نظرية عمل وتصنيف الفرامل

Brake System Overview

أهمية نظام الفرامل بالسيارة:

يعتبر نظام الفرامل أهم الأنظمة الموجودة بالسيارة, حيث تعتمد سلامة المركبة والركاب بالإضافة إلى سلامة المشاة والسيارات والممتلكات على جانبي الطريق على الله أولاً ومن ثم على مدى صلاحية الفرامل للعمل, وهو من أكثر الأنظمة التي يتعامل معها السائق ويقدر عدد مرات الضغط على بدال الفرامل بمقدار 50.000 مرة بالسنة.  ولذلك يجب على فني الفرامل أن يكون على دراية تامة بأجزاء النظام ويكون لديه الكفاءة العالية في إجراء عمليات التشخيص والفحص والصيانة والإصلاح.

نظرية عمل الفرامل:

يجب أن نعرف أولاً أن "الفرامل توقف العجل وليس السيارة", وهذه هي وظيفة الفرامل. ولكن الاحتكاك بين الإطار والطريق هو الذي يتمم ذلك. الغرض من نظام الفرامل هو إيقاف السيارة عن طريق إيقاف العجلات, ولكن الاصطدام بحائط أو شجرة يوقف السيارة أيضاً, ولهذا يجب أعادة صياغة تلك الجملة لتصبح "الغرض من الفرامل هو العمل على إيقاف السيارة بدون إتلاف السيارة أو إصابة الركاب بالضرر. 

عند تشغيل السيارة تتحول الطاقة المختزنة بالوقود, عن طريق الاحتراق, إلى طاقة حرارية. هذه الطاقة الحرارية جزء منها يصل للجو عن طريق نظام التبريد وجزء يخرج مع نظام العادم, والجزء المتبقي من تلك الطاقة يتحول إلى شغل لتحريك السيارة والجزء الأخر يختزن في السيارة على صورة طاقة حركة.

طاقة الحركة Kinetic Energy (KE):

طاقة الحركة للسيارة, هي الطاقة الموجودة بالسيارة التي تعمل على أبقاء السيارة في حالة حركة (القصور الذاتي). وتعتمد تلك الطاقة على كتلة وسرعة السيارة, فكلما زادت سرعة السيارة أو كتلتها أو الاثنين معاً كلما كانت السيارة تحتوي على طاقة عالية للحركة.
طاقة الحركة للسيارة = نصف كتلة السيارة × (سرعة السيارة)² ,

ط ح = ½ ك ع² ((KE= ½ m v²
حيث:
ط ح = طاقة الحركة (جول) (KE)

ك = كتلة السيارة ( كجم)(m)

ع = سرعة السيارة (م/ث) (v)

الفرق بين السيارة المتوقفة والسيارة المتحركة, هو أن السيارة المتحركة تحتوي على طاقة حركة والسيارة المتوقفة لا تحتوي على تلك الطاقة. ولإيقاف السيارة ما نحتاجه ببساطة هو التخلص من طاقة الحركة حتى تصبح السيارة بدون طاقة حركة وتتوقف. وكما نعلم أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم إلا بإذن الله, ولذلك فأنه لا يمكن ببساطة التخلص من طاقة الحركة لإيقاف السيارة. الحل هو أنه بدل من التخلص من الطاقة نلجأ إلى تحويل الطاقة إلى شكل أخر من أشكلها. وفي حالة تحويل طاقة الحركة الموجودة بالسيارة إلى أي صورة من صور الطاقة أخرى تصبح السيارة بدون طاقة حركة وتقف. والمطلوب لإيقاف السيارة إذا هو عمل نظام يعمل على تحويل طاقة الحركة إلى نوع أخر من الطاقة, وعلى أن يتم ذلك في وقت قصير (للحصول على توقف سريع للسيارة) وهذا النظام هو نظام الفرامل.

شكل 1: الفرق بين السيارة الثابتة (المتوقفة) والسيارة المتحركة هي أن السيارة المتحركة لها طاقة حركة, والسيارة المتوقفة بدون طاقة حركة. ولذلك لإيقاف السيارة نحول طاقة الحركة الموجودة بالسيارة المتحركة إلى نوع أخر من الطاقة (طاقة حرارية), فتصبح السيارة بدون طاقة حركة وتتوقف

الاحتكاك Friction:

عند الدعس على بدال الفرامل تقوم بطانات الاحتكاك بملامسة السطح الدوار من السيارة  والضغط عليه (سواء كان الدارة أو القرص) نتيجة تأثير قوة عمودية على السطحين متولدة من النظام الهيدروليكي للفرامل. نتيجة للاحتكاك بين سطح البطانات المثبت بالسيارة, بالسرج أو باللوح الخلفي للفرامل والسطح الدوار المتصل بالعجل, القرص أو الدارة تتولد قوة احتكاك في عكس اتجاه الحركة الدورانية للعجل و ينتج حرارة. وتتحول طاقة الحركة للسيارة إلى طاقة حرارية, ونتيجة لتناقص طاقة الحركة تتناقص سرعة السيارة حتى تتحول كل طاقة الحركة للسيارة إلى طاقة حرارية وينتج عن الاحتكاك؛ حرارة وتآكل للأسطح المحتكة.

ويعتمد الاحتكاك على:

- نوع المادة المصنع منها الجسمين

- حالة السطح

- القوة المؤثرة بين السطحين

ولا تعتمد قوة الاحتكاك على مساحة التلامس بين السطحين المحتكين أو السرعة النسبية بينهما.  يحدث التالي نتيجة الاحتكاك بين البطانة والسطح الدوار: يكون هناك تآكل في الأسطح المحتكة, هناك حرارة متولدة يجب التخلص السريع منها (تبريد الفرامل). في حالة عدم التخلص من الحرارة ترتفع درجة حرارة الأجزاء المحتكة وتؤدي إلى ظاهرة اضمحلال الفرامل.

وظيفة عمل الفرامل بالسيارة

هناك ثلاث وظائف أساسية للفرامل بالسيارة:

1. تقليل سرعة السيارة وإيقافها.

2. الحفاظ على سرعة السيارة ثابتة عند نزول المنحدرات.

3. تثبيت السيارة عند وقوفها على طريق مائل.     

هذا وتستخدم الفرامل في النظم الحديثة للسيارات في عدة مهام:

- نظام منع انزلاق العجلات (منع دوران العجلة والسيارة ثابتة في بداية الحركة) TCS

- نظام المحافظة على أتزان السيارة أثناء الدخول في منعطفات ESP

- نظام شحن البطارية أثناء الفرملة Regenerating brakes

تصنيف الفرامل

يمكن تصنيف الفرامل بعدة تصنيفات مثل:

أ. طريقة نقل قوة الفرملة من البدال (الدعسة) إلى العجلات.

ب. وظيفة الفرملة.

جـ. نوع فرامل العجل.

أ- تصنيف الفرامل حسب طريقة نقل قوة الفرملة من البدال إلى العجلات:

· الفرامل الميكانيكية brakes Mechanical (تستخدم الأسلاك والأعمدة والحدبات لنقل الحركة).كما في الشكل (2).

· الفرامل الهيدروليكية Hydraulic brakes (تستخدم أنابيب وليات وأسطوانات لنقل ضغط وحركة زيت الفرامل) كما في الشكل (3).

· فرامل الهواء Air brakes (تستخدم ضاغط هواء وخزانات وصمامات تحكم وأنابيب لنقل الهواء المضغوط).كما في الشكل (4).

· الفرامل الكهربائية Electric brakes (تستخدم الأسلاك والمرحلات لنقل الكهرباء) شكل (5).

شكل (2): الفرامل الميكانيكية	شكل (3): الفرامل الهيدروليكية

شكل (4): الفرامل الهوائية	شكل (5): الفرامل الكهربائية

ب- تصنيف الفرامل حسب وظيفتها:

· فرامل الخدمة brakes Service (وهي الفرامل المستخدمة لتقليل سرعة السيارة وإيقافها).

· فرامل التثبيت (التوقف)  Parking brakes (فرملة تستخدم عند توقف السيارة عن طريق رافعة بسقاطة تشغل باليد أو بالقدم).

· الفرامل الإضافية brakes Auxiliary (وهي التي تستخدم مع المقطورة أو المبطئات Retarder  المستخدمة مع الشاحنات).

جـ- تصنيف الفرامل حسب نوع فرامل العجل

· الفرامل الانفراجية (الدارة) Drum brakes.

· الفرامل الإنقباضية (القرصية) Disk brakes.

مكونات نظام الفرامل (فرامل الخدمة وفرامل التثبيت):

يبين الشكل(6) مكونات وأجزاء نظام الفرامل حيث يتكون النظام من التالي:

شكل (6): مكونات نظام الفرامل الهيدروليكية وفرامل التثبيت

q بدال (دعسة ) الفرامل Brake pedal   وسيلة نقل القوة من قدم السائق إلى نظام الفرامل.

q المؤازر Booster يعمل على زيادة قوة الدعسة.

q الاسطوانة الرئيسية cylinder Master تعمل على تحويل قوة الدعسة إلى ضغط هيدروليكي.

q أنابيب وليات الفرامل Brake tubes & hoses لنقل سائل الفرامل إلى أسطوانات العجل.

q صمامات الفرامل Brake valves للتحكم في ضغط الفرامل لتجنب غلق العجلات.

q أسطوانات العجل Wheel cylinders تحول ضغط الزيت إلى قوة تؤثر على بطانات الاحتكاك.

q فرامل العجل (القرصية - الانفراجية) تنتج قوة احتكاك بين بطانات الاحتكاك وسطح الأجزاء الدوارة (القرص أو الدارة).

q فرامل التثبيت (التوقف) لتثبيت السيارة عند التوقف.

طريقة عمل فرامل الخدمة بالسيارة Service brakes

 لإيقاف السيارة تؤثر قدم السائق بقوة على بدال الفرامل, تتحول القوة إلى ضغط هيدروليكي في الأسطوانة الرئيسية لسائل الفرامل، وينتقل هذا الضغط من خلال أنابيب إلى أسطوانات العجل التي تقوم بتحويل ضغط الفرامل إلى قوة عمودية تدفع بطانات الاحتكاك ضد الأجزاء الدوارة مع العجل (القرص أو الدارة).  تعمل القوة العمودية إلى توليد قوة احتكاك تؤثر في عكس اتجاه حركة الجزء الدوار وتؤدي إلى تقليل سرعته وإيقافه.  وحيث أن الجزء الدوار (القرص أو الدارة) متصل بالعجلة فإن ذلك يؤدي إلى إيقاف السيارة. ويتصل ببدال الفرامل مفتاح إضاءة لمبة تحذير التوقف الخلفية. عند الضغط على البدال تضيء لمبة في الخلف لتنبيه السائق في السيارة التي تسير بالخلف أن السيارة التي بالأمام  في حالة تباطؤ.

طريقة عمل فرامل التثبيت بالسيارة Parking brakes

وظيفة فرامل التثبيت هو تثبيت السيارة عند توقفها ولا يلزم وجود السائق بداخل السيارة حتى تعمل. وتكون فرامل التثبيت مستقلة عن فرامل الخدمة من ناحية تأثير القوة, ففي حالة تلف دائرة الخدمة يمكن استخدام فرامل التثبيت في إيقاف السيارة كمصدر للطوارئ (ومن هنا جاء تسميتها في بعض المراجع بفرملة الطوارئ). وتشترك فرامل التثبيت والخدمة في استخدامهما لفرامل العجل في توليد قوة الاحتكاك. وتصنف فرامل التثبيت من ناحية التشغيل كفرامل ميكانيكية حيث أنها تستخدم  التوصيلات الميكانيكية في نقل تأثير القوة إلى فرامل العجل. وتؤثر فرامل الخدمة في معظم السيارات على عجلات المحور الخلفي فقط. وتنص المواصفات بأن تكون قوة فرامل الخدمة في حدود 30% من قوة فرامل الخدمة.

وتتكون فرامل التثبيت من وسيلة تأثير القوة وهي رافعة يدوية (ومن هنا جاء تسميتها في بعض المراجع بفرملة اليد) تكون موجودة في أرضية السيارة على يمين السائق. أو تحت التابلوة. وفي معظم السيارات الأمريكية تؤثر القوة عن طريق بدال بالقدم موجد في أقصى اليمين.  عند جذب الرافعة أو الضغط على بدال  فرامل التثبيت يجذب سلك (كابل). هذا السلك يقوم بجذب سلكين كل سلك متصل بإحدى العجلات الخلفية عن طريق وسيلة تأمن مساوة الشد في السلكين. يؤثر الشد في كل السلكين على دفع بطانات الاحتكاك لتضغط على الجزء الدوار وتمنعه من الدوران وتثبيته عن طريق تركيبة معينة تختلف قد تختلف من سيارة إلى أخرى حسب التصميم. ولإبقاء الشد مستمر في الأسلاك مع عدم وجود السائق توجد بالرافعة أو ببدال القدم سقاطة تمنع الرافعة من العودة للوضع الأول. عند استخدام فرملة التثبيت تضئ لمبة على التبلوة لتنبيه السائق من أن فرملة الثتبيت في وضع التشغيل. عند بدأ السير يقوم السائق بعتق فرامل التثبيت أما عن طريق الضغط على السقاطة وتحرير الرافعة وجعلها في وضع عدم التشغيل, أو الضغط مرة أخرى على بدال التثبيت لتفعيل دائرة تخلل تقوم بتحرير البدال وعتق فرامل التثبيت. أ أ أ

ملخص

* يعمل نظام الفرامل على تحويل الطاقة الحركية للسيارة إلى طاقة حرارية عن طريق الاحتكاك.

* يتكون نظام الفرامل من أسطوانة رئيسية متصلة هيدروليكياً عن طريق أنابيب وليات إلى وحدة الفرامل   القرصية والانفراجية التي توقف العجل.

* الفرامل الميكانيكية تعمل عن طريق كبلات وأذرع وتستخدم في فرامل التثبيت.

* كثيرُ من السيارات بها نظام منع غلق العجلات لتحسين أداء الفرامل عند الفرملة القصوى, وعلى الأرض الزلقة.

* تعتمد قوة الاحتكاك بالفرملة على الضغط الواقع على سطحي الاحتكاك ونوع سطحي الاحتكاك.

المصطلحات في هذا الباب
احتكاك	Friction	طاقة الحركة	Kinetic energy
الفرامل الميكانيكية	Mechanical brakes	الفرامل القرصية	Disk brake
الفرامل الكهربائية	Electric brakes	الفرامل الانفراجية	Drum brakes
الفرامل الهيدروليكية	Hydraulic brakes	المؤازر	Booster
فرامل الخدمة	Service brakes	الاسطوانة الرئيسية	Master cylinder
فرامل التثبيت (التوقف)	Parking brakes	صمامات	Valves
الفرامل الإضافية	Auxiliary brakes	بدال الفرامل	Brake pedal
بطانات الاحتكاك	Brake lining /pads	طاقة الحركة	Heat energy
نظام منع غلق العجلات	ABS	اضمحلال الفرامل	Brake fade

اختبار ذاتي رقم (1)

أجب عن الأسئلة الآتية ثم:

1- اذكر الأجزاء الرئيسية في نظام الفرامل وأشرح الغرض من كل جزء ؟

2- ما وظيفة الفرامل بالسيارة ؟

3- ما نوع فرامل سيارتك من ناحية تصنيف فرامل العجل؟

4- الاحتكاك يولد .................................................  والتي يجب التخلص منها.

5-     يقول الفني الأول:

أن فرامل الخدمة تستخدم لتثبيت السيارة عند توقفها.

ويقول الفني الثاني:

أن فرامل الخدمة تستخدم لتوقيف السيارة عند تحركها.

أيهما اصح ؟

         (أ) الفني الأول فقط.                  (ب) الفني الثاني فقط.

         (جـ) الفني الأول والثاني.            (د) لا الفني الأول ولا الثاني.

6-     يقول الفني الأول:

أن طاقة الحركة تتحول إلى طاقة حرارية عن طريق الاحتكاك.

           ويقول الفني الثاني:

         أن الاحتكاك يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة بطانة الاحتكاك.

أيهما اصح ؟

         (أ) الفني الأول فقط.                           (ب) الفني الثاني فقط.

         (جـ) الفني الأول والثاني.                     (د) لا الفني الأول ولا الثاني.

7- اذكر الأجزاء الخاصة بنظام الفرامل؟

رقم الجزء	الجـــــــــزء	رقم الجزء	الجـــــــــزء
1		8
2		9
3		10
4		11
5		12
6		13
7		14

المراجع

1- Birch, Thomas W., “Automotive Braking Systems”, Harcourt Brace College Publishers, 2^nd Edition.

2- Birch, Thomas W., “Automotive Braking Systems”, Delmar Publishers, 3^rd Edition, 1990.

3- BOSCH, “Automotive Handbook”, Robert Bosch GmbH, 3^rd edition, 1993.

4- BOSCH, “Brake Systems”, Technical Instruction, Robert Bosch GmbH, 1995.

5- Chart, Check, “Automotive Brake Systems, Harper & Row, Publishers, NY.

6- Duffy, James E., “Modern Automotive Technology”, The Goodheart-Wilcox Company, Inc. , 2000.

7- Eichhorn, Lane- Owen, Clifton, “Automotive Brake Systems”, Today’s Technician Series, Delmar, 2001.

8- Erjavec, Jack- Scharff, Robert, “Automotive Technology”, Delmar Pub. 1996.

9- Halderman, James D., “Automobile Brake Systems”, Prentice Hall, 2000.

10- Heisler, Heinz, “Advanced Vehicle Technology”, Edward Arnold, 1989.

11- Hillier, V.A.W., ”Fundamentals of Motor Vehicle Technology”, Stanley Thornes (Publishers) Ltd., 4^th edition, 1991.

12- Johanson, Chris- Stockel, Martin, “Auto Brakes Technology”, The Goodheart-Willcox Company, Inc., 2000.

13- Lahue, Kalton C., “Automotive Brakes and Antilock Braking Systems”, West Publishing Company, 1995.

14- Remling, John, “Brakes”, John Wiley & Sons, New York.

15- Stockel, M. W.; Stockel, M.T.; and Johanson, C., “Auto Service and Repair”, The Goodheart-Willcox Company, Inc., 1991.

16- Thiessen, Frank J., “Automotive Braking Systems”, A Reston Book.

17- Thiessen, Frank; Dales, Davies, “ Automotive Steering, Suspension, and Braking Systems”, Reston Publishing Company, Inc.

18- TOYOTA, “Brake System”, Toyota Motor Corporation, 1999.

19- TOYOTA, “PDS & Periodic Maintenance”, Toyota Motor Corporation, 2000.

20- TOYOTA, “Fundamentals of Servicing”, Toyota Motor Corporation, 2000.

21- www.thecartech.com