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:

تتكون عجلة السيارة من الجنط wheel/ rim  والإطار tire.

الجنط Wheel/rim:

الإطار Tire:

الإطار tire (American English) or tyre (British English) هو جزء من اجزاء السيارة ذو شكل حلقي يغطي محيط الجنط wheel’s rim. الإطارات المستخدمة للدرجات والسيارات توفر تلاصق بين السيارة والطريق كما توفر وسادة مرنة لامتصاص الصدمات.

المواد المصنع منها الإطارات الهوائية pneumatic tires هي مطاط صناعي synthetic rubber, ومطاط طبيعي natural rubber, ونسيج fabric واسلاك wire بالإضافة إلى كربون اسود carbon black ومواد ومركبات كيميائية مختلفة. يتكون الإطار من مداس tread وجسم body. حيث يوفر المداس التلاصق traction ويقوم الجسم بالاحتفاظ بهواء مضغوط compressed air.

الإطار تطور خلال تاريخه من عبارة عن شريط من المعدن يثبت حول عجلة من الخشب لمنع التأكل. وكانت الإطارات المطاطية الأولية تصنع من المطاط المصبوب solid rubber. اليوم غالبية الإطارات هوائية تحتوي على هواء مضغوط. الإطارات المعدنية ما زلت تستخدم في السكك الحديدية, وما زلت إطارات المطاط المصبوب تستخدم في بعض المركبات غير السيارات مثل ماكينات قص الحشائش وغيرها. 

كيفية يقوم الإطار بحمل الوزن Wheel support

الهواء المضغوط داخل الإطار يؤدي إلى شد متساوي في نسيج جدار الإطار والذي يؤثر بشد متساوي في اتجاه القطر في حلقة الإطار bead المتصلة بشفة الجنط. مع تحميل الإطار (وضعه على الأرض) يتم خفض الشد في الجزء السفلي للإطار بمقدار الوزن الواقع عليه, ليصبح فرق الشد في جداران الإطار السفلي والعلوي يساوي مقدار الوزن الواقع على الإطار والمنقول إلى حلقة الإطار ومنه للجنط الذي ينقل الشد لأعلى إلى اجزاء التعليق بالسيارة.

الإطار غير محمل ضغط الهواء يؤثر على الجنط بقوة شد  قطرية متساوية	عند تحميل الإطار الشد في الجدار السفلي يقل بمقدار الوزن الواقع على الإطار أي ان وزن السيارة الواقع على الإطار بتم حمله من اعلى بالجنط وليس من أسفل

أي ان الحمل الواقع على العجلة يتم رفعه عن طريق الشد في نسيج/ خيوط ply المتصلة بحلقة الإطار bead. وكانت تلك الخيوط في الماضي تصنع بشكل مائل cross-ply cord arrangement من المواد المتوفرة وقتها للقيام بإداء أفضل. ولكن مع التطور في تقنية المواد المستخدمة في الخيط/ التيلة, الحلقة, والجنط تم اللجوء إلى الإطارات المصنعة إلى الإطارات القطرية radial-ply tires (على الرغم من غلاء سعرها), فإنها احسن بالنسبة للإداء والعمر التشغيلي (reliable-usual-service-life/cost ratio) عن الإطارات ذات الخيوط المائلة من ناحية توفير مساحة تلاصق منبسطة مع توزيع منتظم للضغط مع الأرض, سعر منخفض مع الوقت والاستخدام بسبب: خفض درجة حرارة تشغيل الإطار, تقليل مقاومة التدحرج, تقليل معدلات تعرض الإطار للثقب, عمر تشغيل أطول.... الخ.

http://what-when-how.com/automobile/tyre-construction-automobile/
http://baggers.bikernet.com/pages/TIRES_101_AVON_TIRES_send_us_back_to_school.aspx

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Category:Tire_manufacturers

اجزاء الإطار  Components

يظهر مقطع الإطار عدة اجزاء من تركيبة الإطار, المداس tread,  حلقة/ طوق الإطار bead, الحائط الجانبي للإطار sidewall, الكتف shoulder, والنسيج/ خيوط ply.

المداس Tread

المداس هو جزء من الإطار الذي يتصل مع سطح الطريق. الجزء الملامس للطريق لحظيا يطلق عليه مساحة/ منطقة التلامس contact patch. المداس هو جزء سميك من المطاط/ مواد مخلقة مشكلة بحيث توفر التلاصق بين الإطار والطريق ولا تتآكل بمعدل سريع. نمط الإطار يتميز بالشكل الهندسي للأخاديد grooves, النتوءات lugs, الفراغات voids, وشقوق sipes. 

الاخاديد تكون حلقة متصلة حول محيط الإطار, وهي مطلوبة لتصريف المياه المتكونة بمنطقة التلامس. النتوءات هي جزء من مداس الإطار مصمم ليلامس سطح الطريق. الفراغات هي الحيز الموجود بين النتوءات التي تسمح للنتوءات للثني لتصريف المياه. نمط الإطار يكون غير متناسق في مقاسات النتوءات على المحيط لتقليل مستوى الضوضاء عند ترددات منفصلة. الشقوق هي عبارة عن أخاديد صغيرة متقاطعة بسطح الإطار, غالبا تكون متعامدة مع الاخاديد, التي تسمح للماء بالأخاديد بالتصرف إلى الاجناب لمنع ظاهرة التزحلق على الماء hydroplaning.  

المداس يتم تصميمه حسب استخدامات الإطارات. إطارات الأداء العالي high performance tires يكون لها نسبة فراغات void ratios صغيرة لتوفير مطاط اكثر ليتصل بالطريق لزيادة التلاصق, وقد يصنع مطاط أطرى لزيادة التلاصق, ولكنه يتأكل سريعا. إطارات الوحل والثلج mud an snow (M&S) tires تصمم ولها نسبة فراغات عالية للتصريف السريع للمياه والوحل بمنطقة التلامس وتوفر تماسك احسن على الثلوج والوحل.

تصميم شكل طبعة المداس Tire tread design

تصمم طبعة المداس (شكل الاخاديد والنتوءات والشقوق والفراغات وتوزيعهم بالنسبة لبعضهم البعض) بأشكال/انماط مختلفة حسب الغرض من الاستخدام والاداء المطلوب.

نمط ذو اتجاه (احادي الاتجاه) Directional (unidirectional)

هذا النمط تتشكل الطبعة بشكل حرف "في" V-shaped pattern ولها مسافات واخاديد عريضة بين نتوءات المداس. هذا النوع مناسب للسيارات عالية الأداء. الإطار مصمم للدوران roll في اتجاه واحد فقط (الاتجاه يسمح بتسريب المياه بمنطقة التلامس في ذلك الاتجاه) ويشير إلى ذلك الاتجاه برمز موجود على جدار الإطار الجانبي.

ويجب ان يركب في السيارات في اتجاه واحد حسب الرمز الموجود على الجدار, وفي عملية التدوير rotate يمكن تبديل مكانه من الأمام والخلف والعكس (ليس من جهة إلى اخرى- حيث سيختلف اتجاه الإطار عند التركيب). السيارات المجهزة بإطارات مختلفة المقاس بالأمام والخلف يمنع فيها تدوير الإطارات من جانب إلى جانب إلا في حالة حل الإطار من على الجنط Dismount  ثم عكس اتجاهه وتركيبه على الجنط remounted.

نمط متماثل Symmetrical

هذا النمط له نفس الشكل- اخاديد متصلة مستمرة و/ أو ذات بروز/ نتوءات مستقلة على كل سطح المداس. هذا النوع من الانماط هو الأكثر شيوعا وموجود بمعظم سيارات الركوب العادية الأداء حيث إنها في العادة قليلة الضوضاء ولها عمر تشغيلي عالي. وأيضا يمكن تدويرهم rotated بأوضاع عدة, والتي تؤدي إلى زيادة عمر الإطارات.

نمط غير متماثل Asymmetrical

المداس غير متماثل, يوجد في العادة في السيارات الرياضية sports cars, وهو مصمم لأقصى تلاصق للإطار على كلا من الطرق المبتلة والجافة. في العادة الجزء الداخلي والمنتصف للإطار مصمم للتلاصق/ الجر في الحالة المبتلة و/ أو الشتاء, كما ان الجزء الخارجي للمداس يكون له بروزات/ نتوءات tread blocks لقدرات التحويد على الطرق الجافة. للتركيب السليم بالسيارة (للأداء الأمثل, والتعامل), توجد علامة على جدار الإطار "الناحية الخارجية فقط outside only" و "الناحية الداخلية فقط inside only". هناك انماط/ طرق مختلفة لتبديل الإطار rotation patters يمكن استخدامها مع هذا النمط من الإطارات.

نمط أحادي الاتجاه غير متماثل Directional/Asymmetrical

هذا النمط هو الأفضل- من ناحية إنه له نمط حرف "في" احادي الاتجاه لتصريف المياه, والاداء العالي في الظروف الجافة للإطار غير متماثل. يجب اتباع نفس التعليمات في طريقة تدوير الإطارات rotation patterns للإطارات احادية الاتجاه.

https://www.pepboys.com/tires/treadsmart/tread_type/
http://www.barrystiretech.com/directionalandasymmetricaltires.html

شريط التآكل Wear bar

شريط/قضيب التآكل (مبين التآكل) هو جزء مرتفع يقع في الجزء السفلي للأخدود الذي يدل على أن الإطار وصل إلى الحد المسموح به للتآكل. في حالة تآكل نتوءات المداس إلى النقطة التي يتصل فيه شريط التآكل في خط متصل عبر المداس, فإن ذلك يدل على أن الاطار قد تآكل بالكامل ويجب استبداله. معظم شرائط التآكل تشير إلى أن هناك 1.6 مليمتر (0.063 بوصة) متبقية في سمك المداس ويعتبر الإطار بالي عند الوصول إلى تلك النقطة ويجب استبداله.  

حلقة/ حزام الإطار Bead

هو جزء من الإطار الذي يلامس حافة الجنط. الحزام في العادة يقوى عن طريق سلك صلب مع مطاط له مرونة منخفضة. الحزام يلتف حول حافتي الجنط بحزم بحيث يضمن عدم تسريب الهواء للإطار بدون انبوب داخلي tubeless tire.

الجدار الجانبي Sidewall                                                                                                                      

هو جزء من الإطار يصل بين المداس والحزام. الجدار الجانبي يتكون في المجمل من المطاط ولكنه مدعوم بنسيج به خيوط من الصلب لقوى الشد والمرونة. الجدار الجانبي يحتفظ بضغط الهواء ويقوم بنقل العزم من عمود الدفع إلى المداس لعمل التلاصق, ولكنه لا يشارك في حمل وزن السيارة. يتم صب الجدران الجانبية على النسيج ويسجل عليه معلومات مكتوبة لمواصفات ومقاس الإطار.

الكتف Shoulder

هو جزء من الإطار يصل المداس بالجدران الجانبية.

مجموعة خيوط/ تيلة Ply

هي مجموعة طبقات من الخيوط غير قابلة للاستطالة نوعا ومصنعة داخل طبقة من المطاط, لمنع المطاط من التمدد تحت تأثير الضغط. ميل تلك الخيوط له تأثير كبير في اداء الإطار, وهي واحدة من طرق تصنيف الإطار (إطارات ذات خيوط مائلة أو متقاطعة cross or bias ply tires أو إطارات ذات خيوط قطرية radial ply tires.

الخيوط cords التي تكون التيلة ply والمطاط الصناعي elastomer الذي يكسيهم. الخيوط توفر الشد الناجم من ضغط النفخ, ويصنع من الصلب, أو خيوط طبيعية قطن أو حرير أو خيوط صناعية من النيلون. المطاط الصناعي الذي يكون المداس tread ويغطي الخيط للمحافظة عليها ويبقيها في مكانها, مع مواد اخرى مثل السليكون والكربون الاسود.

المكونات المرتبطة بالإطار Associated components

هناك بعض المكونات والأجزاء الإضافية المطلوبة لجعل الإطار يشكل عجلة قادرة للقيام بعملها.

الجنط Wheel

يركب الإطار على الجنط wheel والذي له حافة rim على السطح الخارجي له للإبقاء على الإطار. جنوط السيارة تصنع في العادة من الصلب المضغوط والملحوم pressed or welded, أو من مواد مخلقة composite من سبائك المعادن, مثل الألومنيوم والمغانسيوم. هذه الجنوط من سبائك المعدن metal alloys قد تصنع عن طريق الصب أو الدرفلة cast or forged. يتم تربيط الجنط بالإطار مع صرة العجل عن طريق مسامير. ويتم تركيب غطاء للجنط hubcap فوق الجنط لإعطاء ناحية جمالية للعجل.

حلقة الإطار tire bead تركب على السطح الخارجي للجنط rim. السطح الخارجي للجنط يتم تشكيله بحيث يكون له شفة بالأحرف. يركب الإطار على الجنط عن طريق تثبيت حلقة الإطار على الجنط بواسطة الشفة الخارجية والداخلية للجنط.

الانبوب الداخلي Inner tube

معظم إطارات الدرجات, والعديد من إطارات الدرجات النارية, والكثير من إطارات المركبات الكبيرة مثل الحافلات, والشاحنات الثقيلة, والجرارات مصممة للاستخدام مع أنابيب داخلية inner tubes. الانبوب الداخلي هو بالون بشكل اسطوانة دائرية من المطاط الصناعي لمنع تسرب الهواء. الانبوب الداخلي يتم إدخاله بالإطار ويقوم بحفظ الهواء المضغوط.

انبوب صمام النفخ Valve stem

انبوب صمام النفخ valve stem هو انبوب مصنوع من المعدن أو المطاط, ويتم عن طريقه نفخ العجل, مع وجود صمام أحادي الاتجاه check valve, في العادة صمام شرادير Schrader valve بإطارات السيارات

والدراجات.  

عنق صمام النفخ يبرز من الجنط لسهولة الوصول إليه. ويتصل مباشرة مع حافة الجنط, في حالة الإطارات بدون انبوب نفخ tubeless tires, أو يكون كجزء لا يتجزأ من الانبوب الداخلي للإطار. مع الوقت عنق الصمام تتغير خواصه ولذا ينصح  بتغييره على فترات منتظمة أو تغييره مع الإطار لتقليل مخاطر تلفه وتسريب الهواء. وقد يصنع من النحاس أو من المطاط.

نظام متابعة النفخ TPMS

الان معظم سيارات الركوب الحديثة تتطلب أن يكون بها نظام متابعة الضغطTire Pressure Monitoring System (TPMS)  الذي يتكون في العادة من انبوب صمام نفخ متصل بوحدة الإليكترونية.

سلاسل الإطارات Tire chains

سلاسل الثلج snow chains, أو سلاسل الإطارات هي وسيلة تركب على إطار السيارة لتوفير اقصى تلاصق عند السير في الثلج snow والجليد ice, بالمناطق الباردة خاصة في فصل الشتاء.

تركب السلاسل إلى العجلات القائدة drive wheels للسيارة. على الرغم من تسميتها سلسلة صلبة steel chain, فهي يمكن ان تصنع من انواع اخرى من المعدن بأشكل مختلفة وقوى مختلفة. يتم شرائها كأزواج pairs ويجب شرائها لمقاس معين من الإطارات (قطر الإطار وعرضه) tire size (tire diameter and tread width). القيادة مع وجود السلاسل يقلل من اقتصاديات الوقود, ويمكن ان يقلل من السرعة المسموح بها للسيارة لحوالي 50 كم/ساعة (30 ميل/ساعة), ولكنها تزيد من الجر والفرامل. بعض المناطق تتطلب استخدام السلاسل في ظروف طقس معينة, وفي بعض المناطق تمنع استخدام السلاسل التي قد تضر بسطح الطرق.

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

يتبع To be continued

Automotive_Engineering22C

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