معرفی انواع سیستم فرمان خودرو (الکترونیکی، هیدرولیکی و مکانیکی)

مقدمه

در دهه‌های اخیر حوزه الکترونیک پیشرفت‌های علمي و فني قابل توجهی کرده است. همچنین، صنعت خودروسازی و صنايع وابسته نيز، از آن بهره‌مند شده اند. يكي از اين پیشرفت‌ها، بخش سیستم فرمان خودرو است كه وظایف مهمی ازجمله هدايت خودرو و تغيير مسير آن را بر عهده دارد. امروزه یکی از پارامترهای انتخاب خودرو توسط مشتری، نرم بودن فرمان خودرو می‌باشد و این موضوع باعث شده تا خودروسازها در دهه‌های اخیر به این مقوله، توجه بیشتری کنند.

سیستم‌ فرمان مکانیکی خودرو

سیستم‌ فرمان مکانیکی، معمولی‌ترین سیستم است، که شامل: دنده شانه‌ای (Rack)، پینیون (Pinion)، ستون فرمان (Column Wheel) و غربیلک فرمان می‌باشد. حركت دوراني غربيلک فرمان از طریق ستون فرمان به پینیون و از پینیون به دنده شانه‌ای انتقال می‌یابد. در دنده شانه‌ای این حرکت به حركت خطي تبدیل می‌شود و از آن‌جا از طريق مفصل‌های فرمان، به چرخ‌های خودرو انتقال می‌یابد. برای چرخاندن فرمان‌های مکانیکی خصوصاً در حالت ایستادن خودرو نیاز بود تا نیروی زیادی از طرف راننده به ‌فرمان وارد شود و فرمان باید با دو دست چرخانده می‌شد!!!

سیستم فرمان هیدرولیک خودرو

علم هیدرولیک به کمک مهندسان آمد تا با توان خود، باری را از دوش راننده بردارد. در سیستم هیدرولیکی اجزایی مانند پمپ هيدروليك، مخزن روغن، فولی، تسمه، شيرهاي كنترل، لوله‌های رابط، سيلندر و پیستون و … به سیستم مکانیکی اضافه شد. سيستم فرمان هيدروليكي براي ايفاي نقش خود از موتور خودرو استفاده می‌کند بنابراين ایراداتی که به این سیستم وارد است این است که بازده موتور اندكي کم می‌شود و همچنين مصرف انرژي بيشتری دارد. علاوه بر آن، سيستم هيدروليك به‌صورت آزاد و بدون کنترل عمل می‌کند، به طور مثال، وقتي خودرو به‌صورت مستقيم در حال حركت است و هيچ انحرافي ندارد، بازهم از موتور خودرو توان دریافت می‌شود. با این سیستم، فرمان خودرو نرم‌تر از حالت قبل شده بود و فرمان با یک دست هم چرخیده می‌شد!!

معایب سیستم هیدرولیکی، محققان این حوزه را بر آن داشت، تا سیستم‌های بهتر و مفيدتري را بکار گیرند و آن‌ها را یا جايگزين سيستم هيدروليكي كنند، يا همان سيستم هيدروليكي را بهبود بخشند. يكي از سیستم‌های ارائه‌شده در سال‌های اخير، فرمان الكتروهيدروليكي (EHPS[1]) است كه در آن به‌جای استفاده از موتور خودرو، يك موتور الكتريكي به پمپ هيدروليك اضافه شده و درنتیجه فرمان را از موتور خودرو مستقل می­کند. در اين نوع فرمان، هرچند مستقل بودن سیستم فرمان از موتور خودرو تحقق‌یافته، ولي مشكل دائمي بودن عملكرد سيستم هيدروليكي هنوز پابرجاست. به‌عبارت‌دیگر بايد تدابیری اندیشیده می‌شد كه تنها وقتي نیرویی به ‌فرمان وارد می‌شود، سیستم عمل كند.

سیستم فرمان الکترونیکی خودرو

بعد از چند سال، علم هیدرولیک هم، توانایی پاسخ‌گویی به نیازهای رانندگان را نداشت. تا اینکه مانند دیگر حوزه‌ها علم الکترونیک خودنمایی کرد؛ بنابراین در چند سال اخیر سیستم (EPS[2]) به بازار آمده است که تنها وقتی‌که فرمان چرخیده می‌شود، سیستم فرمان عمل کند. درواقع با این سیستم رابطه فرمان و چرخ‌ها قطع‌شده و زمانی که راننده فرمان را می‌چرخاند، دستوری به واحد کنترل الکترونیکی فرمان فرستاده می‌شود تا موتور الکتریکی آماده چرخاندن پینیون و شانه‌ای شود و به‌تبع آن چرخ‌ها، حرکت زاویه‌ای کنند. امروزه فرمان خودروها به اندازه‌ای نرم شده است که حتی با فوت چرخیده می‌شوند! در ادامه به معرفی سیستم فرمان الکترونیکی پرداخته می‌شود.

اجزای فرمان الکترونیکی:

فرمان الكترونیكي از سه قسمت اساسي زير تشکیل‌شده است، كه به سيستم فرمان مكانيكي اضافه مي‌شود:

1. سنسور گشتاور (Torque Sensor)
2. . موتور با جريان مستقيم (DC Brushless Motor)
3. واحد كنترل الكترونيك (ECU)

سه قسمت یادشده می‌توانند هم در يك محفظه (Housing) يا به‌صورت جداگانه قرار گیرند.

محل نصب فرمان الکترونیکی

فرمان الكترونیكي می‌تواند در سه حالت مختلف، بر روي سیستم فرمان نصب شود.

الف) نصب بر روي ستون (Column) فرمان:

در اين حالت مجموعه سنسورها، موتور DC و قسمت ECU به‌طور مجتمع در يك محفظه قرار داده می‌شوند و بر روي ستون فرمان (Steering – Column) نصب می‌شوند. بنابراين عملكرد فرمان الکترونیکی به ستون فرمان اعمال می‌گردد. اين حالت در خودروهاي كوچك، مخصوصاً خودروهاي درون‌شهری كه راحتي فرمان فاكتور مهمي به‌ویژه در ترافیک‌های سنگين و پارك نمودن خودرو محسوب می‌شود، استفاده می­گردند.

ب) نصب بر روي پينيون:

در اين حالت نيز مجموعه سنسورها، موتور DC و قسمت ECU به‌طور مجتمع در يك محفظه قرارگرفته، ولي بر روي پينيون نصب می‌شوند. اين حالت براي خودروهاي نيمه سنگين مناسب است.

ج) نصب بر روي دنده شانه‌ای:

در اين حالت هر سه قسمت EPS يعني سنسور، موتور DC وECU جدا از هم بر روي جعبه ‌فرمان نصب می‌شوند. به اين صورت كه موتور DC وECU به‌طور جدا از هم‌روی دنده شانه‌ای قرارگرفته و سنسورها نيز روي پينيون مستقر می‌شوند. زيرا روي دنده شانه‌ای گشتاوري وجود ندارد، كه سنسورها بتوانند آن را حس نمايند. اين حالت براي جايي كه نيروي زيادي بايد به دنده شانه‌ای اعمال شود، مانند خودروهاي سنگين، مناسب است. بنابراين نيرو به‌طور مستقيم، از موتور DC به دنده شانه‌ای وارد می‌گردد.

نحوه عملکرد:

در سيستم فرمان برقي ميله پيچشي به محور فرمان متصل است و از طريق سنسور گشتاور متصل به ميله پيچشي، مقدار گشتاور مقاومي كه براثر چرخش فرمان بين چرخ‌هاي خودرو و نيروي پيچشي فرمان اعمال می‌شود، اندازه‌گیری می‌گردد. این اندازه‌گیری به سيگنال الكتريكي تبديل و به واحد کنترل الکترونیکی فرمان (ECU) ارسال می‌شود. ECU هم بر اساس داده‌های ارسالي از سنسور گشتاور و سرعت خودرو، مقدار نيروي اعمالي لازم که موتور الكتريكي باید اعمال نماید، را تعيين می‌کند.

هنگام فرمان گيري از خودرو ميله پيچشي تحت دو گشتاور، يكي گشتاور ورودي از طرف غربيلك و ديگري گشتاور عکس‌العملی وارده از سمت تاير، قرار می‌گیرد. دو سنسور براي اندازه‌گیری مقدار نيروي پيچشي و تبديل آن به سيگنال الكتريكي (متناسب با مقدار پيچش) وجود دارند. براثر چرخش رینگ‌های متصل به شفت، القاي مغناطيسي در كويل ها ايجاد و به سيگنال الكتريكي تبديل می‌شود. سنسورها به این شکل عمل می‌کنند که وقتي پيچش اتفاق نمی‌افتد، ميزان اختلاف ولتاژ خروجي سنسورها صفر است. وقتي فرمان به سمت چپ يا راست می‌پیچد، همزمان در يك سنسور ولتاژ خروجي افزايش می‌یابد و در سنسور ديگر كاهش ولتاژ خروجي اتفاق می‌افتد. هر چه اختلاف بين خروجي ولتاژ سنسورها بيشتر باشد، نيروي اعمالي بيشتري در موتور الكتريكي توليد می‌شود و در صورت معكوس شدن چرخش، ولتاژ جهت چرخش موتور الكتريكي نیز، تغيير می‌کند و به‌تبع آن چرخ‌ها در جهت عکس حرکت می‌کنند.

…

ECU بر اساس سیگنال‌های مختلفي كه از سنسورهاي گشتاور و سرعت دريافت می‌کند و با لحاظ وضعيت خودرو در آن لحظه، مقدار دور لازم براي چرخش را به موتور الكتريكي، ارسال می‌کند. گشتاور موتور الكتريكي DC توسط يك چرخ‌دنده به محور فرمان انتقال داده می­شود. اين مكانيزم نيروي اعمالي موتور را به پينيون شفت می­فرستد، که شامل يك چرخ‌دنده مارپيچي است كه ارتباط بين پينيون محور فرمان و پينيون چرخ‌دنده متصل به شفت موتور را برقرار و نيروي موتور را به پينيون محور فرمان، منتقل می‌کند.

بيشترين نيرو توسط موتور الكتريكي هنگامي اعمال می‌شود، كه خودرو در سرعت‌پایین حركت كند و یا روي يك سطح با اصطكاك بالا، فرمان با سرعت چرخانده شود. در شرايطي كه سطح جاده داراي اصطكاك كمي باشد نيروي كمتري توسط موتور الكتريكي اعمال و از انحراف خودرو جلوگيري می‌شود. عواملي چون فشار باد تاير، سطح جاده، سرعت خودرو بر مقدار نيرويي كه راننده براي چرخش فرمان بايد اعمال كند، تأثيری نخواهد داشت.

برای مقایسه سیستم‌های فرمان پرقدرت الکترونیکی و هیدرولیکی به قسمت انگلیسی مراجعه شود.

منابع:

[۱] Electronic and Hydraulic Power Steering System

[۲] Electronic Power Steering System

نویسنده: پژمان کورانی

کارشناسی ارشد مهندسی خودرو – محرکه

منبع: شماره سوم مجله علمی تخصصی دوزبانه « سبقت »