آشنایی با انواع سیستم فرمان خودرو

سیستم فرمان خودرو در اوج سادگی، سیستمی با طراحی بسیار دقیق و از نظر مهندسی نسبتا پیچیده است. در فضای عمومی بازار خودرو، سیستم فرمان ماشین را تنها با فاکتور داشتن یا نداشتن سیستم کمکی آن می‌شناسیم، در حالی که این سیستم از انواع و نمونه‌های متنوع با مهندسی‌های کاملا متمایز طراحی و تولید می‌شوند که هر یک در نوع خود واکنش و حس فرمان‌پذیری بسیار متفاوتی به همراه دارند.

در این مقاله به معرفی رایج‌ترین نمونه‌های مهندسی مکانیزم سیستم فرمان خودرو، جعبه فرمان و سیستم‌های کمکی آن می‌پردازیم.

اجزای سیستم فرمان خودرو

سیستم فرمان خودرو مستقل از نوع و سیستم کمکی آن، در بخش‌هایی چون غربیلک فرمان، میل فرمان، گلویی فرمان و جعبه فرمان با یکدیگر مشترک هستند. همچنین در محل اتصال از جعبه فرمان به سگدست نیز از قطعات واحد و یکسان استفاده می‌شود. هرچند که ممکن است این بخش‌ها در سیستم‌های فرمان مختلف هیدرولیک، الکتروهیدرولیک و تمام الکتریکی با یکدیگر تفاوت‌های جزئی داشته باشند.

در نتیجه سایر اجزای سیستم فرمان بر حسب تمایز میان نوع سیستم کمکی، شامل پمپ هیدرولیک، الکتروموتور، سرووُ موتور (Servo-Motor) و رادیاتور خنک‌کن روغن است که بر اساس نوع سیستم کمکی فرمان در این سیستم پیچیده به کار گرفته می‌شود تا صحت عملکرد مجموعه فرمان در بالاترین دقت ممکن تامین شود.

جعبه فرمان چیست؟

جعبه فرمان یا Steering Box نوعی جعبه دنده (همانند گیربکس) است که وظیفه آن تبدیل حرکت دورانی غربیلک فرمان به حرکت خطی برای تغییر زاویه چرخ‌ها است. ازآن‌جایی که این مکانیزم از سیستم دنده‌ای ضریب‌دار افزاینده گشتاور تشکیل می‌شود، کلمه جعبه (Box) الهام گرفته‌شده از واژه جعبه دنده (Gearbox) در نام آن به کار رفته است.

جعبه فرمان اصلی‌ترین بخش سیستم فرمان خودرو است که با ثابت شدن بر شاسی یا ساب فریم (Subframe/نیم شاسی) خودرو، نیروی واردشده به غربیلک فرمان را به‌صورت مستقیم یا با کمک یک مکانیزم اتصالی (بر اساس نوع طراحی: میل فرمان یا قرقری فرمان) به چرخ‌ها منتقل می‌کند تا زاویه مطلوب اعمال‌شده به غربیلک، بر روی چرخ‌ها اجرا شود.

انواع جعبه فرمان از نظر طراحی

به‌صورت عمومی انواع جعبه فرمان را می‌توان بر اساس نوع کارکرد به سه گروه کلی شامل مکانیکی (بدون سیستم کمکی)، هیدرولیک (دارای سیستم کمکی با پمپ روغنی) و برقی (دارای سیستم کمکی با موتور الکتریکی) دسته‌بندی‌ کرد. سایر ویژگی‌های منحصر به سیستم فرمان خودرو نظیر حساس بودن به سرعت یا دو محور فرمان‌پذیر، از قابلیت‌های مستقل سیستم فرمان است که در زیرشاخه بسیار جزئی‌تر در نحوه عملکرد انواع جعبه فرمان قرار می‌گیرد.

توجه داشته باشید که وجود سیستم کمکی فرمان یا عدم وجود آن، الزاما ارتباط مستقیمی با نوع طراحی درونی جعبه فرمان ندارد. به این معنا که یک نمونه بخصوص از جعبه فرمان با طراحی مهندسی ثابت ممکن است در انواع مکانیکی، هیدرولیکی یا برقی طراحی و تولید شود.

در نتیجه شیوه طراحی جعبه فرمان، خود یک مقوله جدا از نوع سیستم کمکی آن است و می‌تواند در دو گروه کلی دندانه و شانه و نوع کرم و غلطک (ساچمه گردشی) دسته‌بندی شود. در نتیجه ابتدا به معرفی نوع طراحی و مهندسی هر یک از این نوع سیستم‌های فرمان خواهیم پرداخت.

دندانه و شانه

سیستم جعبه فرمان دندانه و شانه (Rack and Pinion) رایج‌ترین نوع جعبه فرمان از انواع خودروهای مدرن امروزی (به جز کلاس خودروهای تجاری و سنگین) است. این سیستم همان‌طور که از نام آن پیدا است، از یک دندانه (Pinion) متصل به ستون فرمان و یک شانه (Rack) متصل به چرخ‌ها تشکیل شده است. با دوران فرمان، دندانه در محل ثابت خود در داخل جعبه فرمان گردش می‌کند و در نتیجه شانه را به چپ و راست حرکت می‌دهد و باعث تغییر زاویه چرخ‌ها می‌شود.

مزیت این نوع جعبه فرمان داشتن وزن کم (به دلیل استفاده از پوسته آلومینیومی) و ساختار فشرده و جمع‌وجور است و همچنین حس دقت و حساسیت فرمان با سطح مسیر را به خوبی به راننده انتقال می‌دهد. در نتیجه خودرو دارای سیستم فرمان بسیار دقیق‌تر و تیز‌تر (از نظر دقت در کنترل خودرو) است. ازهمین‌رو جعبه فرمان دندانه و شانه در بیشتر کلاس‌های تولیدی خودروهای سواری سبک امروزی جهان به کار می‌رود. اما از سوی دیگر به دلیل حساسیت قابل توجه این سیستم در برابر فشار مضاعف و ضربات جانبی یا دست‌اندازهای سنگین، از آن در خودروهای تجاری و سنگین استفاده نمی‌شود.

کرم و سکتور

سیستم کرم و سِکتور (Worm and Sector) یا کِرم و غلطک (Worm and Roller) نمونه قدیمی‌تر جعبه دنده‌های مورد استفاده در صنعت خودروسازی است که از اوایل قرن ۲۱ام (سال‌های ۲۰۰۰ به بعد)، تقریبا در هیچ خودرو سواری و سبک دیگری مورد استفاده قرار نگرفت. در صورت استفاده از این مکانیزم، نمونه جدیدتر، نرم‌تر و بادوام‌تر آن جایگزین شد که با نام ساچمه گردشی (Recirculating Ball) مشهور است. مکانیزم کرم و غلطک از یک دنده مارپیچی (معروف به کِرم) متصل به ستون فرمان تشکیل شده است که در یک محل ثابت حول محور خود می‌چرخد. در طرف دیگر این دنده مارپیچی یک شفت دنده‌دار وجود دارد که به شفت اصلی خروجی سیستم فرمان مشهور است و با نام تخصصی شفت سکتور (Sector Shaft) خطاب می‌شود. این شفت ممکن است از نوع غلطکی باشد و با نام رولر (Roller) نیز شناخته شود.

مکانیزم عملکرد سیستم کرم و غلطک یا رولر با ساچمه گردشی کاملا یکسان است، اما برای کاهش میزان سایش و استهلاک داخلی جعبه فرمان و همچنین نرم‌تر شدن حس فرمان، به‌جای استفاده از دنده کرم‌مانند و اتصال مستقیم آن به دنده شفت سکتور، از یک مکانیزم درونی بلبرینگی در دنده کرم‌مانند استفاده می‌شود تا میزان سایش به حداقل رسیده و فرمان نرم‌تر احساس شود.

جعبه فرمان خانواده کرم و غلطک و نمونه جدیدتر آن، یعنی ساچمه گردشی، دارای ابعاد فشرده اما ساختار مکعب‌مانند است. ازاین‌رو برخلاف سیستم دندانه و شانه، قابل نصب در دل مجموعه ادوات زیربندی نیست. در نتیجه این مکانیزم متفاوت بر بدنه شاسی خودرو نصب شده و نیروی جانبی را به کمک واسط فرمان (Relay Rod) به هر دو چرخ منتقل می‌کند.

تا پیش از فراگیر شدن مکانیزم دندانه و شانه در سیستم فرمان خودروهای امروزی، تقریبا همه خودروهای تولیدی جهان از این نوع جعبه فرمان بهره می‌گرفتند. در دنیای امروزی صنعت خودروسازی، جعبه فرمان ساچمه گردشی تنها در خودروهای تجاری سنگین و برخی شاسی‌بلندهای سنگین‌وزن به کار می‌رود.

مزیت اصلی این جعبه فرمان، دوام قابل توجه، تحمل در برابر وارد آمدن ضربات حاصل از دست‌اندازها و قابلیت انتقال نیروی زیاد از فرمان به چرخ‌ها است. از سوی دیگر، نقطه ضعف آن‌ها داشتن وزن قابل توجه (به دلیل داشتن پوسته چدنی) و عدم انتقال حس دقت و حساسیت فرمان به راننده در تناسب با سطح مسیر است. دقیقا به همین دلیل است که شاسی‌بلندهای آفرودی و خودروهای سنگین تجاری به این جعبه فرمان مجهز هستند، اما در هیچ خودرو مدرن و مخصوصا اسپرت امروزی، از سیستم فرمان ساچمه گردشی استفاده نمی‌شود.

انواع جعبه فرمان از نظر عملکرد

حالا نوبت آن است تا مکانیزم جعبه فرمان خودروها را مستقل از نوع طراحی مهندسی درونی، از دیدگاه نوع عملکرد مورد بررسی قرار دهیم.

جعبه فرمان مکانیکی

در این نوع جعبه فرمان، چه از نوع دندانه و شانه باشد یا از خانواده کرم و غلطک، هیچ سیستم کمکی مضاعف بر نیروی اعمال‌شده از سوی دستان راننده برای تغییر در زاویه چرخ‌ها وجود ندارد. بنابراین با افزایش وزن خودرو، افزایش عرض تایرها (افزایش میزان چسبندگی با سطح مسیر)، افزایش میزان تندی زاویه فرمان و کاهش سرعت خودرو، انجام هرگونه تغییر در زاویه فرمان دشوارتر می‌شود.

این نوع جعبه فرمان‌های مکانیکی معمولا دارای ضریب افزاینده گشتاور بزرگ‌تر هستند. یعنی قفل تا قفل غربیلک آن‌ها از راست به چپ (تعداد دور گردش غربیلک فرمان از راست به چپ) بسیار بیشتر از نمونه مجهز به سیستم کمکی است. به همین دلیل است که پارک کردن خودروهای دارای جعبه فرمان مکانیکی در فضای تنگ برای بسیاری از افراد کاری طاقت‌فرسا و دشوار است.

جعبه فرمان کمک هیدرولیکی

همان جعبه فرمان مکانیکی، از هر نوع و گروهی را که باشد، در نظر بگیرید و حالا به آن یک پمپ هیدرولیکی (پمپ روغنی) اضافه کنید که توان گردشی و پمپاژ روغن را از میلنگ (به هنگام روشن بودن پیشرانه) دریافت می‌کند. در بخش دیگر، درون جعبه فرمان یک شیر هیدرولیکی (مجموعه‌ای سوراخ‌های ایجاد شده در ستون فرمان برای عبور روغن پرفشار از درون جعبه فرمان) تعبیه شده است که به هنگام چرخاندن غربیلک فرمان به یک سمت، به روغن پرفشار سیستم هیدرولیک اجازه عبور و حرکت در سمت مورد نظر را می‌دهد.

در نتیجه به محض حرکت روغن در درون سیستم فرمان، این فشار روغن است که به گردش و جابجایی مکانیزم‌های درونی جعبه فرمان کمک می‌کند. آنچه راننده بر روی غربیلک فرمان انجام می‌دهد، تنها تعیین جهت حرکت روغن و کنترل زاویه گردش غربیلک است. به این جعبه فرمان، سیستم مجهز به مکانیزم کمکی هیدرولیکی یا HPS می‌گویند.

مزیت این سیستم فرمان خودرو طول عمر بسیار بالا، دوام قابل توجه و همچنین قدرت بسیار زیاد آن در جابجا کردن تایرهای بزرگ در زیر وزن خودروهای بسیار سنگین است. اما در عین حال ایرادهایی چون نشتی روغن از مخزن و لوله‌های پرفشار، خرابی پکینگ‌ها (کاسه نمدهای فشار بالا) درون جعبه فرمان و به زوزه افتادن پمپ هیدرولیک را نیز ممکن است در درازمدت با خود به همراه داشته باشد. همچنین این مکانیزم حتی در صورت عدم جابجایی فرمان، همواره مقداری از توان و گشتاور پیشرانه را به خود مشعول می‌کند و با اتلاف انرژی بیهوده (معروف به هدررفت انگلی یا Parasitic Loss) همراه است و به همین دلیل بازده کاری آن پایین است.

توجه داشته باشید که سیستم فرمان خودرو یا فاقد سیستم کمکی است، یا از یک نوع سیستم کمکی بهره می‌گیرد. در نتیجه هیچ سیستنی تحت عنوان «نیمه هیدرولیک» در صنعت خودروسازی وجود ندارد.

جعبه فرمان کمک برقی

همان‌طور که احتمالا از نام آن حدس می‌زنید، جعبه فرمان مجهز به سیستم کمکی برقی از یک موتور به عنوان تامین‌کننده نیروی کمکی برای چرخاندن فرمان استفاده می‌کند. این جعبه فرمان می‌تواند در دو نوع تمام برقی (EPS) یا از نوع الکتروهیدرولیک (برقی-روغنی) یا EHPS باشد.

در نمونه تمام برقی EPS، یک موتور الکتریکی بسیار دقیق، سیگنال‌های مربوط به میزان چرخش غربیلک فرمان (زاویه جابجایی غربیلک فرمان) را از سوی کامپیوتر خودرو دریافت کرده و بر اساس همان میزان دوران می‌کند تا عمل جابجایی غربیلک فرمان را در جعبه فرمان شبیه‌سازی کرده و چرخ‌ها را به زاویه مطلوب برساند. در نتیجه این کار مستقیما از سوی موتور الکتریکی انجام می‌گیرد. این سیستم تا زمان عدم جابجایی در زاویه فرمان، هیچ انرژی الکتریکی را مصرف نمی‌کند و ازاین‌رو بازده انرژی بسیار بالایی دارد. این موتور الکتریکی ممکن است بر روی ستون فرمان (متصل به غربیلک) یا مستقیما بر روی جعبه فرمان نصب شود.

در نمونه الکتروهیدرولیک EHPS، یک موتور الکتریکی وظیفه به حرکت درآوردن پمپ هیدرولیک فرمان را بر عهده دارد. این نمونه دقیقا همانند سیستم کمکی در فرمان‌های هیدرولیک ایفای نقش می‌کند، با این تفاوت که توان حرکتی پمپ از پیشرانه خودرو تامین نشده و وظیفه تامین فشار روغن بر عهده یک موتور الکتریکی گذاشته شده است. این سیستم فرمان خودرو نیز تا زمانی که تغییری در زاویه غربیلک فرمان به وجود نیاید، هیچ نوع انرژی را مصرف نمی‌کند و دارای بازده انرژی بالا است.

سیستم فرمان فعال (حساس به سرعت)

یکی از قابلیت‌های بسیار جذاب سیستم فرمان خودروهای دارای سیستم کمکی، قابلیت تنظیم حساسیت تغییر در زاویه غربیلک فرمان و اثر آن بر زاویه چرخ‌ها بر اساس سرعت خودرو است. به سیستم فرمان مجهز به این ویژگی، سیستم فرمان حساس به سرعت (Speed Sensitive Steering System) یا سیستم فرمان فعال (Active Steering System) می‌گویند.

در این نوع سیستم، کامپیوتر خودرو سرعت چرخ‌ها را سنجیده و با افزایش هرچه بیشتر سرعت خودرو، تاثیر سیستم کمکی فرمان بر چرخ‌ها را کاهش می‌دهد تا در سرعت بالا ضمن سفت‌تر شدن حس گردش غربیلک، واکنش ناگهانی و چرخش بیش از حد غربیلک فرمان موجب بر‌هم خوردن تعادل خودرو و بروز حادثه نشود.

این سیستم در فرمان مجهز به سیستم کمکی هیدرولیکی، فشار و حجم عبوری روغن هیدرولیک فرمان از درون جعبه فرمان را به کمک یک شیر برقی کنترل می‌کند. این کار در فرمان دارای سیستم کمکی الکتریکی اما با تغییر در سرعت دورانی موتور الکتریکی (کاهش حساسیت موتور الکتریکی) انجام می‌گیرد.

بهترین سیستم فرمان خودرو

بسیار دشوار است که بخواهیم یک ترکیب از سیستم فرمان را به عنوان برترین و بهترین معرفی کنیم چرا که هر یک از این نوع جعبه‌ فرمان‌ها و سیستم‌های کمکی مربوط به آن به منظور تامین هدفی خاص در گروهی از خودروهای بخصوص طراحی و تولید شدند.

فرمان‌های مکانیکی (فاقد سیستم کمکی)، مخصوصا بعد از ورود انواع سیستم کمکی برقی به بازار، تقریبا به‌طور کامل در صنعت خودروسازی تولید انبوع جهان منسوخ شدند و فقط در خودروهای مسابقه‌ای یا دست‌ساز استفاده می‌شوند. جعبه فرمان ساچمه چرخشی هنوز هم در خودروهای نیمه‌سنگین، سنگین تجاری و معدنی کاربرد فراوان دارد و نمونه دندانه و شانه نیز محبوب‌ترین مدل از جعبه فرمان در میان خودروهای سواری سبک است.

سیستم کمکی هیدرولیکی (HPS) یک سیستم نسبتا ارزان‌قیمت و بسیار ساده است که از گذر سالیان طولانی تولید و آزمایش پیوسته سربلند بیرون آمده و تعمیرات آن بسیار آسان و نسبتا کم‌هزینه است.

سیستم کمکی برقی (EHPS) ترکیبی از دو نمونه الکتریکی و هیدرولیک است و به همین دلیل بخشی از معایب و مزایای هر دو سیستم را به همراه دارد. اما بدون تردید مهم‌ترین مزیت سیستم کمک فرمان نوع الکتریکی، جلوگیری از هدر رفت انرژی پیشرانه و اختصاص دادن تمام توان و گشتاور تولیدی آن صرفا برای به حرکت درآوردن خودرو است. به همین دلیل خودروهای اقتصادی و کم‌مصرف امروزی به منظور استفاده بهینه‌تر از خروجی پیشرانه و همچنین کاهش هرچه بیشتر مصرف سوخت، به استفاده از سیستم کمکی فرمان الکتریکی (مخصوصا نمونه EPS) روی آوردند.

سوالات متداول

۱. وظیفه اصلی سیستم فرمان در خودرو چیست؟
تبدیل حرکت دورانی غربیلک فرمان به حرکت خطی برای تغییر زاویه چرخ‌ها و هدایت خودرو.

۲. انواع رایج سیستم فرمان کدام‌اند؟
مکانیکی، هیدرولیکی، برقی (EPS)، الکتروهیدرولیکی (EHPS) و سیستم فرمان حساس به سرعت.

۳. تفاوت بین جعبه فرمان دندانه و شانه با ساچمه گردشی چیست؟
دندانه و شانه سبک‌تر و دقیق‌تر است؛ ساچمه گردشی دوام بالاتر و تحمل فشار بیشتری دارد.

۴. چرا فرمان‌های کمکی برقی جایگزین نمونه‌های هیدرولیکی شده‌اند؟
به دلیل مصرف کمتر انرژی، بازده بیشتر و کاهش مصرف سوخت.

۵. سیستم فرمان حساس به سرعت چگونه کار می‌کند؟
با افزایش سرعت، واکنش فرمان کاهش می‌یابد تا از چرخش ناگهانی و بروز حادثه جلوگیری شود.

نویسنده: شهاب انیسی