سیستم فرمان (steering system)

امروزه پیشرفتهای علمی و فنی در تمام  زمینه ها  تحقق  یافته  و این امر شامل  صنایع  خودرو سازی  و صنایع وابسته  نیز شده  است. یکی از این  صنایع  و اجزای وابسته ، قسمت  فرمان خودرو است که وظیفه خطیر هدایت خودرو از طریق آن انجام میشود. برای تغییر مسیر خودرو از سیستم فرمان استفاده میشود. لذا مجموعه ی تشکیل دهنده ی این سیستم نقش مهمی در خودرو به عهده دارد. معمول ترین این سیستمهاسیستم دنده شانه ای سیستم دنده شانه ایRackوپینیون(pinion)است. بطوری که پینیون حرکت دورانی داشته و دنده شانه ای حرکت خطی انجام می دهد. در این حال  پینیون حرکت دورانی غربیلک فرمان را به دنده شانه ای  انتقال داده ، دنده  شانه ای نیز حرکت خطی را از طریق مفصلها به چرخهای خودرو انتقال میدهد. نحوه تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی در سیستم فرمان (Rack & Pinion) است . در شکل زیر نشان داده شده است.

سیر تکامل سیستم فرمان 

یکی ازپارامتر های موثر در انتخاب نوع خودرو در کشورهای توسعه  یافته ،راحتی  چرخش  غربیلک  فرمان آن خودرو میباشد . این موضوع سازندگان خودرو را بر آن داشته است که جهت تسهیل در چرخش فرمان و به تبع آن کاهش خستگی راننده و همچنین افزایش ایمنی با فراهم کردن کنترل بهتر در جاده های خشن، یک سیستم هیدرولکی به قسمت مکانیکی اضافه نمایند .

معمولا این سیستم جانبی به صورت کمکی(Assisted) عمل میکند. یعنی وظیفه ی اصلی به  عهده ی قسمت مکانیکی است.

معمولا اجزاء زیر به قسمت مکانیکی فرمان اضافه میشود تا هیدرولیکی گردد: 

1. پمپ هیدرولیک با مخزن روغن و چرخ تسمه (Pulley)

1. شیرهای کنترل (Valve)                                                                                                     

2. لوله های رابط (Tube)                                                                                                       

3. سیلندر (Cylinder)         

4. تسمه (Belt)

سیستم  هیدرولیکی  فرمان جهت  ایفای  نقش از موتور خودرو استفاده می کند . بنابر این از بازده موتور کمی می کاهد ، همچنین مصرف انرژی  بیشتری را باعث می گردد. علاوه بر آن ، سیستم هیدرولیک  بصورت  مرکز آزاد  (Open – Center) عمل می کند . یعنی حتی در زمانهایی که خودرو بصورت مستقیم در حال حرکت بوده و هیچ انحرافی  انجام  نمی دهد ، باز هم این سیستم عمل می کند. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سیستمهای بهتر ومفید تری گشته ، یا آنها را جایگزن هیدرولیکی نمایند یا سیستم هیدرولیکی را بهبود بخشند .

یکی از سیستمهای ارائه شده در سال های اخیر فرمان الکتروهیدرولیکی  (EHPS) است که در آن به جای استفاده از موتور خودرو یک موتور الکتریکی به پمپ هیدرولیک اضافه میشود و در نتیجه فرمان از موتور خودرو مستقل می گردد. شکل زیر یک سیستم فرمان  الکتروهیدرولیکی را نشان می دهد. در این نوع فرمان هر چند مسئله مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته است ولی مشکل دائمی بودن عمل کرد سیستم هیدرولیکی یعنی حالت مرکز آزاد(Open-Center) هنوز پا بر جاست.

بعبارت دیگر باید حالتی تعبیه نمود که زمانی که چرخشی به فرمان وارد میشود سیستم عمل کند،نه همه ی زمانها.

 

فرمانهای الکتریکی (EPS) 

این نوع فرمان مشابه هیدرولیکی آن عمل میکند  ولی از لحاظ ساختار متفاوت بوده و دارای  مزایای زیادی نسبت  به نوع  هیدرولیک است. این سیستم  دراواسط  دهه ۱۹۷۰  برای اولین  بار مطرح گردید اما ساخت  و کاربرد عملی  آن از  سال ۱۹۹۳ شروع گردید . در این فرمان مشکل دائمی عملکرد سیستم کمکی  فرمان حل شده است، یعنی  سیستم الکتریکی  زمانی عمل میکند که چرخشی در فرمان  بوجود  آید بعبارت دیگر گشتاوری موجود باشد. فرمان الکتریکی از سه قسمت اساسی زیر تشکیل شده است  که به سیستم فرمان مکانیکی (R&P) اضافه می شود :

1. سنسور گشتاور (Torque Sensor)

2. موتور با جریان مستقیمDC(DC Brushless Motor) 

3. واحد کنترل الکترونیکی یاECU (Electronic Control Unit) 

سه قسمت یاد شده میتوانند در یک محفظه (Housing) یا جداگانه قرارگیرند. تا به سیستم هیدرولیکی فرمان جهت ایفای نقش از موتور خودرو استفاده میکند . بنابر این از بازده موتور کمی می کاهد ، همچنین مصرف انرژی بیشتری را باعث می گردد.  علاوه بر آن ،  سیستم هیدرولیک بصورت مرکز آزاد ( Open – Center) عمل میکند . یعنی حتی در زمانهایی که خودرو بصورت مستقیم در حال حرکت بوده و هیچ

انحرافی انجام نمی دهد ، باز هم این سیستم عمل می کند. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت دنبال سیستمهای بهتر ومفید تری گشته ، یا آنها را جایگزن هیدرولیکی نمایند یا سیستم هیدرولیکی را بهبود بخشند .یکی از سیستمهای ارائه شده در سال های اخیر فرمان الکتروهیدرولیکی  (EPS) است که در آن به جای استفاده از موتور خودرو یک موتور الکتریکی به پمپ هیدرولیک اضافه می شودو در نتیجه فرمان از موتور خودرو مستقل می گردد. شکل زیر یک سیستم فرمان  الکترو هیدرولیکی را نشان می دهد. در این نوع فرمان هر چند مسئله مستقل بودن از موتور خودروتحقق یافته است ولی مشکل دائمی بودن عمل کرد سیستم هیدرولیکی یعنی حالت مرکز آزاد (Open-Center) هنوز پا بر جاست.به عبارت دیگر باید حالتی تعبیه نمود که زمانی که چرخشی به فرمان وارد میشود سیستم عمل کند نه همه ی زمانها.

درشکل صفحه بعد شما می توانید اجزا وقسمت های مختلف یک فرمان هیدرولیکی را ببینید.

 

طرزکار:

سیستم  EPS  به این صورت عمل می کند که ابتدا سنسورگشتاور وارده از غربیلک فرمان را حس نموده ،آن رابه صورت سیگنال یا سیگنالهایی  به قسمت میکروکنترلر(ESU) ارسال  میکند . میکروکنترلر علاوه بر این سیگنال ، سیگنالی نیز از سرعت خودرو دریافت می کند  ، آنگاه این دو را پردازش نموده ، دستور العمل لازم را به قسمت موتور  DC اعمال مینماید  تا به صورت کمکی (Assisted) سیستم فرمان مکانیکی را تحت تاثیر  قرار دهد.بنابراین دستور العملهای ECU به موتور Brushless   تابعی از خروجی سنسور و سرعت  خودرو است . این یعنی سرعت  در عملکرد EPS موثر بوده و این به منظور ایمنی بیشتر خودرو است . یعنی بیشترین عملکرد در سرعتهای پایین و کمتزین عملکرد آن در سرعتهای بالای خودرو است.

محل نصب  :EPS 

فرمان الکتریکی در سه حالت مختلف متواند بر روی قسمت مکانیکی نصب شود 

الف)- نصب بر روی ستون(Column) فرمان : در این روش مجموعه سنسورها ، موتور DC   و قسمت ECU

بطور مجتمع در یک محفظه مستقر شده وبر روی ستون فرمان (Steering- Column)  نصب می شود.  بنابراین عملکرد  کمکی   (Assisted)  فرمان  EPS  به ستون فرمان اعمال می گردد. این روش در خودروهای  کوچک ، مخصوصا خودروهای  درون  شهری  که راحتی فرمان  فاکتور مهمی به ویژه در  ترافیک های  سنگین  و پارک نمودن خودرو محسوب میشود ، بکار می رود. ستون فرمان با موتور الکتریکی DC توسط دنده حلزونی درگیر هستند . لازم به ذکر است که گفته شود،در حال حاضر هیچ خودروی در ایران وجود ندارد که این نوع  سیستم بر روی  آن سوار باشد ، زیرا این سیستم هنوز مشکلاتی دارد، که بر طرف نشده است. و در جهان چند شرکت معتبروجود دارد ،که از این نوع فرمانها استفاده می کنند،که در صفحات بعد به آن می پردازیم.

 

ب)- نصب بر روی پینیون 

در این روش نیز مجموعه سنسورها ، موتور DC  و قسمت ECU بطور مجتمع در یک محفظه قرارگرفته ولی بر روی  پینیون نصب می شوند. این  حالت برای  خودروهای  نیمه  سنگین مناسب بوده ، جایی  که راننده این نوع خودروها در راحت ترین حالت میتوانند خودرو را هدایت کنند.

ج)- نصب بر روی دنده شانه ای: 

در این روش هر سه قسمت  EPS  یعنی سنسور ، موتور DC   و ECU  جدا از هم بر روی جعبه فرمان  نصب

میشوند . به این صورت که موتور DC و ECU بطور جدا از هم بر دنده شانه ای (Rack) قرار گرفته و سنسور-

ها نیز روی پینیون مستقر می شوند . زیرا روی دنده شانها  گشتاوری وجود ندارد که سنسورها بتوانند آن را حس نمایند. این حالت برای خودروهای سنگین مناسب است . جایی که نیروی زیادی باید به دنده شانها اعمال شود.بنا براین نیروی کمکی ( Assisted) بطور مستقیم از موتور DC به دنده شانه ای Rack)) وارد میگردد.

مزیای فرمان الکتریکی نسبت به فرمان هیدرولیکی :

1. حذف پمپ هیدرولیک (pump) وچرخ( pulley) 

2. حذف شیرهای کنترل(valve) و لوله های رابط

3. حذف تسمه ما بین پمپ هیدرولیک وموتور اتومبیل(belt) 

4. حذف جک هیدرولیک(jack hydraulic) و روغن هیدرولیک

5. وزن کم نسبت به هیدرولیکی

6. تغییرات کمتردر قسمت مکانیکی فرمان هنگام طراحی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک

7. عدم کمک (Assist) فرمان در هنگام عدم ورود گشتاور در فرمان الکتریکی ،به عبارت دیگر زمانی که انحرافی در فرمان داده شود ،قسمت الکتریکی  وارد عمل میگردد. 

۸ – فرمان الکتریکی به صورت Fail Safe است. چنانچه قسمت الکتریکی به دلایلی از کار افتد، قسمت مکانیکی فرمان میتواند به کار ادامه دهد.

۹ – مقداری  انرژی  مصرفی در فرمان الکتریکی ، حدود یک ششم انرژی مصرفی در فرمان هیدرولیک است. به عبارت دیگر به مقدار۸۵% در انرژی مصرفی از لحاظ فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک صرفه جویی میشود.

۱۰ – کاهش حجم واندازه نسبت به هیدرولیک

۱۱ – مستقل بودن از موتورخودرو

۱۲ – کاهش قابل ملاحظه زمان مونتاژ

۱۳ – افزایش قابل ملاحظه عمر موثر نسبت به فرمان هیدرولیکی

۱۴ – قابلیت ایمنی بالا در شرایط بحرانی

۱۵ – استفاده از یک نوع  فرمان الکتریکی در چندین خودروی  متفاوت، به عبارت  دیگر یک نوع  طراحی فرمان

الکتریکی را در چندین خودروی مختلف می توان بکار برد .