.

همین سادگی در ساخت باعث شده ‌است تا زاویه کمبر همراه با موقعیت عمودی چرخ‌ها تغییر مکان دهد؛ یعنی سیستم مک فرسون باعث محدودشدن حرکت عمودی چرخ‌ها می‌شود. این موضوع می‌تواند هندلینگ خودرو را مختل کند و مک فرسون را نسبت به سیستم‌های تعلیق پیشرفته مانند سیستم تعلیق دو جناغی دوبل (Double Wishbone) در رتبه پایین‌تری قرار دهد.

کلام آخر

سیستم تعلیق مک فرسون هم‌چنان یک اختراع قابل‌توجه است که به‌طور مؤثر و بهینه، قدرت، پشتیبانی و ثبات را با هم ترکیب می‌کند. این سیستم از 1940 تاکنون در بسیاری از خودروها مورد استفاده قرار گرفته است و به ‌دلیل ساختار ساده، محبویت بالایی دارد.

مهم‌ترین مزیت‌های این سیستم شامل سادگی در طراحی، هزینه کم تولید، کاهش وزن خودرو و قیمت پایین تعمیر و نگه‌داری هستند. با اینکه مک فرسون معایبی نیز دارد، ولی ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد آن می‌تواند آن را برای کاربردهای مختلف به یک انتخاب ایده‌آل تبدیل کند.