چگونگی عملکرد سیستم فرمان خودرو

متعلقات فرمان روی اکسل جلو درسمت راست و یا چپ اتومبیل بسته شده و هدایت اتومبیل توسط راننده را با تغییر جهت چرخهای جلو امکان پذیر می نماید . بدین معنی که حرکت غربیلک توسط راننده و میله اصلی فرمان به هزار خاری و میله های رابط فرمان و بعد به سگدست منتقل شده و در نتیجه حرکت رفت وبرگشتی یا سمت چپ و راست غربیلک فرمان باعث گردش اتومبیل می شود. سیستم فرمان انواع گوناگونی دارد از جمله سیستم فرمان مکانیکی (دنده شانه ای و پینیون) ،هیدرولیکی و الکتریکی که در این مقاله به توضیح آنها می پردازیم.
امروزه پیشرفت های 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 هدایت خودرو از طریق آن میسر می شود. لذا مجموعه  تشکیل دهنده این سیستم نقش مهمی در خودرو به عهده دارد. معمول ترین این سیستم ها، سیستم دنده شانه ای و پینیون است. به طوری 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 نیزحرکت خطی را از طریق مفصل ها به چرخ های خودرو انتقال می دهد.

انواع گوناگون فرمان:

به طور کلی انواع گوناگونی از سیستم فرمان وجود دارد که عبارت‌اند از:

• سیستم فرمان مکانیکی (دنده شانه‌ای و پینیون)
• سیستم فرمان الکتریکی یا برقی (EPS)
• سیستم فرمان هیدرولیکی
• سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی( EHPS)

معمول‌ترین سیستم فرمان خودرو، فرمان مکانیکی با 2 سیستم دنده شانه‌ای و پینیون است. روند کار سیستم دنده شانه‌ای به صورت حرکت خطی و سیستم پینیون به صورت حرکت دورانی است. در واقع سیستم پینیون حرکت دورانی غربیلک فرمان را به سیستم شانه‌ای ارسال می‌کند و سپس سیستم شانه‌ای، حرکت خطی را به چرخ‌های اتومبیل منتقل می‌کند.

به مرور زمان به دلیل سختی چرخش غربیلک فرمان در سیستم فرمان مکانیکی، کمپانی‌های خودروساز به دلیل سختی چرخش فرمان و ایمنی بالاتر خودرو در جاده‌های ناهموار بر آن شدند تا با تغییر فناوری سیستم فرمان خودروها و اضافه کردن امکانات بیشتر موجب کاهش خستگی رانندگان شوند. به همین دلیل یک سیستم فرمان هیدرولیکی با امکانات و قابلیت‌های بیشتر و به خصوص حفظ ایمنی سرنشینان خودرو به قسمت سیستم فرمان مکانیکی اضافه شد. البته این سیستم فرمان هیدرولیکی صرفاً به عنوان یک سیستم جانبی و کمکی در خودرو عمل می‌کند و وظیفه اصلی هدایت خودرو به عهده سیستم فرمان مکانیکی می‌باشد.

البته جدا از مزیت‌ها و قابلیت‌های مثبت سیستم فرمان هیدرولیکی، اما این سیستم فرمان یک عیب بزرگ نیز دارد و آن این است که سیستم فرمان هیدرولیکی برای عملکرد خود از موتور خودرو بهره می‌برد و این امر باعث کاهش بازده موتور خودرو و مصرف بیشتر انرژی می‌شود. به همین دلیل تکنسین‌های فنی خودروساز به خاطر رفع این عیب به دنبال جایگزین کردن یک سیستم فرمان بهتر شدند و سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی را جایگزین نمودند.

برای رفع عیب سیستم فرمان هیدرولیکی از موتور خودرو استفاده می‌کرد، برای سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی یک موتور الکتریکی جداگانه به قسمت پمپ هیدرولیک اضافه کرده‌اند که در این صورت فرمان خودرو از موتور جدا می‌شود. در خودروهای پژو ۴۰۷ از سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی استفاده کرده‌اند. در سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی عملا همچنان یک سیستم هیدرولیک به کمک فرمان آمده است اما مزیت بزرگ آن را می توان جدا بودن سیستم از فرایند حرکت موتور خودرو دانست‌.

فرمان برقی چیست؟

این نوع فرمان مشابه فرمان هیدرولیکی  عمل می کند ولی از لحاظ ساختار متفاوت بوده و دارای مزایای زیادی نسبت به نوع هیدرولیکی است. این سیستم در اواسط دهه 70 برای اولین بار مطرح گردید اما ساخت و کاربرد عملی آن از سال 1993 شروع گردید. اولین بار شرکت HONDA در اتومبیل های رالی NSX از فرمان الکترونیکی استفاده نمود. در این سیستم ، مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم کمکی فرمان حل شده است به طوریکه  سیستم الکتریکی زمانی عمل می کند که چرخشی در فرمان به وجود آید به عبارت دیگر گشتاوری وجود داشته باشد . فرمان الکتریکی از سه قسمت اساسی  تشکیل شده است که به سیستم فرمان مکانیکی (Rack and pinion) اضافه می شود :

1. سنسورگشتاور (Torque Sensor)
2. موتور با جریان مستقیم (Motor Brushless DC)
3. واحد کنترل الکترونیکی (ECU)

نحوه عملكرد EPS

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

تفاوت فرمان برقی و فرمان هیدرولیک

استفاده از فرمان هیدرولیکی اجزاء جدیدی را به اتومبیل‌ها اضافه کرد و باعث مصرف انرژی بیشتر خودروها شد. در حقیقت این فرمان ها کاملا مستقل و آزادانه فعالیت نمی‌کردند و به دلیل اتصال به موتور خودرو، حتی زمانی که در طول رانندگی حرکتی انجام نمی‌دهند باز هم انرژی زیادی مصرف می‌کنند. این موضوع باعث شد تا پژوهشگران صنعت خودروسازی به فکر ساخت سیستمی جدید برای فرمان‌ها بی‌افتند و در نتیجه آن فرمان‌های برقی یا EPS اختراع شد. فرمان برقی به جای استفاده از نیروی موتور خودرو که باعث افزایش مصرف سوخت می‌شود؛ مجهز به یک موتور کوچک و مستقل است و مانند فرمان هیدرولیکی باعث افزایش مصرف انرژی نمی‌شوند.

فرمان الکتریکی با توجه به مکانیک خودروها به سه حالت بر روی تمام خودوها نصب می‌شوند. نصب بر روی ستون فرمان، نصب بر روی پینیون‌ها که بیشتر مورد استفاده در خودروهای نیمه سنگین است و نصب بر روی دنده شانه‌ای خودرو. فرمان الکتریکی مزایای زیادی نسبت به فرمان هیدرولیکی دارد که از آن جمله می‌توان به این موارد اشاره کرد:حذف پمپ هیدرولیک و چرخ، حذف شیرهای کنترل و لوله های رابط، حذف تسمه ما بین پمپ هیدرولیک و موتور اتومبیل، حذف جک هیدرولیک و روغن هیدرولیک و وزن کم نسبت به فرمان هیدرولیکی، تغییرات کمتر مکانیکی نسبت به فرمان هیدرولیک، فعالیت در زمان حرکت فرمان، کاهش حجم و اندازه نسبت به فرمان هیدرولیکی، مستقل بودن از موتور، طول عمر بیشتر، ایمنی بالاتر و مصرف کمتر انرژی. ضمن آنکه اگر زمانی فرمان الکتریکی دچار مشکل شده و عملکرد آن متوقف شود، به صورت خودکار می‌توان از فرمان مکانیکی استفاده کرد.

به طور کلی سیستم فرمان الکتریکی تنها تفاوتی که با سیستم هیدرولیکی دارد این است که منجر به از بین رفتن بسیاری از اجزاء اضافی شده و در کاهش مصرف سوخت خودروها بسیار موثر است و تنها در مواقعی عمل می‌کند که فرمان چرخش یا گشتاوری داشته باشد.

مزایای فرمان برقی نسبت به هیدرولیک:

1- حذف پمپ هیدرولیک (pump) وهرزگرد (pulley)
2- حذف شیرهای کنترل (valve) و لوله های رابط
3- حذف تسمه ها بین پمپ هیدرولیک وموتور اتومبیل (belt)
4- حذف جک هیدرولیک (hydraulic jack) و روغن هیدرولیک
5- وزن کم نسبت به سیستم 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 گردشی در فرمان داده شود ، قسمت الکتریکی وارد عمل می گردد .)
8- فرمان الکتریکی به صورت Safe Fail است .( چنانچه قسمت الکتریکی به دلایلی از کار افتد، قسمت مکانیکی فرمان می تواند به کار ادامه دهد.)
9- مقداری انرژی مصرفی در فرمان الکتریکی ، حدود یک ششم انرژی مصرفی در فرمان هیدرولیک است. به عبارت دیگر به مقدار 85 % در انرژی مصرفی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک صرفه جویی می شود.
10-  کاهش حجم واندازه نسبت به هیدرولیک
11-  مستقل بودن از موتور خودرو
12-  کاهش قابل ملاحظه زمان مونتاژ
13- افزایش قابل ملاحظه عمر موثر نسبت به فرمان هیدرولیکی
14-  قابلیت ایمنی بالا در شرایط بحرانی
15- استفاده از یک نوع فرمان الکتریکی در چندین خودروی متفاوت