فرامل السيارات إبداع هندسي ينقذ الحياة

منذ القدم أثارت السرعة شغف الإنسان بطريقة ملحوظة. ويظهر ذلك جليا بولع الكثير من البشر بسباقات الجري في الأولمبيات وغيرها أو سباقات الإبل والأحصنة وانتهاءً بسباقات السيارات. ومع القوة الهائلة والتطور المذهل لمحركات السيارات والقطارات لزم أيضًا أن يصاحبها طور في تكنولوجيات إيقافها، ومن هنا كانت فائدة الكوابح أو المعروفة (بالفرامل).

الفكرة العامة للكوابح

ينص القانون الأول للحركة لنيوتن على ملاحظة بديهية للجميع تقريبًا؛ حيث ينص على أنه يبقي الجسم الساكن ساكنًا والمتحرك متحركًا ما لم تؤثر عليه قوة خارجية تغير من حالته. في الحياة العملية، عند تحرك المركبات سوآءً كانت سيارة أو قطار أو حتى طائرة فإنها تمتلك طاقة حركة حتى عند عدم تغذية المحرك لها بالطاقة. وتمثل تلك الطاقة الحركية للمركبة عائقًا دون وقوفها تبعًا للقانون الأول لحركة لنيوتن.

تكمن الفكرة الأساسية للكوابح في تحويل الطاقة الحركية التي يمتلكها الجسم إلى أي نوع آخر من الطاقة حتى تتوقف المركبة. وفى كثير من الأحيان يكون الاحتكاك وحده كافيًا لتحويل الطاقة الحركية التي تمتلكها المركبة إلى طاقة حرارية.  وتبعًا لهذا التحول تتوقف المركبة عن الحركة تدريجيًا أو فجائيًا. عادة ما تكون الطاقة الحرارية الناتجة عن التوقف طاقة مهدرة. إلا في حالات السيارات الكهربية والهايبرد؛ حيث يمكن تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربية تخزن في البطاريات حتى يعاد استخدامها مرة أخرى.

تركيب الكوابح

يختلف تركيب أنظمة الفرامل حسب المركبة وحدود التشغيل. فمثلًا المكابح الموجودة على الدرجات تمتاز بالبساطة نظرًا لأن السرعة القصوى للدرجات محدودة. ففي هذه الحالة تتكون من مكبس في نهايتيه قطع مطاطية لإيقاف العجلات. ولا يتطلب هذا النوع أي قوة خارجية تزيد عن يد السائق لإيقاف السيارة.

الفرامل المعتمدة على المكابس

فيديو شرح عمل الفرامل

في المركبات الأكبر حجمًا، مثل الدرجات البخارية والسيارات، تحتاج عملية الإيقاف وضغط المكبس إلى ضغط سواء هيدروليكيًا أو هواءً لتعمل بكفاءة. كما تعتمد الكوابح الحديثة في تركيبها وتشغيلها عادة على مبدأ الاحتكاك، ولتحقيق ذلك يتكون نظام الكوابح من عدة أجزاء مقعدة تعمل في تناغم تام.

يتكون النظام من قرص من الحديد الصلب Disk يطلق عليه شعبيًا (طنابير). تتصل الطنابير بإحكام بالعجلات بحيث تمتلك كل عجلة على حدة أحد تلك الأقراص. كما يحتوي النظام على مكبس هيدروليكي يضغط جزءًا قابلًا للتأكل يمسى تيل الفرامل Brake Pads ليلامس الطنابير. وعند التلامس يحدث الاحتكاك اللازم لإيقاف العجلات. ويطلق على هذا النوع فرامل القرص Disk Brake. يمتاز هذا النوع بالأداء المتميز، وكذلك له معامل تصريف عالٍ للحرارة المتولدة من الاحتكاك؛ ما يزيد من الكفاءة عند الاستخدام المكثف للفرامل إلا أنه مكلف وغالي الثمن.

ويمكن أن تصل درجة حرارة القرص عند التوقف إلى درجات حرارة عالية جدًا؛ ما يلزم معه صناعتها من مواد تتحمل تلك الإجهادات الميكانيكية والحرارية العالية.

تركيبات أخرى للفرامل

تمثل الطريقة السابقة الطريقة المتبعة في العجلات الأمامية عادة، بينما تستخدم العجلات الخلفية ترتيبًا هندسيًا يسمى الفرامل الأسطوانية (Drum Brake).

تعتمد الفرامل الأسطوانية نفس المبادئ المتبعة في فرامل القرص غير أن التركيب مختلف قليلًا. في هذا النوع يكون الجزء الصلب في الفرامل أسطوانيًا بدلًا من أن يكون على شكل قرص. ويكون الاحتكاك في الجهة الداخلية للأسطوانة، كما أنها تمتلك تيل فرامل أطول من الموجود بالفرامل الأسطوانية. ويتميز هذا النوع برخص الثمن والعمر الافتراضي الطويل نسبيًا. ولكنه أقل كفاءة من النوع الأول في الطرق الطينية والمبتلة. وتعد من أهم عيوبه أنه ضعيف في تصريف الحرارة؛ ما يؤدي لفقد الكثير من أداء الفرامل في بعض حالات الوقوف العنيف أو المتكرر بدرجة ترفع درجة حرارة الفرامل.

طرق أكثر فاعليه للتوقف

بينما يمثل الاحتكاك العامل الرئيسي للتوقف يمكن استخدام حيل أخري لزيادة الكفاءة الكلية للنظام، كما هو الحال في نظامي ال ABS أو دمج الاحتكاك مع غيره كما هو الحال في فرامل الهواء والفرامل الكهربية.

الفرملة بواسطة الهواء

في السيارات الفارهة مثل Bugatti والطائرات تستخدم مقاومة الهواء كعامل مساعد للفرامل ومساعدة السيارة أو الطائرة على التوقف في مسافة قصيرة.

تمتلك تلك السيارات أجنحة مثبتة في مؤخرة السيارة فوق حقيبة الامتعة (الشنطة). تساعد هذه الأجنحة على ثباتها في السرعات العالية التي تبلغها تلك السيارات. غير أنه عند التوقف يمكن استخدام تلك الجنيحات كفرامل بأن تتحرك الجنيحات حتى تصبح عمودية على جسم السيارة معترضة الهواء المار فوقها. عند السرعات العالية تتناسب مقاومة لهواء مع مربع السرعة؛ ما يزيد من القوة التي تؤثر على الجنيح. كما يتيح هذا الاستخدام للأجنحة توقفًا سريعًا جدًا للسيارة بالمشاركة بينها وبين الفرامل.

نظام مانع الانغلاق ABS

في حالات التوقف الشديد يقوم السائق بالضغط بقوة على المكابح؛ ما يدفع المكبس الهيدروليكي ليمسك بالديسك حتى يمنعه من الحركة، وكذلك العجلات المتصلة به. يؤدي ذلك إلى تآكل غير منتظم للعجلات نتيجة الاحتكاك الشديد، وكذلك يؤدي إلى عدم التحكم بالسيارة عند التوقف (لا يمكن توجيه السيارة في هذه الحالة نظرًا لعدم دوران العجلات)؛ ما ينتج عنه حوادث.

كيف يعمل ABS

يهدف نظام ABS إلى منع هذه الحالة؛ حيث يقوم منظم بالضغط على المكابح وتركها في فترات منتظمة؛ ما يسمح للعجلات بالدوران. تكسب هذه الطريقة السيارة القدرة على المناورة. وكذلك يقوم النظام بالحفاظ على حالة الكاوتش بحاله جيدة ويمنع تآكله. كما أنه باستخدام هذه الطريقة يوقف السيارة بمدي أقل ما لو كان النظام لا يعمل.

فرامل السيارات الكهربية

في السيارات الكهربية يقوم نظام ABS بنفس العمل كما لو كانت سيارة بنزين عادية غير أنه يضاف إليه الفرملة الكهربية للسيارة. في الفرامل الكهربية يقوم نظام التحكم بمعاملة المحرك الكهربي للسيارة كما لو كان مولدًا كهربيًا مدفوعًا بحركة السيارة عند التوقف. يشبه هذا دينامو الدراجة القديم؛ حيث يتولد تيارًا كهربيًا بحركة الدراجة. ويتم خزن التيار في البطاريات لحين الاستفادة منه، وتقلل تلك الطريقة من المسافة الكلية اللازمة للتوقف.