الفرامل

الفرامل هي جهاز ميكانيكي يعمل على تثبيط الحركة عن طريق امتصاص الطاقة من نظام متحرك. ^[1] يتم استخدامه لإبطاء أو إيقاف مركبة متحركة أو عجلة أو محور أو لمنع حركتها، ويتم ذلك غالبًا عن طريق الاحتكاك. ^[2]

يحتاج هذا القسم إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة في هذا القسم. قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. ( فبراير 2016 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

تستخدم معظم المكابح عادةً الاحتكاك بين سطحين مضغوطين معًا لتحويل الطاقة الحركية للجسم المتحرك إلى حرارة ، على الرغم من أنه قد يتم استخدام طرق أخرى لتحويل الطاقة. على سبيل المثال، يحول الكبح المتجدد الكثير من الطاقة إلى طاقة كهربائية ، والتي يمكن تخزينها لاستخدامها لاحقًا. تحول طرق أخرى الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة في أشكال مخزنة مثل الهواء المضغوط أو الزيت المضغوط. تستخدم فرامل التيار الدوامي المجالات المغناطيسية لتحويل الطاقة الحركية إلى تيار كهربائي في قرص الفرامل أو الزعنفة أو القضيب، والذي يتم تحويله إلى حرارة. لا تزال طرق الكبح الأخرى تحول الطاقة الحركية إلى أشكال مختلفة، على سبيل المثال عن طريق نقل الطاقة إلى دولاب الموازنة الدوار.

تُستخدم المكابح بشكل عام على المحاور أو العجلات الدوارة، ولكنها قد تتخذ أشكالاً أخرى أيضًا مثل سطح سائل متحرك (لوحات يتم نشرها في الماء أو الهواء). تستخدم بعض المركبات مجموعة من آليات الكبح، مثل سيارات سباق السحب ذات فرامل العجلات والمظلة، أو الطائرات ذات فرامل العجلات ولوحات السحب التي يتم رفعها في الهواء أثناء الهبوط.

نظرًا لأن الطاقة الحركية تزداد تربيعيًا مع السرعة ( )، فإن الجسم المتحرك بسرعة 10 م/ث يكون لديه طاقة أكبر بمقدار 100 مرة من طاقة جسم له نفس الكتلة يتحرك بسرعة 1 م/ث، وبالتالي فإن مسافة الكبح النظرية ، عند الكبح عند حد الجر، تصل إلى 100 مرة أطول. في الممارسة العملية، عادةً ما يكون للمركبات السريعة مقاومة هوائية كبيرة، وترتفع الطاقة المفقودة بسبب مقاومة الهواء بسرعة مع السرعة. ${\displaystyle K=mv^{2}/2}$

تحتوي جميع المركبات ذات العجلات تقريبًا على فرامل من نوع ما. حتى عربات الأمتعة وعربات التسوق قد تحتوي عليها لاستخدامها على منحدر متحرك . معظم الطائرات ذات الأجنحة الثابتة مزودة بفرامل عجلات على الهيكل السفلي . تتميز بعض الطائرات أيضًا بفرامل هوائية مصممة لتقليل سرعتها أثناء الطيران. تشمل الأمثلة البارزة الطائرات الشراعية وبعض الطائرات التي تعود إلى حقبة الحرب العالمية الثانية ، وخاصة بعض الطائرات المقاتلة والعديد من قاذفات القنابل الانقضاضية في ذلك العصر. تسمح هذه للطائرات بالحفاظ على سرعة آمنة في نزول حاد. استخدمت قاذفة القنابل الانقضاضية Saab B 17 ومقاتلة Vought F4U Corsair الهيكل السفلي المنتشر كفرامل هوائية.

تخزن مكابح الاحتكاك في السيارات حرارة الكبح في أسطوانة الفرامل أو قرص الفرامل أثناء الكبح ثم تنقلها إلى الهواء تدريجيًا. عند السير في المنحدرات، يمكن لبعض المركبات استخدام محركاتها للكبح .

عندما يتم الضغط على دواسة الفرامل في المركبات الحديثة ذات الفرامل الهيدروليكية ضد الأسطوانة الرئيسية ، يقوم المكبس في النهاية بدفع وسادة الفرامل ضد قرص الفرامل مما يؤدي إلى إبطاء العجلة. على أسطوانة الفرامل، يكون الأمر مشابهًا حيث تقوم الأسطوانة بدفع أحذية الفرامل ضد الأسطوانة مما يؤدي أيضًا إلى إبطاء العجلة.

يمكن وصف المكابح بشكل عام بأنها تستخدم الاحتكاك أو الضخ أو الكهرومغناطيسية. قد تستخدم إحدى المكابح عدة مبادئ: على سبيل المثال، قد تمرر المضخة سائلاً عبر فتحة لخلق احتكاك:

الفرامل الاحتكاكية هي الأكثر شيوعًا ويمكن تقسيمها على نطاق واسع إلى فرامل " حذاء " أو " وسادة "، باستخدام سطح تآكل صريح، وفرامل هيدروديناميكية، مثل المظلات، والتي تستخدم الاحتكاك في سائل العمل ولا تتآكل صراحةً. عادةً ما يستخدم مصطلح "فرامل الاحتكاك" للإشارة إلى فرامل الوسادة/الحذاء ويستثني الفرامل الهيدروديناميكية، على الرغم من أن الفرامل الهيدروديناميكية تستخدم الاحتكاك. غالبًا ما تكون فرامل الاحتكاك (الوسادة/الحذاء) عبارة عن أجهزة دوارة ذات وسادة ثابتة وسطح تآكل دوار. تتضمن التكوينات الشائعة أحذية تنقبض للاحتكاك بالجزء الخارجي من الأسطوانة الدوارة، مثل فرامل الشريط ؛ أسطوانة دوارة بأحذية تتمدد للاحتكاك بالجزء الداخلي من الأسطوانة، والتي تسمى عادةً " فرامل الأسطوانة "، على الرغم من إمكانية تكوينات الأسطوانة الأخرى؛ والوسادات التي تضغط على قرص دوار، تسمى عادةً " فرامل القرص ". يتم استخدام تكوينات فرامل أخرى، ولكن بشكل أقل. على سبيل المثال، تتضمن فرامل عربة PCC حذاءًا مسطحًا يتم تثبيته على السكة بمغناطيس كهربائي؛ تضغط فرامل مورفي على أسطوانة دوارة، وتستخدم فرامل قرص أوسكو لامبرت قرصًا مجوفًا (قرصان متوازيان مع جسر هيكلي) مع أحذية تجلس بين أسطح القرص وتتوسع جانبيًا.

فرامل الأسطوانة هي فرامل مركبة حيث يحدث الاحتكاك بسبب مجموعة من أحذية الفرامل التي تضغط على السطح الداخلي لأسطوانة دوارة. الأسطوانة متصلة بمحور عجلة الطريق الدوارة.

يمكن العثور على فرامل الأسطوانة بشكل عام في موديلات السيارات والشاحنات القديمة. ومع ذلك، نظرًا لتكلفة إنتاجها المنخفضة، يتم أيضًا تركيب إعدادات فرامل الأسطوانة في الجزء الخلفي من بعض المركبات الأحدث منخفضة التكلفة. وبالمقارنة بفرامل القرص الحديثة، تتآكل فرامل الأسطوانة بشكل أسرع بسبب ميلها إلى ارتفاع درجة حرارتها.

الفرامل القرصية هي جهاز لإبطاء أو إيقاف دوران عجلة الطريق. قرص الفرامل (أو الدوار باللغة الإنجليزية الأمريكية)، المصنوع عادةً من الحديد الزهر أو السيراميك ، متصل بالعجلة أو المحور. لإيقاف العجلة، يتم دفع مادة الاحتكاك على شكل وسادات فرامل (مثبتة في جهاز يسمى الفرجار ) ميكانيكيًا أو هيدروليكيًا أو هوائيًا أو كهرومغناطيسيًا ضد جانبي القرص. يتسبب الاحتكاك في إبطاء أو توقف القرص والعجلة المرفقة.

غالبًا ما تُستخدم مكابح الضخ حيث تكون المضخة جزءًا من الآلات بالفعل. على سبيل المثال، يمكن أن يتوقف إمداد الوقود لمحرك مكبس الاحتراق الداخلي، ثم تتسبب خسائر الضخ الداخلية للمحرك في حدوث بعض الكبح. تستخدم بعض المحركات تجاوز الصمام يسمى مكابح جيك لزيادة خسائر الضخ بشكل كبير. يمكن لمكابح الضخ تفريغ الطاقة على شكل حرارة، أو يمكن أن تكون مكابح متجددة تعيد شحن خزان ضغط يسمى المجمع الهيدروليكي .

تُستخدم المكابح الكهرومغناطيسية أيضًا في كثير من الأحيان حيث يكون المحرك الكهربائي جزءًا من الآلات بالفعل. على سبيل المثال، تستخدم العديد من المركبات الهجينة التي تعمل بالبنزين/الكهرباء المحرك الكهربائي كمولد لشحن البطاريات الكهربائية وأيضًا كمكابح متجددة . تستخدم بعض قاطرات السكك الحديدية التي تعمل بالديزل/الكهرباء المحركات الكهربائية لتوليد الكهرباء التي يتم إرسالها بعد ذلك إلى مجموعة من المقاومات ويتم التخلص منها على شكل حرارة. بعض المركبات، مثل بعض حافلات النقل العام، لا تحتوي بالفعل على محرك كهربائي ولكنها تستخدم مكابح "مثبط" ثانوية تعمل كمولد فعليًا مع ماس كهربائي داخلي. الأنواع ذات الصلة من هذه المكابح هي مكابح التيار الدوامي ، والمكابح الكهروميكانيكية (والتي هي في الواقع مكابح احتكاك مدفوعة مغناطيسيًا، ولكن في الوقت الحاضر غالبًا ما يطلق عليها أيضًا "مكابح كهرومغناطيسية").

تعمل المكابح الكهرومغناطيسية على إبطاء الجسم من خلال الحث الكهرومغناطيسي ، والذي يخلق مقاومة وبالتالي إما حرارة أو كهرباء. تعمل المكابح الاحتكاكية على تطبيق الضغط على جسمين منفصلين لإبطاء السيارة بطريقة محكومة.

غالبًا ما يتم وصف الفرامل وفقًا للعديد من الخصائص بما في ذلك:

• قوة الذروة – قوة الذروة هي أقصى تأثير تباطؤ يمكن الحصول عليه. غالبًا ما تكون قوة الذروة أكبر من حد الجر للإطارات، وفي هذه الحالة يمكن أن تتسبب الفرامل في انزلاق العجلات.
• تبديد الطاقة المستمر - عادة ما تسخن المكابح أثناء الاستخدام وتتعطل عندما ترتفع درجة الحرارة بشكل مفرط. إن أكبر قدر من الطاقة (الطاقة لكل وحدة زمنية) التي يمكن تبديدها من خلال المكابح دون تعطل هو تبديد الطاقة المستمر. غالبًا ما يعتمد تبديد الطاقة المستمر على درجة حرارة وسرعة الهواء المحيط بالتبريد على سبيل المثال.
• التلاشي – مع ارتفاع درجة حرارة الفرامل، قد تصبح أقل فعالية، وهو ما يسمى بتلاشي الفرامل . بعض التصميمات معرضة بطبيعتها للتلاشي، في حين أن تصميمات أخرى محصنة نسبيًا. علاوة على ذلك، غالبًا ما يكون لاعتبارات الاستخدام، مثل التبريد، تأثير كبير على التلاشي.
• النعومة – قد تؤدي الفرامل التي تضغط بقوة أو تصدر نبضات أو تصدر أصواتًا أو تمارس قوة فرامل متفاوتة إلى الانزلاق. على سبيل المثال، تتمتع عجلات السكك الحديدية بقدر ضئيل من الاحتكاك، وغالبًا ما تؤدي الفرامل الاحتكاكية التي لا تحتوي على آلية مضادة للانزلاق إلى الانزلاق، مما يزيد من تكاليف الصيانة ويؤدي إلى شعور "بالارتطام" لدى الركاب داخل السيارة.
• القوة – غالبًا ما توصف المكابح بأنها "قوية" عندما تؤدي قوة تطبيق بشرية صغيرة إلى قوة كبح أعلى من المعتاد بالنسبة للمكابح الأخرى في نفس الفئة. لا يرتبط مفهوم "القوة" هذا بتبديد الطاقة المستمر، وقد يكون مربكًا لأن المكابح قد تكون "قوية" وتكبح بقوة عند تطبيق كبح لطيف، ومع ذلك يكون لها قوة ذروة أقل (أسوأ) من المكابح "الأقل قوة".
• الشعور بدواسة الفرامل – يشمل الشعور بدواسة الفرامل الإدراك الذاتي لقوة الفرامل الناتجة كدالة لحركة الدواسة. تتأثر حركة الدواسة بإزاحة سائل الفرامل وعوامل أخرى.
• السحب - تختلف كمية السحب في الفرامل في حالة عدم استخدام الفرامل حسب تصميم النظام لاستيعاب الامتثال الكامل للنظام والتشوه الموجود أثناء الكبح مع القدرة على سحب مادة الاحتكاك من سطح الاحتكاك في حالة عدم استخدام الفرامل.
• المتانة – تحتوي فرامل الاحتكاك على أسطح تآكل يجب تجديدها بشكل دوري. تشمل أسطح التآكل أحذية أو وسادات الفرامل، وكذلك قرص أو أسطوانة الفرامل. قد تكون هناك مقايضات، على سبيل المثال، قد يتآكل سطح التآكل الذي يولد قوة ذروة عالية بسرعة أيضًا.
• الوزن – غالبًا ما تكون المكابح "وزنًا إضافيًا" حيث لا تؤدي أي وظيفة أخرى. علاوة على ذلك، غالبًا ما يتم تثبيت المكابح على العجلات، ويمكن أن يؤدي الوزن غير المعلق إلى الإضرار بقوة الجر بشكل كبير في بعض الظروف. قد يشير "الوزن" إلى المكابح نفسها، أو قد يتضمن هيكل دعم إضافي.
• الضوضاء - عادةً ما تُصدر الفرامل بعض الضوضاء البسيطة عند استخدامها، ولكنها غالبًا ما تُصدر أصوات صرير أو طحن عالية جدًا.

المكونات الأساسية هي مكونات مجموعة المكابح الموجودة في عجلات السيارة، وقد سُميت بهذا الاسم لأنها تشكل الأساس لبقية نظام المكابح. يتم التحكم في هذه الأجزاء الميكانيكية الموجودة حول العجلات بواسطة نظام المكابح الهوائية.

هناك ثلاثة أنواع من أنظمة الفرامل الأساسية وهي فرامل الكامة "S" وفرامل القرص وفرامل الإسفين. ^[3]

تستخدم معظم مركبات الركاب الحديثة والشاحنات الخفيفة نظام فرامل بمساعدة الفراغ يزيد بشكل كبير من القوة المطبقة على فرامل المركبة من قبل مشغلها. ^[4] يتم توفير هذه القوة الإضافية من خلال الفراغ المتعدد الناتج عن تدفق الهواء الذي يعوقه الخانق في محرك يعمل. يتم تقليل هذه القوة بشكل كبير عندما يعمل المحرك بخانق مفتوح بالكامل، حيث يتم تقليل الفرق بين ضغط الهواء المحيط وضغط الهواء المتعدد (المطلق)، وبالتالي يتم تقليل الفراغ المتاح. ومع ذلك، نادرًا ما يتم تطبيق الفرامل عند الخانق الكامل؛ يرفع السائق قدمه اليمنى عن دواسة الوقود وينقلها إلى دواسة الفرامل - ما لم يتم استخدام الكبح بالقدم اليسرى .

بسبب انخفاض الفراغ عند دورات عالية في الدقيقة، غالبًا ما تكون التقارير عن التسارع غير المقصود مصحوبة بشكاوى من فشل أو ضعف الفرامل، حيث أن المحرك عالي السرعة، الذي يحتوي على دواسة وقود مفتوحة، غير قادر على توفير فراغ كافٍ لتشغيل معزز الفرامل. تتفاقم هذه المشكلة في المركبات المجهزة بناقل حركة أوتوماتيكي حيث تقوم المركبة تلقائيًا بتقليل السرعة عند تطبيق الفرامل، وبالتالي زيادة عزم الدوران المقدم إلى العجلات الدافعة التي تلامس سطح الطريق.

عادةً ما تعمل المركبات الطرقية الثقيلة، وكذلك القطارات، على تعزيز قوة الفرامل باستخدام الهواء المضغوط ، والذي يتم توفيره بواسطة ضاغط واحد أو أكثر.

على الرغم من أن الفرامل من الناحية المثالية ستقوم بتحويل كل الطاقة الحركية إلى حرارة، إلا أنه في الممارسة العملية قد يتم تحويل كمية كبيرة منها إلى طاقة صوتية بدلاً من ذلك، مما يساهم في التلوث الضوضائي .

بالنسبة لمركبات الطرق، يختلف الضجيج الناتج بشكل كبير حسب نوع الإطار وسطح الطريق وحجم التباطؤ. ^[5] يمكن أن تحدث الضوضاء بسبب أشياء مختلفة. هذه علامات على وجود مشكلات في تآكل الفرامل بمرور الوقت.

يمكن أن تتسبب أعطال فرامل السكك الحديدية في حدوث شرارات وحرائق الغابات . ^[6] في بعض الحالات القصوى للغاية، يمكن أن تصبح فرامل الأقراص حمراء ساخنة وتشتعل فيها النيران. حدث هذا في سباق الجائزة الكبرى التوسكاني، عندما اشتعلت النيران في فرامل الأقراص الكربونية الأمامية لسيارة مرسيدس W11، بسبب ضعف التهوية والاستخدام العالي. ^[7] يمكن أن تحدث هذه الحرائق أيضًا في بعض شاحنات مرسيدس سبرينتر ، عندما يتوقف مستشعر ضبط الحمل ويجب على الفرامل الخلفية تعويض الفرامل الأمامية. ^[8]

يتم دائمًا فقدان قدر كبير من الطاقة أثناء الكبح، حتى مع الكبح المتجدد الذي لا يتمتع بكفاءة مثالية . لذلك، فإن المقياس الجيد لاستخدام الطاقة بكفاءة أثناء القيادة هو ملاحظة مقدار الكبح. إذا كان الجزء الأكبر من التباطؤ ناتجًا عن الاحتكاك الذي لا يمكن تجنبه بدلاً من الكبح، فإن المرء يضغط على معظم الخدمة من السيارة. يعد تقليل استخدام الفرامل أحد السلوكيات التي تزيد من الاقتصاد في استهلاك الوقود .

في حين أن الطاقة تُفقد دائمًا أثناء حدوث فرملة، فإن العامل الثانوي الذي يؤثر على الكفاءة هو "السحب عند عدم استخدام الفرامل"، أو السحب الذي يحدث عندما لا يتم تشغيل الفرامل عمدًا. بعد حدوث فرملة، ينخفض ​​الضغط الهيدروليكي في النظام، مما يسمح لمكابس الفرجار بالانسحاب. ومع ذلك، يجب أن يستوعب هذا الانسحاب كل الامتثال في النظام (تحت الضغط) بالإضافة إلى التشوه الحراري للمكونات مثل قرص الفرامل أو نظام الفرامل الذي سيسحب حتى يتسبب التلامس مع القرص، على سبيل المثال، في دفع الوسادات والمكابس للخلف من سطح الاحتكاك. خلال هذا الوقت، يمكن أن يكون هناك سحب كبير للفرامل. يمكن أن يؤدي سحب الفرامل هذا إلى فقدان كبير للطاقة الطفيلية، وبالتالي التأثير على الاقتصاد في استهلاك الوقود والأداء العام للسيارة.

في تسعينيات القرن التاسع عشر، أصبحت الفرامل الخشبية قديمة عندما قدم الأخوان ميشلان الإطارات المطاطية. ^[9]

خلال ستينيات القرن العشرين، استبدلت بعض شركات تصنيع السيارات فرامل الأسطوانة بفرامل القرص. ^[9]

في عام 1966، تم تركيب نظام ABS في سيارة Jensen FF الكبرى. ^[9]

في عام 1978، قامت شركة بوش ومرسيدس بتحديث نظام منع انغلاق المكابح لعام 1936 لسيارة مرسيدس الفئة S. هذا النظام عبارة عن نظام إلكتروني بالكامل، متعدد القنوات، رباعي العجلات، أصبح فيما بعد نظامًا قياسيًا. ^[9]

في عام 2005، أصبح نظام التحكم الإلكتروني في الثبات (ESC) — الذي يطبق المكابح تلقائيًا لتجنب فقدان التحكم في التوجيه — إلزاميًا بالنسبة لناقلات البضائع الخطرة التي لا تحتوي على مسجلات بيانات في مقاطعة كيبيك الكندية. ^[10]

منذ عام 2017، تستخدم العديد من بلدان اللجنة الاقتصادية للأمم المتحدة لأوروبا (UNECE) نظام مساعدة الفرامل (BAS) وهو وظيفة نظام الفرامل التي تستنتج حدث فرملة طارئ من سمة طلب السائق للفرامل وفي ظل هذه الظروف تساعد السائق على تحسين الكبح. ^[11]

في يوليو 2013 ^[11] تم سن لائحة المركبات رقم 131 التابعة للجنة الاقتصادية لأوروبا التابعة للأمم المتحدة. تحدد هذه اللائحة أنظمة الكبح في حالات الطوارئ المتقدمة (AEBS) للمركبات الثقيلة للكشف تلقائيًا عن احتمال حدوث تصادم أمامي وتنشيط نظام الكبح في المركبة.

في 23 يناير 2020 ^[11] تم سن لائحة المركبات رقم 152 التابعة للجنة الاقتصادية لأوروبا التابعة للأمم المتحدة، والتي تحدد أنظمة الكبح في حالات الطوارئ المتقدمة للمركبات الخفيفة.

اعتبارًا من مايو 2022، في الاتحاد الأوروبي، بموجب القانون، ستحتوي المركبات الجديدة على نظام متطور للفرملة في حالات الطوارئ. ^[12]

• كيف تعمل الأشياء - الفرامل