แขนสวิงมักจะอยู่ระหว่างล้อและตัวรถ และเป็นส่วนประกอบด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับผู้ขับขี่ ทำหน้าที่ส่งแรง ลดการสั่นสะเทือน และควบคุมทิศทาง
แขนสวิงอาร์มมักอยู่ระหว่างล้อและตัวรถ และเป็นชิ้นส่วนด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับผู้ขับขี่ ทำหน้าที่ส่งแรง ลดการสั่นสะเทือน และควบคุมทิศทาง บทความนี้จะแนะนำโครงสร้างแขนสวิงอาร์มทั่วไปในท้องตลาด และเปรียบเทียบและวิเคราะห์ผลกระทบของโครงสร้างที่แตกต่างกันต่อกระบวนการ คุณภาพ และราคา
ระบบช่วงล่างของรถยนต์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นช่วงล่างด้านหน้าและช่วงล่างด้านหลัง ทั้งช่วงล่างด้านหน้าและด้านหลังมีแขนสวิงเพื่อเชื่อมต่อล้อและตัวถัง โดยปกติแขนสวิงจะอยู่ระหว่างล้อและตัวถัง
หน้าที่ของแขนสวิงนำทางคือการเชื่อมต่อล้อและโครงรถ ส่งแรง ลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือน และควบคุมทิศทาง เป็นส่วนประกอบด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับผู้ขับขี่ ในระบบช่วงล่างมีชิ้นส่วนโครงสร้างที่ส่งผ่านแรง เพื่อให้ล้อเคลื่อนที่สัมพันธ์กับตัวถังตามวิถีที่กำหนด ชิ้นส่วนโครงสร้างเหล่านี้ส่งผ่านน้ำหนัก และระบบช่วงล่างทั้งหมดมีส่วนรับผิดชอบต่อสมรรถนะการควบคุมรถ
หน้าที่ทั่วไปและการออกแบบโครงสร้างของแขนสวิงของรถยนต์
1. เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านการถ่ายโอนน้ำหนัก การออกแบบโครงสร้างแขนสวิง และเทคโนโลยี
รถยนต์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ระบบช่วงล่างแบบอิสระ โดยแบ่งตามโครงสร้างได้เป็น แบบปีกนก (wishbone), แบบแขนลาก (trailing arm), แบบหลายจุดเชื่อมต่อ (multi-link), แบบคาน (candle) และแบบแมคเฟอร์สัน (McPherson) ในแบบหลายจุดเชื่อมต่อ แขนขวาง (cross arm) และแขนลาก (trailing arm) เป็นโครงสร้างแบบสองแรงสำหรับแขนเดียว โดยมีจุดเชื่อมต่อสองจุด แท่งสองแรงสองแท่งจะถูกประกอบเข้ากับข้อต่อสากลในมุมที่กำหนด และเส้นที่เชื่อมต่อจุดเชื่อมต่อจะก่อให้เกิดโครงสร้างรูปสามเหลี่ยม ส่วนแขนล่างของระบบช่วงล่างหน้าแบบแมคเฟอร์สันเป็นแบบแขนแกว่งสามจุดทั่วไปที่มีจุดเชื่อมต่อสามจุด เส้นที่เชื่อมต่อจุดเชื่อมต่อทั้งสามจุดจะเป็นโครงสร้างรูปสามเหลี่ยมที่มั่นคงซึ่งสามารถรับน้ำหนักได้หลายทิศทาง
โครงสร้างของแขนสวิงแบบสองแรงนั้นเรียบง่าย และการออกแบบโครงสร้างมักถูกกำหนดตามความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านและความสะดวกในการผลิตของแต่ละบริษัท ตัวอย่างเช่น โครงสร้างแผ่นโลหะปั๊มขึ้นรูป (ดูรูปที่ 1) โครงสร้างที่ออกแบบคือแผ่นเหล็กแผ่นเดียวโดยไม่เชื่อม และช่องว่างโครงสร้างส่วนใหญ่มีรูปร่างเป็นตัว "I" โครงสร้างแผ่นโลหะเชื่อม (ดูรูปที่ 2) โครงสร้างที่ออกแบบคือแผ่นเหล็กเชื่อม และช่องว่างโครงสร้างส่วนใหญ่มีรูปร่างเป็นตัว "口" หรืออาจใช้แผ่นเสริมแรงเฉพาะจุดเพื่อเชื่อมและเสริมความแข็งแรงในตำแหน่งที่อันตราย โครงสร้างที่ขึ้นรูปด้วยเครื่องตีขึ้นรูปเหล็ก ช่องว่างโครงสร้างเป็นแบบทึบ และรูปร่างส่วนใหญ่จะถูกปรับตามข้อกำหนดของโครงสร้างตัวถัง โครงสร้างที่ขึ้นรูปด้วยเครื่องตีขึ้นรูปอลูมิเนียม (ดูรูปที่ 3) ช่องว่างโครงสร้างเป็นแบบทึบ และข้อกำหนดด้านรูปร่างคล้ายกับการตีขึ้นรูปเหล็ก โครงสร้างท่อเหล็กนั้นมีโครงสร้างที่เรียบง่าย และช่องว่างโครงสร้างเป็นทรงกลม
โครงสร้างของแขนสวิงสามจุดมีความซับซ้อน และการออกแบบโครงสร้างมักถูกกำหนดตามข้อกำหนดของ OEM ในการวิเคราะห์การจำลองการเคลื่อนที่ แขนสวิงต้องไม่รบกวนชิ้นส่วนอื่น และส่วนใหญ่มีข้อกำหนดระยะห่างขั้นต่ำ ตัวอย่างเช่น โครงสร้างแผ่นโลหะปั๊มขึ้นรูปส่วนใหญ่ใช้ร่วมกับโครงสร้างแผ่นโลหะเชื่อม รูสำหรับสายไฟเซ็นเซอร์หรือขายึดก้านเชื่อมต่อเหล็กกันโคลง ฯลฯ จะเปลี่ยนโครงสร้างการออกแบบของแขนสวิง ช่องว่างโครงสร้างยังคงมีรูปร่างเป็น "ปาก" และช่องว่างแขนสวิงจะเป็นโครงสร้างแบบปิดจะดีกว่าโครงสร้างแบบไม่ปิด โครงสร้างการขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูป ช่องว่างโครงสร้างส่วนใหญ่เป็นรูปตัว "I" ซึ่งมีคุณสมบัติดั้งเดิมในการต้านทานแรงบิดและแรงดัด โครงสร้างการหล่อขึ้นรูป รูปทรงและช่องว่างโครงสร้างส่วนใหญ่ติดตั้งซี่โครงเสริมแรงและรูลดน้ำหนักตามลักษณะของการหล่อ โครงสร้างแบบผสมผสานระหว่างการเชื่อมแผ่นโลหะและการตีขึ้นรูป เนื่องจากข้อกำหนดด้านพื้นที่ในการจัดวางของแชสซีรถยนต์ ข้อต่อลูกบอลจึงถูกรวมเข้ากับการตีขึ้นรูป และการตีขึ้นรูปจะเชื่อมต่อกับแผ่นโลหะ โครงสร้างการขึ้นรูปและตีขึ้นรูปของอะลูมิเนียมช่วยให้ใช้ประโยชน์จากวัสดุได้ดีกว่าและมีผลผลิตสูงกว่าการตีขึ้นรูป อีกทั้งยังมีความแข็งแรงของวัสดุเหนือกว่าการหล่อ ซึ่งนับเป็นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่
2. ลดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนไปยังตัวรถ และการออกแบบโครงสร้างของชิ้นส่วนยืดหยุ่น ณ จุดเชื่อมต่อของแขนสวิง
เนื่องจากพื้นผิวถนนที่รถยนต์วิ่งอยู่นั้นไม่สามารถเรียบสนิทได้ แรงปฏิกิริยาในแนวดิ่งของพื้นผิวถนนที่กระทำต่อล้อจึงมักมีแรงกระแทก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขับด้วยความเร็วสูงบนพื้นผิวถนนที่ไม่ดี แรงกระแทกนี้ยังทำให้ผู้ขับขี่รู้สึกไม่สบายอีกด้วย ดังนั้นจึงมีการติดตั้งชิ้นส่วนยืดหยุ่นในระบบกันสะเทือน เพื่อเปลี่ยนการเชื่อมต่อแบบแข็งเป็นการเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่น เมื่อชิ้นส่วนยืดหยุ่นได้รับแรงกระแทก มันจะเกิดการสั่นสะเทือน และการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องทำให้ผู้ขับขี่รู้สึกไม่สบาย ดังนั้นระบบกันสะเทือนจึงจำเป็นต้องมีชิ้นส่วนลดแรงสั่นสะเทือนเพื่อลดขนาดของการสั่นสะเทือนอย่างรวดเร็ว
จุดเชื่อมต่อในการออกแบบโครงสร้างของแขนสวิงอาร์ม ได้แก่ การเชื่อมต่อด้วยชิ้นส่วนยืดหยุ่นและการเชื่อมต่อด้วยข้อต่อลูกบอล ชิ้นส่วนยืดหยุ่นช่วยลดแรงสั่นสะเทือนและจำกัดองศาการหมุนและการแกว่ง โดยทั่วไปมักใช้บูชยางเป็นชิ้นส่วนยืดหยุ่นในรถยนต์ และยังใช้บูชไฮดรอลิกและบานพับไขว้ด้วย
รูปที่ 2 แขนสวิงสำหรับงานเชื่อมแผ่นโลหะ
โครงสร้างของบูชยางส่วนใหญ่เป็นท่อเหล็กหุ้มด้วยยาง หรือโครงสร้างแบบแซนด์วิชที่ประกอบด้วยท่อเหล็ก-ยาง-ท่อเหล็ก ท่อเหล็กด้านในต้องมีคุณสมบัติทนแรงดันและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตามที่กำหนด และมักมีร่องกันลื่นที่ปลายทั้งสองด้าน ส่วนชั้นยางนั้นจะปรับสูตรวัสดุและโครงสร้างการออกแบบตามความต้องการความแข็งแรงที่แตกต่างกัน
โดยทั่วไปแล้ว วงแหวนเหล็กด้านนอกสุดมักมีข้อกำหนดเรื่องมุมนำเข้า ซึ่งเอื้อต่อการติดตั้งแบบกดอัด
บูชไฮดรอลิกมีโครงสร้างที่ซับซ้อน และเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและมีมูลค่าเพิ่มสูงในกลุ่มบูช ภายในยางจะมีช่องว่างและมีน้ำมันบรรจุอยู่ การออกแบบโครงสร้างช่องว่างนั้นดำเนินการตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของบูช หากน้ำมันรั่ว บูชจะเสียหาย บูชไฮดรอลิกสามารถให้เส้นโค้งความแข็งที่ดีกว่า ซึ่งส่งผลต่อสมรรถนะการขับขี่โดยรวมของรถยนต์
บานพับไขว้มีโครงสร้างที่ซับซ้อนและเป็นส่วนประกอบที่ประกอบด้วยยางและข้อต่อลูกบอล สามารถให้ความทนทานที่ดีกว่าบูช มุมแกว่งและมุมหมุน เส้นโค้งความแข็งแกร่งพิเศษ และตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของรถทั้งคัน บานพับไขว้ที่ชำรุดจะทำให้เกิดเสียงดังในห้องโดยสารขณะที่รถกำลังเคลื่อนที่
3. ด้วยการเคลื่อนที่ของล้อ การออกแบบโครงสร้างของชิ้นส่วนแกว่งที่จุดเชื่อมต่อของแขนแกว่ง
พื้นผิวถนนที่ไม่เรียบทำให้ล้อกระโดดขึ้นลงสัมพันธ์กับตัวถัง (เฟรม) และในขณะเดียวกัน ล้อก็เคลื่อนที่ เช่น การเลี้ยว การวิ่งตรง ฯลฯ ซึ่งจำเป็นต้องให้วิถีการเคลื่อนที่ของล้อเป็นไปตามข้อกำหนดบางประการ แขนสวิงและข้อต่ออเนกประสงค์ส่วนใหญ่เชื่อมต่อกันด้วยข้อต่อลูกบอล
ข้อต่อลูกบอลของแขนสวิงอาร์มสามารถให้มุมสวิงได้มากกว่า ±18° และสามารถหมุนได้ 360° ตรงตามข้อกำหนดด้านการเบี่ยงเบนของล้อและการบังคับเลี้ยวอย่างครบถ้วน และข้อต่อลูกบอลนี้ตรงตามข้อกำหนดการรับประกัน 2 ปีหรือ 60,000 กิโลเมตร และ 3 ปีหรือ 80,000 กิโลเมตรสำหรับตัวรถทั้งคัน
ตามวิธีการเชื่อมต่อที่แตกต่างกันระหว่างแขนสวิงและข้อต่อลูกบอล (ข้อต่อบอล) สามารถแบ่งออกได้เป็น การเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียวหรือหมุดย้ำ โดยข้อต่อลูกบอลจะมีหน้าแปลน การเชื่อมต่อแบบอัดแน่น โดยข้อต่อลูกบอลไม่มีหน้าแปลน และแบบรวม โดยแขนสวิงและข้อต่อลูกบอลเป็นชิ้นเดียวกัน สำหรับโครงสร้างโลหะแผ่นเดียวและโครงสร้างโลหะหลายแผ่นเชื่อม การเชื่อมต่อสองแบบแรกนั้นใช้กันอย่างแพร่หลายมากกว่า ส่วนการเชื่อมต่อแบบหลังนั้นใช้กันอย่างแพร่หลายมากกว่าในโครงสร้างที่ทำจากเหล็กดัด อลูมิเนียมดัด และเหล็กหล่อ
บานพับลูกบอลต้องทนต่อการสึกหรอภายใต้สภาวะรับน้ำหนัก เนื่องจากมีมุมการทำงานที่ใหญ่กว่าบูช จึงต้องการอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า ดังนั้น บานพับลูกบอลจึงต้องได้รับการออกแบบให้เป็นโครงสร้างแบบผสมผสาน ซึ่งรวมถึงระบบหล่อลื่นที่ดีสำหรับการหมุน และระบบหล่อลื่นที่ป้องกันฝุ่นและน้ำ
รูปที่ 3 สวิงอาร์มอลูมิเนียมขึ้นรูป
ผลกระทบของการออกแบบแขนสวิงต่อคุณภาพและราคา
1. ปัจจัยด้านคุณภาพ: ยิ่งเบา ยิ่งดี
ความถี่ธรรมชาติของร่างกาย (หรือที่เรียกว่าความถี่การสั่นสะเทือนอิสระของระบบสั่น) ซึ่งกำหนดโดยความแข็งของระบบกันสะเทือนและมวลที่รองรับโดยสปริงของระบบกันสะเทือน (มวลสปริง) เป็นหนึ่งในตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญของระบบกันสะเทือนที่มีผลต่อความสบายในการขับขี่ของรถยนต์ ความถี่การสั่นสะเทือนในแนวดิ่งที่ร่างกายมนุษย์ใช้คือความถี่ของการเคลื่อนไหวขึ้นลงของร่างกายขณะเดิน ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 1-1.6 เฮิรตซ์ ความถี่ธรรมชาติของร่างกายควรใกล้เคียงกับช่วงความถี่นี้มากที่สุด เมื่อความแข็งของระบบกันสะเทือนคงที่ ยิ่งมวลสปริงน้อยลง การเสียรูปในแนวดิ่งของระบบกันสะเทือนก็จะยิ่งน้อยลง และความถี่ธรรมชาติก็จะยิ่งสูงขึ้น
เมื่อแรงกดในแนวดิ่งคงที่ ยิ่งค่าความแข็งของระบบกันสะเทือนน้อยลงเท่าใด ความถี่ธรรมชาติของรถก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น และพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับการกระโดดขึ้นลงของล้อก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
เมื่อสภาพถนนและความเร็วของรถเท่ากัน มวลที่ไม่ได้รับการรองรับ (unsprung mass) ยิ่งน้อยเท่าไร แรงกระแทกที่กระทำต่อระบบช่วงล่างก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น มวลที่ไม่ได้รับการรองรับนี้รวมถึงมวลของล้อ มวลของข้อต่อยูนิเวอร์แซล และมวลของแขนนำทาง เป็นต้น
โดยทั่วไปแล้ว สวิงอาร์มอะลูมิเนียมจะมีน้ำหนักเบาที่สุด และสวิงอาร์มเหล็กหล่อจะมีน้ำหนักมากที่สุด ส่วนสวิงอาร์มชนิดอื่นๆ จะมีน้ำหนักอยู่ระหว่างกลาง
เนื่องจากมวลของชุดแขนสวิงส่วนใหญ่น้อยกว่า 10 กิโลกรัม เมื่อเทียบกับรถยนต์ที่มีมวลมากกว่า 1,000 กิโลกรัม มวลของแขนสวิงจึงมีผลกระทบต่อการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงน้อยมาก
2. ปัจจัยด้านราคา: ขึ้นอยู่กับแผนการออกแบบ
ยิ่งมีข้อกำหนดมากเท่าไร ต้นทุนก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น โดยอยู่บนพื้นฐานที่ว่าความแข็งแรงและความแข็งแกร่งของโครงสร้างของแขนสวิงอาร์มเป็นไปตามข้อกำหนดแล้ว ข้อกำหนดด้านความคลาดเคลื่อนในการผลิต ความยากของกระบวนการผลิต ประเภทและความพร้อมของวัสดุ และข้อกำหนดด้านการป้องกันการกัดกร่อนของพื้นผิว ล้วนส่งผลต่อราคาโดยตรง ตัวอย่างเช่น ปัจจัยด้านการป้องกันการกัดกร่อน: การเคลือบด้วยไฟฟ้าชุบสังกะสี โดยผ่านการปรับสภาพพื้นผิวและการบำบัดอื่นๆ สามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ประมาณ 144 ชั่วโมง การป้องกันพื้นผิวแบ่งออกเป็น การเคลือบสีด้วยไฟฟ้าแบบแคโทดิก ซึ่งสามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ 240 ชั่วโมง โดยการปรับความหนาของการเคลือบและวิธีการบำบัด การเคลือบสังกะสี-เหล็ก หรือสังกะสี-นิกเกิล ซึ่งสามารถตรงตามข้อกำหนดการทดสอบการป้องกันการกัดกร่อนได้มากกว่า 500 ชั่วโมง เมื่อข้อกำหนดการทดสอบการกัดกร่อนเพิ่มขึ้น ต้นทุนของชิ้นส่วนก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย
ต้นทุนสามารถลดลงได้โดยการเปรียบเทียบแบบแผนการออกแบบและโครงสร้างของแขนสวิง
อย่างที่เราทราบกันดี การจัดวางจุดยึดที่แตกต่างกันย่อมให้ประสิทธิภาพการขับขี่ที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ควรชี้ให้เห็นว่า การจัดวางจุดยึดแบบเดียวกัน แต่การออกแบบจุดเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน อาจส่งผลให้ต้นทุนแตกต่างกันได้
การเชื่อมต่อระหว่างชิ้นส่วนโครงสร้างและข้อต่อลูกบอลมีสามประเภท ได้แก่ การเชื่อมต่อผ่านชิ้นส่วนมาตรฐาน (สลักเกลียว น็อต หรือหมุดย้ำ) การเชื่อมต่อแบบแน่นพอดี และการเชื่อมต่อแบบชิ้นเดียว เมื่อเทียบกับโครงสร้างการเชื่อมต่อมาตรฐาน โครงสร้างการเชื่อมต่อแบบแน่นพอดีจะลดจำนวนชิ้นส่วนลง เช่น สลักเกลียว น็อต หมุดย้ำ และชิ้นส่วนอื่นๆ ในขณะที่โครงสร้างแบบชิ้นเดียวจะลดจำนวนชิ้นส่วนของเปลือกข้อต่อลูกบอลลงมากกว่าโครงสร้างการเชื่อมต่อแบบแน่นพอดี
การเชื่อมต่อระหว่างชิ้นส่วนโครงสร้างและชิ้นส่วนยืดหยุ่นมีสองรูปแบบ คือ ชิ้นส่วนยืดหยุ่นด้านหน้าและด้านหลังขนานกับแกน และตั้งฉากกับแกน วิธีการที่แตกต่างกันจะกำหนดกระบวนการประกอบที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ทิศทางการกดของบูชจะอยู่ในทิศทางเดียวกันและตั้งฉากกับตัวแขนสวิง สามารถใช้เครื่องกดแบบสองหัวสถานีเดียวในการกดบูชด้านหน้าและด้านหลังพร้อมกันได้ ช่วยประหยัดแรงงาน อุปกรณ์ และเวลา หากทิศทางการติดตั้งไม่สอดคล้องกัน (แนวตั้ง) สามารถใช้เครื่องกดแบบสองหัวสถานีเดียวในการกดและติดตั้งบูชทีละชิ้นได้ ช่วยประหยัดแรงงานและอุปกรณ์ เมื่อออกแบบบูชให้กดจากด้านใน จะต้องใช้สองสถานีและสองเครื่องกด เพื่อกดบูชทีละชิ้น
