عجلة حرة

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة بإضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "Freewheel" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( يونيو 2013 ) ( تعرف على كيفية ووقت إزالة هذه الرسالة )

في الهندسة الميكانيكية أو هندسة السيارات ، يعتبر العجلة الحرة أو القابض الزائد جهازًا في ناقل الحركة يفصل عمود الدفع عن العمود المتحرك عندما يدور العمود المتحرك بسرعة أكبر من عمود الدفع. يُطلق على العجلة الحرة أحيانًا خطأً اسم العجلة الحرة، ولكنها لا علاقة لها بها بخلاف ذلك.

توجد حالة دوران عمود الدفع بسرعة أكبر من عمود الدفع في معظم الدراجات عندما يتوقف الراكب عن الدواسة . في الدراجة ذات الترس الثابت ، بدون عجلة حرة، تقوم العجلة الخلفية بتحريك الدواسات.

توجد حالة مماثلة في سيارة ذات ناقل حركة يدوي تتجه نحو أسفل التل، أو في أي موقف يرفع فيه السائق قدمه عن دواسة الوقود ، ويغلق الخانق : تعمل العجلات على دفع المحرك، ربما بسرعة دوران أعلى في الدقيقة. في محرك ثنائي الشوط ، يمكن أن يكون هذا كارثيًا - حيث تعتمد العديد من محركات الشوطين على خليط الوقود / الزيت للتزييت ، ونقص الوقود للمحرك يحرم الأسطوانات من الزيت ، ويمكن أن تتوقف المكابس قريبًا، مما يتسبب في أضرار جسيمة. استخدمت شركة ساب نظام العجلة الحرة في طرازاتها ثنائية الشوط لهذا السبب وحافظت عليه في Saab 96 V4 و Saab 99 المبكرة لتحسين كفاءة الوقود .

تتكون أبسط أجهزة العجلة الحرة من قرصين مسننين منشاريين محملين بنابض يضغطان على بعضهما البعض مع وضع الجانبين المسننين معًا، مثل السقاطة إلى حد ما . عند الدوران في اتجاه واحد، تتشابك أسنان المنشار الخاصة بقرص القيادة مع أسنان القرص المدفوع، مما يجعله يدور بنفس السرعة. إذا تباطأ قرص القيادة أو توقف عن الدوران، تنزلق أسنان القرص المدفوع فوق أسنان قرص القيادة وتستمر في الدوران، مما ينتج صوت نقر مميز يتناسب مع فرق السرعة بين الترس المدفوع وترس القيادة (الأبطأ).

يحتوي التصميم الأكثر تطورًا وقوة على بكرات فولاذية محملة بنابض داخل أسطوانة مدفوعة. عند الدوران في اتجاه واحد، تقفل البكرات مع الأسطوانة مما يجعلها تدور في انسجام. عند الدوران بشكل أبطأ أو في الاتجاه الآخر، تنزلق البكرات الفولاذية داخل الأسطوانة.

تستخدم الدراجات عجلات حرة للسماح للدراج بالسير دون الحاجة إلى الدواسة. يؤدي تدوير العجلة أو الكاسيت في الاتجاه الذي ينتج صوت النقر إلى انزلاق المزلاج بسهولة لأعلى وفوق حواف الأسنان المائلة بلطف. يُشار إلى هذه العملية أحيانًا بشكل غير رسمي باسم "الانزلاق". في هذا السيناريو، تدور الكاسيت بشكل مستقل عن العجلة الخلفية. عندما يتوقف راكب الدراجة عن الدواسة، ينزلق المزلاج بينما تستمر العجلة في الدوران بينما تتوقف الكاسيت، مما ينتج صوت النقر. وبالتالي، لن تتحرك الدراجة في الاتجاه المعاكس إذا قام راكب الدراجة بالدواسة للخلف. عندما يتم تدوير الكاسيت أو العجلة في الاتجاه المعاكس، يعلق المزلاج بالحواف شديدة الانحدار للأسنان، مما يؤدي إلى قفل. عندما يدوس راكب الدراجة إلى الأمام، تدور الكاسيت إلى الأمام بسبب الطبيعة المتأصلة للعجلات المسننة ، مما يتسبب في تعلق المزلاج بالمنحدر الحاد للأسنان ودفع العجلة الخلفية في الاتجاه الأمامي. وهذا يفسر أيضًا لماذا يؤدي دفع الدراجة إلى الأمام إلى دوران الدواسات في الاتجاه الأمامي.

تستخدم معظم العجلات الحرة للدراجات أسطوانة ذات أسنان متدرجة داخلية مع اثنين أو أكثر من المشابك الفولاذية المقواة المحملة بنابض لنقل الحمل. يساعد المزيد من المشابك على توزيع التآكل وإعطاء موثوقية أكبر، على الرغم من أنه ما لم يتم تصنيع الجهاز وفقًا لتفاوتات لا توجد عادةً في مكونات الدراجات، نادرًا ما يتم تحقيق تشغيل أكثر من مشبكين في وقت واحد.

بطبيعتها، تعمل آلية العجلة الحرة كقابض أوتوماتيكي ، مما يجعل من الممكن تغيير التروس في علبة التروس اليدوية ، إما للأعلى أو للأسفل، دون الضغط على دواسة القابض، مما يحد من استخدام القابض اليدوي للبدء من حالة السكون أو التوقف. يمكن للسائق تشغيل العجلة الحرة في سيارة ساب أو فصلها عن طريق دفع أو سحب رافعة على التوالي. يؤدي هذا إلى قفل أو فتح العمود الرئيسي باستخدام محور العجلة الحرة.

كما أن العجلة الحرة تنتج أيضًا اقتصادًا أفضل في استهلاك الوقود في المحركات التي تعمل بالكربوراتيرات (بدون إيقاف الوقود عند فرامل المحرك) وتآكلًا أقل في القابض اليدوي، ولكنها تؤدي إلى المزيد من التآكل في الفرامل حيث لم تعد هناك أي قدرة على أداء فرملة المحرك . قد يجعل هذا ناقل الحركة ذو العجلة الحرة خطيرًا للاستخدام في الشاحنات والسيارات التي يتم قيادتها في المناطق الجبلية ، حيث يؤدي الاستخدام المطول والمستمر للفرامل للحد من سرعة السيارة قريبًا إلى ارتفاع درجة حرارة نظام الفرامل يليه فشل كامل.

في المعدات الزراعية، يتم استخدام القابض الزائد عادةً في مكبسات القش وغيرها من المعدات ذات الحمل بالقصور الذاتي العالي ، وخاصةً عند استخدامه مع جرار بدون مأخذ طاقة حي (PTO). بدون مأخذ طاقة حي، يمكن أن يتسبب الحمل بالقصور الذاتي العالي في استمرار الجرار في التحرك للأمام حتى عند الضغط على القابض القدمي، مما يخلق حالة غير آمنة. من خلال فصل الحمل عن مأخذ الطاقة في ظل هذه الظروف، يعمل القابض الزائد على تحسين السلامة. وبالمثل، تستخدم العديد من جزازات العشب الأسطوانية "الدافعة" غير المزودة بمحرك عجلة حرة لدفع الشفرات: يتم تروسها أو تشغيلها بسلسلة لتدور بسرعة عالية وتمنع العجلة الحرة نقل زخمها في الاتجاه المعاكس من خلال الدفع عند توقف الآلة.

تُستخدم مجموعة العجلة الحرة أيضًا على نطاق واسع في مشغلات المحرك كنوع من الأجهزة الوقائية. تحتاج محركات التشغيل عادةً إلى الدوران بسرعة 3000 دورة في الدقيقة لتشغيل المحرك. عندما يتم الضغط على المفتاح في وضع التشغيل لأي فترة من الوقت بعد بدء تشغيل المحرك، لا يمكن للمشغل الدوران بسرعة كافية لمواكبة دولاب الموازنة. نظرًا لنسبة التروس القصوى بين ترس التشغيل ودولاب الموازنة (حوالي 15 أو 20:1)، فإنها ستدور محرك التشغيل بسرعات عالية بشكل خطير، مما يتسبب في حدوث انفجار عندما لا تتمكن القوة المركزية المؤثرة على الملفات النحاسية الملفوفة في المحرك من مقاومة القوة الخارجية المؤثرة عليها. في المشغلات التي لا تحتوي على عجلة حرة أو قابض تجاوز، ستكون هذه مشكلة كبيرة لأنه مع دوران دولاب الموازنة بحوالي 1000 دورة في الدقيقة في وضع الخمول، فإن المبدئ، إذا تم تشغيله مع دولاب الموازنة ، سيضطر إلى الدوران بين 15000 و20000 دورة في الدقيقة. بمجرد تشغيل المحرك وتشغيله، يحرر قابض التجاوز المبدئ من دولاب الموازنة ويمنع التروس من إعادة التشابك (كما في الدوران العرضي لمفتاح الإشعال) أثناء تشغيل المحرك. يُستخدم قابض العجلة الحرة الآن في العديد من الدراجات النارية ذات محرك التشغيل الكهربائي. يتم استخدامه كبديل لمصباح التشغيل (أو محرك Bendix الأقدم ) المستخدم في معظم مشغلات السيارات لأنه يقلل من الاحتياجات الكهربائية لنظام التشغيل. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

بالإضافة إلى الاستخدامات المذكورة أعلاه في السيارات (أي في المركبات ذات المحرك ثنائي الشوط وسيارات ساب رباعية الشوط المبكرة)، تم استخدام العجلات الحرة في بعض السيارات الفاخرة أو التقليدية الراقية (مثل باكارد وروفر وكورد ) من ثلاثينيات القرن العشرين إلى ستينياته. كانت بعض محركات تلك الفترة تميل أيضًا إلى تمرير الزيت عبر حلقات المكبس في ظل ظروف مع دواسة الوقود المغلقة وسرعة المحرك العالية، عندما يؤدي الفراغ الطفيف في غرفة الاحتراق جنبًا إلى جنب مع ضغط الزيت المرتفع ودرجة عالية من التشحيم بالرش من العمود المرفقي سريع الدوران إلى دخول الزيت إلى غرفة الاحتراق.

تعني العجلة الحرة أن المحرك عاد إلى سرعة الخمول عند تجاوز السرعة، وبالتالي تقليل الضوضاء من كل من المحرك وعلبة التروس بشكل كبير وتقليل استهلاك الزيت. يمكن عادةً قفل الآلية لتوفير فرملة المحرك إذا لزم الأمر. كما تم استخدام العجلة الحرة في سيارة لاند روفر الأصلية من عام 1948 إلى عام 1951. تتحكم العجلة الحرة في الدفع من علبة التروس إلى المحور الأمامي ، والذي يتم فصله عند تجاوز السرعة. سمح هذا للسيارة بالحصول على نظام دفع رباعي دائم من خلال تجنب قوى "اللف" في ناقل الحركة. نجح هذا النظام، لكنه أنتج معالجة غير متوقعة، خاصة في الظروف الزلقة أو عند السحب، وتم استبداله بنظام دفع رباعي تقليدي قابل للتحديد.

خلال الحرب العالمية الثانية، تم تجهيز المركبات العسكرية فولكس فاجن التي تنتجها شركة KdF ( Kübelwagen ، Schwimmwagen ) بنظام تفاضلي محدود الانزلاق من إنتاج شركة ZF يتكون من عجلتين حرتين، والذي يرسل كامل قوة المحرك إلى الدوران الأبطأ للعجلتين. ^[1]

قامت شركات صناعة السيارات الأخرى بتركيب عجلة حرة بين المحرك وعلبة التروس كشكل من أشكال القابض الأوتوماتيكي . بمجرد أن يحرر السائق دواسة الوقود وتكون السيارة في وضع التجاوز، يتم فصل العجلة الحرة ويمكن للسائق تغيير التروس دون استخدام دواسة القابض. ظهرت هذه الميزة بشكل أساسي في السيارات الكبيرة الفاخرة ذات القوابض الثقيلة وعلب التروس بدون تزامن ، حيث سمحت العجلة الحرة بتغيير أكثر سلاسة وهدوءًا. قامت سيتروين بدمج عجلة حرة وقابض طرد مركزي لصنع ما يسمى "TraffiClutch"، والذي يسمح للسائق بالبدء والتوقف وتغيير التروس المنخفضة دون استخدام القابض. كان هذا خيارًا في سيارات سيتروين 2CV ومشتقاتها، وكما يوحي الاسم، تم تسويقه كميزة للقيادة في المناطق الحضرية المزدحمة. وبالمثل، كانت سيارة Saab 93 متوفرة مع قابض Saxomat اختياري .

إن الاستخدام الشائع لآليات الدوران الحر هو في نواقل الحركة الأوتوماتيكية. على سبيل المثال، توفر نواقل الحركة الهيدروليكية التقليدية من جنرال موتورز مثل Turbo-Hydramatic 400 دورانًا حرًا في جميع التروس الأقل من الترس المحدد. على سبيل المثال، إذا كان محدد التروس في ناقل الحركة ثلاثي السرعات مُسمى "drive"(3)-"super"(2)-"low"(1) واختار السائق "super"، فإن ناقل الحركة يدور بحرية إذا تم تعشيق الترس الأول، ولكن ليس في الترس الثاني أو الثالث؛ إذا كان في "drive" فإنه يدور بحرية في الترس الأول أو الثاني؛ وأخيرًا، إذا كان في الترس المنخفض، فإنه لا يدور بحرية في أي ترس. يتيح هذا للسائق اختيار نطاق أقل لتوفير كبح المحرك بسرعات مختلفة، على سبيل المثال عند النزول من تل شديد الانحدار.

استخدمت وحدات Overdrive التي تصنعها شركة Laycock de Normanville عجلة حرة لتسهيل تغيير التروس بسلاسة بين وضع القفل (1:1) ووضع Overdrive دون استخدام دواسة القابض التقليدية . تعمل العجلة الحرة على قفل المحور الخارجي على المحور الخارجي في فترة الانتقال القصيرة بين فصل القابض المخروطي لوضع القفل وتعشيق القابض لوضع Overdrive. ^[2]

في النمط الأقدم من تروس المغير ، حيث يتم تضمين آلية العجلة الحرة في مجموعة التروس/العجلة المسننة، يسمى النظام عجلة حرة ، بينما النمط الأحدث، حيث تكون آلية العجلة الحرة في المحور، يسمى محور حر .

تُستخدم العجلات الحرة أيضًا في الطائرات العمودية . وكما يجب أن تكون عجلات الدراجة قادرة على الدوران بسرعة أكبر من الدواسات، يجب أن تكون شفرات الطائرة العمودية قادرة على الدوران بسرعة أكبر من محركات الدفع. وهذا مهم بشكل خاص في حالة فشل المحرك حيث تسمح العجلة الحرة في ناقل الحركة الرئيسي لأنظمة الدوار الرئيسي والذيل بالاستمرار في الدوران بشكل مستقل عن نظام الدفع. وهذا يوفر التحكم المستمر في الطيران والهبوط التلقائي .

في عام 1869، اخترع ويليام فان أندن من بوكيبسي، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية العجلة الحرة للدراجة . [ ^3] وضع تصميمه جهازًا مسننًا في محور العجلة الأمامية (العجلة المدفوعة في تصميمات الدراجات البخارية في ذلك الوقت)، مما سمح للراكب بدفع نفسه للأمام دون الحاجة إلى الدواسة باستمرار. ^[4] في البداية، رفض عشاق الدراجات فكرة العجلة الحرة لأنهم اعتقدوا أنها ستعقد الوظائف الميكانيكية للدراجة. ^[5] اعتقد عشاق الدراجات أن الدراجة من المفترض أن تظل بسيطة قدر الإمكان دون أي آليات إضافية، مثل العجلة الحرة. ^[6]

في المملكة المتحدة، تم تسجيل براءة اختراع دولاب حر دوار من قبل J. White و G. Davies من شركة Coventry Machinist Co. في عام 1881 ^[7] وتم تركيبه على دراجة ثلاثية العجلات Chelseymore، ولكن رواد تركيب الدولاب الحر في دراجة الأمان كانوا Linley و Biggs Ltd (التي تعمل باسم Whippet Cycle Syndicate ) الذين قاموا بتركيب دولاب حر من صيف عام 1894، جزئيًا للمساعدة في تشغيل تروس "Protean" ثنائية السرعات الخاصة بهم.

بحلول عام 1899، كان هناك اعتماد واسع النطاق في صناعة الدراجات في المملكة المتحدة للعجلة الحرة، والتي كانت عادةً مقترنة بفرامل الدواسة الخلفية، وتم تقديم تحويلات للدراجات الموجودة. ^{[8] [9]}

في عام 1899، عُرف نفس النظام في الولايات المتحدة باسم " فرامل الكوستر "، والتي سمحت للراكبين بالفرملة عن طريق الدواسة للخلف وشمل آلية العجلة الحرة. ^[10] في مطلع القرن، أدرج مصنعو الدراجات في أوروبا وأمريكا آلية العجلة الحرة في غالبية دراجاتهم، ولكن الآن تم دمج العجلة الحرة في العجلة المسننة الخلفية للدراجة على عكس التصميم الأولي لفان أندن. ^[11]

في عام 1924، قدمت شركة Le Cyclo الفرنسية دراجة ذات ناقل حركة بعجلة حرة ذات ترسين، مما سمح للدراجين بالصعود بسهولة أكبر. في أواخر عشرينيات القرن العشرين، بدأت Le Cyclo في استخدام كل من المحولات الأمامية والخلفية مع سلسلة مزدوجة ، مما أعطى الدراجة ضعف عدد التروس. في أوائل الثلاثينيات، اخترعت Le Cyclo عجلة حرة بأربع تروس، وبعد عدة سنوات، جمعت الشركة بين العجلة الحرة ذات الأربع تروس وحلقة سلسلة ثلاثية مما أعطى الدراجة اثني عشر ترسًا. ^[12]

في الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين، قدمت الشركات المصنعة اليابانية نسخها الخاصة من المحول. قدمت شركة SunTour بشكل خاص تصميم المحول الخلفي المتوازي الأضلاع المائل في عام 1964، والذي يميل للحفاظ على البكرة أقرب إلى كل ترس من العجلة الحرة أثناء تحولها، مما يوفر تحولًا أكثر سلاسة وأفضل من نظيراتها الأوروبية. أصبح هذا الإصدار من المحول هو المعيار عندما انتهت صلاحية براءة اختراع SunTour في الثمانينيات، ولا يزال النموذج للتصاميم اليوم. ^[13]

• كلاتش النعال
• قابض سبراج
• ساب 96