ระบบกันสะเทือนรถยนต์ทำงานอย่างไร

เมื่อผู้คนคิดถึงสมรรถนะของรถยนต์ พวกเขามักจะคิดถึงแรงม้า แรงบิด และอัตราเร่งจากศูนย์ถึง-60 แต่กำลังทั้งหมดที่สร้างขึ้นโดยเครื่องยนต์ลูกสูบจะไร้ประโยชน์หากผู้ขับขี่ไม่สามารถควบคุมรถได้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมวิศวกรยานยนต์จึงหันมาสนใจระบบกันสะเทือนทันทีที่พวกเขาเชี่ยวชาญเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะ

หน้าที่ของระบบกันสะเทือนรถยนต์คือการเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างยางกับพื้นถนนให้สูงสุด เพื่อให้พวงมาลัยมีเสถียรภาพในการควบคุมรถที่ดี และเพื่อให้ผู้โดยสารรู้สึกสบาย ในบทความนี้ เราจะมาสำรวจว่าระบบกันสะเทือนรถยนต์ทำงานอย่างไร มีวิวัฒนาการอย่างไรในช่วงหลายปีที่ผ่านมา และการออกแบบระบบกันสะเทือนจะมุ่งไปทางไหนในอนาคต

หากถนนเรียบเสมอกันไม่มีสิ่งผิดปกติ ก็ไม่จำเป็นต้องใช้ระบบกันสะเทือน แต่ถนนไม่ได้เรียบเสมอไป แม้แต่ทางหลวงที่เพิ่งปูผิวใหม่ก็ยังมีจุดบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ที่อาจส่งผลต่อล้อของรถ จุดบกพร่องเหล่านี้เองที่ส่งแรงไปยังล้อ ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน แรงทั้งหมดมีทั้งสองอย่างขนาดและทิศทางการกระแทกบนถนนทำให้ล้อเคลื่อนที่ขึ้นและลงในแนวตั้งฉากกับพื้นถนน แน่นอนว่าขนาดของล้อขึ้นอยู่กับว่าล้อกระทบกับสิ่งกระแทกขนาดใหญ่หรือจุดเล็กๆ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด ล้อรถก็จะสัมผัสกับสิ่งกระแทกการเร่งความเร็วแนวตั้งขณะที่มันผ่านพ้นความไม่สมบูรณ์แบบไป

ระบบกันสะเทือนของรถยนต์จะช่วยเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างยางกับถนนและเพิ่มเสถียรภาพในการบังคับเลี้ยว

หากไม่มีโครงสร้างที่แทรกแซง พลังงานแนวตั้งทั้งหมดของล้อจะถูกถ่ายโอนไปยังเฟรม ซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ในสถานการณ์เช่นนี้ ยางอาจสูญเสียการสัมผัสกับพื้นถนนโดยสิ้นเชิง จากนั้นภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลกที่กดลง ยางอาจกระแทกกลับลงสู่พื้นถนน สิ่งที่คุณต้องการคือระบบที่จะดูดซับพลังงานจากล้อที่เร่งความเร็วในแนวตั้ง ช่วยให้เฟรมและตัวถังรถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ถูกรบกวนในขณะที่ยางวิ่งตามพื้นผิวถนนที่ขรุขระ

การศึกษาแรงที่กระทำต่อรถที่กำลังเคลื่อนที่เรียกว่าไดนามิกของยานพาหนะและคุณต้องเข้าใจแนวคิดบางส่วนเหล่านี้เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมระบบกันสะเทือนจึงมีความจำเป็นในตอนแรก วิศวกรยานยนต์ส่วนใหญ่พิจารณาพลวัตของรถที่กำลังเคลื่อนที่จากมุมมองสองมุม:

ขี่: ความสามารถของรถยนต์ในการทำให้ถนนขรุขระเรียบเนียนขึ้น

การจัดการ:ความสามารถของรถในการเร่งความเร็ว เบรก และเข้าโค้งอย่างปลอดภัย

ลักษณะสองประการนี้สามารถอธิบายเพิ่มเติมได้ในหลักการสำคัญสามประการ ได้แก่ความโดดเดี่ยวบนถนน, การยึดถนนและการเข้าโค้งตารางด้านล่างนี้จะอธิบายถึงหลักการเหล่านี้และวิธีที่วิศวกรพยายามแก้ไขความท้าทายเฉพาะของแต่ละหลักการ

ตารางนี้อธิบายการแยกตัวของถนน การยึดเกาะถนน และการเข้าโค้งถนน

ระบบกันสะเทือนของรถยนต์พร้อมส่วนประกอบต่างๆ สามารถตอบสนองความต้องการทั้งหมดดังที่ได้อธิบายไว้

มาดูส่วนต่างๆ ของระบบกันสะเทือนทั่วไป โดยพิจารณาจากภาพรวมของตัวถังรถลงมายังส่วนประกอบแต่ละชิ้นที่ประกอบกันเป็นระบบกันสะเทือน

เนื้อหา

ชิ้นส่วนช่วงล่างรถยนต์

แดมเปอร์: โช๊คอัพ

โช้คอัพ: สตรัทและเหล็กกันโคลง

ประเภทช่วงล่าง: ด้านหน้า

ประเภทช่วงล่าง: ด้านหลัง

ระบบกันสะเทือนแบบพิเศษ: Baja Bug

ระบบกันสะเทือนแบบพิเศษ: นักแข่งฟอร์มูล่าวัน

ระบบกันสะเทือนแบบพิเศษ: รถฮอตโรด

ชิ้นส่วนช่วงล่างรถยนต์

ระบบกันสะเทือนของรถยนต์เป็นส่วนหนึ่งของตัวถังรถซึ่งประกอบด้วยระบบสำคัญๆ ทั้งหมดที่อยู่ใต้ตัวรถ ระบบเหล่านี้ได้แก่:

การกรอบ: ส่วนประกอบโครงสร้างรับน้ำหนักที่รองรับเครื่องยนต์และตัวถังของรถยนต์ โดยได้รับการรองรับจากระบบกันสะเทือน

การระบบกันสะเทือน:โครงสร้างที่รองรับน้ำหนัก ดูดซับและลดแรงกระแทก และช่วยรักษาการสัมผัสของยาง

การระบบบังคับเลี้ยว:กลไกที่ทำให้ผู้ขับขี่สามารถนำทางและควบคุมรถได้

การยางและล้อ:ส่วนประกอบที่ทำให้ยานพาหนะเคลื่อนที่ได้ด้วยการยึดเกาะและ/หรือแรงเสียดทานกับพื้นถนน

ดังนั้นระบบกันสะเทือนจึงเป็นเพียงระบบหลักระบบหนึ่งในรถยนต์ทุกคัน

เมื่อพิจารณาภาพรวมใหญ่แล้ว ก็ถึงเวลาพิจารณาส่วนประกอบพื้นฐานทั้งสามส่วนของระบบกันสะเทือน นั่นคือ สปริง โช้กอัพ และเหล็กกันโคลง

ระบบสปริงในปัจจุบันมีพื้นฐานอยู่บนการออกแบบสี่แบบดังต่อไปนี้:

สปริงขดเป็นสปริงประเภทที่พบได้ทั่วไปที่สุด โดยพื้นฐานแล้วเป็นแท่งทอร์ชั่นสำหรับงานหนักที่ขดอยู่รอบแกน สปริงขดจะบีบอัดและขยายตัวเพื่อดูดซับการเคลื่อนไหวของล้อ

สปริงใบประกอบด้วยแผ่นโลหะหลายชั้น (เรียกว่า "ใบไม้") ที่เชื่อมเข้าด้วยกันเพื่อให้เป็นหน่วยเดียว สปริงใบถูกนำมาใช้ครั้งแรกในรถม้าและพบได้ในรถยนต์อเมริกันส่วนใหญ่จนถึงปี 1985 ปัจจุบันยังคงใช้ในรถบรรทุกและยานพาหนะหนักส่วนใหญ่

ทอร์ชั่นบาร์ใช้คุณสมบัติการบิดของแท่งเหล็กเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพเหมือนสปริงขด วิธีการทำงานมีดังนี้ ปลายด้านหนึ่งของแท่งเหล็กจะยึดกับโครงรถ ปลายอีกด้านหนึ่งจะยึดกับปีกนก ซึ่งทำหน้าที่เหมือนคันโยกที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับแท่งเหล็กบิด เมื่อล้อกระทบกับสิ่งกีดขวาง การเคลื่อนไหวในแนวตั้งจะถูกถ่ายโอนไปยังปีกนก จากนั้นจึงส่งต่อไปยังแท่งเหล็กบิดผ่านการโยก จากนั้นแท่งเหล็กบิดจะบิดไปตามแกนเพื่อสร้างแรงสปริง ผู้ผลิตรถยนต์ในยุโรปใช้ระบบนี้กันอย่างแพร่หลาย เช่นเดียวกับที่ Packard และ Chrysler ใช้ในสหรัฐอเมริกาตลอดช่วงทศวรรษปี 1950 และ 1960

สปริงลมประกอบด้วยห้องอากาศทรงกระบอกที่วางอยู่ระหว่างล้อและตัวรถ และใช้คุณสมบัติในการบีบอัดของอากาศเพื่อดูดซับแรงสั่นสะเทือนของล้อ เทคโนโลยีนี้ใช้ในยานพาหนะหรูหราหลายรุ่นในปัจจุบัน แต่แนวคิดนี้มีอายุกว่าหนึ่งศตวรรษแล้วและพบได้ในรถม้า สปริงลมในยุคนี้ทำจากไดอะแฟรมหนังที่เติมลมคล้ายกับหีบเพลง ต่อมาได้เปลี่ยนเป็นสปริงลมยางขึ้นรูปในช่วงทศวรรษปี 1930

โดยพิจารณาจากตำแหน่งที่สปริงอยู่บนรถ เช่น ระหว่างล้อกับเฟรม วิศวกรมักจะพบว่าการพูดคุยเกี่ยวกับเรื่องนี้สะดวกกว่ามวลสปริงและมวลที่ยังไม่รองรับ.

การมวลสปริงคือมวลของยานพาหนะที่รองรับด้วยสปริง ในขณะที่มวลที่ยังไม่รองรับถูกกำหนดอย่างหลวมๆ ว่าเป็นมวลระหว่างถนนและสปริงช่วงล่าง ความแข็งของสปริงส่งผลต่อการตอบสนองของมวลสปริงในขณะที่รถกำลังขับ รถยนต์ที่มีสปริงหลวม เช่น รถหรู (เช่น Mercedes-Benz C-Class) สามารถรับมือกับการกระแทกและให้การขับขี่ที่นุ่มนวลเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตาม รถยนต์ประเภทนี้มีแนวโน้มที่จะดิ่งลงและหมอบลงขณะเบรกและเร่งความเร็ว และมีแนวโน้มที่จะเกิดการแกว่งของตัวถังหรือโคลงเคลงขณะเข้าโค้ง รถยนต์ที่มีสปริงแน่น เช่น รถสปอร์ต (เช่น Mazda Miata MX-5) มักจะไม่ยืดหยุ่นเมื่อขับบนถนนขรุขระ แต่ช่วยลดการเคลื่อนตัวของตัวถังได้ดี ซึ่งหมายความว่าสามารถขับได้อย่างก้าวร้าว แม้กระทั่งขณะเข้าโค้ง

แม้ว่าสปริงจะดูเหมือนอุปกรณ์ธรรมดาๆ แต่การออกแบบและนำสปริงมาใช้กับรถเพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างความสะดวกสบายของผู้โดยสารและการควบคุมรถนั้นเป็นงานที่ซับซ้อน และยิ่งซับซ้อนมากขึ้นไปอีก สปริงเพียงอย่างเดียวไม่สามารถให้การขับขี่ที่นุ่มนวลสมบูรณ์แบบได้ เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น? เพราะสปริงสามารถดูดซับพลังงานได้ดี แต่ทำได้ไม่ดีนักการกระจายตัวมันโครงสร้างอื่น ๆ ที่เรียกว่าโช้คอัพ, จำเป็นต้องทำสิ่งนี้