هندسة السيارات

هندسة السيارات فرع من فروع الهندسة يُعنى بدراسة تصنيع وتصميم وآليات تشغيل السيارات. وهي مدخل إلى هندسة المركبات التي تشمل الدراجات النارية والسيارات والحافلات والشاحنات وغيرها. كما تتضمن دراسة فرعية للعناصر الميكانيكية والإلكترونية والبرمجية وعناصر السلامة. ومن أهم السمات والتخصصات الهندسية لمهندس السيارات ما يلي:

هندسة السلامة : تُعنى هندسة السلامة بتقييم سيناريوهات التصادم المختلفة وتأثيرها على ركاب المركبة، وذلك وفقًا للوائح حكومية صارمة. تشمل بعض هذه المتطلبات: اختبار وظائف أحزمة الأمان والوسائد الهوائية ، واختبارات التصادم الأمامي والجانبي، واختبارات مقاومة الانقلاب. تُجرى التقييمات باستخدام أساليب وأدوات متنوعة، منها محاكاة التصادم الحاسوبية (عادةً باستخدام تحليل العناصر المحدودة )، ودمية اختبار التصادم ، واختبارات التصادم الجزئية والكاملة.

كفاءة استهلاك الوقود/الانبعاثات : تُقاس كفاءة استهلاك الوقود في المركبة بوحدة ميل لكل جالون أو كيلومتر لكل لتر. يشمل اختبار الانبعاثات قياس انبعاثات المركبة، بما في ذلك الهيدروكربونات، وأكاسيد النيتروجين ( NOx _{) ، وأول أكسيد الكربون (CO)، وثاني} أكسيد الكربون ( CO2 )، والانبعاثات التبخرية.

هندسة الضوضاء والاهتزازات والخشونة (NVH ) : تشمل هذه الهندسة ملاحظات العملاء (الحسية والمسموعة) المتعلقة بالمركبة. فبينما يمكن تفسير الصوت على أنه خشخشة أو صرير أو سخونة، قد تكون الاستجابة الحسية اهتزاز المقعد أو طنين عجلة القيادة . وتنتج هذه الملاحظات عن احتكاك أو اهتزاز أو دوران المكونات. ويمكن تصنيف استجابة NVH بطرق مختلفة، منها: ضوضاء مجموعة نقل الحركة، وضوضاء الطريق، وضوضاء الرياح، وضوضاء المكونات، والصرير والخشخشة. تجدر الإشارة إلى وجود خصائص جيدة وأخرى سيئة في NVH. ويعمل مهندس NVH على التخلص من الخصائص السيئة أو تحسينها (مثل صوت العادم).

إلكترونيات المركبات : تُعدّ إلكترونيات السيارات جانبًا متزايد الأهمية في هندسة السيارات. تستخدم المركبات الحديثة عشرات الأنظمة الإلكترونية. ^{[ 1 ]} هذه الأنظمة مسؤولة عن التحكم في العمليات التشغيلية مثل دواسة الوقود والفرامل والتوجيه؛ بالإضافة إلى العديد من أنظمة الراحة والرفاهية مثل أنظمة التكييف والتهوية والمعلومات والترفيه والإضاءة. لا يمكن للسيارات تلبية متطلبات السلامة الحديثة وكفاءة استهلاك الوقود دون أنظمة التحكم الإلكترونية.

الأداء : يُعدّ الأداء قيمة قابلة للقياس والاختبار لقدرة المركبة على الأداء في ظروف مختلفة. يمكن تقييم الأداء في مجموعة واسعة من المهام، ولكنه يشمل عمومًا سرعة تسارع السيارة (مثل زمن قطع ربع ميل من وضع الثبات، أو التسارع من 0 إلى 60  ميلًا في الساعة، إلخ)، وسرعتها القصوى، وسرعة توقفها التام من سرعة محددة (مثل التوقف التام من 70  ميلًا في الساعة)، ومقدار قوة التسارع الجانبي التي يمكن أن تولدها السيارة دون فقدان التماسك، وأزمنة اللفات المسجلة، وسرعة الانعطاف، وتلاشي قوة الفرامل، إلخ. كما يعكس الأداء أيضًا مدى التحكم في السيارة في الأحوال الجوية السيئة (الثلج، الجليد، المطر).

جودة نقل الحركة : هي إدراك السائق لاستجابة السيارة لعملية نقل الحركة في ناقل الحركة الأوتوماتيكي . تتأثر هذه الجودة بنظام نقل الحركة ( محرك الاحتراق الداخلي ، ناقل الحركة )، والسيارة نفسها (نظام الدفع، نظام التعليق ، قواعد تثبيت المحرك ونظام نقل الحركة، إلخ). يُقاس إحساس نقل الحركة من خلال استجابة السيارة الملموسة (المحسوسة) والمسموعة (المسموعة). تُختبر جودة نقل الحركة من خلال عدة مراحل: يُشعر بنقلات ناقل الحركة عند التسارع (من الأول إلى الثاني)، أو عند التجاوز (من الرابع إلى الثاني). كما تُقيّم أيضًا عمليات تعشيق ناقل الحركة، مثل الانتقال من وضع التوقف إلى وضع الرجوع للخلف، وما إلى ذلك.

هندسة المتانة/ التآكل : تُعنى هندسة المتانة والتآكل بتقييم اختبار المركبة لتحديد عمرها الافتراضي. وتشمل هذه الاختبارات تراكم الأميال، وظروف القيادة القاسية، والتعرض لحمامات الملح المسببة للتآكل.

سهولة القيادة : سهولة القيادة هي استجابة السيارة لظروف القيادة العامة. بدء التشغيل البارد والتوقف المفاجئ، وانخفاض عدد دورات المحرك في الدقيقة، واستجابة وضع الخمول، والتردد والتعثر عند الانطلاق، ومستويات الأداء، كلها عوامل تساهم في سهولة القيادة العامة لأي سيارة.

التكلفة : تُقسّم تكلفة برنامج تطوير المركبات عادةً إلى تأثيرها على التكلفة المتغيرة للمركبة، وتكاليف الأدوات الأولية والتكاليف الثابتة المرتبطة بتطويرها. كما توجد تكاليف مرتبطة بتخفيضات الضمان والتسويق.

توقيت البرنامج : إلى حد ما، يتم تحديد توقيت البرامج بما يتناسب مع السوق، وكذلك مع جداول إنتاج مصانع التجميع. يجب أن يدعم أي جزء جديد في التصميم جدول تطوير وتصنيع النموذج.

التصميم من أجل سهولة التصنيع (DFM) : يشير هذا المفهوم إلى تصميم مكونات المركبات بطريقة تجعل تصنيعها ممكناً، فضلاً عن كونها فعّالة من حيث التكلفة، مع الحفاظ على جودة مقبولة تلبي مواصفات التصميم والتفاوتات الهندسية. ويتطلب ذلك تنسيقاً بين مهندسي التصميم وفرق التجميع/التصنيع.

إدارة الجودة : تُعدّ مراقبة الجودة عاملاً هاماً في عملية الإنتاج، إذ تُعدّ الجودة العالية ضرورية لتلبية متطلبات العملاء وتجنّب حملات سحب المنتجات المكلفة . يتطلّب تعقيد المكوّنات المُستخدمة في عملية الإنتاج استخدام مجموعة من الأدوات والتقنيات المختلفة لمراقبة الجودة. ولذلك، قامت فرقة العمل الدولية للسيارات (IATF)، وهي مجموعة تضمّ كبرى الشركات المصنّعة والمنظمات التجارية في العالم، بوضع معيار ISO/TS 16949. يُحدّد هذا المعيار متطلبات التصميم والتطوير والإنتاج، ومتطلبات التركيب والصيانة (عند الاقتضاء). كما يجمع بين مبادئ ISO 9001 وجوانب من معايير السيارات الإقليمية والوطنية المختلفة، مثل AVSQ (إيطاليا)، وEAQF (فرنسا)، و VDA6 (ألمانيا)، وQS-9000 (الولايات المتحدة الأمريكية). ولتقليل المخاطر المُتعلّقة بأعطال المنتجات ودعاوى المسؤولية عن أنظمة السيارات الكهربائية والإلكترونية، يتمّ تطبيق نظام السلامة الوظيفية وفقًا لمعيار ISO/IEC 17025.

منذ خمسينيات القرن الماضي، تم تطبيق نهج إدارة الجودة الشاملة (TQM) لتحسين عملية إنتاج منتجات ومكونات السيارات بشكل مستمر. ومن بين الشركات التي طبقت هذا النهج: شركة فورد موتور ، وموتورولا، وتويوتا موتور .

يتحمل مهندس التطوير مسؤولية تنسيق تسليم السمات الهندسية لسيارة كاملة ( حافلة ، سيارة ، شاحنة ، شاحنة صغيرة، سيارة دفع رباعي، دراجة نارية، إلخ) وفقًا لما تمليه الشركة المصنعة للسيارات واللوائح الحكومية والعميل الذي يشتري المنتج.

على غرار مهندس النظم ، يهتم مهندس التطوير بتفاعلات جميع الأنظمة في السيارة ككل. فبينما توجد مكونات وأنظمة متعددة في السيارة يجب أن تعمل وفقًا للتصميم، يجب أن تعمل أيضًا بتناغم مع السيارة ككل. على سبيل المثال، تتمثل الوظيفة الرئيسية لنظام الفرامل في توفير قوة الكبح للسيارة. إلى جانب ذلك، يجب أن يوفر مستوى مقبولًا من: إحساس دواسة الفرامل (إسفنجية، صلبة)، و"ضوضاء" نظام الفرامل (صرير، اهتزاز، إلخ)، والتفاعل مع نظام منع انغلاق المكابح ( ABS ).

من جوانب عمل مهندس التطوير عملية الموازنة اللازمة لتقديم جميع خصائص السيارة بمستوى مقبول. ومن الأمثلة على ذلك المفاضلة بين أداء المحرك واستهلاك الوقود . فبينما يبحث بعض العملاء عن أقصى قدرة من محركهم ، يظل مطلوبًا من السيارة تحقيق مستوى مقبول من كفاءة استهلاك الوقود. من وجهة نظر المحرك، تُعدّ هذه متطلبات متعارضة. إذ يتطلب أداء المحرك أقصى سعة (أكبر، قوة أكبر)، بينما تتطلب كفاءة استهلاك الوقود محركًا أصغر سعة (مثلاً: 1.4 لتر مقابل 5.4 لتر). مع ذلك، لا يُعدّ حجم المحرك العامل الوحيد المؤثر في كفاءة استهلاك الوقود وأداء السيارة، بل تلعب قيم أخرى دورًا مهمًا.

وتشمل السمات الأخرى التي تنطوي على مقايضات ما يلي: وزن السيارة، ومقاومة الهواء ، ونسبة تروس ناقل الحركة ، وأجهزة التحكم في الانبعاثات ، والتحكم/الثبات على الطريق ، وجودة الركوب ، والإطارات .

يُعدّ مهندس التطوير مسؤولاً أيضاً عن تنظيم اختبارات التحقق والتقييم والاعتماد على مستوى السيارة. يقوم مهندس المنتج بتصميم واختبار المكونات والأنظمة بشكل فردي. ويُجرى التقييم النهائي على مستوى السيارة لتقييم التفاعلات بين الأنظمة. فعلى سبيل المثال، يجب تقييم نظام الصوت (الراديو) على مستوى السيارة، إذ قد يتسبب التفاعل مع المكونات الإلكترونية الأخرى في حدوث تداخل . كما يجب تقييم تبديد الحرارة في النظام وموضع أدوات التحكم بشكل مريح . ويجب ضمان جودة صوت مقبولة في جميع مقاعد السيارة.

يتحمل مهندسو التصنيع مسؤولية ضمان الإنتاج السليم لمكونات السيارات أو المركبات الكاملة. فبينما يتولى مهندسو التطوير مسؤولية وظائف المركبة، يتولى مهندسو التصنيع مسؤولية إنتاجها بشكل آمن وفعال. وتضم هذه المجموعة من المهندسين مهندسي العمليات ، ومنسقي الخدمات اللوجستية ، ومهندسي الأدوات ، ومهندسي الروبوتات، ومخططي التجميع. ^{[ 2 ]}

في صناعة السيارات، يضطلع المصنّعون بدورٍ أكبر في مراحل تطوير مكونات السيارات لضمان سهولة تصنيعها. ويُعدّ تصميم المنتج بما يُسهّل عملية التصنيع أمرًا بالغ الأهمية في عالم السيارات، لضمان جودة أي تصميم يتم تطويره في مرحلة البحث والتطوير . وبمجرد اعتماد التصميم، يتولى مهندسو التصنيع زمام الأمور، حيث يصممون الآلات والأدوات اللازمة لتصنيع مكونات السيارة أو المركبة نفسها، ويضعون آليات الإنتاج بكميات كبيرة . ومن مهام مهندسي التصنيع رفع كفاءة مصنع السيارات وتطبيق تقنيات التصنيع الرشيق ، مثل منهجية ستة سيجما وكايزن .

ومن بين مهندسي السيارات الآخرين المذكورين أدناه:

• غالباً ما يقدم مهندسو الديناميكا الهوائية التوجيهات لاستوديوهات التصميم بحيث تكون الأشكال التي يصممونها ديناميكية هوائية وجذابة في الوقت نفسه.
• سيقوم مهندسو الهيكل أيضًا بإبلاغ الاستوديو ما إذا كان من الممكن صنع الألواح لتصاميمهم.
• يحرص مهندسو إدارة التغيير على تنظيم وإدارة وتنفيذ جميع التغييرات التي تحدث في التصميم والتصنيع...
• يقوم مهندسو NVH بإجراء اختبارات الصوت والاهتزاز لمنع الضوضاء العالية داخل المقصورة، والاهتزازات الملحوظة، و/أو تحسين جودة الصوت أثناء سير السيارة على الطريق.

إحدى الطرق الفعّالة للتعامل مع التعقيدات الفيزيائية المتعددة المتأصلة في الأنظمة الذكية، وتطوير أنظمة التحكم اللازمة لإدراجها، هي اعتماد منهجية نموذج V لتطوير الأنظمة، وهي منهجية شائعة الاستخدام في صناعة السيارات منذ عشرين عامًا أو أكثر. في هذه المنهجية، تُعمَّم متطلبات النظام على مستوى V عبر الأنظمة الفرعية وصولًا إلى تصميم المكونات، ويتم التحقق من أداء النظام عند مستويات تكامل متزايدة. تتطلب هندسة الأنظمة الميكاترونية تطبيق دورتين مترابطتين من دورات V: الأولى تركز على هندسة النظام متعدد الفيزياء (مثل المكونات الميكانيكية والكهربائية لنظام التوجيه الكهربائي، بما في ذلك أجهزة الاستشعار والمشغلات)؛ والأخرى تركز على هندسة التحكم، ومنطق التحكم، والبرمجيات، وتنفيذ أجهزة التحكم والبرمجيات المدمجة. ^{[ 6 ] [ 7 ]}