در میان انواع مختلف سیستم‌های تعلیق مستقل که در خودروهای مدرن به کار می‌روند، مک‌فرسون استرات (MacPherson Strut) یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین طرح‌ها، به خصوص برای محور جلوی خودروهای سواری، است. این سیستم تعلیق که در دهه ۱۹۴۰ توسط ارل مک‌فرسون طراحی شد، با سادگی نسبی و طراحی کم‌حجم خود، امکان‌پذیر ساختن چیدمان موتور و گیربکس عرضی در خودروهای دیفرانسیل جلو را تسهیل کرد و به سرعت به یک استاندارد در صنعت خودرو تبدیل شد. مک‌فرسون استرات با فراهم کردن حرکت مستقل برای هر چرخ، نقش مهمی در بهبود کیفیت سواری و هندلینگ خودرو ایفا می‌کند. این دانشنامه به بررسی مفهوم، اجزای اصلی، نحوه کارکرد، مزایا و معایب، و کاربردهای سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات می‌پردازد.
مک‌فرسون استرات چیست؟ تعریف و اجزای اصلی
مک‌فرسون استرات نوعی سیستم تعلیق مستقل است که ویژگی اصلی آن، ترکیب کمک‌فنر و فنر لول در یک واحد تلسکوپی به نام “استرات” است. این استرات در قسمت بالای خود به بدنه خودرو (معمولاً بالای گلگیر یا در زیرشاسی) متصل شده و در قسمت پایین به مجموعه توپی چرخ (Knuckle یا Hub Carrier) متصل می‌شود. اجزای اصلی سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات عبارتند از:
- استرات (The Strut): این جزء محوری سیستم است که شامل یک کمک‌فنر تلسکوپی است و فنر لول به صورت متحدالمرکز (یا نزدیک به آن) اطراف بدنه کمک‌فنر قرار می‌گیرد. استرات هم وظیفه میرایی نوسانات فنر را بر عهده دارد و هم به عنوان یک عضو سازه‌ای، مجموعه توپی چرخ را از پایین به بدنه خودرو از بالا متصل می‌کند و بار جانبی را تحمل می‌نماید.
- فنر لول (Coil Spring): دور استرات قرار گرفته و وظیفه تحمل وزن خودرو و جذب اولیه ضربات ناشی از ناهمواری‌های جاده را بر عهده دارد.
- کمک‌فنر (Damper / Shock Absorber): در داخل استرات تعبیه شده و حرکت فنر را میرا می‌کند تا از نوسان مکرر و بیش از حد بدنه جلوگیری شود و چرخ با سرعت بیشتری پس از عبور از ناهمواری با جاده تماس پیدا کند.
- طبق پایینی (Lower Control Arm / Wishbone): یک بازوی مفصل‌دار که در قسمت پایین، مجموعه توپی چرخ را به زیرشاسی یا بدنه خودرو متصل می‌کند. این طبق، حرکت جانبی (چپ و راست) و طولی (جلو و عقب) چرخ را کنترل کرده و در حفظ هندسه تعلیق نقش دارد. طرح طبق پایینی می‌تواند متفاوت باشد (مثلاً یک بازوی عرضی یا یک طبق L شکل).
- مجموعه توپی چرخ (Knuckle / Hub Carrier): قطعه‌ای است که بلبرینگ چرخ، خود چرخ، دیسک و کالیپر ترمز به آن متصل می‌شوند. استرات از بالا و طبق پایینی از پایین به این مجموعه متصل می‌شوند.
- بوشینگ‌ها و مفصل‌ها: در نقاط اتصال طبق پایینی به بدنه و مجموعه توپی چرخ، و همچنین در قسمت بالای استرات (Top Mount)، بوشینگ‌ها و یاتاقان‌هایی وجود دارند که امکان حرکت مفصلی و جذب لرزش را فراهم می‌کنند.
- کیت نصب بالایی (Top Mount / Strut Mount): قطعه‌ای که در بالای استرات قرار گرفته و آن را به صورت مفصلی به بدنه خودرو متصل می‌کند. این قطعه شامل یک یاتاقان است که امکان چرخش استرات را در هنگام فرمان دادن فراهم می‌آورد.
نحوه کارکرد مک‌فرسون استرات
نحوه کارکرد مک‌فرسون استرات بر اساس حرکت عمودی مجموعه چرخ و استرات در امتداد یک محور تقریباً عمودی است. هنگامی که چرخ از روی ناهمواری عبور می‌کند، فنر لول فشرده یا باز شده و انرژی ضربه را جذب می‌کند. کمک‌فنر داخل استرات این نوسانات فنر را کنترل و میرا می‌کند. طبق پایینی، حرکت جانبی و طولی چرخ را هدایت می‌کند، در حالی که مفصل بالای استرات (Top Mount) امکان حرکت زاویه‌ای لازم را فراهم می‌آورد.
در هنگام فرمان دادن، کل مجموعه استرات، طبق پایینی و توپی چرخ حول محور عمودی که از مفصل بالایی استرات می‌گذرد، می‌چرخند. این سادگی نسبی در مکانیزم فرمان‌پذیری، یکی از دلایل محبوبیت این طرح است.
مزایای سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات
سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات به دلیل مزایای زیر به طور گسترده‌ای در صنعت خودرو پذیرفته شده است:
- سادگی و کم‌حجمی: نسبت به طرح‌هایی مانند طبق‌دوبل، قطعات کمتری دارد و به فضای کمتری (به خصوص عرضی) نیاز دارد. این موضوع، فضای بیشتری را برای قرارگیری موتور و گیربکس در خودروهای دیفرانسیل جلو فراهم می‌کند.
- هزینه تولید پایین‌تر: طراحی ساده‌تر معمولاً منجر به فرایندهای تولید آسان‌تر و هزینه نهایی پایین‌تر می‌شود.
- وزن فنربندی نشده نسبتاً پایین: در مقایسه با محورهای صلب، وزن فنربندی نشده در مک‌فرسون استرات پایین‌تر است که به بهبود هندلینگ و کیفیت سواری کمک می‌کند (هرچند بالاتر از برخی طرح‌های مستقل دیگر است).
- سرویس و تعمیر نسبتاً آسان‌تر: به دلیل سادگی نسبی، تعویض فنر یا کمک‌فنر (استرات کامل) معمولاً فرآیند پیچیده‌ای نیست.
- کیفیت سواری و هندلینگ خوب: برای اکثر خودروهای سواری معمولی، مک‌فرسون استرات ترکیبی مناسب از راحتی و توانایی هندلینگ را فراهم می‌کند.
معایب سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات
با وجود مزایای فراوان، سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات دارای معایبی نیز هست که در خودروهای با تمرکز بالا بر هندلینگ اسپرت یا کیفیت سواری لوکس، طرح‌های پیچیده‌تر ترجیح داده می‌شوند:
- تغییرات نامطلوب در هندسه تعلیق: در حین حرکت عمودی چرخ‌ها (فشرده شدن یا باز شدن تعلیق)، زوایای مهمی مانند زاویه کمبر (Camber Angle – انحراف چرخ از حالت عمود نسبت به جاده) به صورت قابل توجهی تغییر می‌کنند. این تغییرات می‌توانند تأثیر منفی بر سطح تماس تایر با جاده و در نتیجه چسبندگی، به خصوص در پیچ‌ها داشته باشند.
- انتقال مستقیم ضربات به بدنه: از آنجایی که استرات مستقیماً مجموعه چرخ را به بدنه متصل می‌کند و بار جانبی را نیز تحمل می‌کند، ضربات و لرزش‌های جاده ممکن است به صورت مستقیم‌تر به بدنه خودرو و از آنجا به کابین منتقل شوند که بر کیفیت سواری و میزان صدا و لرزش (NVH) تأثیر می‌گذارد.
- تأثیر بر فرمان: نقطه اتصال بالایی استرات هم محور چرخش فرمان است. نیروهای وارده از جاده می‌توانند مستقیماً بر فرمان تأثیر بگذارند (مانند پدیده Torque Steer یا کشیدگی فرمان در خودروهای دیفرانسیل جلو پرقدرت هنگام شتاب‌گیری).
- فضای اشغالی عمودی بالا: واحد استرات نسبتاً بلند است و نیاز به فضای قابل توجهی در ارتفاع دارد که ممکن است طراحی قسمت جلوی خودرو (مانند ارتفاع کاپوت) یا میزان فضای عمودی در دسترس برای حرکت تعلیق را محدود کند.
کاربردهای مک‌فرسون استرات
سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات به دلیل مزایای خود (به خصوص سادگی، کم‌حجمی و هزینه تولید پایین) به طور گسترده‌ای در کاربردهای زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد:
- محور جلوی اکثر خودروهای سواری مدرن: از خودروهای اقتصادی کوچک تا سدان‌ها و کراس‌اوورهای میان‌رده و حتی برخی خودروهای لوکس یا اسپرت. این طرح به خصوص در خودروهای دیفرانسیل جلو رایج است.
- محور عقب برخی خودروهای دیفرانسیل جلو: هرچند در محور عقب خودروهای مدرن، سیستم‌های مولتی‌لینک به دلیل هندلینگ بهتر رایج‌تر شده‌اند، اما در برخی مدل‌ها همچنان از مک‌فرسون استرات برای محور عقب استفاده می‌شود.
اهمیت مک‌فرسون استرات در طراحی خودرو
مک‌فرسون استرات نقش مهمی در تعیین معماری فنی و قابلیت‌های دینامیکی بخش بزرگی از خودروهای امروزی ایفا می‌کند. اهمیت مک‌فرسون استرات در طراحی خودرو در این است که با ارائه یک راهکار مؤثر برای تعلیق مستقل با هزینه و پیچیدگی نسبتاً پایین، امکان طراحی خودروهایی با فضای داخلی مناسب (به خصوص در خودروهای FWD) و همچنین ترکیبی قابل قبول از راحتی و هندلینگ را فراهم آورده است. این سیستم یک مصالحه موفق بین الزامات مهندسی مختلف است.
نتیجه‌گیری
مک‌فرسون استرات (MacPherson Strut) نوعی سیستم تعلیق مستقل رایج است که با ترکیب فنر و کمک‌فنر در یک واحد (استرات) و استفاده از یک طبق پایینی، حرکت مستقل چرخ‌ها را فراهم می‌کند. اجزای اصلی سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات شامل استرات، فنر، کمک‌فنر و طبق پایینی است. مزایای سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات مانند سادگی، کم‌حجمی و هزینه تولید پایین باعث شده است که به طور گسترده‌ای در محور جلوی اکثر خودروهای سواری مدرن استفاده شود. با وجود معایب سیستم تعلیق مک‌فرسون استرات مانند تغییرات نامطلوب در هندسه و انتقال نسبی ضربات به بدنه، این سیستم ترکیبی مناسب از راحتی و هندلینگ را ارائه می‌دهد و نقش بنیادینی در کاربردهای مک‌فرسون استرات در صنعت خودرو دارد. درک اهمیت مک‌فرسون استرات در طراحی خودرو برای شناخت ویژگی‌های دینامیکی بخش بزرگی از خودروهای امروزی ضروری است.
