هندسة السيارات

Automotive Engineering

هندسة سيارات 1- Automotive Engineering I

- مقدمة

- الكميات الفيزيائية Physical Quaintly

- الوحدات العالمية SI units

- أنظمة السيارة Car Drive System

o المحرك Engine

o نظام نقل الحركة/القدرة transmission system (نظام نقل القدرة التقليدي conventional, نظام نقل القدرة المجمع مع المحور (transaxle,  (نظام نقل القدرة اليدوي manual transmission: القابض clutch, صندوق التروس gearbox/transmission, عمود الإدارة propeller shaft, علبة التروس الفرقية deferential, علبة النقل transfer case, المحاور axles, مجموعة نقل الحركة والمحور transaxle, العجل والإطارات wheel and tire)- (نظام نقل القدرة الذاتي Automatic transmission: واصل/ قارن هيدروليكي hydraulic coupling, محول العزم torque converter , صندوق التروس الذاتي automatic transmission).

يقوم نظام نقل الحركة بثلاث وظائف رئيسية:

1. وصل وفصل المحرك عن باقي نظام نقل القدرة drivetr4ain (عمود الإدارة drive shaft, المحاور axles, العجلات wheels).

2. يسمح للتروس بجعل مدى التشغيل المحدود للمحرك بأن يكون قادر على دفع السيارة من التوقف حتى السرعة العالية.

3. يسمح للسائق بتغيير اتجاه حركة السيارة من الامام للخلف from forward to reverse.

بالإضافة إلى أن ناقل الحركة يمكن ان يعمل على تثبيت السيارة في مكانها عند توقفها, سواء في وضع الثبات Park (P) (الناقل الذاتي) أو عن طريق التعشيق في اي من النقلات (الناقل اليدوي).

https://en.wikipedia.org/wiki/Drivetrain Drive train
http://www.aa1car.com/transmission.htm Transmission

§ القابض Clutch (نقل العزم والحركة من المحرك إلى ناقل الحركة).

§ ناقل الحركة / القدرة Transmission (نقل وتكبير العزم)

· ناقل الحركة اليدوي Manual Transmission / صندوق التروس Gearbox- (نقل العزم والحركة "مباشر, أو تكبير أو تقليل العزم على حساب السرعة" من القابض إلى محور العجل).

· ناقل الحركة الذاتي Automatic Transmission

§ عمود الإدارة Propeller shaft

§ علبة التروس الفرقية Differential/ الدفرنس

§ صندوق التروس الإضافي/ صندوق الغرز (علبة التحويل) Transfer case

§ المحاور Axles

§ مجموعة ناقل الحركة والمحور Transaxle

§ العجل والإطارات  Wheels and tires (تحويل العزم وسرعة الدوران إلى قوة دفع وسرعة خطية). (ابعاد ومواصفات الإطار, حسابات قوة الجر, السرعة الخطية للسيارة)

العجلة The wheel:

هي اخر جزء في نظام نقل الحركة, وفيه يتم تحويل عزم الدوران المنقول angular torque من المحرك عبر نظام نقل الحركة إلى قوة دفع driving force/ tractive effort للسيارة, وكذلك دوران العجل إلى سرعة خطية liner velocity للسيارة. العجل يقوم بعدة وظائف منها بالإضافة إلى كعمله كجزء من نظام نقل الحركة:

· تحويل عزم الدوران لقوة دفع

· تحويل السرعة الدائرية للعجلة إلى سرعة خطية للسيارة

يقوم العجل أيضا:

· بحمل وزن السيارة (جزء من نظام التعليق)

· توجيه السيارة (جزء من نظام التوجيه)

· فرملة السيارة (جزء من نظام الفرامل)

· تخميد الاهتزازات

· الاحتفاظ باتزان السيارة الناجم من القوة الجانبية عند الانعطاف

http://thecartech.com/KnowYourCar/wheels_tires/tire_code.aspx Glossary of Wheels and Tires Terminology

http://www.autoguide.com/buyers-guide/common-wheel-and-tire-terminology-1061.html Common wheel and tire terminology

http://www.4wheelparts.com/tire-wheel-package-guide/tire-wheel-information-glossary.aspx Tire wheel information glossary

http://www.ebay.com/gds/The-Complete-Wheel-Glossary-of-Terms-/10000000177404796/g.html The complete wheel glossary to terms

https://www.1010tires.com/About/Glossary Tire Glossary

العجلة Wheel:

الجنط Wheel/rim:

الإطار Tire:

تحميل الإطار

أجزاء الإطار

تصنيف الإطارات

انماط تأكل الإطارات

تدوير العجل

          ضبط زوايا العجل

تجديد الإطارات

خواص أداء الإطارات Tire Performance characteristics

رد فعل الإطار مع الطريق هي ظاهرة معقدة لها صيغ خاصة. وفيما يلي شرح لبعض من تلك ردود الافعال:

          الاتزان Balance

عند تدوير الإطار, فإن قوى القصور الذاتي centrifugal force تؤثر على محور العجلة وتعتمد على مركز الثقل center of mass واتجاه عزم القصور الذاتي moment of inertia. وهي قد تؤدي إلى اتزان العجل أو عدم اتزانه balance or imbalance. الإطار يتم اختبار اتزانه في مصنع الإطارات, ويتم اختبار اتزانه مرة اخرى في خط التجميع أو أماكن البيع بعد تركيبه مع الجنط. عدم اتزان الإطار والجنط يتم تصحيحه عن طريق إضافة أوزان اتزان balance weights إلى الجنط.

لتسهيل عملية الاتزان, معظم مصنعي الإطارات عالية الاداء يضعوا علامة حمراء وصفراء tire red and yellow marks على جانب الإطار لبيان أحسن طريقة لتركيب العجلة مع الجنط. هناك طريقتين لضمان تركيب الإطار مع الجنط باستخدام العلامة الحمراء (التناسق uniformity) اثقل نقطة وزن والتي يمكن أن تطابق مع اقل نقطة وزن مع الجنط (والتي تكون معلمة بالجنط) في حالة عدم وجود علامة بالجنط يتم الضبط عن طريق استخدام العلامة الصفراء (وزن weight) أقل نقطة وزن والتي يمكن ان تطابق مع أثقل نقطة وزن بالجنط نقطة تركيب صمام نفخ الإطار. بعض مصنعي الإطارات لا يضعون تلك العلامات على إطارتهم. توجد على الإطار علامات تحدد نقطة اثقل وزن (النقطة الحمراء) ونقطة أقل وزن (النقطة الصفراء), واحتمال وجود علامة على الجنط تبين أقل نقطة وزن, مع استخدام تطابق اثقلل نقطة وزن بالعجل مع اقل نقطة وزن بالجنط لا يعتبر كافي لاتزان العجل ولكن يجب ان يتم عمل اتزان للعجلة والإطار معا بعد التركيب (ترصيص العجل), ولكن التطابق يقلل من مقدار أوزان الاتزان المستخدم.

https://en.wikipedia.org/wiki/Tire_balance
http://www.agcoauto.com/content/news/p2_articleid/110 Wheel balance

دفع الكامبر Camber thrust

دفع الكامبر أو قوة الكامبر هي القوة التي تتولد عمودية على اتجاه حركة الإطار الدوار بسبب زاوية الكامبر, في اتجاه ميل العجل نتيجة الاحتكاك مع الأرض. 

https://en.wikipedia.org/wiki/Camber_angle
https://en.wikipedia.org/wiki/Camber_thrust

الزيادة الناجمة عن قوة القصور الذاتي Centrifugal growth

عند دوران الإطار بسرعة عالية يحدث له زيادة في القطر, بسبب قوة الطرد المركزية centrifugal forces وتدفع مطاط المداس بعيد من محور الدوران. هذا قد يؤدي إلى اختلاف في عداد السرعة speedometer error. مع زيادة قطر الإطار, يقل عرض الإطار. زيادة قطر الإطار قد تؤدي إلى احتكاك العجل بجسم السيارة.

دائرة القوى Circle of forces

دائرة القوى, دائرة الجر traction circle, دائرة الاحتكاك friction circle, أو الشكل البيضاوي للاحتكاك friction ellipse هي وسيلة مفيدة لتوضيح العلاقة بين رد الفعل الديناميكي بين إطار السيارة والطريق.

https://en.wikipedia.org/wiki/Circle_of_forces

منطقة التلامس Contact patch

منطقة التلامس أو طبعة/ بصمة القدم footprint للإطار, هي مساحة المداس/ سطح الإطار الملامس لسطح الطريق. هذه المساحة تقوم بنقل القوى بين الإطار والطريق عن طريق الاحتكاك friction. النسبة بين طول البصمة إلى عرضها تؤثر على التوجيه steering وحالة التحويد cornering behavior.

https://en.wikipedia.org/wiki/Contact_patch

علامة انزلاق الإطار Skid mark

علامات الانزلاق تحدث عندما تنزلق العجلة على سطح الطريق skidding وهي تحدث عندما تتوقف عجلات السيارة عن الدوران وتنزلق/ تزحف slides عند الفرملة وكذلك عندما تدور في مكانها spins على سطح الطريق عند التعجيل/ التسارع. يمكن تحليل علامات الانزلاق الموجودة على الطريق لتحديد السرعة القصوى والصغرى للسيارة قبل التصادم أو في حادثة.

تنقسم علامات الانزلاق إلى عدة انواع "علامات التعجيل acceleration marks" والتي تتكون نتيجة التعجيل (عندما يوفر المحرك قدرة أكثر مما يمكن للإطار من نقلها), أو "علامات الفرملة braking marks" تحدث عندما يحدث غلق للعجلة نتيجة الفرامل وتؤدي إلى انزلاق العجل, أو “علامات الانعطاف/الانحراف yaw marks", في حالة الانزلاق الجانبي.

مطاط إطارات السيارات يسخن مع الاحتكاك الانزلاقي sliding friction, ويتحلل مطاط الإطار في منطقة التلامس بين الإطار والطريق ويترك اثر على سطح الطريق.

قوة الانعطاف/ التحويد Cornering force

قوة الانعطاف أو القوة الجانبية side force هي قوة جانبية موازية لسطح الطريق من عجل السيارة خلال الدوران.

التلاصق الجاف Dry traction

التلاصق الجاف هو مقياس لقدرة الإطار لتوفير الجر, أو التلاصق في الحالة الجافة. التلاصق الجاف هو مهمة مركب المطاط المصنع منه الإطار.

تباين القوة Force variation

مداس واجزاء الجدار الجانبي للإطار تتعرض للانبعاج والتعافي من الانبعاج عند دخولها منطقة التلامس footprint. حيث أن المطاط من اللدائن المرنة فإن له تبيان قوة شعاعي/ قطري radial force variation (RFV), تباين القوة الجانية lateral force variation (LFV) و التباين في القوة المماسية tangential force variation. يقاس التباين في القوة الشعاعية والجانبية عن طريق ماكينة التباين في القوى في نهاية عملية التصنيع. الإطار الخارج عن حدود المواصفات لكلا من RFT و LFV يتم رفضها. كما يتم قياس العوامل الهندسية, التي تتضمن عدم الانتظام القطري radial runout, وعدم الانتظام الجانبي lateral runout والانتفاخ بالجدران الجانبية sidewell bulge, يتم قياسها على مكينة التباين في القوى في نهاية عملية الانتاج للتأكد من الجودة.

الاحساس بالحمل Load sensitivity

الاحساس بالحمل (حساسية الحمل) هي سلوك الإطارات تحت الحمل. الإطارات الهوائية التقليدية لا تتصرف كما تبينها نظرية الاحتكاك الكلاسيكية classical friction. حيث أن حساسية الحمل لمعظم الإطارات في مدى التشغيل لها تختلف فإن معامل الاحتكاك يقل مع زيادة الحمل الرأسي.

أثر الإطار الهوائي Pneumatic trail

هو يتولد من تدوير الإطارات على سطح صلب وتعرضها إلى قوة جانبية side loads, كما في حالة الانعطاف/ التحويد. من الناحية الفنية يمكن تعريفها, بأنها المسافة التي تتكون بين محصلة القوى resultant force للانزلاق الجانبي side-slip المتكونة خلف المركز الهندسي لمنطقة التلامس contact patch.

عزم الضبط الذاتي Self-aligning torque

هو العزم الذي يولده الإطار عند دورانه, الذي يميل إلى توجيه الإطار, أي دورانه حول محوره الرأسي. في وجود زاوية انزلاق slip angle غير صفرية, هذا العزم يعمل على توجيه الإطار في اتجاه الذي يتجه إليه, ومن هنا جاءت التسمية. مقدار العزم يمكن حسابه كحاصل ضرب القوة الجانبية lateral force المتولدة في منطقة التلاصق contact patch في المسافة خلاف مركز العجلة التي تؤثر فيها القوة. هذه المسافة تعرف كأثر الإطار الهوائي pneumatic trail.

مقاومة التدحرج Rolling Resistance (RR)

تقليل مقاومة التدحرج لمادة المطاط الصناعي يعتبر تحدي رئيسي لتقليل استهلاك الوقود fuel consumption في قطاع النقل. يقدر استهلاك سيارات الركوب بحوالي 5- 15% من الوقود للتغلب على مقاومة التدحرج, وتقدر النسبة بأعلى من ذلك لشاحنات الخدمة الثقيلة. هناك تبادل بين مقاومة التدحرج و الدفع الرطب wet traction والتلاصق grip. تقليل مقاومة التدحرج بتقليل خواص اللزوجة المطاطية viscoelastic للمطاط يؤثر سلبيا على التلاصق. هناك العديد من التقنيات والمواد المستخدمة للوصول إلى مطاط يحقق مقاومة تدحرج منخفضة بالإضافة إلى تلاصق/ مبتل لتحسين اقتصاديات الوقود والسلامة.

مقاومة التدحرج هي المقاومة ضد حركة التدحرج بسبب انبعاج deformation الإطار في منطقة التلامس مع الطريق. مع دوران الإطار, يدخل المداس منطقة التلامس ثم يتسطح ليتوافق مع الطريق. الطاقة المطلوبة لجعل الإطار ينبعج يعتمد على ضغط نفخ الإطار, سرعة الدوران, والعديد من الخواص الفيزيائية لتركيبة الإطار, مثل قوة النابض spring force والصلابة stiffness. صناع الإطارات يسعون إلى تصنيع إطارات ذات مقاومة تدحرج منخفضة لتحسين اقتصاديات الوقود fuel economy للسيارات والشاحنات, حيث مقاومة التدحرج تشكل نسبة عالية من استهلاك الوقود fuel consumption.

الإطارات الهوائية/ المنفوخ بالهواء pneumatic tires لها مقاومة تدحرج منخفضة عن الإطارات الصلبة solid tires. حيث أن الهواء المضغوط يؤثر في جميع الاتجاهات, الإطار المنفوخ بالهواء قادر على امتصاص المطبات بالطريق اثناء دورانها عليه بدون قوة رد فعل تؤثر ضد اتجاه السير, كما في حالة الإطارات الصلبة.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rolling_resistance

https://en.wikipedia.org/wiki/Low_rolling_resistance_tire
http://thetiredigest.michelin.com/michelin-ultimate-energy-tire
http://www.gtradialfleet.com/Tire-Care/Fuel-Efficiency
http://global.yokohamatire.net/learn/care_safety/rolling_resistance.html
http://slideplayer.com/slide/5829762/

زاوية الانزلاق Slip angle

زاوية الانزلاق أو زاوية الانزلاق الجانبي sideslip angle هي الزاوية بين اتجاه تدحرج العجلة الفعلي والاتجاه الذي تتجه إليه (الذي هو جمع المتجهات لسرعة العجل الامامية وسرعة العجل الجانبية).

معدل النابض Spring rate

الصلابة العمودية vertical stiffness, أو معدل النابض, هو نسبة بين القوة الرأسية إلى الانبعاج الرأسي للإطار, ويعمل الإطار كنابض هوائي, وهو يساهم في أداء التعليق الكلي للسيارة. بصفة عامة, يزيد معدل النابض مع زيادة ضغط النفخ, كما يتأثر بنوع تركيبة الإطار حيث الإطار ذو النسيج القطريradial tire  له معدل نابض أقل من الإطار ذو الخيوط المائلة bias tire, كما يتأثر كذلك بمقاس الإطار, والمواد الداخلة في تصنيعه. معدل النابض يساهم في جودة الإطار والسلامة في التعامل مع السيارة. ويدخل معدل نابض الإطار في حسابات نظام التعليق.

مسافة التوقف Stopping distance

طول مسافة التوقف تعتمد على نوع المطاط المستخدم وشكل نمط المداس, ومقدار التآكل بسطح الإطار. بالإضافة لحالة الطريق كما تتناسب مع سرعة السيارة.

https://en.wikipedia.org/wiki/Braking_distance

حمل التشغيل Work load

يقاس حمل الشغل/ التشغيل بوحدة طن كيلومتر لكل ساعة Ton Kilometer Per Hour (TKPH) . زيادة تكلفة إطارات المعدات الثقيلة جعلت من حمل الشغل عامل هام في اختيار الإطارات للمعدات خاصة العاملة بالمناجم. يعتمد حمل الشغل على مقاس الإطار, التركيب, نوع المداس, ونوع المطاط. يعتمد المعدل على الوزن والسرعة التي يتحملها الإطار بدون زيادة درجة حرارته والتي تؤدي إلى التلف المبكر له. المقاس المستخدم والمكافئ له بالولايات المتحدة هو طن ميل لكل ساعة Ton Mile Per Hour (TMPH).

معدل تآكل المداس Tread wear

هناك العديد من العوامل المسببة للتآكل غير الطبيعي للمداس. عدم ضبط زوايا العجل wheel alignment يمكن ان يؤدي إلى تآكل عالي للمداس. الطرق غير ممهدة, التضاريس الصخرية, وغيرها من الطرق الوعرة تسبب في تسارع تآكل سطح الإطار. النفخ الزائد قد يسبب تآكل في منتصف الإطار. النفخ المنخفض قد يسبب تآكل في الحروف الخارجية للإطار. عدم ضبط اتزان الإطار وزوايا العجل قد يسبب تآكل غير منتظم للإطار. مصنعي الإطارات والسيارات وضعوا اختبارات قياسية لاختبار تآكل المداس.

التلاصق/ الجر المبتل Wet traction

الجر المبتل/ الرطب للإطار traction, أو التلاصق grip. يتحسن عن طريق المقدرة المصمم عليها الإطار لتصريف المياه الموجودة في طبعة/ بصمة الإطار tire footprint وتقليل ظاهرة التزحلق على الماء hydroplaning. ومع ذلك, الإطارات التي لها مقطع دائري, مثل الموجودة في سباق الدرجات, عندما تنفخ بالضغط السليم يكون لها طبعة/ مساحة تلامس صغيرة وتكون غير معرضة للتزحلق على الماء. لمثل تلك الإطارات فإن الإطارات الملساء slick tires يكون لها تلاصق فائق على الطرق الجافة والمبتلة.

http://www.sears.com/articles/automotive/tires-wheels/tires/what-is-tire-traction.html

ملصق الإطار Tyre/Tire labelling

اعتبارا من 1 نوفمبر 2012, جميع الإطارات المباعة في الاتحاد الأوربي يجب أن تكون عليها ملصق الإطار الرسمي للاتحاد الأوربي EU tyre label. هذا الملصق يحتوي على معلومات تخص ثلاث خواص هامة التي تشكل اساسا لتقييم أداء الإطارات: التلاصق المبتل wet grip, كفاءة الوقود fuel efficiency, الضوضاء الخارجي exterior noise. الملصق يساعد المشتري في معرفة خواص الإطار المطلوب تركيبه بسيارته.

http://www.jetwheeltyre.co.uk/tyre-labelling/

كفاءة الوقود Fuel efficiency

يتم ترتيبه من أيه A (أكثر كفاءة) إلى جي G (أقل كفاءة). مقاومة التدحرج هي واحدة من العوامل التي تؤثر على استهلاك الوقود. مع انخفاض مقاومة التدحرج, يقل الوقود المطلوب لتحريك السيارة للأمام وقلة انبعاثات الكربون بالجو. الفرق بين استهلاك الوقود بين الإطارات المصنفة من الاكثر كفاءة إلى الأقل كفاءة A and G-rated tyres يمكن ان تكون حوالي 7.5% والتي تكافئ: بالنسبة لسيارة الركوب تكون في المتوسط حولي 0.65 لتر لكل 100 كم مسافة مقطوعة.

التلاصق المبتل Wet grip

يتم ترتيبه من أيه A (أحسن) إلى جي G (أسوء). استجابة الفرامل واحدة من العناصر الهامة لأداء الإطار والسلامة على الطرق المبتلة. الفرق في مسافة الفرملة braking distance بين تصنيف الإطارات من الاحسن للأسوأ يمكن أن يقدر بحوالي 30%. على سبيل المثال لسيارة الركوب التي تسير بسرعة 80 كم/ساعة, فإن الفرق في مسافة التوقف قد يعني 18 متر في حالة الفرملة القصوى في حالة الطقس المبتل.

الضوضاء الخارجية للإطار Exterior tyre noise

هناك ثلاث معدلات من 1 (الأقل ضوضاء- أكثر هدوء) إلى 3 (الاكثر ضوضاء- أقل هدوء). يتم قياس الضوضاء الخارجية عن طريق الديسبيل decibels (dB) (كل زيادة 3 dB على المقياس تعني مضاعفة مقدار الضوضاء.

يتبع To be continued

Auto_Eng22E

o مدخلات (طاقة الوقود) ومخرجات المحرك (العزم Torque, والقدرة (Power. الحسابات, والمعادلات

o قياس اداء المحرك (دينامومتر المحرك Engine Dynamometer/Dino). منحنيات اداء المحرك (العزم, القدرة, استهلاك الوقود, كفاءة المحرك- مع السرعة)

o إيجاد نسب تخفيض ناقل الحركة, وعلبة التروس الخلفية Finding the Gearbox and Final Drive Ratios and Efficiencies.

o حسابات قوة الجر Tractive Effort

o قياس اداء السيارة (دينامومتر السيارة Chassis Dynamometer/Dino, النفق الهوائي Wind Tunnel, اختبار طريق Road Test).

- ابعاد وأوزان السيارة:

o كتلة ووزن السيارة Vehicle mass & weight, المساحة الأمامية للسيارة Frontal area

- مقاومة الحركة للسيارة ومقاومة الطريق Road/motion resistance:

o مقاومة الهواء(AR) Air/wind Resistance, مقاومة التدحرج Rolling Resistance (RR), مقاومة صعود المرتفعات Gradient Resistance (GR)

-  الرسم الحر للشكل Free-body diagram

o معادلات الحركة في خط مستقيم (العلاقة بين القوة والكتلة والعجلة)

- منحنيات اداء السيارة (تحديد السرعة القصوى للسيارة, تحديد أقصى ميل تصعده السيارة, تحديد أقصى تعجيل للسيارة, تحديد قوة الجر للسرعات المختلفة للسيارة, تحديد سرعة الاستهلاك الامثل للوقود)

- - - - - - - - - -

هندسة سيارات 2- Automotive Engineering II

- وضعية المحرك بالسيارة (امامي, وسطي, خلفي)

- انواع الجر (جر امامي, دفع خلفي, 4×4, رباعي)

- ابعاد واوزان السيارة (توزيع الاحمال على المحاور والعجل, مركز ثقل السيارة Center of Gravity (CG))

- انظمة السيارة (نظرية العمل, الاجزاء, الانواع).

o نظام التعليق Suspension System.

§ معادلات الحركة بعجلة منتظمة

§ توزيع الاحمال على المحاور أثناء الحركة (قوة القصور الذاتي, الوزن المنقول)

- نظام الفرامل Braking System (أبطاء حركة السيارة, وإيقافها).

o قوة التلاصق بين الإطارات والطريق (الانزلاق)

o نظام منع غلق العجلات.

o التصادم (معادلات الحركة)

- نظام التوجيه Steering System (توجيه السيارة, السير في طريق دائري).

o التعامل مع السيارة Handling characteristics (زوايا التوجيه, زوايا العجل).

- نظام التعليق Suspension System نظرية العمل, الاجزاء, الانواع (النوابض, عمود اللي, المخدمات, قضيب مانع الانقلاب)

- الحركة في مسار دائري (معادلات الحركة, قوة القصور الذاتي)

o الانزلاق الجانبي (السرعة, والميل الجانبي للطريق)

o الانقلاب Rollover

o التوجيه الزائد Oversteer والتوجيه الناقص Understeer

- نظام التحكم في الاتزان VSC, النظام الاليكتروني للتحكم في الاتزان ESC. ونظام التحكم في الجر .TCS نظرية العمل, الاجزاء, الانواع