عجلة القيادة

العجلة الدوارة (أو الكاستر ) هي عجلة غير مدفوعة مصممة ليتم تثبيتها في الجزء السفلي من جسم أكبر (المركبة) لتمكين تحريك هذا الجسم.

تُستخدم العجلات في العديد من التطبيقات، بما في ذلك عربات التسوق ، وكراسي المكاتب ، وعربات الألعاب ، وأسرة المستشفيات، ومعدات مناولة المواد . تُستخدم العجلات عالية السعة والمتينة في العديد من التطبيقات الصناعية، مثل الشاحنات ذات المنصات، والعربات، والتجمعات، وخطوط السحب في المصانع.

يمكن تثبيت العجلات لتتدحرج على طول مسار خط مستقيم، أو تركيبها على محور أو عمود محوري بحيث تتوافق العجلة تلقائيًا مع اتجاه السفر.

تتكون العجلات الصلبة الأساسية من عجلة مثبتة على شوكة ثابتة. يتم تحديد اتجاه الشوكة، التي تكون ثابتة بالنسبة للمركبة، عند تثبيت العجلات على المركبة. ^[1] ومن الأمثلة على ذلك العجلات الموجودة في الجزء الخلفي من عربة التسوق في أمريكا الشمالية. تميل العجلات الصلبة إلى تقييد حركة المركبة بحيث تتحرك المركبة على طول خط مستقيم.

مثل العجلة الصلبة البسيطة، تتضمن العجلة الدوارة عجلة مثبتة على شوكة، ولكن المفصل الدوار الإضافي الموجود فوق الشوكة يسمح للشوكة بالدوران بحرية حوالي 360 درجة، وبالتالي تمكين العجلة من الدوران في أي اتجاه. هذا يجعل من الممكن تحريك المركبة بسهولة في أي اتجاه دون تغيير اتجاهها. يتم أحيانًا ربط العجلات الدوارة بالمقابض حتى يتمكن المشغل من ضبط اتجاهها يدويًا. تم اختراع العجلة الدوارة المحسنة في عام 1920 بواسطة Seibert Chesnutt، براءة اختراع الولايات المتحدة 1341630، والتي تم تصنيعها بسهولة عن طريق الختم، وتضمنت محامل كروية لعمر أطول. كانت العجلات الدوارة الأساسية موجودة في "كرسي المكتب" الشهير لتشارلز داروين في وقت مبكر من أربعينيات القرن التاسع عشر.

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتضمن العجلة الدوارة عادةً قدرًا صغيرًا من مسافة الإزاحة بين المحور المركزي للعمود الرأسي والمحور المركزي لعجلة العجلة الدوارة. عندما يتم تحريك العجلة الدوارة ولا تواجه العجلة الاتجاه الصحيح، فإن الإزاحة ستتسبب في دوران مجموعة العجلة حول محور العمود الرأسي لمتابعة اتجاه الحركة. إذا لم يكن هناك إزاحة، فلن تدور العجلة إذا لم تواجه الاتجاه الصحيح، مما يمنع الحركة أو السحب عبر الأرض.

عند الحركة على طول خط مستقيم، يميل العجلة الدوارة إلى المحاذاة تلقائيًا والدوران بالتوازي مع اتجاه السفر. يمكن رؤية ذلك على عربة التسوق عندما تتماشى العجلات الأمامية مع العجلات الخلفية عند السفر في ممر. نتيجة لذلك، تميل السيارة بشكل طبيعي إلى السفر في اتجاه مستقيم. لا يلزم التوجيه الدقيق لأن العجلات تميل إلى الحفاظ على الحركة المستقيمة. هذا صحيح أيضًا أثناء انعطاف السيارة. تدور العجلة بشكل عمودي على نصف قطر الدوران وتوفر دورانًا سلسًا. يمكن رؤية ذلك على عربة التسوق حيث تدور العجلات الأمامية بسرعات مختلفة، مع نصف قطر دوران مختلف اعتمادًا على مدى إحكام الدوران.

يمكن تعديل زاوية ومسافة محاور العجلات والمفصل الدوار لتناسب أنواعًا مختلفة من أداء العجلات. ^[2]

العجلات الصناعية هي عجلات شديدة التحمل مصممة لحمل أحمال ثقيلة، في بعض الحالات تصل إلى ثلاثين ألف رطل. قد يكون للعجلات الصناعية تصميم إما دوار أو صلب. عادةً ما تحتوي العجلات الصناعية على لوحة مسطحة علوية بها أربع فتحات براغي لضمان اتصال قوي بين اللوحة العلوية والحمل. تُستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك عربات العربات، ومنصات التجميع الدوارة، ورفوف التخزين شديدة التحمل، وصناديق التخزين، وخطوط السحب، ومعدات الصيانة، وآليات مناولة المواد.

في التصنيع المبكر، كانت أجسام العجلات الصناعية تُصنع عادةً من ثلاثة أجزاء معدنية منفصلة مختومة، والتي كانت تُلحم باللوحة العلوية. واليوم، تُصنع العديد من أجسام العجلات الصناعية عن طريق قطع الجسم بالليزر من قطعة معدنية واحدة ثم استخدام مكبس ضغط لتشكيل الأرجل بزاوية تسعين درجة المطلوبة، وبالتالي إنتاج جهاز أقوى ميكانيكيًا.

تؤثر عوامل مختلفة على أداء العجلات الصناعية. على سبيل المثال، توفر أقطار العجلات وعرضها الأكبر سعة أكبر لتحمل الوزن من خلال توزيع وزن الحمل عبر مساحة سطح أكبر للعجلة. كما أن المواد الصلبة للعجلات (مثل الحديد الزهر والبولي يوريثين عالي الجودة) أقل حساسية للأوساخ والحطام على الأرضيات ولا تميل إلى تركها عليها.

قد تشتمل العجلات غير المكلفة الشائعة على ميزة فرامل تمنع العجلة من الدوران. ويتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام رافعة تضغط على عمود كامة الفرامل ضد العجلة. ومع ذلك، لا تزال العجلة الدوارة قادرة على التحرك قليلاً، في دائرة صغيرة تدور حول مسافة الإزاحة بين العمود الرأسي ومركز العجلة المقفلة.

يوجد نوع أكثر تعقيدًا من العجلات الدوارة، يُطلق عليه أحيانًا اسم العجلات ذات القفل الكامل، وهو يحتوي على قفل دوار إضافي على العمود الرأسي بحيث لا يمكن دوران العمود أو دوران العجلة، وبالتالي توفير دعم شديد الصلابة. ومن الممكن استخدام هذين القفلين معًا أو بشكل منفصل. إذا تم قفل العمود الرأسي ولكن لا يزال بإمكان العجلة الدوران، تصبح العجلات الدوارة عجلات اتجاهية، ولكن يمكن قفلها للدوران في اتجاه واحد على طول أي محور أفقي.

في بعض الحالات، من المفيد أن تكون قادرًا على كبح أو قفل جميع العجلات في نفس الوقت، دون الحاجة إلى التجول حولها لتشغيل آلية على كل منها بشكل فردي. يمكن تحقيق ذلك باستخدام آلية قفل مركزي يتم تشغيلها بواسطة حلقة صلبة تحيط بكل عجلة دوارة، أعلى قليلاً من العجلة، والتي تخفض العجلة وتضغط عليها لأسفل، مما يمنع دوران العجلة والمحور الدوار. هناك طريقة بديلة وهي قفل العجلة المركزي، والذي يحتوي على عمود كامة دوار في منتصف كل عمود دوار رأسي، يؤدي إلى آلية كبح في أسفل كل عجلة.

تحتوي العجلات بدون محور دوران على مسار داخلي ومسار خارجي متصل بالمركبة ومحامل كروية بين مسارات السباق. لا تحتوي هذه الآلية على محور دوران ، ومن هنا جاء اسم العجلات بدون محور دوران. يؤدي غياب المحور الدوراني إلى التخلص من معظم أسباب فشل العجلات الدوارة ^{[ بحاجة لمصدر ]} ويقلل أو يزيل الاهتزاز بعد الاستخدام ^{[ توضيح ]} . إنها توفر سعة ومتانة مماثلة للوحدات ذات المحامل الكروية الدقيقة أو المدببة المختومة ^{[ بحاجة لمصدر ]} ، وهي بديل عملي للعجلات الدوارة التقليدية في المواقف عالية التأثير ^{[ لماذا؟ ]} .

أحد العيوب الرئيسية للعجلات هو الرفرفة. ومن الأمثلة الشائعة على رفرفة العجلات عربة التسوق في السوبر ماركت، عندما تتأرجح إحدى العجلات بسرعة من جانب إلى آخر. يحدث هذا التذبذب، المعروف أيضًا باسم الاهتزاز ، بشكل طبيعي عند سرعات معينة، وهو مشابه لتذبذب السرعة الذي يحدث في المركبات ذات العجلات الأخرى. تعتمد السرعة التي يحدث بها رفرفة العجلات على الوزن الذي يتحمله العجلة والمسافة بين محور العجلة ومحور التوجيه. تُعرف هذه المسافة باسم مسافة التتبع ، ويمكن أن يؤدي زيادة هذه المسافة إلى القضاء على الرفرفة عند السرعات المعتدلة. بشكل عام، تحدث الرفرفة عند السرعات العالية.

ما يجعل الارتعاش خطيرًا هو أنه قد يتسبب في تحرك المركبة فجأة في اتجاه غير مرغوب فيه. يحدث الارتعاش عندما لا يكون الكاستر على اتصال كامل بالأرض وبالتالي يكون اتجاهه غير قابل للتحكم. عندما يستعيد الكاستر الاتصال الكامل بالأرض، يمكن أن يكون في أي اتجاه. يمكن أن يتسبب هذا في تحرك المركبة فجأة في الاتجاه الذي يشير إليه الكاستر. عند السرعات المنخفضة، يمكن لقدرة الكاستر على الدوران تصحيح الاتجاه ويمكنها الاستمرار في السفر في الاتجاه المطلوب. ولكن عند السرعات العالية، يمكن أن يكون هذا خطيرًا حيث قد لا تكون العجلة قادرة على الدوران بسرعة كافية وقد تترنح المركبة في أي اتجاه.

يهتم مصممو الكراسي المتحركة الكهربائية والسباقات كثيرًا بالرفرفة لأن الكرسي يجب أن يكون آمنًا للراكبين. يمكن أن تؤدي زيادة مسافة التتبع إلى زيادة الاستقرار عند السرعات العالية لسباقات الكراسي المتحركة، ولكنها قد تخلق رفرفة عند السرعات المنخفضة للاستخدام اليومي. لسوء الحظ، كلما زاد طول مسافة التتبع، كلما احتاجت العجلة إلى مساحة أكبر للدوران. لذلك، من أجل استيعاب مساحة الدوران الإضافية هذه، قد يكون من الضروري إطالة الإطار أو تمديد مساند القدمين. يميل هذا إلى جعل الكرسي أكثر ثقلًا.

يمكن التحكم في اهتزاز العجلات عن طريق إضافة مخمدات أو زيادة احتكاك المفاصل الدوارة. ^[3] ويمكن تحقيق ذلك عن طريق إضافة غسالات إلى المفصل الدوار. يزداد الاحتكاك مع زيادة الوزن على مقدمة الكرسي. في أي وقت يبدأ فيه العجلة في الارتعاش، فإنه يبطئ الكرسي وينقل الوزن إلى العجلات الأمامية. هناك العديد من مجموعات مكافحة الارتعاش عبر الإنترنت لتعديل عجلات الكراسي المتحركة بهذه الطريقة. تشمل الطرق الأخرى لتقليل ارتعاش العجلات زيادة سلك الدوران، أو استخدام شحم أثقل، أو تقليل كتلة العجلة، أو زيادة الاحتكاك بالأرض عن طريق تغيير المواد. ^[4]

يتم أيضًا إيقاف العجلات تمامًا باستخدام أكواب العجلات.

تم تصميم العجلات المريحة مع مراعاة بيئة التشغيل والمهمة التي سيتم تنفيذها بحيث يتم تقليل أي آثار ضارة على المشغل. يمكن أن تساهم الإجراءات المتكررة طويلة الأمد التي تنطوي على مقاومة العجلات في إصابات الإجهاد. يمكن أن تساهم المواصفات غير المناسبة أيضًا في تقليل عمر خدمة العجلات.

تلعب العديد من المعلمات دورًا في مدى جودة أداء العجلة الدوارة. تؤثر معلمات مثل صلابة الإطار وعرض المداس وشكلها وطول الإزاحة الخلفية ("العجلة الدوارة") وقطر العجلة على الجهد المطلوب لبدء تحريك المنصة. ستجعل العجلات الأكثر صلابة العجلة الدوارة أسهل في الدوران من خلال تقليل مقاومة التشوه. يوفر الإطار الأقل نفخًا مقاومة أكبر للتشوه وبالتالي يلزم بذل المزيد من الجهد لتحريك المنصة المرفقة. يتأثر جهد الدوران بكمية العجلة الدوارة وقطر العجلة. ^[5]

تتضمن التحسينات التي تم إدخالها على تصميم العجلات التقليدية واقيات أصابع القدم، ومساحات المسارات، والأرجل المقواة، وأنابيب التوجيه، وأقفال الدوران، والفرامل، وكلها تم تنفيذها في محاولة للحد من إصابات المشغل في مكان العمل. ^[6]

يؤثر قطر العجلة الدوارة على مدى سهولة تحرك العجلة الدوارة فوق الأسطح الجسيمية أو الخشنة أو غير المنتظمة. تستطيع العجلات الدوارة ذات القطر الكبير سد الفجوات مثل تلك الموجودة بين الأرضية وعربة المصعد. ومع ذلك، كلما زاد قطر العجلة الدوارة، يجب أن يكون ذراع دعم العجلة الدوارة أعلى. إما أن يتم رفع قاعدة الجسم المنخفض المعلق أعلى فوق العجلات، أو يجب أن تتدلى العجلات الدوارة على الجانبين متداخلة مع الجسم المنخفض المعلق المدعوم. أثناء الدوران حول العمود الرأسي، تكتسح العجلات الدوارة مساحة. تتطلب العجلات الأكبر مساحة أكبر.

يمكن زيادة سعة التحميل باستخدام عجلات أوسع ذات مساحة اتصال أكبر بالأرض. ومع ذلك، عند تدوير عجلة دوارة عريضة في مكانها، يدور الجزء المركزي من رقعة اتصال العجلة بالأرض بشكل أبطأ من المناطق الأبعد إلى الجانبين. يتسبب هذا الاختلاف في سرعة الدوران عبر قاعدة رقعة اتصال العجلة في مقاومة العجلات العريضة للدوران حول الدوار، وتزداد هذه المقاومة مع زيادة تحميل الوزن.

تتمثل إحدى الطرق البديلة لزيادة سعة التحميل مع الحد من مقاومة دوران المحور في استخدام عجلات ضيقة متعددة في وقت واحد على نفس محور العجلة. تتمتع كل عجلة بمساحة اتصال بالأرض أضيق نسبيًا من العجلة العريضة المفردة، وبالتالي تكون المقاومة أقل للدوران في مكانها على المحور.

هناك أربعة تصنيفات رئيسية للعجلات:

• تحتوي العجلة القياسية على محور دوار مركزي (أو محمل) ومادة مرنة على جانبها الخارجي.
• العجلة الدوارة هي عجلة مثبتة على شوكة، مع وصلة توجيه اختيارية إضافية.
• تتكون العجلة متعددة الاتجاهات ( عجلة Mecanum أو عجلة Omni أو العجلة السويدية) من محور مركزي كبير مع العديد من العجلات الأصغر الإضافية المثبتة على طول المحيط بحيث تكون محاورها عمودية على العجلة المركزية. يمكن للعجلة المركزية أن تدور حول محورها مثل العجلات التقليدية، ولكن يمكن للعجلات الأصغر أيضًا تمكين الحركة عموديًا على المحور المركزي.
• العجلة الكروية متعددة الاتجاهات وعادة ما تكون عبارة عن كرة كروية مثبتة داخل جهاز تثبيت. ومن الأمثلة على ذلك وحدة نقل الكرة .

• زاوية العجلات
• لوح عجلات
• عربة