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).
- نظام نقل الحركة للسيارات الكهربائية Electric car power train.

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

o نظام نقل الحركة للسيارات الكهربائية Electric car power train:

نظام نقل الحركة التقليدي الموجود بسيارات الركوب هو ضروري للاستخدام مع محركات الاحتراق الداخلي. النظام تم تطويره لكي يقوم بنقل العزم من المحرك إلى العجلات لدفع السيارات. النظام يتكون من عدة اجزاء لنقل وتكبير العزم (القابض, ناقل الحركة اليدوي) أو (محول العزم, ناقل الحركة الذاتي), المتصلين بعمود نقل الحركة, الدفرنس, المحاور, أو بمجموعة نقل الحركة والمحور, والعجل. هذه المكونات ضرورية مع محرك الاحتراق الداخلي الذي له مدى سرعة صغير للعزم المناسب. ولا يولد عزم كافي عند السرعات المنخفضة, كما يحتاج إلى الوصول إلى سرعة يطلق عليها الحمل الخالي والتي يكون العزم المتولد قادر فقط على التغلب على الاحتكاك الداخلي للمحرك وإدارة انظمة التشغيل للمحرك (600-800 لفة/دقيقة).

تختلف خواص الموتور الكهربائي عن محرك الاحتراق الداخلي حيث يمكن للموتور الكهربائي توليد عزم عالي عند سرعة دوران تقارب للصفر ويستمر عليها إلى السرعة القصوى, عكس محرك الاحتراق الداخلي الذي يولد عزم منخفض عند سرعات الدوران المنخفضة ويولد عزم عالي مناسب عند السرعات العالية فقط, كما أن مدى سرعات العزم الفعال محدودة للغاية. ولهذا يحتاج محرك الاحتراق الداخلي لاستخدام قابض للوصول بسرعة السيارة من حالة التوقف الكامل إلى سرعة ذات عزم مناسب لتحريك السيارة. وكذلك إلى تحتاج إلى صندوق تروس/ ناقل حركة لزيادة مدى عزم المحرك الفعال لتشغيل السيارة خلال سرعات وظروف تشغيل مختلفة. ولاختلاف خواص الموتور الكهربائي فإن استخدام القابض وناقل الحركة غير مطلوب لدفع السيارة الكهربائية من التوقف الكامل, إلى سرعات السير العالية تحت مختلف الظروف.

الموتور الكهربائي	محرك الاحتراق الداخلي

السيارة الكهربائية (مثال على ذلك نيسان ليف Nissan Leaf) لا تستخدم أي من ناقل الحركة التقليدي الذاتي أو اليدوي automatic or manual transmission. فهي تستخدم تخفيض تروس واحد للسرعة single speed reduction gear ونسبة التخفيض النهائية final drive ratio لها 7.9377 التي تصل بالسيارة إلى سرعة قصوى 94 ميل في الساعة. ومثال أخر للسيارات الكهربائية: السيارة تسلا موديل أس Tesla Model S والتي تستخدم تخفيض واحد single speed stepdown transmission, بنسبة تخفيض تساوي 9.73, ويمكن للموتور دفع السيارة 130 ميل/ ساعة وتصل السيارة من سرعة صفر إلى 60 ميل في الساعة خلال 4 ثوان, وهي لا تحتاج إلى ناقل حركة متعدد النقلات أيضا.

السبب في أن السيارات الكهربائية لا تحتاج إلى ناقل الحركة المعتاد, ولكن تستخدم ترس تخفيض واحد single speed reduction gear يمكن ان يتخلص في شقين:

- خواص الموتور الكهربائي: سيارات محركات الاحتراق الداخلي التقليدية لها مدى ضيق من العزم narrow torque band. هذا يتطلب استخدام صندوق التروس transmission (بنسب تخفيض متعددة) للسماح للمحرك للعمل بأداء ذو كفاءة لدفع السيارة خلال ظروف التشغيل المختلفة. أما المحركات الكهربائية فإنها تولد عزم عالي خلال مدى سرعة دورانها. أي أنها يمكن ان تولد عزم عالي عند سرعة دوران تساوي صفر تقريبا وتستمر بتوليد العزم خلال مدى السرعة الذي يمتد من صفر حتى الوصول إلى السرعة القصوى. ولذلك ليس هناك حاجة إلى ناقل للحركة. وحيث أن الموتور يولد عزم عند سرعة صفر فلن يكون هناك حاجة إلى أيضا إلى قابض clutch الذي يحدث له انزلاق في بداية نقل الحركة لضبط سرعة دوران المحرك مع سرعة دوران عجل السيارة (المتوقفة عند بداية الحركة). كما إنه يمكن تحريك السيارة الكهربائية للخلف بدون الحاجة إلى نقلة خلفية, حيث يتم ذلك عن طريق عكس التيار الكهربائي الداخل للموتور الكهربائي عن طريق التحكم الإليكتروني.

- البساطة simplicity: إضافة ناقل حركة متعدد النقلات سوف يضيف وزن إضافي للسيارة الكهربائية, وزيادة التعقيدات, وزيادة الاحتكاك, وخفض الكفاءة.

نظام توليد الطاقة ودفع السيارات الكهربائية

السيارات الكهربائية قد تستخدم نظام موتور كهربائي واحد لدفع السيارة, غالبا يركب مع مجموعة نقل الحركة والمحور transaxle بنسبة تخفيض واحدة (نسبة التخفيض الخلفية final drive ratio). قد يركب الموتور الكهربائي على المحور الصلب الخلفي ويتصل مع علبة التروس الخلفية/ الدفرنس. وقد يركب مع مجموعة ناقل الحركة والمحور ذات نسبة التخفيض الواحدة بالمحاور ذات التعليق المستقل independent suspension. كما أن هناك سيارات كهربائية تستخدم نظام موتور كهربائي مستقل لكل عجلة  hub drive motor بدون استخدام علبة تروس فرقية/ دفرنس ويتم التحكم في اختلاف السرعات بين العجلات عند انعطاف/ تحويد السيارة عن طريق التحكم الإليكتروني.

موتور كهربائي دفع المحور الخلفي تعليق غير مستقل	موتور كهربائي تعليق مستقل	موتور كهربائي مستقل لكل عجلة

الموتور الكهربائي للسيارات الكهربائية المستخدم MG هو موتور/ مولد Motor/Generator:

واحدة اخرى من خواص السيارات الكهربائية هي امكانية استخدام فرامل استعادة الطاقة (طاقة الحركة kinetic energy) regenerative brake بدلا أو مع الفرامل الاحتكاكية friction brake المستخدمة بالسيارات التقليدية والتي تؤدي إلى فقد الطاقة (تحويلها إلى طاقة حرارية مهدرة).

فرامل استعادة الطاقة regenerative brake هي إلية لاستعادة الطاقة energy recovery والتي تقوم بإبطاء السيارة عن طريق تحويل طاقة الحركة kinetic energy إلى شكل اخر للطاقة (طاقة كهربائية) يمكن استخدامها مباشرة أو تخزينها لحين الحاجة إليها. هذا يختلف مع نظام الفرامل التقليدية, حيث يتم تحويل طاقة الحركة إلى حرارة غير مرغوب فيها عن طريق الاحتكاك في الفرامل. نظام فرامل هذا بالإضافة إلى عمله لاستعادة الطاقة فإنه يحسن من الكفاءة الكلية للسيارة,  ويؤدي أيضا إلى زيادة العمر التشغيلي لأجزاء الفرامل الاحتكاكية (بطانات الاحتكاك, والقرص أو الاسطوانة).

خرج صندوق التروس لمحرك احتراق داخلي

السبب الرئيسي الذي يجعل السيارات التي تدفع بمحرك احتراق داخلي تحتاج إلى تروس هي أن تلك المحركات تولد فقط عزم كافي عند سرعات دوران عالية. ولهذا للحركة من وضع الثبات نحتاج إلى صندوق تروس لتكييف سرعة الدوران العالية للمحرك مع حركة العجل من الثبات. الموتور الكهربائي من الجهة الأخرى يمكنه توليد عزم تقريبا عند السرعة الثابتة, ولذا لا يحتاج إلى ناقل حركة/ وقابض gearbox/clutch. هذا يجعل النظام اكثر بساطة ميكانيكا واخف وزنا...الخ.

سبب أخر لاحتياج سيارات محرك الاحتراق الداخلي إلى صندوق تروس ان مدى سرعة التشغيل الكفء له ضيق نسبيا. ولذا يكون هناك حاجة إلى المزيد من التروس تسمح للمحرك للعمل بكفاءة على نطاق واسع من السرعات.

كما تحتاج السيارة إلى نقلة خلفية لدفع السيارة للخلف, حيث لا يمكن عكس حركة المحرك, وهو ما يمكن عمله للموتور الكهربائي.

الخلاصة ان إضافة صندوق التروس للسيارة الكهربائية يضيف وزنا وتعقيد للسيارة مع فائدة ضئيلة. ولكن في حالة احتياج السيارة لاستخدام نقلة اخرى عند السير على الطرق السريعة فقد يكون هذا من اجل إطالة مدى الشحن وعمر البطارية.

الموتور الكهربائي المستخدم AC or DC MG (motor generator), والبطاريات المستخدمة:

تستخدم المركبات الكهربائية (الروافع الكهربائية, والسيارات, والقطارات,..... ) موتورات كهربائية تعمل بتيار كهربائي مختلف:

- في حالة ان الموتور ذو تيار مستمر DC motor, فيمكن أن يعمل على أي جهد من 96 إلى 192 فولت.

- في حالة ان الموتور ذو تيار متردد AC motor, فهو يكون في العادة ذو ثلاث مراحل three-phase يعمل على جهد 2450 فولت مع بطاريات 300 فولت.

توصيلات الموتور ذو التيار المستمر اسهل وأرخص. كما أن الموتور الكهربائي له خاصية إمكانية تحميله بأكثر من القدرة المقررة له overdrive (up to a factor o 10-to-1) لفترة قصيرة من الزمن. فمثلا الموتور 20,000 وات  يمكن أن يتقبل 100,000 وات لفترة قصيرة وتوفر 5 مرات القدرة المقررة. هذا يعطى انطلاقات من التعجيل. الحد من استمرار استخدامها هو زيادة حرارة الموتور. مع زيادة التحميل لفترة طويلة يؤدي ذلك إلى سخونة الموتور ويؤدي إلى تلفه.

استخدام الموتور الكهربائي لدفع السيارات يعني أقل حرارة, اقل ضوضاء, وكفاءة اعلى (اكثر من 90%( وعزم متوفر عند أي سرعة.

السيارات الكهربائية Electric cars:

سيارات نيسان ليف تستخدم موتور كهربائي AC synchronous motor الذي يمكنه ان يدور بسرعة 10,390 لفة في الدقيقة. ولذا تستخدم السيارة تخفيض نهائئ مقدارة 7.9377.

* واحدة من الخواص الملازمة للموتورات الكهربائية (المنحنى على اليسار) هو توليد العزم عند سرعة صفر. هذا يعطيها ميزة عن محركات الاحتراق الداخلي (المنحنى على اليمين) للدفع السيارة من الثبات دون الحاجة إلى قابض.

* يوفر التحكم الإليكتروني الألية المطلوبة للتحكم في خواص العزم والسرعة للموتورات الكهربائية لتناسب العمل بالسيارات.

السيارات الكهربائية المتحولة Electric vehicle conversion:

يقوم بعض الهواة بتحويل السيارات محرك الاحتراق الداخلي إلى سيارات كهربائية, ويتم ذلك في العادة باستبدال محرك الاحتراق بالموتور الكهربائي بما يعرف بالسيارات المتحولة conversion, وفيها يتم استخدام الموتور مع نظام نقل الحركة التقليدي. ولكن في العادة السيارات الكهربائية لا تحتاج إلى نظام نقل حركة. وبعض السيارات الكهربائية بها نقلتين للحصول على سرعة قصوى أعلى.

https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_car  Electric car

https://www.fueleconomy.gov/feg/evtech.shtml All-Electric Vehicles

https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle Electric vehicle

http://www.consumerreports.org/cro/2013/03/electric-cars-101/index.htm Electric cars 101

http://www.utc.edu/college-engineering-computer-science/research-centers/cete/electric.php Electric vehicles ***

https://en.wikipedia.org/wiki/Wheel_hub_motor Wheel hub motor

https://en.wikipedia.org/wiki/Protean_Electric Protean electric

https://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_brake Regenerative brake

http://www.greenoptimistic.com/electric-cars-gears/#.VxZjw8clfyg Electric cars gears

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_electric_cars_currently_available List of electric cars currently available

https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle_conversion Electric vehicle conversion

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