عجلات التوربوفان: كيف تساعد على تبريد المكابح وتحسين تدفق الهواء؟

تُعد عجلات التوربوفان، المعروفة بالإنجليزية باسم Turbofan Wheels، من أكثر تصاميم العجلات تميزًا في عالم السيارات الرياضية وسيارات السباق. وقد تبدو للوهلة الأولى وكأنها جنوط مغلقة تحمل شكل مروحة، إلا أن تصميمها الأصلي لم يكن هدفه الزينة فقط، بل التحكم في حركة الهواء حول العجلة والمساعدة على التخلص من الحرارة المتولدة داخل نظام المكابح.

لا يرتبط اسم التوربوفان بالشاحن التوربيني الموجود في المحرك، كما أن هذه القطعة لا تحتوي عادةً على محرك كهربائي. فهي تستفيد من دوران العجلة نفسها لتحريك الهواء بواسطة زعانف مائلة موزعة حول مركز الجنط.

ما هي عجلات التوربوفان؟

قد تكون عجلة التوربوفان جنطًا صُممت الزعانف ضمن بنيته، ولكنها في كثير من التطبيقات تكون غطاءً دائريًا منفصلًا يُثبت على الوجه الخارجي للجنط. يحتوي هذا الغطاء على مجموعة من الزعانف التي تشبه ريش المروحة، ويُطلق عليه أحيانًا اسم Turbofan Wheel Cover.

تختلف هذه القطعة عن غطاء الجنط التقليدي؛ لأن زعانفها تكون مائلة بزاوية محددة حتى تتفاعل مع الهواء أثناء دوران العجلة. وقد تُصنع من الألومنيوم أو المغنيسيوم أو ألياف الكربون أو مواد مركبة خفيفة، بحسب الاستخدام والتصميم.

ومع ذلك، ليست جميع الأغطية التي تحمل هذا الشكل وظيفية. فبعض المنتجات الحديثة تقلد الشكل الخارجي للتوربوفان فقط، دون أن تكون زعانفها مصممة لتحريك الهواء أو تبريد المكابح.

لماذا تحتاج المكابح إلى التبريد؟

عند الضغط على دواسة المكابح تحتك بطانات المكابح بالقرص الدوار، فتتحول الطاقة الحركية للسيارة إلى حرارة. وفي ظروف القيادة العادية تستطيع الأقراص التخلص من جزء كبير من هذه الحرارة عبر الهواء المحيط، لكن الوضع يصبح أكثر صعوبة أثناء القيادة على الحلبات أو عند استخدام المكابح بقوة وتكرار.

قد يؤدي الارتفاع المفرط في الحرارة إلى انخفاض مؤقت في كفاءة المكابح، وهي حالة تُعرف باسم تلاشي المكابح أو Brake Fade. كما قد تتسبب الحرارة المرتفعة في تسريع تآكل البطانات والأقراص والتأثير في سائل المكابح والمكونات المحيطة.

وتوضح الدراسات الهندسية أن عملية تبريد المكابح لا تعتمد فقط على حجم القرص، بل تتأثر أيضًا بتصميم فتحات الجنط، وسرعة الهواء، ودوران العجلة، ومسار دخول الهواء إلى القرص وخروجه من منطقة المكابح.

كيف تعمل زعانف التوربوفان؟

عندما تدور العجلة، تدور معها زعانف التوربوفان. وبسبب ميل هذه الزعانف، فإنها تدفع الهواء أو تسحبه من داخل تجويف العجلة إلى الخارج، بطريقة تشبه مبدأ عمل مروحة الطرد المركزي.

في النظام المصمم بصورة صحيحة، يدخل الهواء الأبرد من الجهة الداخلية للعجلة أو من قنوات تبريد موجودة في مقدمة السيارة، ثم يمر حول قرص المكابح والفرجار قبل أن تساعد زعانف التوربوفان على إخراج الهواء الساخن من الجهة الخارجية.

يساعد استمرار إخراج الهواء الساخن على إدخال كمية جديدة من الهواء الأبرد، وبالتالي تحسين انتقال الحرارة من الأقراص والمكونات المحيطة إلى الهواء.

لكن التوربوفان لا ينتج هواءً باردًا من تلقاء نفسه، بل يحتاج إلى مسار واضح يسمح بدخول الهواء وخروجه. وإذا كان الغطاء مغلقًا أكثر من اللازم، أو لم تكن هناك فتحات وقنوات مناسبة، فقد يؤدي إلى حبس الحرارة وتقليل التبريد بدلًا من تحسينه.

وقد أظهرت دراسات المحاكاة الحرارية والديناميكا الهوائية أن تصميم الجنط يؤثر بوضوح في تدفق الهواء داخل منطقة العجلة، كما يؤثر في معدل تبريد أقراص المكابح بعد عمليات الكبح.

أهمية اتجاه الزعانف

اتجاه الزعانف من أهم العناصر التي تحدد ما إذا كانت القطعة ستعمل بصورة صحيحة أم لا. ففي الأنظمة الوظيفية قد يكون غطاء العجلة اليمنى مختلفًا عن غطاء العجلة اليسرى، لأن اتجاه دوران العجلتين بالنسبة إلى شكل الزعانف ليس متماثلًا.

إذا تم تركيب الغطاء على الجهة الخطأ، فقد تدور زعانفه بعكس الاتجاه الذي صُممت له، فتقل قدرته على استخراج الهواء الساخن أو يتحول مسار الهواء إلى اتجاه غير مرغوب.

ولهذا تحمل بعض القطع الأصلية علامات تشير إلى جهة التركيب أو اتجاه الدوران. أما الأغطية التجميلية فقد تستخدم التصميم نفسه على العجلات الأربع، حتى إن بدت الزعانف في إحدى الجهتين وكأنها موجهة بصورة معاكسة.

ولا يعني ذلك أن كل غطاء متشابه على الجانبين عديم الفائدة، لأن النتيجة تعتمد على تصميمه الكامل، لكن وجود قطع مخصصة لليمين واليسار غالبًا ما يدل على مراعاة اتجاه حركة الهواء.

تأثيرها في الديناميكا الهوائية

تُعد منطقة العجلات من أكثر مناطق السيارة تعقيدًا من ناحية حركة الهواء. فالعجلة تدور بسرعة داخل تجويف مفتوح، وتتعرض لهواء قادم من مقدمة السيارة ومن أسفلها ومن جانبيها. وينتج عن ذلك دوامات واضطرابات هوائية يمكن أن ترفع مقاومة الهواء وتؤثر في تدفقه حول هيكل السيارة.

يؤدي إغلاق جزء من الوجه الخارجي للجنط إلى تقليل كمية الهواء التي تدخل فتحاته وتخرج منها، ما قد يساعد على تقليل بعض الاضطرابات الهوائية. ولهذا تستخدم بعض السيارات الحديثة أغطية جنوط شبه مغلقة بهدف تحسين الكفاءة وتقليل مقاومة الهواء.

وتشير دراسة منشورة من جمعية مهندسي السيارات إلى أن العجلات وتصميم الجنوط قد يكون لهما تأثير مباشر وغير مباشر كبير في مقاومة الهواء الكلية للسيارة، ما يجعل شكل الجنط ونسبة فتحاته من العناصر المهمة في التصميم الديناميكي الهوائي.

يحاول تصميم التوربوفان الجمع بين فائدتين: تقليل الاضطرابات حول الوجه الخارجي للعجلة، والمحافظة على حركة الهواء اللازمة لتبريد المكابح. لكن تحقيق هاتين الفائدتين معًا ليس سهلًا، لأن زيادة إغلاق الجنط قد تحسن الانسيابية الهوائية، لكنها قد تقلل كمية الهواء المتاحة للتبريد.

لهذا لا يمكن القول إن جميع عجلات التوربوفان تقلل مقاومة الهواء أو تحسن ثبات السيارة. فالنتيجة تعتمد على شكل الزعانف، وسرعة السيارة، وتصميم الهيكل، وحجم فتحات الغطاء، ومسار الهواء داخل تجويف العجلة.

و بالنهاية عجلات التوربوفان ليست مجرد تصميم غريب أو زينة مستوحاة من شكل مراوح الطائرات، بل ظهرت بوصفها وسيلة للتحكم في حركة الهواء حول العجلة والمساعدة على إخراج الحرارة من منطقة المكابح.

تستفيد زعانفها من دوران العجلة لتحريك الهواء، وقد تساعد على سحب الهواء الساخن من حول الأقراص وإفساح المجال لدخول هواء أبرد. كما يمكن لسطحها شبه المغلق أن يقلل بعض الاضطرابات الهوائية الناتجة عن فتحات الجنوط.