ترمزهای غیر‌اصطکاکی
هر وسیله¬ نقلیه¬ در حال حرکتی میزان معینی انرژی جنبشی دارد و ترمزها برای متوقف کردن آن باید این انرژی را از خودرو بگیرند.
ترمزها چگونه این کار را انجام می‌دهند؟
شاید اولین جوابی که به ذهن برسد، تبدیل انرژی جنبشی به گرمای حاصل از اصطکاک باشد ولی این جواب، کامل نیست.
امروزه از روش¬های دیگری نیز برای متوقف کردن وسیله¬ نقلیه¬ استفاده می¬شود که موضوع موردنظر این مقاله است.
ترمزها به¬طور کلی به دو دسته ترمزهای اصطکاکی و غیر اصطکاکی تقسیم می‌شوند که ترمزهای غیر اصطکاکی(کمکی) خود چهار دسته اند: ترمزموتور، ترمزخروجی، ریتاردر هیدرولیکی و ریتاردر الکتریکی.
البته در بعضی مواقع هر چهار نوع ترمز را با عنوان ریتاردر-ها می¬شناسند.
ترمزموتور و ترمزخروجی بر مجموعه موتور اعمال تغییر می‌کنند و باعث می‌شوند انرژی تولیدی در محدوده زمانی دلخواه راننده، با درجه تنظیم شده از سوی او کاهش یابد؛ در حالی که ریتاردر هیدرولیکی(هیدرودینامیکی) و ریتاردر الکتریکی(الکترومغناطیسی) بر محور خروجی از گیربکس اعمال تغییر می‌کنند؛ به این صورت که در ریتاردر هیدرولیکی با چرخش روتور پره‌ای در یک سیال، انرژی چرخشی محور خروجی از گیربکس تلف میشود.
نیروی ترمزگیری به گرما تبدیل و از طریق جریان آب سرد موتور، دفع میگردد.
حداکثر مقدار ممکن نیروی ترمزگیری به اندازه سیستم سرمایش بستگی دارد.
از سوی دیگر چون انرژی در این نوع ریتاردر براثر اصطکاک بین سیال و پره‌ها به گرما تبدیل میشود، این نوع ریتاردر جزء ترمزهای اصطکاکی به شمار می¬¬آید.
در ریتاردر الکتریکی کاهش سرعت چرخش محور خروجی از گیربکس با اعمال ایجاد گشتاور مغناطیسی مخالف انجام میشود.
1- ترمزموتور
نخستین بار کلایس‌ام‌کامینس بنیانگذار شرکت کامینس‌موتور دریافت که با باز کردن سوپاپ خروجی سیلندر هنگامی که پیستون به نقطه مرگ بالا برسد، نسبت به انتهای مرحله تولید قدرت، هوای فشرده انباشته شده در آن قبل از این که مانند یک فنر پیستون را دوباره برگرداند، میتواند خارج شود.
ترمزموتور، سوپاپ خروجی دود را قبل از نقطه مرگ بالا باز میکند، در نتیجه در تولید قدرت یک اتلاف به وجود میآید.
هوای فشرده شده در سیلندر در مانیفولد اگزوز آزاد میشود و هیچ¬گونه سوختی تزریق نمی‌گردد بنابراین هیچ نیرویی در کورس برگشتی به موتور داده نمی‌شود.
موتور به¬عنوان یک کمپرسور هوا عمل میکند که با چرخ طیار به حرکت در میآید.
با این انرژی تلف شده در موتور و خروجی، موتور به جای سیستم ترمز عمل میکند.
هوای فشرده شده آزاد شده به¬عنوان مشخصه ترمزموتور شناخته میشود.
ترمزگیری تراکمی اصطلاح دیگر این مکانیسم است.
[1]
کارایی بالا هنگامی ممکن میشود که ترمز‌موتوری همراه ترمزخروجی استفاده شود.
کنترل ترمز‌موتوری معمولا با روشن و خاموش شدن انجام میشود، اگرچه بعضی سیستم‌ها اجازه می‌دهند راننده انتخاب کند که ترمز بر 2 ،4 یا 6 سیلندر اعمال شود.[2]
در این نوع ترمزموتور، در مرحله مکش، سوپاپ خروج دود کمی باز می¬شود.
در مرحله تراکم نیز این اتفاق می‌افتد و همزمان هیچ گونه سوختی تزریق نمی‌شود.
در مرحله بعد یعنی انبساط نیز سوپاپ خروجی دود به مقدار بسیار کمی باز می¬شود و در نهایت گاز در مرحله آخر از سیلندر خارج میگردد.
مجموعه این تغییرات باعث میشود که موتور علاوه بر تولید نکردن انرژی، خود مصرف کننده انرژی نیز باشد و در نتیجه سرعت وسیله نقلیه کاهش یابد.
سؤال اینجاست که این باز و بسته شدن غیرمعمول سوپاپ چگونه اتفاق می‌افتد؟
جواب این است، با سیستم سوپاپ¬بندی کاملا متغیر.
با این سیستم میتوان روش¬های مدیریت سیلندر و سوپاپ¬ها را معرفی کرد.
در حال حاضر سوپاپ¬هایی ساخته شده اند که قادرند با استفاده از نیروی الکترومغناطیسی و یک بازو مابین فنرهای مکانیکی، یا استفاده از نیروی هیدرولیکی، هرگونه پروفیل باز و بسته شدنی را برای سوپاپ¬ها ایجاد کنند.
با کنترل جریان الکتریکی، بازو می¬تواند در موقعیت انتهایی خود بماند بنابراین سوپاپ مطابق با نیاز میتواند باز یا بسته نگه داشته شود.
از آنجا که زمانبندی سوپاپ¬ها می¬تواند به¬طور آزادانه تنظیم شود، جرم هوای ورودی و گازهای باقیمانده را میتوان با سوپاپ¬ها تعیین کرد.
ترمزهای غیر‌اصطکاکیهر وسیله نقلیه در حال حرکتی میزان معینی انرژی جنبشی دارد و ترمزها برای متوقف کردن آن باید این انرژی را از خودرو بگیرند.
امروزه از روشهای دیگری نیز برای متوقف کردن وسیله نقلیه استفاده میشود که موضوع موردنظر این مقاله است.
ترمزها بهطور کلی به دو دسته ترمزهای اصطکاکی و غیر اصطکاکی تقسیم می‌شوند که ترمزهای غیر اصطکاکی(کمکی) خود چهار دسته اند: ترمزموتور، ترمزخروجی، ریتاردر هیدرولیکی و ریتاردر الکتریکی.
البته در بعضی مواقع هر چهار نوع ترمز را با عنوان ریتاردرها میشناسند.
ترمزموتور و ترمزخروجی بر مجموعه موتور اعمال تغییر می‌کنند و باعث می‌شوند انرژی تولیدی در محدوده زمانی دلخواه راننده، با درجه تنظیم شده از سوی او کاهش یابد؛ در حالی که ریتاردر هیدرولیکی(هیدرودینامیکی) و ریتاردر الکتریکی(الکترومغناطیسی) بر محور خروجی از گیربکس اعمال تغییر می‌کنند؛ به این صورت که در ریتاردر هیدرولیکی با چرخش روتور پره‌ای در یک سیال، انرژی چرخشی محور خروجی از گیربکس تلف میشود.
از سوی دیگر چون انرژی در این نوع ریتاردر براثر اصطکاک بین سیال و پره‌ها به گرما تبدیل میشود، این نوع ریتاردر جزء ترمزهای اصطکاکی به شمار میآید.
در ریتاردر الکتریکی کاهش سرعت چرخش محور خروجی از گیربکس با اعمال ایجاد گشتاور مغناطیسی مخالف انجام میشود.
1- ترمزموتور نخستین بار کلایس‌ام‌کامینس بنیانگذار شرکت کامینس‌موتور دریافت که با باز کردن سوپاپ خروجی سیلندر هنگامی که پیستون به نقطه مرگ بالا برسد، نسبت به انتهای مرحله تولید قدرت، هوای فشرده انباشته شده در آن قبل از این که مانند یک فنر پیستون را دوباره برگرداند، میتواند خارج شود.
هوای فشرده شده در سیلندر در مانیفولد اگزوز آزاد میشود و هیچگونه سوختی تزریق نمی‌گردد بنابراین هیچ نیرویی در کورس برگشتی به موتور داده نمی‌شود.
موتور بهعنوان یک کمپرسور هوا عمل میکند که با چرخ طیار به حرکت در میآید.
هوای فشرده شده آزاد شده بهعنوان مشخصه ترمزموتور شناخته میشود.
[1] کارایی بالا هنگامی ممکن میشود که ترمز‌موتوری همراه ترمزخروجی استفاده شود.
کنترل ترمز‌موتوری معمولا با روشن و خاموش شدن انجام میشود، اگرچه بعضی سیستم‌ها اجازه می‌دهند راننده انتخاب کند که ترمز بر 2 ،4 یا 6 سیلندر اعمال شود.[2] در این نوع ترمزموتور، در مرحله مکش، سوپاپ خروج دود کمی باز میشود.
در مرحله بعد یعنی انبساط نیز سوپاپ خروجی دود به مقدار بسیار کمی باز میشود و در نهایت گاز در مرحله آخر از سیلندر خارج میگردد.
مجموعه این تغییرات باعث میشود که موتور علاوه بر تولید نکردن انرژی، خود مصرف کننده انرژی نیز باشد و در نتیجه سرعت وسیله نقلیه کاهش یابد.
سؤال اینجاست که این باز و بسته شدن غیرمعمول سوپاپ چگونه اتفاق می‌افتد؟
جواب این است، با سیستم سوپاپبندی کاملا متغیر.
با این سیستم میتوان روشهای مدیریت سیلندر و سوپاپها را معرفی کرد.
در حال حاضر سوپاپهایی ساخته شده اند که قادرند با استفاده از نیروی الکترومغناطیسی و یک بازو مابین فنرهای مکانیکی، یا استفاده از نیروی هیدرولیکی، هرگونه پروفیل باز و بسته شدنی را برای سوپاپها ایجاد کنند.
با کنترل جریان الکتریکی، بازو میتواند در موقعیت انتهایی خود بماند بنابراین سوپاپ مطابق با نیاز میتواند باز یا بسته نگه داشته شود.
از آنجا که زمانبندی سوپاپها میتواند بهطور آزادانه تنظیم شود، جرم هوای ورودی و گازهای باقیمانده را میتوان با سوپاپها تعیین کرد.
همچنین با این سیستم میتوان میزان تشکیل NOX را در بارهای جزئی کاهش داد.
از آنجا که در این روش زمانبندی هر سوپاپ برای هر سیلندر را میتوان جداگانه تنظیم کرد، فعال یا غیر فعال‌کردن هر سیلندر به این ترتیب میسر میشود[5].[2] تقریبا اکثر انواع رایج ریتاردرها، ترمز‌موتورها هستند.
اغلب رانندگان کامیون در امریکای شمالی ترمزموتور را با نام تجاری جیک بریک میشناسند که ساخت شرکت جاکوب است؛ اگر چه مفهوم آن توسط کامینس توسعه داده شده است.[1] مزیت‌های این نوع سیستم ترمز کمکی این است که انرژی تلف شده بهسرعت از موتور دفع میشود.
به عبارتی گازهای داغ خروجی از وسیله نقلیه بهسرعت دفع و همچنین بیشتر گرمای گازهای خروجی بهطور مستقیم به قطعات موتور هدایت میشود.
گرمای موتور توسط سیستم خنک سازی دفع میشود.
برخلاف این نوع ترمز، دیسک یا درام ترمز پایی، فاقد چنین مکانیسمی برای دفع گرمای خود هستند.
آنها برای حذف گرما می‌بایست بر جریان هوا تکیه داشته باشند که این دمای بالا باعث خرابی ترمزهای مذکور میشود.
عیب سیستم ترمز کمکی یادشده این است که صدای بسیار زیادی ایجاد میکند و در بعضی جاده‌ها استفاده از آن ممنوع است.
2- ترمزخروجی ترمزخروجی شباهت بسیاری به ترمزموتور دارد اما در عمل ساده‌تر است.
این ترمز اولین بار در اروپای مرکزی طی جنگ جهانی اول مورد استفاده قرار گرفت که بعضی اوقات نیز با ترمزموتور ادغام می‌شد.
ترمزهای‌خروجی به صورت‌های گوناگونی طراحی می‌شوند ولی اساس کار آنها به این ترتیب است که جریان گازهای خروجی از سیلندر را به وسیله بستن یک دریچه در خروجی سیستم محدود می‌کنند که باعث ایجاد فشار در محفظه خروجی دود میگردد و همچنین موجب میشود موتور در مرحله خارج کردن دود از سیلندر بهسختی کار کند.
این افزایش فشار بر روی موتور بار ایجاد میکند و موتور مانند یک کمپرسور هوا عمل میکند بنابراین چرخش موتور کند میشود.
این نوع ترمز کمکی به اندازه ترمزموتور مؤثر نیست.
[2] عیب این سیستم ترمز کمکی آن است که محفظه خروج دود باید طوری طراحی شود که تحمل فشارهای بالای ایجاد شده توسط این روش را داشته باشد.
3- ریتاردر الکترومغناطیسی ریتاردر الکتریکی یا الکترومغناطیسی از القای الکترومغناطیسی برای ایجاد نیروی ترمزگیری استفاده میکند.
یک ریتاردر الکتریکی میتواند روی میل گاردان نصب شود؛ به این صورت که روتور ریتاردر به محور و استاتور ریتاردر به شاسی وسیله نقلیه متصل شود.
هیچ تماسی بین سطوح روتور و استاتور وجود ندارد.
هنگام ترمزگیری، سیمپیچ‌های استاتور توسط برق باتری وسیله نقلیه، برخلاف چرخش روتور، میدان مغناطیسی متناوب تولید می‌کنند.
جریان گردابی در روتور سرعت روتور و در نتیجه سرعت میل گاردان متصل به روتور را کاهش میدهد.
روتور بهگونه ای طراحی شده است که بهطور خودکار با هوا خنک شود بنابراین هیچ گونه فشاری بر سیستم خنک سازی وسیله نقلیه وارد نمی‌شود.
این ترمز کمکی بهشدت بیصداست.
این وسیله بهعلت طبیعت الکتریکی و پاسخدهی سریعش میتواند بهراحتی با سیستمهای ترمزگیری ضد قفل و کنترل کشش اتوماتیک هماهنگ شود.
ترمز مغناطیسی بهطور موازی با سیستم ترمز و بدون اعمال هیچ تغییری در خودرو، روی آن نصب و با فرماندهی توسط راننده باعث ایجاد گشتاور مغناطیسی مخالف میشود و دور چرخها را کاهش میدهد.
امروزه این سیستم در کشورهای پیشرفته بهعنوان یک استاندارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
قابلیت‌های این سیستم: فرماندهی این سیستم هم از طریق راننده صورت می‌گیرد و هم میتوان طوری آن را نصب کرد که با گرفتن پدال ترمز توسط راننده فعال شود.
امکان استفاده جداگانه و همزمان ترمزهای اصطکاکی خودرو، ترمزخروجی (خفه‌کن موتور) و ترمز مغناطیسی وجود دارد (استفاده همزمان از ترمز اصطکاکی خودرو و این سیستم در سرازیری‌ها و مواقعی که خودرو سنگین است، توصیه میشود).
در صورت جا نرفتن دنده در سرازیری‌ها و یا تمایل به حرکت با همان دنده قبلی میتوان با کمک این سیستم دور چرخها را بدون استفاده از سیستم ترمز معمولی خودرو کاهش داد.
محل قرار گرفتن ریتاردر به دو صورت است: یکی بعد از گیربکس و دیگری قبل از دیفرانسیل در آخر ذکر این نکته الزامی است که هنگام فعال شدن ترمزگیری ضد قفل ریتاردر غیر‌فعال میشود تا در فرایند کنترل ترمزها به وسیله ترمز ضد قفل اشکالی پیش نیاید.
4- ریتاردر هیدرودینامیکی نوع دیگر ریتاردر، ریتاردر هیدرودینامیکی یا هیدرولیکی است.
نحوه کار ریتاردر هیدرولیکی شبیه ریتاردر الکتریکی است؛ با این تفاوت که این نوع ریتاردر مانند نوعی پمپ عمل میکند که با اتلاف نیروی محرکه باعث کاهش سرعت دوران محور و در نتیجه کاهش سرعت وسیله نقلیه میشود و شامل یک روتور پره‌ای چرخان محصور شده با فاصله کم در بدنه پره‌ای ثابت است.
هنگامی که ریتاردر فعال میشود، یک سیال (در حالت کلی روغن موتور، روغن مخصوص و یا آب) به محفظه پمپ میشود.
سیال یک اثر کوپلینگ هیدرولیکی ایجاد و گردش سیال بهوسیله روتور انرژی را تلف میکند، در نتیجه سیال کاری گرم میشود.
معمولا برای کاهش دما، سیال را در یک سیستم خنک کننده به گردش در می‌آورند.
درجه ترمزگیری میتواند با میزان پر‌کردن محفظه با سیال تغییر کند.
هنگامی که به فعال شدن ریتاردر نیاز باشد، شیر ورودی هوای فشرده باز میشود و در نتیجه فشار هوا باعث ورود روغن به محفظه استاتور و روتور و خروج آن از محفظه بعد از بالا رفتن دمایش میگردد، سپس توسط سیستم خنک کننده، خنک میشود.
1- ترموستات 2- رادیاتور 3- فن 4- پمپ آب خنک 5- پیکاب دما 6- ریتاردر و مبدل گرما بعد از ریتاردر و مبدل گرما یک پیکاب دما قرار گرفته است تا دمای سیال مشخص شود.
[4] اصول هیدرودینامیکی هنگامی که ریتاردر فعال میشود، سیال در محفظه ریتاردر بین روتور و استاتور تحت فشار قرار می‌گیرد.
چرخش و شتاب سیال باید از یک سو با روتور و از سوی دیگر با استاتور یکی باشد.
در این فرایند سیال شروع به نقل و انتقال بین روتور و استاتور میکند و حول محور ریتاردر مجبور به چرخش میشود.
نتیجه این جابهجاییهای مولکول‌های سیال، اصطکاک شدید بین آنها و تولید گرما و در نهایت کاهش سرعت چرخش روتور است.