چگونه اهرم‌های بل‌کرنک در تعلیق فشاری، نیروی رو به پایین سوپراسپرت‌ها را با نرمی حرکت شهری هماهنگ می‌کنند

در سرعت ۱۷۷ مایل بر ساعت (حدود ۲۸۵ کیلومتر بر ساعت)، جریان هوایی که از روی یک سوپراسپرت مدرن مخصوص پیست عبور می‌کند، فشاری معادل وزن یک اسب تناور بارکش—یعنی حدود ۲۲۰۰ پوند (نزدیک به یک تن) جرم نامرئی—به سمت پایین وارد می‌آورد. این بار آیرودینامیکی لاستیک‌ها را به آسفالت می‌چسباند و سرعت‌هایی در پیچیدن ایجاد می‌کند که در شرایط عادی خودرو را به درون گاردریل‌ها پرتاب می‌کرد.[3][5]

اما این نیروی سهمگین معمای مهندسی بزرگی به دنبال دارد. اگر وزن خودرو در حالت سکون ۳۳۵۰ پوند باشد، سیستم تعلیق باید هم توان حمل این جرم ایستا را داشته باشد و هم به اندازه کافی منعطف باشد تا دست‌اندازهای مسیر را جذب کند. وقتی نیروی رو به پایین در حداکثر سرعت ۲۲۰۰ پوند دیگر به آن می‌افزاید، وزن مؤثر خودرو عملاً ۶۵ درصد بالا می‌رود.[3][6]

اگر مهندسان از فنرهای خطی معمولی استفاده کنند که بتوانند ۵۵۰۰ پوند وزن را بدون کوبیدن به زمین تحمل کنند، خودرو در سرعت‌های شهری عملاً غیرقابل راندن خواهد شد. بدون وجود بار آیرودینامیکی که خودرو را به پایین بکوبد، تعلیق بیش‌ازحد خشک روی ناهمواری‌های مسیر جهش می‌کند، به ستون فقرات سرنشین صدمه می‌زند و چسبندگی مکانیکی در سرعت‌های پایین را به‌طور کامل از بین می‌برد.[4]

پیش از به‌کارگیری گسترده آیرودینامیک فعال و سیستم‌های تعلیق درونی، خریدار مجبور بود میان خودرویی راحت برای سفر و جاده یا خودرویی خشک و مسابقه‌ای که باید با کفی حمل می‌شد، یکی را انتخاب کند. امروزه مهندسان این تضاد آشکار را به کمک سازوکاری مستقیم از فرمول یک حل می‌کنند: تعلیق با میله فشاری (پوش‌راد) و اهرم چرخان با هندسه دقیق که بل‌کرنک (Bellcrank) نامیده می‌شود.[1][2]

جابه‌جایی اجزا به درون ساختار بدنه

در سیستم‌های متداول مک‌فرسون یا جناغی دوبل، فنر لول و کمک‌فنر به‌صورت عمودی درست روی توپی چرخ یا کنار آن قرار می‌گیرند. این چینش باعث می‌شود اجزای حجیم دقیقاً درون جریان آشفته هوای پشت بادشکن جلو قرار بگیرند، کشش هوایی ایجاد کنند و ابعاد کانال‌های آیرودینامیکی کف را محدود سازند.[4]

سامانه پوش‌راد مکان این اجزا را کاملاً جابه‌جا می‌کند. به جای فنر عمودی، یک میله مورب باریک و آیرودینامیک توپی چرخ را به اهرمی چرخان در داخل شاسی متصل می‌کند. این اهرم مفصلی، حرکت عمودی چرخ را به حرکتی افقی تبدیل کرده و فنر مستقر در بدنه داخلی را فشرده می‌سازد.[1][2]

مهندسان با استفاده از ترکیب میله فشاری و اهرم بل‌کرنک، می‌توانند فنرها و دمپرهایی را که سازگاری آیرودینامیکی ندارند، کاملاً درون ساختار بدنه خودرو جا دهند.[1]

این کار هوای آشفته را از محفظه چرخ‌ها دور می‌کند و به آن اجازه می‌دهد بدون مانع از میان بازوهای تعلیق عبور کرده و به رادیاتورها و دیفیوزرهای زیر بدنه برسد. فورد GT مدل ۲۰۱۷ به شکلی برجسته از این چیدمان برای بیشینه‌سازی بازده آیرودینامیکی خود بهره گرفت.[6]

با منتقل کردن سیستم تعلیق به داخل اتاقک شاسی، مهندسان فورد توانستند کانال‌های آیرودینامیکی غول‌پیکری درون بدنه فیبر کربنی تعبیه کنند که به این سوپراسپرت ۳۳۵۴ پوندی اجازه داد ضمن حفظ سطح مقطع جلویی بسیار باریک، نیروی رو به پایین سرسام‌آوری تولید کند.[6]

هندسه تعلیق با ضریب تصاعدی

در تعریف دقیق این سازوکار آمده است: «یک اهرم بل‌کرنک ۱۸۰ درجه‌ای معمولاً از میله‌ای تشکیل شده که در مرکز یا نزدیکی مرکز خود حول محوری می‌چرخد. با کشیدن یا فشردن یک میله، اهرم حول تکیه‌گاه دوران کرده و میله دیگر را می‌کشد یا فشار می‌دهد.»[2]

مهندسان با تنظیم زاویه دقیق اتصال میله فشاری و کمک‌فنر به این محور چرخشی، تعلیقی با «ضریب نرخ تصاعدی» (Rising Rate) خلق می‌کنند. هم‌زمان با فشرده شدن تعلیق، مزیت مکانیکی اهرم دگرگون شده و مقاومت فنر در برابر فشار چرخ به طرز چشمگیری تغییر می‌کند.[1][2]

زمانی که خودرو با سرعت ۳۰ مایل در ساعت حرکت می‌کند، تقریباً هیچ نیروی رو به پایینی وجود ندارد. سیستم تعلیق در بالاترین سطح بازه حرکتی خود است و هندسه بل‌کرنک اهرم‌بندی پرقدرتی در برابر فنر فراهم می‌کند. در نتیجه، چرخ به نرمی روی دست‌اندازها و چاله‌ها می‌گذرد و آسایشی را که خریدار در شهر انتظار دارد به نمایش می‌گذارد.[4]

فیزیک نیروها و تغییر مکان‌های نسبی ناشی از بل‌کرنک، نیازمند شبیه‌سازی و محاسبات دقیق ریاضی است.[2]

مهندسان این مزیت مکانیکی را بر پایه سختی هدف‌گذاری‌شده چرخ در حداکثر سرعت خودرو تنظیم می‌کنند تا پایداری کامل شاسی در بارهای آیرودینامیکی سنگین تضمین شود.[2][3]

قابلیت تنظیم سریع برای پیست

علاوه بر نرخ تصاعدی، بل‌کرنک قابلیت تنظیم بی‌نظیری را برای شیفتگان روزهای پیست به ارمغان می‌آورد. از آنجا که تکیه‌گاه‌های مفصلی زیر درپوش موتور یا کاپوت به‌راحتی در دسترس هستند، مالک می‌تواند بدون باز کردن چرخ‌ها یا پیاده کردن مجموعه کمک‌فنر، ویژگی‌های پایه تعلیق را دستکاری کند.[1][2]

پژوهش‌های مهندسی خودرو بر همین مزیت تأکید دارند؛ این دست مقالات نشان می‌دهند سامانه‌های میله فشاری سهولت بی‌مانندی در تغییر ضرایب حرکتی تعلیق فراهم می‌آورند، آن هم بدون آنکه نیازی به تعویض قطعه فیزیکی باشد.[1]

تنها با انتقال پیچ اتصال میله فشاری به سوراخی دیگر روی صفحه بل‌کرنک، مکانیک می‌تواند ضریب جابه‌جایی را در چند دقیقه دگرگون کند. این ویژگی به راننده فرصت می‌دهد کل سیستم را برای پیستی صاف و سرعتی مثل مونزا سفت و خشک کند، یا برای پیستی پر از دست‌انداز و ناهموار مانند سبرینگ آن را نرم‌تر سازد.[1][2]

فنر خطی با اهرم‌بندی تصاعدی

برخی خودروسازان می‌کوشند چالش نیروی رو به پایین را با فنرهای لول تصاعدی حل کنند؛ فنرهایی که گام پیچش آنها در یک سو فشرده‌تر است تا هنگام جمع شدن سفت‌تر شوند. با اینکه هزینه ساخت این فنرها کمتر است، اما در مانورهای پرفشار پیست رفتاری غیرقابل پیش‌بینی از خود نشان می‌دهند.[4]

اما بل‌کرنک با نرخ تصاعدی اجازه می‌دهد تا از یک فنر خطی دقیق و باکیفیت بهره گرفته شود که در تمام شرایط رفتاری یکدست دارد. این خاصیت تصاعدی کاملاً از هندسه اهرم سرچشمه می‌گیرد و در هنگام تنظیم پدال‌ها برای حفظ تعادل خودرو در پیچ، حس رانندگی یکنواخت و قابل‌اطمینانی به راننده می‌دهد.[2][4]

برای نسخه‌های رادیکال مسابقه‌ای، این بارها حیرت‌انگیز است. پورشه 911 GT3 RS مجهز به کیت مانتی (Manthey) در سرعت ۲۸۵ کیلومتر بر ساعت بیش از ۱۰۰۰ کیلوگرم نیروی رو به پایین پدید می‌آورد. مهار چنین وزنه‌ای مستلزم تعلیقی است که بتواند بدون وقفه از یک سواری شهری نرم به استحکامی در حد خودروهای مسابقه‌ای تبدیل شود.[5]

سفت شدن خودکار زیر بار فشار

با فراتر رفتن سرعت سوپراسپرت از ۱۰۰ مایل در ساعت، نیروی رو به پایین بدنه را به زمین نزدیک‌تر می‌کند. این عمل تعلیق را فشرده کرده و اهرم بل‌کرنک را می‌چرخاند، که زاویه میان میله فشاری و کمک‌فنر را از پایه تغییر می‌دهد.[2][3]

با این چرخش، مزیت مکانیکی اهرم به شدت افت می‌کند. اکنون فشرده‌تر شدن فنر به نیروی بسیار بیشتری از سوی چرخ نیازمند است. به این ترتیب، تعلیق بدون کوچک‌ترین مداخله الکترونیکی یا تعویض فنر فیزیکی، هم‌گام با افزایش بار آیرودینامیکی خودبه‌خود سفت‌تر می‌شود.[1][2]

این هندسه نرخ تصاعدی از برخورد کف خودرو با سطح آسفالت در سرعت‌های بالا پیشگیری می‌کند. حفظ فاصله ثابت از سطح زمین زیر بار هوایی بسیار حیاتی است، چرا که تغییر ناگهانی ارتفاع می‌تواند جریان دیفیوزر عقب را مختل کند و با از بین بردن ناگهانی چسبندگی، خودرو را در کسری از ثانیه دچار اسپین یا انحراف شدید نماید.[3]

تأثیر عملی این ساختار برای خریدار

برای خریداری که قصد پرداخت بهای یک سوپراسپرت روز را دارد، این هندسه شیوه استفاده از خودرو را متحول می‌کند. این همان نقطه‌ای است که محاسبات تئوری به واقعیت ملموس تبدیل می‌شوند: خودرویی که در عمل دو کاربری کاملاً متفاوت را بدون فدا کردن یکی در پای دیگری محقق می‌کند.[7]

بدون بل‌کرنک تصاعدی، خریدار یا باید پیش از هر بار رفتن به پیست ساعت‌ها زیر خودرو به تنظیم دستی کمک‌ها مشغول می‌شد، یا رانندگی خسته‌کننده و پر از لرزش را در خیابان‌ها تاب می‌آورد. این اهرم مکانیکی دردسرها را حذف کرده و دقیقاً سختی متناسب با سرعت و بار هوایی لحظه‌ای را فراهم می‌سازد.[7]

امروزه خودروسازان این هندسه مکانیکی را با کمک‌فنرهای تطبیق‌پذیر الکترونیکی ترکیب می‌کنند. لامبورگینی در اونتادور سوپرولوچه از این رویکرد دوگانه سود برد و تعلیق فشاری را به دمپرهای مگنتوریولوژیک متصل ساخت تا حین پیچیدن با کنترل مجزای هر چرخ، کج شدن بدنه را مهار کند.[7]

اهرم بل‌کرنک در تعلیق فشاری نماد پیروزی نبوغ مکانیکی بر نیروی خام است. تنها با تغییر هندسه یک تکیه‌گاه چرخشی، مهندسان به خودرویی ۳۳۰۰ پوندی این توان را می‌دهند که در سرعت ۱۷۰ مایل در ساعت باری معادل وزن یک خودروی دیگر را روی سقف حمل کند و با این حال، هنوز بتوان با آن در کمال آرامش به یک خرید روزمره رفت.[7]