کمربند ایمنی خودرو با مقاومت بالا، تسمه فن لاستیکی، تسمه دندانه‌دار PK برای خودرو و اتومبیل

چگونه تسمه‌های خودرو به تأمین قدرت اجزای ضروری موتور کمک می‌کنند

سیستم تسمه ماشین اساساً به عنوان یک مکانیزم انتقال قدرت عمل می‌کند، نیروی چرخشی را از میل لنگر موتور گرفته و به قطعات مختلف خودرو منتقل می‌کند. امروزه یک تسمه سرپنتین بلند می‌تواند به‌طور همزمان مسئولیت به حرکت درآوردن شش قطعه مختلف را بر عهده بگیرد. فکر کنید به این موضوع: ژنراتور (آلتوناتور) که باعث شارژ باتری‌های ما می‌شود، پمپ آب که از گرم شدن بیش از حد موتور جلوگیری می‌کند، و همچنین پمپ فرمان هیدرولیکی که چرخاندن فرمان را هنگام پارک کردن آسان‌تر می‌کند. بر اساس برخی آزمایش‌های اخیر انجام شده توسط SAE International در سال 2023، طراحی‌های جدیدتر تسمه موفق به انتقال حدود 98 تا تقریباً 99 درصد از انرژی از طریق آن پولی‌ها بدون اتلاف زیاد هستند. در مقایسه با سیستم‌های زنجیری، تسمه‌ها به مراتب آرام‌تر کار می‌کنند و همچنین ارتعاشات را بهتر جذب می‌کنند. این موضوع برای خودروهای الکتریکی و هیبریدی اهمیت زیادی دارد، جایی که داشتن کنترل دقیق بر تمام آن سیستم‌های اضافی بسیار مهم می‌شود.

انواع تسمه‌های خودرو: از تسمه‌های V شکل سنتی تا تسمه‌های PK چند شیاری

ویژگی	تیغه V (دهه 1940 تا امروز)	تیغه دندانه‌دار PK (دهه 2000 تا امروز)
سطح تماس	2–3 دندانه	6–8 دندانه
کارایی	92–94%	97–99%
موارد استفاده معمول	خودروهای کلاسیک، ماشین‌های کشاورزی	موتورهای توربوشارژ، سیستم‌های استارت-استاپ

در حالی که تیغه‌های V بیش از 60 سال استفاده گسترده داشتند، امروزه 78٪ از خودروهای جدید با تیغه‌های دندانه‌دار PK مجهز شده‌اند (IHS Markit 2024). سطح تماس گسترده‌تر این تیغه‌ها باعث کاهش 40٪‌ای لغزش در کاربردهای گشتاور بالا نسبت به تیغه‌های V شده است و این موضوع باعث بهبود قابلیت اطمینان و عملکرد می‌شود.

چرا تسمه‌های خودرویی با استحکام بالا برای عملکرد و ایمنی خودرو ضروری هستند

طبق داده‌های AAA از سال گذشته، حدود 11 درصد از تمام خودروهایی که در کنار جاده دچار خرابی می‌شوند، به دلیل خرابی تسمه‌ها این اتفاق می‌افتد. وقتی این تسمه‌ها خراب می‌شوند، رانندگان به طور ناگهانی از فرمان هیدرولیک برقی محروم می‌شوند، سیستم شارژ کار خود را متوقف می‌کند و گردش مایع خنک‌کننده قطع می‌گردد. تسمه‌های جدیدی که دارای الیاف آرامید هستند، می‌توانند دمایی بیش از 220 درجه فارنهایت را در موتورهای توربوشارژ تحمل کنند. این تسمه‌های به‌روزرسانی‌شده معمولاً دو یا حتی سه برابر تسمه‌های معمولی از جنس اتیلن پروپیلن عمر می‌کنند. برای خودروهایی که دارای موتورهای تداخلی (Interference Engine) هستند، خرابی تسمه تایمینگ به معنای فاجعه‌ای است که در انتظار رخ دادن است. در عرض چند ثانیه از زمان پارگی تسمه، پیستون‌ها و سوپاپ‌ها درون بلوک موتور با یکدیگر برخورد کرده و خسارات مکانیکی جدی ایجاد می‌کنند که هزینه تعمیر آن به هزاران دلار می‌رسد. سرمایه‌گذاری در تسمه‌های با کیفیت که برای کاربردهای با عملکرد بالا طراحی شده‌اند، این خطر را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

مواد پیشرفته در تولید کمربند خودرو: لاستیک، پلی‌اورتان و راهکارهای ترکیبی

محدودیت‌های لاستیک سنتی در کاربردهای کمربند خودرو

کمربندهای لاستیکی سنتی دارای محدودیت‌های مهمی در سیستم‌های خودرویی مدرن هستند. اگرچه لاستیک طبیعی دارای انعطاف‌پذیری و مزایای اقتصادی است (میانگین قیمت ۱۸ تا ۲۵ دلار در متر خطی)، پایداری حرارتی آن در دمای بالای ۲۱۲ درجه فارنهایت (۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) کاهش می‌یابد — آستانه‌ای که در موتورهای توربوشارژ معمول است (گزارش مواد خودرویی ۲۰۲۳).

نقاط ضعف کلیدی عبارتند از:

• نرخ سایش ۳۰٪ سریع‌تر نسبت به گزینه‌های سنتتیک در شرایط گشتاور بالا
• آسیب‌پذیری از شکاف‌های اوزونی در خودروهای هیبریدی
• مقاومت محدود در برابر روغن، که منجر به خرابی زودرس در چرخه‌های رانندگی استارت-استاپ می‌شود

این معایب باعث می‌شود تولیدکنندگان به سمت راهکارهای مبتنی بر مواد پیشرفته حرکت کنند.

مزایای پلی‌اورتان و مواد کامپوزیتی در دوام و بهره‌وری

کمربندهای پلی اورتان خودرو نشان می‌دهند مقاومت در برابر سایش 4.5 برابر بیشتر نسبت به کمربندهای لاستیکی سنتی، بر اساس یک بررسی مهندسی پلیمر 2024 . کامپوزیت‌های طراحی‌شده ترکیبی از پلی اورتان با الیاف آرامید یا زیرلایه‌های تقویت‌شده کربنی برای دستیابی به موارد زیر هستند:

اموال	مبنای لاستیکی	کامپوزیت پلی اورتانی	بهبود
محدوده دما	-40°C–100°C	-65°C–150°C	+50%
انتقال نیرو	85% بازدهی	92% بازدهی	+7%
عمر خدمات	80,000 کیلومتر	160,000 کیلومتر	2x

مقايسه لاستيک و پلي اورتان: عملکرد، هزينه و پايداري

در حالي که تسمه هاي لاستيکي برتری قيمتی 35 تا 40 درصدی در ابتدا، اقتصاد چرخه عمر پلي اورتان بهتر است، به ويژه در ناوگان های تجاری. يک تحليل چرخه عمر در سال 2023 نشان داد:

• 22% کاهش در کل هزينه های مالکيت بیش از پنج سال برای سیستم‌های پلی‌اورتانی
• کاهش 8 کیلوگرم دی‌اکسید کربن در هر خودرو از طریق افزایش فاصله سرویس‌دهی
• نرخ بازیافت‌پذیری 95 درصدی کامپوزیت‌های ترموست پلی‌اورتانی نسبت به 45 درصد در لاستیک

تولیدکنندگان برتر اکنون مواد هیبریدی را با نرم‌افزار طراحی پارامتری ترکیب می‌کنند تا هندسه تسمه‌ها را برای معماری‌های خاص موتور بهینه کنند.

مقاومت در برابر گرما و دوام: طراحی تسمه‌های خودرو برای شرایط بسیار سخت

چالش‌های تخریب حرارتی در موتورهای پرقدرت و مجهز به توربوشارژر

هنگامی که توربوشارژرها شروع به کار می‌کنند، دمای زیر درب موتور اغلب به بیش از 150 درجه سانتی‌گراد می‌رسد، که این موضوع تسمه‌های معمولی را از نظر حرارتی تحت فشار شدیدی قرار می‌دهد. اگر دما واقعاً به حدود 200 درجه سانتی‌گراد برسد، تسمه‌های لاستیکی استاندارد شروع به تخریب شدن با سرعتی سه برابر نرمال می‌کنند، چون ساختار مولکولی آنها به طور واقعی از هم می‌پاشد. ما شکاف‌هایی را روی سطوح تشکیل شده و کاهش خواص استحکامی مواد در اثر گرم شدن مکرر مشاهده می‌کنیم. پمپ‌های آب دیگر به درستی کار نمی‌کنند و این امر تنها چند دقیقه طول می‌کشد، و این بدان معناست که موتورها ممکن است دچار آسیب جدی یا حتی خرابی کامل شوند. خودروهای با عملکرد بالا وضعیت را بدتر می‌کنند، چونکه قطعات را بیشتر تحت فشار قرار می‌دهند. چرخه‌های مداوم گرم شدن و سرد شدن باعث می‌شود قطعات حدود 40 درصد سریع‌تر از آنچه در خودروهای روزمره می‌بینیم، فرسوده شوند، مطابق داده‌های موجود در صنعت.

نوآوری‌ها در طراحی تسمه‌های مقاوم در برابر گرما و الاستومرهای پایدار حرارتی در خودرو

تولیدکنندگان اکنون از کاوچو نیتریل هیدروژن‌دار (HNBR) و پلی‌اورتان‌های ترموپلاستیک استفاده می‌کنند که می‌توانند در معرض دمای ۱۳۵–۱۸۰ درجه سانتی‌گراد قرار بگیرند و این یعنی بهبود ۳۰٪ در تحمل حرارتی. فرمول‌های پیشرفته شامل الیاف آرامید و تقویت با دی‌اکسید سیلیس هستند که میزان افزایش طول تسمه را در بارهای اوج به کمتر از ۱٫۵٪ کاهش می‌دهند. نوآوری‌های مهم عبارتند از:

• ساختارهای کامپوزیتی چندلایه با پوشش‌های عایق حرارتی
• الاستومرهای پیوند عرضی که در برابر تخریب شیمیایی و اُزن مقاوم هستند
• کشش‌دهنده‌های دینامیکی که از تجمع حرارت هارمونیک جلوگیری می‌کنند

این مواد در آزمون‌های پیری‌شدگی شتاب‌دهنده SAE J1459 بیش از ۷۰٬۰۰۰ ساعت دوام می‌آورند، یعنی دو برابر عمر تسمه‌های لاستیکی سنتی.

مطالعه موردی: عملکرد تسمه خودرویی با استحکام بالا در خودروهای ناوگانی و خودروهای با عملکرد بالا

ناوگان‌های لجستیکی اروپایی تأثیر واقعی این پیشرفت‌ها را نشان می‌دهند. پس از انتقال به سیستم‌های تسمه بهینه‌سازی شده حرارتی:

• وانت‌های تحویل بدون نیاز به تعویض به طور متوسط ۲۰۰٬۰۰۰ کیلومتر کارکرد داشتند، در حالی که قبلاً این مقدار ۹۰٬۰۰۰ کیلومتر بود.
• مدل‌های ورزشی با عملکرد بالا، شکایت‌های ضمانتی مربوط به تسمه را حذف کردند
• اندام گازهای گلخانه‌ای 3٪ کاهش یافت به دلیل کاهش اتلاف لغزش

داده‌های عملکرد نشان می‌دهند که پس از 5000 سیکل حرارتی، 22٪ استحکام کششی بیشتری حفظ شده است و این امر مقاومت این تسمه‌ها را در شرایط بسیار سخت — از استارت سرد قطبی تا دوام در بیابان — تأیید می‌کند

روند‌های صنعتی و نگاهی به آینده فناوری تسمه خودرو

افزایش تقاضا برای راهکارهای تسمه خودرو بدون نیاز به نگهداری و با دوام بالا

امروزه افراد بیشتری که پشت فرمان ماشین هستند، به دنبال خودروهایی هستند که نیازی به توجه مداوم نداشته باشند. به همین دلیل علاقه به استفاده از تسمه‌هایی که فاصله بیشتری نسبت به تعویض‌های قبلی دارند، افزایش یافته است. بر اساس یک نظرسنجی اخیر از بخش پس از فروش در سال 2023، تقریباً چهار نفر از هر پنج مصرف‌کننده استحکام را در رتبه اول یا دوم اولویت‌های خود برای خرید قطعات قرار می‌دهند، حتی مهم‌تر از قیمت. شرکت‌های خودروسازی متوجه این موضوع شده‌اند و شروع به استفاده از مواد جدید در طراحی‌های خود کرده‌اند. برخی از شرکت‌ها اکنون از موادی مثل پلیمرهای تقویت شده با آرامید به جای لاستیک معمولی استفاده می‌کنند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این تسمه‌ها تحت شرایط تنش، حدود 40 درصد کندتر از بین می‌روند. نتیجه این است که تسمه‌ها می‌توانند قبل از نیاز به تعویض، مسافتی بیشتر از 150 هزار مایل را طی کنند. این موضوع با فاصله زمانی که خودروهای الکتریکی و هیبریدی معمولاً نیاز به تعمیرات دارند، هماهنگی خوبی دارد و زندگی مالکانی را که دوست ندارند وقت یا پول زیادی صرف تعمیرات مکرر کنند، ساده‌تر می‌کند.

استفاده از سیستم‌های تسمه‌های مقاوم در خودرو توسط تولیدکنندگان اروپایی و ژاپنی

طبق گزارش‌های صنعتی اخیر از سال 2024، اکثر تولیدکنندگان خودرو در اروپا اکنون تسمه‌های پلی‌اورتانی با استحکام بالا را در حدود 92 درصد از خودروهای جدید با موتور بنزینی خود نصب می‌کنند. در همین حال، در ژاپن، شرکت‌های بزرگ خودروسازی در حال کار روی طراحی‌های خاص تسمه برای خودروهای هیبریدی هستند که بتوانند دماهایی را تحمل کنند که حدود 30 درصد بیشتر از دماهای استاندارد است. همکاری نزدیک با شرکای بزرگ تأمین‌کننده به اجرای بازرسی‌های هوشمند از نظر کیفیت در کارخانه‌های تولیدی شتوتگارت و ناگویا کمک کرده است. این بهبودها از اوایل سال 2021 تاکنون مشکلات گارانتی مربوط به تسمه‌ها را به میزان دو سوم کاهش داده است. رعایت مقررات محلی متفاوت در مورد انتشارات و مدت زمان دوام قطعات باعث می‌شود که این مناطق در توسعه تسمه‌های خودرویی بهتر برجسته شوند.

چگونه افزایش طول عمر خودروها نوآوری در طراحی تسمه‌های خودرویی را تحریک می‌کند

امروزه خودروهای موجود در جاده‌های آمریکای شمالی از سن بالاتری برخوردارند و میانگین سن آنها به ۱۲٫۵ سال رسیده است، که افزایش قابل توجهی نسبت به ۹٫۶ سال در سال ۲۰۱۰ محسوب می‌شود. به همین دلیل، مهندسان شروع به طراحی تسمه‌هایی کرده‌اند که می‌توانند دهه‌ها دوام بیاورند، نه تنها چند سال. طراحی‌های جدید تنش‌دهنده که شامل یاتاقان‌های سرامیکی و ترکیب خاصی از لاستیک و نایلون هستند، به کارکرد هموار دستگاه‌ها حتی پس از طی مسافتی بیش از ۲۰۰ هزار مایل کمک می‌کنند. آزمایش‌های انجام شده با ناوگان‌های واقعی خودرو نشان می‌دهد که این سیستم‌های جدید در مقایسه با تسمه‌های ساخت سال ۲۰۱۵، تقریباً نیمی از تعمیرات غیرمنتظره را کاهش داده‌اند. این بهبود باعث کاهش پسماند می‌شود، زیرا قطعات مدت زمان بیشتری قبل از تعویض دوام می‌آورند و این امر با تلاش‌های صنعت خودروسازی برای ایجاد روش‌های تولید پایدارتر هم‌خوانی دارد.

پرسش‌های متداول درباره تسمه خودرو در سیستم‌های خودرویی امروزی

اصلی‌ترین عملکرد تسمه‌های خودرو چیست؟

وظیفه اصلی تسمه‌های خودرو انتقال قدرت از میل لنگر موتور به قطعات مختلف ضروری خودرو مانند آльтاناتور، پمپ آب و پمپ فرمان هیدرولیک است.

تفاوت‌های بین تسمه‌های V شکل و تسمه‌های PK چند شیاره چیست؟

تسمه‌های V شکل دارای 2-3 شیار هستند و به راندمانی در حدود 92-94% دست می‌یابند و عمدتاً در خودروهای کلاسیک استفاده می‌شوند. در مقابل، تسمه‌های PK چند شیاره دارای 6-8 شیار هستند و به راندمانی در حدود 97-99% دست می‌یابند و برای موتورهای توربو شارژ و خودروهای مدرن مناسب هستند.

چرا تسمه‌های با مقاومت بالا برای عملکرد خودرو ضروری هستند؟

تسمه‌های با مقاومت بالا که اغلب با الیاف آرامید تقویت می‌شوند، در برابر دمای بالا مقاومت می‌کنند و با حفظ عملکرد قطعات ضروری مانند سیستم فرمان هیدرولیک و سیستم خنک‌کننده، از خرابی خودرو جلوگیری می‌کنند.

تسمه‌های پلی‌اورتان در مقایسه با تسمه‌های لاستیکی سنتی چگونه هستند؟

تسمه‌های پلی‌اورتانی نسبت به تسمه‌های لاستیکی سنتی مقاومت بیشتری در برابر سایش دارند و عمر مفید طولانی‌تری دارند. همچنین دامنه دمایی بیشتری را تحمل می‌کنند و از نظر زیست‌محیطی پایدارتر هستند.

شرکت‌های خودروسازی چگونه دوام تسمه‌ها را در آخرین مدل‌های خودرو بهبود می‌دهند؟

شرکت‌های خودروسازی از مواد پیشرفته مانند پلیمرهای تقویت‌شده با آرامید و الاستومرهای پایدار در برابر گرما برای افزایش دوام تسمه‌ها و کاهش فرکانس نگهداری استفاده می‌کنند، به‌ویژه در خودروهای الکتریکی و هیبریدی.