فنر خودرو چیست و چه وظایفی دارد؟

فنرها و کمک‌فنرها که اجزایی جدا نشدنی هستند، از اعضای مستقل سیستم تعلیق به‌شمار می‌روند. در ابتدا باید به این حقیقت اشاره کرد که وظیفه و کارایی کمک فنر و فنر خودرو در تلفیق با یکدیگر تکمیل شده و به‌تنهایی هیچ کارایی خاصی ندارند. این دو در کنار هم، ارتعاشات ناشی از حرکت خودرو در مسیرهای ناهموار را جذب می‌کنند و مانع از انتقال آن‌ها به کابین می‌شوند. این فرآیند در دو مرحله تحمل وزن خودرو و دفع نیروی وارده به این وزن انجام می‌شود که فنر ماشین بخش تحمل وزن و کمک‌فنر بخش دفع نیروها را برعهده دارد. در واقع فنر یا spring در خودرو، ضمن تحمل وزن خودرو، ارتفاع آن با سطح زمین را نیز تنظیم می‌کند و ثابت نگه می‌دارد. به این ترتیب مانع از برخورد کف با سطح زمین می‌شود. فنر با تنظیم این ارتفاع در تناسب با وزن خودرو و پستی بلندی‌های سطح، به دفع ضربات نیز اهتمام می‌ورزد. اما کمک فنر در کنار این قطعه به دفع کامل ضربه کمک کرده و مانع از خروج ناگهانی نیروی وارده به فنر از سطح جاده می‌شود. به این ترتیب فنر وظایف زیر را در سیستم تعلیق و خودرو بر عهده دارد: دفع ضربات چرخ و جاده و ممانعت از انتقال آن‌ها به کابین دفع نیروی وارده از چرخ‌ها و جاده و ممانعت از انتقال آن‌ها به اتصالات و مفصل‌های خودرو پیشگیری از استهلاک اتصالات خودرو ایجاد نهایت چسبندگی بین چرخ‌ها و جاده با فشردن دایم آن‌ها به سطح، در نتیجه افزایش نیروی کششی خودرو کمک به کنترل راحت‌تر خودرو از طریق بالا بردن کشش آن با توجه به بالا بردن چسبندگی چرخ‌ها به سطح جاده از طریق فنرها، به نظر، این اجزا در خودروهای سرعتی با شتابگیری‌های سریع اهمیت بیشتری دارند. چرا که کاهش قدرت کنترل‌پذیری خودرو در سرعت‌های بالا امری اجتناب‌ناپذیر است.

فنرها در انواع و نمونه‌های مختلف و تعداد متفاوت در خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما در استفاده از آن‌ها دو نکته مورد توجه قرار می‌گیرد. بخشی از خودرو که روی فنر قرار می‌گیرد. (جرم فنربندی‌شده) بخشی از خودرو که زیر فنر است. (جرم فنربندی‌نشده) سپس بر اساس این وزن‌ها و این دو شاخصه، به انتخاب فنرهای سخت‌شونده یا فنرهای نرم‌شونده در خودرو می‌پردازند. چرا که سختی یا نرمی فنر تعیین می‌کند که جرم فنربندی‌شده خودرو در برابر نیروی وارده از جاده چه عکس‌العملی داشته باشد. سختی یا نرمی فنر ماشین و نوع واکنش آن، می‌تواند به خشکی و نرمی سواری یک خودرو کمک کند. فنرهای سخت‌شونده که در برابر نیروهای کم تغییرات طولی بیشتری نشان می‌دهند و با افزایش نیرو این واکنش کمتر شده، فنر سختی بیشتری را بروز می‌دهد. فنرهای نرم‌شونده که در برابر نیروی کم تغییرات کمتر نشان داده و با افزایش بار یا نیرو، تغییرات طولی آن‌ها نیز افزایش می‌یابد. اما در کنار این تفاوت‌ها، فنرها در خودروها تفاوت ساختار و جنس نیز دارند که با توجه به نوع خودرو مصارف آن از این فنرها استفاده می‌شود. فنرهای فولادی که در سه فرم پیچشی، مارپیچی و شمشی از آلیاژهای منگنز، سیلیسیم و کروم فولادی ساخته می‌شوند. فنرهای غیرفولادی که در انواع لاستیکی، پنوماتیکی، روغنی و گازی دیده می‌شوند. این فنرها البته گاهی تنها مناسب خودروهای شهری و برخی تنها در خودروهای شهری کاربرد دارند. حتی کلاس خودرو نیز در انتخاب نوع فنر آن مؤثر است. برای مثال فنر به‌کار رفته در یک شاسی‌بلند آفرودی هیچ مناسبتی با یک هاچ‌بک کوچک شهری ندارد.

به فنر مارپیچی فنر لول نیز گفته می‌شود. این نوع فنر ماشین کاملا شبیه به شکل رایجی که از فنرها می‌بینیم است. به این معنی که فنر لول از یک میله پیچیده شده فولادی تشکیل شده است و قطر و ارتفاع حلقه‌های آن، تعیین کننده قدرت و مقاومتش هستند. به این شرح که افزایش قطر میله،‌ باعث افزایش قدرت فنر می‌گردد، در حالی که افزایش طول آن باعث افزایش انعطاف‌پذیری‌اش خواهد شد. فنر مارپیچ که معمول‌ترین و رایج‌ترین نوع فنر مورداستفاده در صنعت خودروسازی است عموما در سواری‌های شهری کاربرد داشته و به‌دلیل اشغال فضای کم، وزن پایین و عدم نیاز به نگهداری و سرویس مداوم محبوبیت دارد. اما به‌دلیل ناتوانی در کنترل نوسانات وجود کمک‌فنری قوی در کنار آن الزامی است. فنر لول در سیستم‌های تعلیق مجهز به طبق به‌کار می‌رود چرا که توانایی انتقال نیروی کششی یا فشاری را ندارند. در مدل‌های قدیمی این فنرها مارپیچ ثابتی داشتند. به این معنی که قطر و ارتفاع حلقه‌های آن‌ها در طول فنر یکی بود. اما امروزه با قطر مارپیچ متغیر یا قطر میل‌گرد متغیر به‌عنوان فنر مخروطی عرضه می‌شوند. به این ترتیب که قسمت وسط مفتول فنر مخروطی از دو سر آن قطورتر است و ضریب فنریت متغیری را پدید می‌آورد. زمانی که این نوع فنر فشرده می‌شود، مقاومت آن در برابر بیشتر فشرده شدن افزایش می‌یابد. همچنین مقدار وزنی که برای فشردن یک فنر مارپیچ به اندازه یک اینچ لازم است را نرخ فنر می‌نامند ک‍ه شاخصه در مورد فنر لول است. از نرخ فنر یا ثابت فنر برای اندازه‌گیری قدرت آن استفاده می‌شود. از مزایای دیگر فنرهای مارپیچ این است که به هیچ تنظیمی نیاز ندارند و کم‌استهلاک هستند. هر چند از لحاظ تحمل وزن محدودیت دارند و احتمال ضعیف شدن‌شان نیز وجود دارد که این امر باعث بر هم خوردن تنظیم هندسی فنر، ارتفاع خودرو و فرسودگی تایرها و دیگر قطعات آن می‌شود. همچنین عیب دیگری که به این فنرها وارد می‌دانند، آن است که اگر فاصله ی دو تکیه‌گاه فنر زیاد باشد، خطر کج شدن و شکم دادنشان وجود دارد.

در ساختار این نوع فنر ماشین که فنر برگی نیز نامیده می‌شود، از چند لایه شمش فلزی سوار شده بر هم استفاده می‌شود. فنر برگی معمولا در خودروهای سنگین، باری یا سواری‌های که اکسل یکپارچه دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد. چرا که این فنرها می‌توانند نیروهای عمودی، طولی و همچنین نیروهای عرضی را به‌خوبی تحمل کنند. به این معنی که ضربات وارده به بدنه از سوی چرخ‌ها و جاده، شتاب‌گیری و ترمزگیری‌های شدید و دور زدن یا وزش باد را به‌خوبی تحمل و دفع می‌کنند. طول لایه‌ها یا نوارهای فلزی فنر شمشی که روی هم قرار می‌گیرند متفاوت است اما معمولا دارای یک مرکز مشترک هستند که از آن برای اتصالش به بدنه و شاسی استفاده می‌شود. ضمن اینکه لایه‌های قوس ملایمی در وسط دارند. قطورترین بخش فنر که تعداد لایه‌های بیشتری هم دارد در مرکز آن است که بیشترین نیرو را نیز تحمل می‌کند. دو سر بلندترین نوار که شاه‌فنر نامیده می‌شود نیز برای اتصال به بوش و شاسی به شکل حلقه طراحی می‌شود. تعداد لایه‌های فنر شمشی در نیرویی که تحمل می‌کند مؤثر است. ضمن اینکه این لایه‌ها توسط یک پیچ و مهره در وسط و تعدادی اتصالات مخصوص در طرفین به هم وصل می‌شوند. فنر تخت به‌دلیل اشغال فضای زیاد معمولا در سواری‌ها مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

این نوع فنر ماشین در واقع غیرمعمول‌ترین فنری است که می‌توان با آن مواجه شد. فنر پیچشی که از یک سمت به شاسی خودرو وصل و از سوی دیگر به طبق متصل است، از یک میله یک‌تکه فولادی تشکیل می‌شود. به فنر پیچشی تورشن‌بار یا میل موج‌گیر نیز گفته می‌شود. فنر پیچشی با وارد آمدن ضربه از سوی چرخ‌ها در خود می‌پیچد و نیروی فنری ایجاد می‌کند. در بیان ساده‌تر نحوه عملکرد فنر پیچشی به چلاندن پارچه‌ای خیس می‌ماند. فنر پیچشی در اکسل عقب سواری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزیت آن اشغال فضای کمتر و معضل آن خشکی سواری است. از فنر پیچشی گاهی به‌عنوان اهرم تعادل نیز استفاده می‌شود. در این صورت آن را به‌صورت اهرم‌های طولی و عرضی به‌کار می‌برند تا از پیچش بدنه و غلتیدن خودرو در پیچ‌ها به‌سمت نیروی گریز از مرکز و ضلع کوتاه پیچ می‌شود.

فنر پنتوماتیکی یکی دیگر از انواع فنر خودرو است. به این فنرها، گازی، بادی یا تناوبی نیز گفته می‌شود. در این نوع فنر از خاصیت تراکم‌پذیری هوا یا گازهای دیگر به‌جای قابلیت ارتجاعی فنرهای فولادی استفاده می‌شود. طی سال‌های اخیر فنرهای پنوماتیکی رواج بیشتری پیدا کرده‌اند. در واقع استفاده از آن‌ها پیشتر در خودروهای سنگین و باری بیشتر دیده می‌شد اما امروزه در خودروهای سواری نیز به‌دلیل نرمی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فنرها از یک سیلندر پر شده از هوا یا اتاقک استوانه‌ای‌شکل و یک پیستون تشکیل می‌شوند. این اتاقک بین چرخ و بدنه نصب شده، با استفاده از خاصیت تراکم‌پذیری هوا، ضربات وارده از سوی چرخ را جذب می‌کند. اجزای این فنر به‌طور دقیق‌تر عبارتند از:

کمپرسور کیسه هوایی لوله‌های انتقال هوا رگلاتور تنظیم فشار اهرم پیستون فنر پنوماتیکی به اتصالات پایین چرخ متصل می‌شود. با حرکت چرخ‌ها و وارد آمدن نیرو از سوی آن‌ها به اهرم، پیستون نیز در محفظه‌ هوا حرکت کرده و هوا را متراکم می‌کند. این هوای فشرده، ایجاد فنریت خواهد کرد. نکته مهم هوای ذخیره‌شده در این محفظه است که با تغییر وزن از طریق سوپاپ مخصوصی افزایش یا کاهش می‌یابد. میزان باد اضافه درون سیلندر را نیز کمپرسور مخصوص فنر تأمین می‌کند. وقتی که اهرم در جهت مخالف حرکت کند سوپاپ ورودی بسته و سوپاپ خروجی باز می‌شود در این موقع باد کیسه فنر تا حدی خالی می‌شود که اهرم در حالت وسط قرار بگیرد. بنابراین نسبت به افزایش بار خودرو فشار باد در کیسه‌های هوایی زیاد می‌شود و با کاهش بار فشار هوای فنر کاهش پیدا می‌کند. تنظیم فشار هوای درون محفظه نسبت به وزن خودرو توسط رگلاتور ثابت ماندن ارتفاع خودرو از زمین را به‌همراه دارد. فنرهای بادی یا گازی، نرمی بسیار خوبی در سواری ارائه می‌دهند اما معضل هزینه بالا، نگهداری و تعمیرات سخت آن‌ها باعث می‌شود استفاده چندان زیادی در خودروهای شهری نداشته باشند.