فرامل الخدمة Service brakes

مقدمة

فرامل الخدمة هي الفرامل التي تستخدم أثناء سير المركبة, وتعمل على تقليل سرعة المركبة وإيقافها عند الحاجة, وكذلك المحافظة على سرعة السيارة أثناء نزول منحدر. وتتكون فرامل الخدمة من بدال الفرامل, المؤازر, الدائرة الهيدروليكية, فرامل العجل, ويضاف عليها نظام منع غلق العجلات في بعض السيارات. وعليه فيمكن تقسيم فرامل الخدمة إلى أربعة أجزاء:
الجزء الأول يختص بتوفير القوة اللازمة للفرامل وهذا الجزء يحصل على تلك القوة من السائق ومن مصدر إضافي (البدال والمؤازر).
الجزء الثاني يختص بنقل تلك القوة إلى العجلات (النظام الهيدروليكي).
الجزء الثالث هو وسيلة الحصول على قوة الاحتكاك المطلوبة لفرملة السيارة (فرامل العجل). وتستخدم فرامل العجل (غالبا بالمحور الخلفي) كذلك مع فرامل التثبيت.
الجزء الرابع (اختياري) يوجد في بعض السيارات (نظام التحكم الإليكتروني في الفرامل).

البدال هو وسيلة التخاطب والاتصال بين السائق ونظام الفرامل. ويتحكم السائق في نظام الفرامل عن طريق البدال. زيادة قوة الدعسة تؤدي إلى زيادة قوة الفرامل والعكس صحيح. ويعمل البدال على نقل قوة دعسة السائق وتكبيرها.

المؤازر هو الجزء الذي يلي بدال الفرامل في دائرة فرامل الخدمة. وهو يستخدم الآن في معظم السيارات بشكل عام. ويقوم المؤازر بتكبير قوة البدال عند نقلها للنظام الهيدروليكي للفرامل. ويحصل المؤازر على القوة التي يؤازر بها أما عن طريق استخدام التخلخل الناتج في مجمع سحب المحرك, أو عن طريق ضغط هيدروليكي فيما يعرف بالمؤازر الهيدروليكي.

الفصل الأول

بدال الفرامل (الدعسة) Brake pedal

تبدأ عملية الفرملة بضغط السائق على بدال الفرامل, فعندما يؤثر السائق بقوة على بدال الفرامل تنتقل هذه القوة إلى مكبس الأسطوانة الرئيسية (عن طريق المؤازر في معظم السيارات). ويعمل البدال بالإضافة إلى نقل القوة,  إلى  تكبير هذه القوة. ويركب البدال في غالبية السيارات, في حامل معلق تحت تابلوه (لوحة مفاتيح) السيارة شكل (1).

شكل (1): تثبيت بدال الفرامل

 ويحتوي الحامل على محور تثبيت البدال (محور البدال). ويتصل بالبدال تحت محور التثبيت ذراع دفع, هذا الذراع يتصل بالأسطوانة الرئيسية إما مباشرة أو من خلال المؤازر كما في شكل (2).  عند الضغط على البدال يتحرك البدال حول محور البدال, ويتحرك ذراع الدفع المتصل بالبدال للأمام  ليدفع مكبس الأسطوانة الرئيسية (مباشرة أو عن طريق ذراع دفع المؤازر).

شكل (2): توصيلة البدال وقيمة نسب البدال

وظيفة البدال

q نقل القوة من قدم السائق إلى المؤازر / مكبس الأسطوانة الرئيسية.

q تكبير القوة المنقولة (التكبير الميكانيكي للبدال).

q نقل الحركة من قدم السائق إلى المؤازر/ مكبس الاسطوانة الرئيسية.

بالإضافة إلى:

q يعمل البدال في تشغيل صمام التحكم بالمؤازر لتحديد قوة المؤازرة

q يعمل البدال على تشغيل مفتاح لمبة تحذير أنوار الفرامل الخلفية بالسيارة

التكبير الميكانيكي للبدال  Mechanical advantage (MA)

هو نسبة تكبير للبدال يضاعف بها القوة المؤثرة من قدم السائق وتسمى التكبير الميكانيكي أو نسبة البدال (Pedal ratio) وتكون في حدود (5:1) بالنسبة للفرامل بدون مؤازر وفي حدود (3:1) للفرامل ذات المؤازر كما في شكل (3).

ويعرف التكبير الميكانيكي بأنه النسبة بين المسافة من دعسة البدال إلى محور البدال منسوبة إلى المسافة من ذراع الدفع إلى محور البدال.

شكل (3): نسبة البدال MA =r₁/r₂ = F_r/F_p

ويعمل التكبير الميكانيكي على زيادة قوة السائق و لكن في نفس الوقت تقل مسافة حركة ذراع الدفع كما في الشكل (4).

حيث أن :

Fr	قوة ذراع الدفع	N
Fp	قوة قدم السائق	N
MA	التكبير الميكانيكي للبدال

وتأتي زيادة قوة البدال المنقولة إلى ذراع الدفع على حساب تقليل مسافة حركة ذراع الدفع

حيث أن :

Sp	مسافة حركة قوة قدم السائق	m
Sr	مسافة حركة ذراع البدال	m

شكل (4): مسافة حركة ذراع الدفع

وتقل مسافة حركة ذراع الدفع عن مسافة حركة البدال بنسبة التكبير الميكانيكي.

مثال:

يضغط السائق على بدال الفرامل بقوة مقدارها 100 نيوتن, التكبير الميكانيكي للبدال 3.

أ) ما هي قوة القوة المنقولة إلى ذارع الدفع المؤثر على الاسطوانة الرئيسية؟

ب) في حالة أن البدال هبط لمسافة 36 مم تحت تأثير ضغط قدم السائق, ما قيمة مسافة حركة ذراع الدفع؟

الحل:

أ) قوة ذراع الدفع للبدال = قوة الضغط على البدال × التكبير الميكانيكي للبدال

= 100 × 3 = 300 نيوتن.

ب) مسافة حركة بدال ذراع الدفع = مسافة حركة البدال / التكبير الميكانيكي للبدال

= 36 ÷ 3 = 12 مم.

* يلاحظ أن مقدار الشغل الميكانيكي المبذول من قدم السائق يساوي الشغل المبذول من ذراع الدفع للبدال (الشغل = قوة × مسافة)

الشغل الميكانيكي = قوة ضغط السائق × مسافة حركة البدال = قوة ذارع البدال × مسافة حركة ذراع الدفع

= 100 × 36 = 300 × 12 = 3600 نيوتن مم = 3.6 نيوتن متر (مع افتراض أن كفاءة نقل الحركة 100% ولا يوجد فقد في الاحتكاك نتيجة حركة البدال)

مسافات البدال:

يلعب البدال دوراً كبيراً في أداء وعمل الفرامل. فيجب أن يكون على ارتفاع محدد من أرضية السيارة حسب المواصفات الفنية للسيارة شكل (6).

شكل (6): ارتفاع البدال

والمسافة بين البدال وأرضية السيارة (ارتفاع البدال) (كما في شكل 7)

ارتفاع البدال = المسافة الحرة للبدال + مشوار البدال + المسافة المتبقية للبدال

- المسافة الحرة للبدال؛ وهي مسافة حرة يتحركها البدال قبل بداية التأثير على الفرامل. وينص عليها في مواصفات السيارة. عدم وجود مسافة حرة للبدال تؤدي إلى عدم تمكن مكبس الاسطوانة الرئيسية من الرجوع للخلف بعد نهاية رفع القدم ويؤدي إلى تحميل الفرامل. في حالة وجود مسافة حرة أقل من المواصفات تؤدي إلى عدم التخلص من الفرملة بالسرعة المطلوبة بعد رفع القدم من على الدعسة, وقد تحمل الفرامل في حالة ارتفاع درجة حرارة أجزاء الفرامل وتمدد الأجزاء. في حالة وجود مسافة حرة كبيرة للبدال يؤدي ذلك إلى تأخير الفرامل وزيادة مسافة التوقف.

- مشوار البدال؛ وهو المشوار الفعال الذي يتحركه البدال ليدفع السائل بالدائرة. ويعتمد على أبعاد الأسطوانة الرئيسية وأسطوانات العجل والخلوصات بين البطانات والأجزاء الدوارة. المشوار القليل يؤدي إلى صعوبة التحكم في الفرامل (حساسية عالية  للفرامل). المشوار الطويل يزيد من زمن الفرملة ويؤدي إلى زيادة مسافة التوقف.

شكل (7): مسافات ضبط البدال

- المسافة المتبقية للبدال؛ عند الضغط على بدال الفرامل حتى نهاية المشوار يجب أن يتبقى مسافة بين البدال وأرضية السيارة. عدم وجود مسافة كافية متبقية قد تؤدي إلى عدم الحصول على قوة الفرامل المطلوبة (وصول البدال للأرضية دون إكمال مشوار المكابس بالأسطوانة الرئيسية). زيادة الخلوص بين البطانات والأجزاء الدوارة يقلل من المسافة المتبقية. في حالة وجود تسريب في أحدى الدائرتين الهيدروليكيتين يزيد مشوار البدال ويجب أن تكون هناك مسافة متبقية لتفعيل الفرامل.

عمل لمبة تحذير الفرامل الخلفية بالسيارة:

يستغل الجزء العلوي من بدال الفرامل لتشغيل مفتاح لمبة تحذير استخدام الفرامل (لمبات التوقف الخلفية) شكل 8. في السابق كان مفتاح لمبة التحذير يركب في نهاية الاسطوانة الرئيسية ويعمل عن طريق الزيادة في ضغط سائل الفرامل بالأسطوانة, ولزيادة سرعة الاستجابة (التحذير المبكر) لسائقي السيارات بالخلف تم تركيبه مع البدال. 

شكل (8): عمل لمبة التحذير الخلفية

والمفتاح يضبط بحيث يعمل مباشرة في حالة وضع القدم على البدال. ويبين شكل (9) أجزاء مفتاح تشغيل لمبات التحذير.

شكل (9): شد صامولة الربط

الفصل الثاني

الفرامل المؤازرة Power-Assisted  Brakes

التطور في السيارات من ناحية زيادة سرعتها وحمولتها. أدى إلى الحاجة إلى زيادة قوة الفرملة للحصول على مسافة التوقف المطلوبة. ومع انتشار استخدام الفرامل القرصية بفرامل العجل بالسيارة, التي لها قوة  احتكاك أقل من نظيرتها الفرامل الانفراجية (التي لها نفس مساحة مكبس العجل, وتخضع لنفس قوة الدعسة) عجل بالحاجة إلى إضافة وحدة مؤازرة لدائرة الفرامل. كما أدى استخدام البطانات شبه المعدنية (التي تحتاج إلى قوة ضغط أعلى) إلى الحاجة إلى استخدام المؤازر.

تسمي الفرامل المجهزة بالمؤازر بالفرامل المؤزًرة Power-assisted brakes ويتم ذلك عن طريق إضافة جهاز مؤازرة لنظام الفرامل يعمل على مضاعفة القوة المؤثرة على الاسطوانة الرئيسية وذلك بإضافة قوة إضافية إلى قوة ذراع دفع البدال الناتجة من ضغط السائق على الدعسة. وهذه الزيادة في القوة تتناسب مع قوة ضغط السائق على البدال.  (بدون مؤازرة ).

وظيفة الفرامل المؤازّرة

إضافة تلك القوة إلى قوة ذراع دفع البدال تؤدي إلى زيادة قوة الفرملة, وفي نفس الوقت تقلل الجهد المطلوب من السائق باستخدام ضغط قليل نسبياً على بدال الفرامل. يؤدي إلى استجابة سريعة للفرامل لأن استخدام المؤازر يسمح باستخدام بدال ذو نسبة تكبير أقل (يؤدي إلى مشوار بدال أقل),  كما يسمح باستخدام اسطوانة رئيسية ذات قطر أكبر (كمية سائل منقولة أكبر لنفس مشوار المكبس).

نظرية عمل المؤازر

يعمل المؤازر على مضاعفة القوة المؤثرة من ذراع دفع البدال على الاسطوانة الرئيسية. بحيث تكون تلك القوة متناسبة مع القوة المبذولة من السائق. ويستخدم المؤازر مصدر خارجي للضغط أو التخلخل (ضغط أقل من الضغط الجوي) للحصول على تلك القوة. يصمم المؤازر بحيث يكون الجسم محبك لتسريب الضغط (علبة مؤازر التخلخل- اسطوانة المؤازر الهيدروليكي), ويوجد داخل الجسم (غشاء- مكبس) يقسم الجسم من الداخل إلى حيزين. في حالة وجود فرق ضغط في الحيزين يتحرك (الغشاء- المكبس) تحت تأثير قوة مقدارها فرق الضغط بين سطحي (الغشاء – المكبس) مضروب في مساحة (الغشاء- المكبس) ناحية الجهة التي بها ضغط أقل. ويستخدم في مؤازر التخلخل الفرق بين التخلخل في مجمع السحب والضغط الجوي, ويستخدم في المؤازر الهيدروليكي الفرق بين ضغط السائل بالمؤازر والضغط الجوي. وحيث أن فرق الضغط في الحالة الأولى أقل من الحالة الثانية, فإننا نجد أن مساحة غشاء مؤازر التخلخل أكبر بكثير من مساحة مكبس المؤازر الهيدروليكي. ويركب مع المؤازر صمام تحكم يتحكم في مقدار ضغط الحيز الخلفي بحيث يتناسب مع مقدار ضغط السائق على البدال. تغيير الضغط بالحيز الخلفي يغير قوة المؤازرة.
ويصمم المؤازر بحيث:

- تكون قوة المؤازرة متناسبة مع قوة تأثير قوة السائق (خلال مدى عمل المؤازر)

- أن السائق يمكنه زيادة قوة الفرملة بدون مؤازرة (بعد مدى عمل المؤازر) عند الحاجة إلى ذلك

- تظل الفرامل تعمل في حالة حدوث عطل للمؤازر ولكن يحتاج السائق إلى بذل قوة أكبر للتعويض

-  يظل شعور السائق بالإحساس برد فعل البدال كما في الفرامل العادية.

- تظل هناك قدر من قوة المؤازرة لعدة ضغطات على بدال الفرامل (فقد تدريجي في قوة المؤازرة) في حالة عطل مصدر (التخلخل- الضغط).

أنواع المؤازر

· مؤازر التخلخل (يستخدم التخلخل الموجود بمجمع السحب أو مضخة تخلخل).

· المؤازر الهيدروليكي (يستخدم ضغط هيدروليكي من نظام التوجيه المؤزًر أو من محرك كهربائي يدير مضخة ضغط).

· مؤازر (تخلخل- هيدروليكي) وهو نظام مستخدم في بعض الشاحنات.

· مؤازر (هواء مضغوط- هيدروليكي) يستخدم في بعض الشاحنات والحافلات الصغيرة.

1- مؤازر التخلخل Vacuum Booster

مصادر التخلخل للمؤازر

يحصل المؤازر على التخلخل اللازم لعمله من التخلخل الموجود بمجمع السحب. يتكون التخلخل بمجمع سحب المحرك عندما يكون صمام الخانق أقل من الفتحة الكاملة. عندها يكون سحب المكبس الهواء أسرع من سريان الهواء خلال صمام الخانق مما يؤدي إلى تكون تخلخل (ضغط أقل من الضغط الجوي– من 1\3 إلى 1\2 ضغط جوي) داخل مجمع السحب. ويقاس التخلخل بالبوصة زئبق ( التخلخل يساوي صفر عند الضغط الجوي ويساوي (30 بوصة زئبق) عند التفريغ الكامل. يمكن للمحرك أن يولد تخلخل مقداره من (15- 18 بوصة زئبق) خلال السرعة الخاملة و(10 بوصة زئبق) خلال السير العادي ويزداد التخلخل إلى (20-21 بوصة زئبق) خلال عملية التباطؤ. يبين شكل (1) وحدات التخلخل المستخدمة.

شكل (1): أنظمة مختلفة مستخدمة لقياس الضغط الجوي

يعتمد التخلخل بمجمع السحب على التالي:

· مقدار فتحة الخانق (كلما قلت فتحة الخانق كلما زاد التخلخل).

· سعة المحرك (كلما زادت سعة المحرك كلما زاد التخلخل).

· نسبة التخفيض في صندوق التروس والمحاور (زيادة نسبة التخفيض تزيد التخلخل).

· الحالة الميكانيكية للمحرك (كلما ساءت الحالة الميكانيكية للمحرك كلما قل التخلخل).

· نوع أجهزة التحكم في التلوث الموجودة بالسيارة.

الفرامل المؤازرة لسيارات البنزين

سيارات البنزين يكون بها مقدار التخلخل في مجمع السحب في حدود من (0,5 –  0,9) بار أقل من الضغط الجوي ولذلك يمكن توفير التخلخل للمؤازر عن طريق لي يصل مباشرة من مجمع السحب إلى مؤازر التخلخل كما هو مبين في شكل (2- أ). وحيث أن مقدار التخلخل يتغير حسب وضع صمام الخانق فإن بعض السيارات تستخدم خزان للتخلخل بالإضافة إلى صمام أحادي الاتجاه آخر يركب مع الخزان كما في شكل (2- ب).

شكل (2):      أ) توصيلة اللي بالمؤازر مباشرة             ب) استخدام خزان تخلخل مع المؤازر

أما بالنسبة للسيارات التي مركب بها محرك ديزل فكما هو معروف فإن هذه المحركات ليس لها صمام خانق وبالتالي لا يكون هناك تخلخل بمجمع السحب. وكذلك بالنسبة لسيارات البنزين ذات الشحن الجبري (تربو) فلا يكون هناك تخلخل بمجمع الشحن, ولذلك تستخدم في هذه الحالات مضخة تخلخل (تفريغ) وتتصل بخزان إضافي للتخلخل ويبين شكل (3) التعديل في الدائرة.

شكل (3) استخدام مؤازر التخلخل مع محركات الديزل

 وهناك مصادر عدة لإدارة مضخة التخلخل وتتم في بعض السيارات عن طريق:

· محرك كهربائي.

· بواسطة حركة المحرك عن طريق:

o سير  يأخذ حركته من عمود المرفق.

o عن طريق ترس متصل بعمود الكامات.

o تركب على المولد الكهربائي وتأخذ حركته منه.

أنواع مؤازر التخلخل

o المؤازر المجمع integral booster   وهو الأكثر انتشاراً ويتصل بالأسطوانة الرئيسية مباشرة كما في الشكل (4).

شكل (4): المؤازر يعمل مباشرة على الاسطوانة الرئيسية

o المؤازر المكبر للضغط A pressure multiplier or Hydrovac ويركب بخط أنابيب الفرامل بعد الأسطوانة الرئيسية ويصل له لي تفريغ كما في شكل (5).

شكل (5): المؤازر يعمل على اسطوانة فرعية مركبة على خط الفرامل

هذا النوع قد يستخدم في بعض السيارات لمؤازرة دائرة الفرامل القرصية الأمامية فقط كما هو مبين في شكل (6) الدائرة السفلية.

شكل (6): توصيلة المؤازر المباشر والغير مباشر

موضع تركيب المؤازر في السيارة

يركب مؤازر التخلخل بين بدال الفرامل والاسطوانة الرئيسية ويثبت على الجدار المعدني الفاصل بين كابينة السائق وحيز المحرك. ويتصل بالمؤازر ذراع دفع البدال من ناحية (الناحية الخلفية) ويثبت عليه الأسطوانة الرئيسية من الناحية الأخرى (الأمامية) شكل (7).

شكل (7): وضع المؤازر بالسيارة

مكونات مؤازر التخلخل

وحدة مؤازر التخلخل تتكون من مجمع معدني كبير نسبياً بقطر( 15-28 سم) ويمكن الاحتفاظ  بداخله بكمية من التخلخل تكون كافية لاستخدامها لعدة مرات بعد انقطاع مصدر التخلخل.  وتشترك الأنواع المختلفة للمؤازر في كونها بها صمام تحكم, ووسيلة للإبقاء على الشعور لدى السائق بقيمة ضغطة الفرامل, وكذلك وسيلة مناسبة لإمداد المؤازر بالتخلخل لأداء عمله يتحكم فيها صمام أحادي الاتجاه.  

علبة المؤازرPower Chamber

يسمى المجمع المعدني علبة المؤازر ,وتنقسم العلبة إلى حيزين تامي الحبك حيز أمامي (حيز التخلخل) وآخر خلفي  (حيز الجو) يفصل بينهما غشاء مطاطي, يوجد في صرته صمام تحكم, وهناك ياي إرجاع الغشاء و ذراع دفع للمؤازر متصل بالغشاء, ويوضح الشكل (8) تركيبة المؤازر.  وتعمل هذه الغرفة على تكوين القوة التي يؤثر بها المؤازر على الأسطوانة الرئيسية. ويتصل الحيز الأمامي عن طريق لي مطاطي بمجمع السحب أو خزان التخلخل عن طريق صمام أحادي الاتجاه.

شكل (8): أجزاء مؤازر التخلخل

الغشاء:

هو عبارة عن غشاء من المطاط مثبت محيطياً بجدار علبة المؤازر ويقسمها إلى حيزين (حيز التخلخل ,حيز الجو). يركب في منتصفه صمام التحكم ويخرج من الصمام قرص معدني لدعم الغشاء المتصل بالجسم الخارجي لصمام التحكم. 

صمام التحكم Control Valve

يحدد صمام التحكم كمية القوة المؤثرة على الأسطوانة الرئيسية بحيث تكون متناسبة مع قوة ضغط السائق. ويقوم الصمام بعمل ذلك عن طريق فتح وغلق ثغرين (فتحتين): (1) ثغر التخلخل و (2) ثغر الهواء الجوي.

 هذا جسم الصمام الخارجي متصل بصرة الغشاء ويتحرك مع الغشاء. الجزء الداخلي للصمام يتصل بذراع دفع البدال ويتحرك معه. كما هو موضح بالشكل(9). 

اجزاء صمام التحكم

نابض إرجاع الغشاء diaphragm (power piston) return spring

يوجد نابض مركزي في حيز التخلخل يعمل على إرجاع الغشاء بعد الانتهاء من الفرملة (لسرعة التخلص من الفرملة)..

وسيلة الإحساس بقيمة الضغط على البدال Reaction device

حيث أن وحدة مؤازرة التخلخل تحتاج فقط من السائق الضغط على البدال لتحريك صمام التحكم فإن السائق لا يحس بمقدار الضغط على البدال المتناسب مع قيمة الفرملة.

ولهذا صمم المؤازر بحيث يحتوي على وسيلة تساعد السائق على الإحساس بذلك.  هذه الوسيلة قد تحتوي على قرص من المطاط أو روافع من صلب اليايات.  هذه الوسيلة تكون موجودة بين الغشاء وذراع دفع البدال. عند الضغط على البدال تنقل هذه الوسيلة جزء صغير من القوة المؤثرة على ذراع دفع الأسطوانة الرئيسية إلى ذراع دفع البدال ومنه إلى البدال وقدم السائق. هذه القوة تتناسب مع القوة المؤثرة على الأسطوانة الرئيسية بحيث تمكن السائق من تقدير مدى القوة التي يجب أن يؤثر بها على بدال الفرامل, ويبين شكل (10) النوعين المختلفين.

شكل (10): وسيلة الإحساس بالضغط: أ) قرص رد الفعل     ب) روافع رد الفعل

الصمام الأحادي الاتجاه Check Valve

يحتاج نظام المؤازرة بدون خزان للتخلخل إلى صمام أحادي الاتجاه, ويحتاج المؤازر ذوخزان تخلخل إلى أكثر من صمام أحادي الاتجاه بالدائرة.  ويصمم الصمام الأحادي الاتجاه بحيث يظل مفتوحاً عندما يكون الضغط داخل المسار أقل منه داخل المؤازر, ويغلق الصمام في حالة زيادة الضغط بالمسار عن داخل المؤازر أو خزان التخلخل. أي أن هذا الصمام يسمح بمرور الهواء عند سحبه في اتجاه واحد فقط (من المؤازر إلى مجمع السحب أو الخزان) ولا يسمح له بالمرور في الاتجاه العكسي. ويركب الصمام الأحادي إما في الحيز الأمامي للمؤازر أو يركب في وصلة متصلة بمجمع السحب كما هو واضح بالشكل (11). 

شكل (11): أ) مركب في لي التخلخل   ب) مركب في المؤازر

طريقة عمل مؤازر التخلخل

يعمل المؤازر عن طريق فرق الضغط  pressure differential الموجود على سطحي الغشاء، وهذا هو النوع الشائع والمستخدم في معظم السيارات حالياً.

   فأثناء دوران المحرك ورفع القدم من على بدال الفرامل يكون هناك تخلخل على جانبي الغشاء ولهذا يعتبر وحدة بها تخلخل vacuum suspended unit, عند الضغط على بدال الفرامل يدخل الهواء الجوي من الجانب الخلفي بالمؤازر وبذلك يكون جانب من الغشاء تحت تأثير جزء من الضغط الجوي (حسب كمية الهواء الداخلة) والجانب الآخر به تخلخل, , فيندفع الغشاء للأمام دافعاً ذراع دفع المؤازر للتأثير على الأسطوانة الرئيسية.

المؤازر المزدوج

تعتمد المؤازرة فرق الضغط بين سطحي الغشاء ومساحة الغشاء, وكلما زادت مساحة الغشاء كلما زادت قوة المؤازر.  والطريقة المعتادة لزيادة مساحة الغشاء هي عن طريق زيادة قطره, ولكن كبر قطر المؤازر يؤدي إلى شغل حيز كبير تحت غطاء المحرك. ولهذا لجأ مصنعو مؤازرات التخلخل إلي حل أخر لزيادة مساحة الغشاء بدون زيادة قطر المؤازر, وذلك عن طريق زيادة عدد الأغشية.  وتم استخدام غشاءين ويتم وضعهما واحداً تلو الأخر. ويمكن في هذه الحالة استخدام غشاءين أصغر قطراً عند عدم الحاجة لكل هذه المساحة. هذا النوع من المؤازر يسمى مؤازر مزدوج الغشاء   dual-diaphragm or tandem-diaphragm. ويبين شكل (12) مقارنة بين النوعين الفردي الغشاء و مزدوج الغشاء (المؤازر الفردي والمزدوج).

شكل (12): المؤازر الأحادي والمزدوج

وينقسم مجمع المؤازر المزدوج إلى غرفتين منفصلين عن طريق لوح وسط وكل غرفة تنقسم بدورها عن طريق الغشاء المطاطي بالمنتصف,  ويتصل الغشاءان واللوحان الداعمان لهما بذراع دفع المؤازر. ويعمل صمام التحكم في التحكم في الغرفتين في آن واحد.  ويزيد المؤازر المزدوج بنسبة 20%  في الطول عن المؤازر الفردي.

مراحل عمل المؤازر

يعمل مؤازر التخلخل خلال ثلاثة مراحل, هذه الأوضاع هي. 1- الضغط على البدال (استخدام الفرامل). 2- تثبيت القدم على البدال (تثبيت الضغط على الفرامل) 3- عدم الضغط (رفع القدم من) على البدال (عتق الفرامل). وهذه الأوضاع تعتمد على مقدار الضغط السائق على البدال يؤثر على حركة ذراع دفع البدال الذي يؤدي إلى التغيير في حالة فتحات (ثغور) صمام التحكم (فتح- قفل). وتبين الأشكال التوضيحية للمؤازر في شكل (13) الأوضاع الثلاثة للمؤازر.

شكل (13): الأوضاع المختلفة لعمل المؤازر

وضع استخدام الفرامل Applied position

عند استخدام الفرملة يدفع ذراع الدفع للبدال صمام التحكم للأمام.  هذا يؤدي بمجموعة صمام التحكم إلى عمل التالي :

· صمام التخلخل يغلق الممر بين الحيز الأمامي والخلفي (صمام التخلخل مغلق).

· صمام الهواء الجوي يفتح الممر بين الحيز الخلفي والهواء الجوي (صمام الهواء الجوي مفتوح).

عندما يتحرك صمام الهواء الجوي للأمام يسمح بدخول هواء جوي بالحيز الخلفي. وعند غلق صمام التخلخل يحتفظ الحيز الأمامي بالتخلخل الذي به. مع وجود ضغط أعلى (تخلخل أقل) بالحيز الخلفي. اختلاف التخلخل الموجود على جانبي الغشاء  يؤدي إلى تحرك الغشاء ناحية الأمام. وحيث أن الغشاء متصل بذراع دفع الأسطوانة الرئيسية فإن حركة الغشاء تؤدي إلى زيادة القوة المؤثرة على ذراع دفع الأسطوانة. يبين شكل (14) وضع تشغيل الفرامل وحالة صمام التحكم.

شكل (14): وضع الاستخدام                          شكل (15): وضع التثبيت

وضع تثبيت بدال الفرامل Holding Position

عندما يظل السائق ضاغطاً على بدال الفرامل في وضع ثبات  (عدم حركة البدال) عند ثبات البدال وعند حركة الغشاء للأمام نتيجة فإنه مع حركة الغشاء للأمام يتحرك جسم صمام التحكم المثبت مع صرة الغشاء للأمام مؤدياً إلى غلق صمام الهواء الجوي وبذلك يبقى الغشاء في وضع اتزان على هذا الوضع ويبقى الضغط على الفرامل ثابت على ما هو عليه. وشكل (15) يبين وضع تثبيت الضغط على بدال الفرامل.

وضع تحرير الفرامل Release Position

عندما يرفع السائق الضغط عن بدال الفرامل يعود صمام التحكم لوضعه الابتدائي. وفي هذا الوضع يكون صمام الهواء الجوي مغلق ويفتح صمام التخلخل بين الحيز الخلفي والأمامي فيسحب الهواء من

الحيز الخلفي حتى يصبح هناك تخلخل متساوي على جانبي الغشاء فيعود الغشاء لوضعه الابتدائي تحت تأثير ياي رجوع الغشاء يبين شكل (16) وضع أجزاء المؤازر عند عتق الفرامل.

شكل (16): وضع التحرير/ العتق

حسابات المؤازر

قوة المؤازر Booster Force

قوة المؤازرة للمؤازر (F_bs) تساوي فرق الضغط (Dp) بين سطحي الغشاء مضروبة في مساحة الغشاء(A_bs)

شكل (17): القوى في نظام المؤازرة

يمكن استنتاج فرق الضغط على جهتي الغشاء من المعادلة التالية:   

: p₁ الضغط على السطح الخلفي للمؤازر (تقع قيمته بين قيمة تخلخل مجمع السحب أو خزان التخلخل والضغط الجوي).

: p₂  الضغط على السطح الأمامي للمؤازر (وهو يساوي قيمة تخلخل مجمع السحب أو خزان التخلخل).

A_bs : مساحة الغشاء  [(p/4) (D_bs)²], حيث D_bs قطر الغشاء.

القوة المؤثرة على الأسطوانة الرئيسية Master Cylinder Force

القوة المؤثرة على الأسطوانة الرئيسية (F_mc) تساوي حاصل جمع القوة المؤثرة من ذراع دفع البدال (F_r) وقوة المؤازرة للمؤازر  (F_bs)

خاصية المؤازر Booster Characteristic

خاصية المؤازر (B_bs) تساوي نسبة تكبير قوة المؤازرة.  وهي تساوي القوة الخارجة من المؤازر (القوة المؤثرة على الأسطوانة الرئيسية F_mc) على القوة الداخلة إلى المؤازر (القوة المؤثرة على المؤازر من ذراع دفع البدال F_r).

وتعتمد خاصية المؤازر على نصف قطر غشاء المؤازر وكذلك على مقدار التخلخل المتاح.

القوى المؤثرة

قوة المؤازر ( F_bs ):

  القوة المؤثرة على الاسطوانة الرئيسية (F_mc):

* يستخدم بالسيارات الحديثة ما يطلق عليه مؤازر مساعدة الفرامل Brake-assist booster. وهو يعمل على مرحلتين لكل مرحلة خاصية مختلفة. فعند زيادة الضغط على الفرامل يصل المؤازر إلى نقطة تغيير الخاصية وتزداد قوة المؤزرة (خاصية المؤازر) لنفس قوة الدعس على البدال (للمساعدة في حالة الفرملة القصوى)

نقطة التشبع Saturation-Point

وهي النقطة التي يعطي فيها المؤازر أقصى قوة مؤازرة له.  وعندها يكون الضغط على السطح الأمامي للغشاء هو أقصى تخلخل والضغط على السطح الخلفي للغشاء هو الضغط الجوي. ويطلق عليها أيضاً نهاية المؤازرة End of Assistance أو نقطة الركبة Knee point أو نقطة الانقطاع Run out. بعد هذه النقطة أي قوة فرامل إضافية يحتاجها السائق يحصل عليها بزيادة الضغط على البدال وبدون مؤازرة. بعد نقطة التشبع تكون قيمة القوة المؤثرة على الأسطوانة الرئيسية تساوي أقصى قيمة للمؤازر بالإضافية إلى قوة المبذولة من السائق. يبين شكل (18) العلاقة بين الضغط الهيدروليكي بدائرة الفرامل (بمؤازرة وبدون مؤازرة) وقوة الضغط على بدال الفرامل.

شكل (18): نقطة التشبع المؤازرة

2- المؤازر الهيدروليكي Hydraulic Booster

أنواع المؤازرات الهيدروليكية

لإيقاف سيارة ثقيلة أو سيارة نصف شاحنة فإن ذلك يحتاج إلى توفر نظام كفء لمؤازرة الفرامل ولكن مع تصغير حجم المحرك بالإضافة إلى استمرار استخدام تخلخل المحرك لتشغيل بعض الأنظمة الأخرى بالسيارة, مثل أجهزة التحكم في التلوث, هذا بالإضافة إلى أن استخدام بعض نظم حقن الوقود قلل من مقدار التخلخل المتاح بمجمع السحب. كما أنه لا يوجد تخلخل بمجمع السحب لمحركات الديزل ومحركات سيارات البنزين ذات الشحن الجبري للهواء(تربو). وقد أدت تلك الأسباب إلى الحاجة إلى نظام آخر له مصدر طاقة أعلى. وهذا يمكن أن يتأتى عن طريق المؤازر الهيدروليكي. هذا النوع يعمل بضغط يتراوح من ( 7000 إلى 10000 كيلو بسكال ) بالمقارنة بفرق الضغط المحدود والمتاح لعمل مؤازر التخلخل ويتراوح ما بين (-30 و -70 كيلو بسكال).

ويتميز المؤازر الهيدروليكي عن مؤازر التخلخل بالتالي:

o أصغر حجماًً.

o أكثر قدرة.

o سريع الاستجابة.

o يستخدم مع سيارات الديزل وسيارات البنزين ذات الشحن الجبري للهواء (تربو).

o لا يعتمد على حالة المحرك

مكان تركيب المؤازر الهيدروليكي في السيارة

يركب المؤازر الهيدروليكي خلف الأسطوانة الرئيسية كما هو الحال في مؤازر التخلخل.

أنواع مؤازر الفرامل الهيدروليكي

o نظام مؤازرة هيدروليكي يعمل بضغط مضخة نظام التوجيه المؤازّر وهذا النوع من تصميم بندكس ويطلق عليه اسم Hydraulic brake-booster.

o نظام مؤازرة كهربائي هيدروليكي Powermaster ويعمل النظام عن طريق مضخة ضغط خاصة تدار بواسطة محرك كهربائي Electric motor (يتميز هذا بصغر الحجم وبأنه أكثر كفاءة). هذا النظام يجمع عمل الاسطوانة الرئيسية والمؤازر في وحدة واحدة. ويستخدم سائل الفرامل كسائل مضغوط.

نظام المؤازرة الهيدروليكي Hydro-Boost Hydraulic Brake-Booster

هذا النوع من المؤازر يستخدم ضغط مضخة التوجيه المؤازّر لمساعدة السائق في الضغط على الفرامل.  ولا يختلط سائل التوجيه المؤزر وسائل الفرامل فكل نظام له السائل الخاص به ومساراته المنفصلة.

شكل (19): دائرة نظام المؤازرة الهيدروليكي

وبين شكل (19) وضع المؤازر بالنسبة إلى الأسطوانة الرئيسية ومسارات سائل التوجيه المؤزّر من مضخة التوجيه إلى المؤازر.

ويوجد بدائرة المؤازر مجمع ضغط Accumulator وهو عبارة عن خزان يخزن به سائل المؤازرة تحت ضغط, والمجمع يعمل تحت تأثير ياي أو غاز مضغوط خلف غشاء محبوك لتوفير ضغط للسائل بالمجمع. وفي حالة قطع سير مضخة التوجيه المؤزّر أو تلف المضخة فإن مجمع الضغط يستطيع توفير من واحدة إلى ثلاث فرامل مؤازّرة.  وفي حالة عطل نظام المؤازرة فإن المؤازر مصمم بحيث يسمح باستخدام الفرامل بقوة ضغط قدم السائق بدون مؤازرة. ويبين شكل (20) نظام المؤازرة المتصل بمجمع الضغط.

شكل (20): أجزاء نظام مؤازر هيدروليكي

تركيب المؤازر الهيدروليكي

يحتوي جسم المؤازر على مكبس المؤازرة, صمام مفتوح من الداخل على شكل بكرة, رافعة, بالإضافة إلى ذراع الدفع الداخل والخارج ووحدة رد الفعل. ويعمل الصمام spool valveعلى التحكم في غرفة الضغط عند نهاية مكبس المؤازرة.  هذا الصمام به شقوق تسمح للسائل بالمرور من فتحة دخول سائل التوجيه المؤزّر إلى أخرى وتؤدي حركة الصمام إلى كشف و حجب هذه الفتحات الجانبية.  كما يوجد بالصمام فتحة بالمنتصف تسمح لمسار آخر لسائل المؤازرة. ويتحكم في حركة الصمام رافعة. هذه الرافعة لها محوري ارتكاز في نقطة (أ) و (ب) شكل(21).  نقطة (أ) على ذراع الدفع الداخل (بنز (أ)) ونقطة (ب) على مكبس المؤازرة (بنز (ب)). في هذا التصميم فإن حركة أي من ذراع الدفع أو مكبس المؤازرة سوف يؤدي إلى تغير وضع الصمام وعليه يتغير الضغط بغرفة الضغط.

شكل (21): أجزاء المؤازر الهيدروليكي

عمل المؤازر الهيدروليكي

يتم عمل المؤازر خلال ثلاث مراحل (أوضاع):

· وضع الضغط على بدال الفرامل(Applied position)  .

· وضع تثبيت الفرامل (Holding position).

· وضع تحرير الفرامل  (Release position).

وضع الضغط على بدال الفرامل

عندما يضغط السائق على البدال فإن حركة ذراع الدفع سوف تحرك الرافعة حول محور الدوران (بنز (ب)) المثبت بمكبس المؤازرة شكل(21), وبالتالي تدفع الصمام للأمام.  في هذا الوضع سوف يتصل ثغر الضغط مع غرفة الضغط. ويؤدي الضغط بالتأثير على نهاية مكبس المؤازرة ودفعه في اتجاه الأسطوانة الرئيسية لعمل الفرملة شكل(22 أ).  مقدار الضغط بغرفة الضغط سوف يتغير حسب مقدار الضغط على البدال ومقدار الضغط بمضخة مؤازرة التوجيه.

شكل (22): أوضاع عمل المؤازر الهيدروليكي

وضع تثبيت الضغط على بدال الفرامل

عند تثبيت الضغط على البدال تؤدي حركة المكبس للأمام إلى تحريك الرافعة حول محور الدوران (بنز (أ) المثبت بذراع الدفع الداخل شكل (21)(, وبالتالي يتحرك الصمام للخلف. في هذا الوضع يغلق مسار السائل الواصل من ثغر الضغط إلى غرفة الضغط. في هذه الحالة يبقى الضغط داخل الغرفة ثابت في وضع تثبيت الضغط شكل( 22 ب).

وضع رفع القدم من على بدال الفرامل

عندما يرفع السائق قدمه من على بدال الفرامل فإن ياي رجوع مكبس المؤازرة سوف يدفع المكبس للخلف مؤدياً إلى تحريك الرافعة حول محورا لدوران (بنز (أ) المثبت بذراع الدفع الداخل شكل (21جـ)(, وبالتالي يتحرك الصمام للأمام. في هذا الوضع يصل مسار السائل من غرفة الضغط إلى خزان مضخة التوجيه المؤزّر. مع استمرار حركة مكبس المؤازرة للخلف يدفع ذراع الدفع الداخل للخلف عن طريق اتصال مكبس المؤازرة مع ذراع الدفع الداخل بالرافعة.

المؤازر الكهرو هيدروليكي Powermaster

لهذا النوع مضخة الضغط الخاصة به لتوفير الضغط. وتعمل المضخة فقط حين الحاجة إلى هذا الضغط. ولهذا يتميز هذا النوع عن سابقه من ناحية أن المؤازر السابق يستخدم مضخة التوجيه المؤزّر باستمرار مما يزيد قليلاً من معدل استهلاك البنزين. كما أن هذا المؤازر أقل حجماً ولا يحتاج إلى ليات لتوصيله للمحرك ويوفر كمية عالية من المؤازرة. هذا النوع يمكن استخدامه مع جميع أنواع السيارات شكل (23).  

شكل (23): مكونات المؤازر الكهرو هيدروليكي

مكونات المؤازر الكهرو هيدروليكي

هذا المؤازر مدمج مع الأسطوانة الرئيسية في جسم واحد من الألمونيوم المصبوب. ويدفع مكبس المؤازرة ومجموعة رد الفعل على المكبس الابتدائي للأسطوانة الرئيسية مباشرة.

ويستخدم سائل الفرامل أيضاً كسائل وحدة المؤازرة. ويخزن السائل في خزان مقسم إلى ثلاث مقاطع, مقطعين بينهما فاصل ومقطع معزول عنهما, في الجزء المعزول هناك بأسفله ثغرين أحدهما يصل إلى مدخل المضخة والثاني يصل إلى ثغور رجوع المؤازر شكل (24).

ويشكل المحرك الكهربائي والمضخة مجموعة واحدة مجمعه عن طريق حامل مع جسم  (المؤازر/الاسطوانة الرئيسية). ويتصل سحب المضخة بالخزان عن طريق لي مطاطي. ومخرج المضخة متصل مع المؤازر عن طريق لي ضغط عالي مقوى. ويتصل المحرك الكهربائي بمفتاح كهربائي عن طريق مرحل كهربائي. هذا المفتاح يصل الكهرباء إلى المضخة في حالة انخفاض الضغط ويقطع الاتصال في حالة زيادته, كما أن المفتاح يصل الكهرباء إلى لمبة تحذير الفرامل عندما ينخفض ضغط مجمع الضغط عن( 2700 كيلو بسكال).

ويجمع مكبس المؤازرة داخل تجويف الأسطوانة الخاصة به وعليه مجموعة من حلقات الحبك الدائرية لمنع تسرب الزيت. وبداخل المكبس هناك مجموعة رد الفعل تتكون من قرص ومكبس رد الفعل ومن صمامات التحكم الداخلية والخارجية التي تتحكم في ضغط السائل بداخل فراغ مكبس المؤازرة.  

طريقة عمل المؤازر الكهرو هيدروليكي

على الرغم من وجود أشكال عديدة للصمامات المستخدمة مع المؤازر فهي تعمل بنفس النظرية. فهناك مسار للسائل يصل من ثغر الضغط العالي بمجمع الضغط إلى نهاية الصمام الخارجي للتحكم, ومسار للرجوع يصل من الصمام الداخلي إلى ثغر الرجوع بالخزان. ويتحدد وضع صمامي الداخل والخارج عن طريق ذراع الدفع للبدال, قرص رد الفعل و مكبس المؤازرة.  ويمر عمل المؤازر خلال مراحل عدم تطبيق الفرامل, تطبيق الفرامل, تثبيت وضع الفرامل, و تحرير (عتق) الفرامل. 

شكل (24): خزان المؤازر الكهرو هيدروليكي

ملخص

مع التطور الحديث في السيارات وزيادة سرعتها وحمولتها, ومع استخدام الفرامل القرصية. وكذلك استخدام البطانات الشبه معدنية والتي تحتاج إلى قوة دفع أعلى, أدى إلى الحاجة إلى زيادة قوة الفرامل.

ويستخدم المؤازر ليقوم بدور المساعدة في زيادة قوة الفرملة. ويعمل المؤازر على إضافة قوة إلى قوة السائق متناسبة معها. ويعمل المؤازر عن طريق فرق ضغط على سطحي (غشاء أو مكبس) للتوليد تلك القوة.

هناك نوعين من المؤازر, نوع يعمل عن طريق الضغط السالب (تخلخل) بمجمع السحب. والأخر مؤازر هيدروليكي يعمل عن طريق الضغط الموجب (ضغط) عن طريق مضخة.

يعمل المؤازر على زيادة قوة الفرملة, وتقليل مجهود السائق عند الدعس على بدال الفرامل. ويزيد المؤازر من سرعة استجابة الفرامل. عند تلف المؤازر تظل الفرامل تعمل بقوة السائق فقط وتحتاج إلى قوة أكثر للحصول عل الفرملة المطلوبة.

المصطلحات
بدال الفرامل	Brake pedal	مؤازر ثنائي (مزدوج)	Tandem booster
مؤازر التخلخل	Vacuum booster	صمام أحادي الاتجاه	Check valve
المؤازر الكهرو هيدروليكي	Power booster	غشاء	Diaphragm
صمام أحادي الاتجاه	Check valve	المؤازر الهيدروليكي	Hydraulic-booster
مؤازر ثنائي (مزدوج)	Tandem booster	مجمع الضغط	Accumulator
تخلخل	Vacuum	صمام التحكم	Control valve
ياي/ نابض	Spring

اختبار ذاتي رقم (2)

1- أجب عن الأسئلة الآتية:

1- ما وظيفة بدال الفرامل؟

2- ما هو التكبير الميكانيكي للبدال الفرامل؟ وما فائدته بالدائرة؟

3- ما أنواع المؤازر المستخدمة بالسيارات؟

4- ما الفرق بين مؤازر التخلخل والمؤازر الهيدروليكي؟

5- ما وظيفة المؤازر بدائرة الفرامل؟

6- اشرح كيف يمكن استخدام التخلخل في مؤازرة عملية الفرملة السيارة؟

7- اشرح الغرض من وجود الصمام أحادي الاتجاه وكيفية عمله؟

8- في حالة عدم وجود مؤازرة من وحدة المؤازرة بعد إبقاء المحرك لا يعمل لمدة 30 دقيقة فإن ذلك يدل على وجود عطل في (...............أو.................أو.................).

9- الطول الزائد ل.......................................... يمكن أن  يؤدي إلى تحميل  على الفرامل بشكل مستمر

10-   ما الفرق بين المؤازر الهيدروليكي والمؤازر الكهرو- هيدروليكي

2-  تعرف على مكونات مؤازر التخلخل

رقم  الجزء	الجــــزء	رقم  الجزء	الجــــزء
1		6
2		7
3		8
4		9
5

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. Tempest, Clifford M, “Automotive Service Technology”, McGraw-Hill Book Company, 3^rd Edition.

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

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

19. TOYOTA, “Brake System”, Toyota Motor Corporation, 1999.

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

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