فهرست مطالب
امروزه تقریبا هیچ خودرویی در جهان وجود ندارد که در تیراژ تولید انبوه بدون یکی از انواع سیستم کمک فرمان روانه بازار شود. در نتیجه خودروها یا از سیستم کمک فرمان هیدرولیک (HPS) بهره می‌گیرند، یا نمونه الکتروهیدرولیک (برقی هیدرولیکی/EHPS) یا نمونه تمام برقی (EPS).
پیشتر نحوه عملکرد پمپ هیدرولیک فرمان و انواع مختلف جعبه فرمان خودرو بررسی شده است. در این قسمت به ارتباط میان پمپ هیدرولیک با جعبه فرمان و عملکرد کلی فرمان هیدرولیک می‌پردازیم. سیستمی که از ابتدای دهه ۲۰۰۰ به یک ویژگی استاندارد در خودروهای تولید انبوه بدل شد.
فرمان هیدرولیک چیست؟
در خودروهای قدیمی فاقد سیستم کمک فرمان هیدرولیک، جعبه فرمان تنها از یک مجموعه دنده (یک نوع گیربکس) تشکیل شده بود که حرکت دورانی غربیلک فرمان خودرو را به حرکت خطی تبدیل می‌کرد. این حرکت خطی سپس به کمک میل فرمان یا سیبک فرمان (قرقری فرمان) به چرخ‌ها منتقل شده و زاویه مورد نظر را بر روی سگدست اعمال می‌کرد تا زاویه تایرها تغییر کند.
می‌دانیم که جعبه فرمان خودروها از دو نوع رایج دندانه شانه (Rack & Pinion) و کرم و غلطک (Worm & Roller) یا همان ساچمه گردشی (Recirculating Ball) است. مستقل از نوع طراحی، وظیفه تمامی این سیستم‌ها تغییر حرکت دورانی غربیلک به حرکت خطی میل فرمان است.
در نمونه‌های مجهز به سیستم کمک هیدرولیک فرمان، ساختار اصلی و مهندسی به‌کاررفته در جعبه فرمان حفظ می‌شود، اما با اعمال برخی تغییرات، فشار روغن تامین‌شده از سوی پمپ هیدرولیک در پشت مجموعه جعبه دنده به‌کاررفته در داخل جعبه فرمان، به جابجایی راحت‌تر و نرم‌تر دنده‌ها بر روی یکدیگر کمک می‌کند.
در نتیجه یک سیستم فرمان دندانه شانه یا کرم و غلطک (ساچمه گردشی) فاقد سیستم کمکی هیدرولیک، از نظر عملکرد نهایی با نمونه دارای فرمان هیدرولیک هیچ تفاوتی ندارد. تنها بخشی که میان این دو سیستم متفاوت است، وجود پمپ هیدرولیک فرمان، لوله و اتصالات هیدرولیک از پمپ به جعبه فرمان و وجود شیر هیدرولیک مکانیکی معروف به شیر دورانی (Spool Valve) در نسخه مجهز به هیدرولیک فرمان خودرو است.
اجزای فرمان هیدرولیک خودرو
به صورت کلی فرمان هیدرولیک ماشین از قطعات زیر تشکیل می‌شود.
پمپ هیدرولیک
پمپی که وظیفه آن افزایش فشار روغن برای تامین نیروی مورد نیاز در جعبه فرمان است.
اتصالات هیدرولیک
متشکل از دو شلنگ پرفشار (رفت از پمپ به سمت جعبه فرمان) و کم‌فشار (برگشت از جعبه فرمان به مخزن) است.
جعبه فرمان هیدرولیک
یک نمونه از جعبه فرمان دارای شیر مکانیکی هیدرولیک یا همان شیر دورانی (Spool Valve) است که مقدار روغن ورودی و میزان فشار وارده از آن بر مکانیزم جعبه فرمان را کنترل می‌کند.
فشارشکن
یک شیر مکانیکی (یا الکترونیکی) که از طریق باز کردن مسیر برگشت روغن پرفشار به مخزن، از بروز فشار مظاعف پمپ بر مجموعه فرمان جلوگیری کرده و از آسیب احتمالی به قطعات پیش‌گیری می‌کند.
سوئیچ خاموش کن
یک سنسور یا سوئیچ فشار متصل به سیستم برق خودرو است که درصورت افزایش بیش از حد فشار سیستم هیدرولیک در مجموعه فرمان، دستور قطع برق سیستم جرقه خودرو را صادر کرده و با خاموش کردن موتور ماشین از بروز آسیب احتمالی جلوگیری می‌کند.
عملکرد فرمان هیدرولیک
در مقاله‌های پیشین به بررسی طراحی انواع جعبه فرمان و عملکرد پمپ هیدرولیک پرداختیم. در نتیجه در این مقاله، به بررسی عملکرد فاکتور منحصر به فرمان هیدرولیک، یعنی شیر مکانیکی دورانی یا Spool Valve می‌پردازیم.
شیر دورانی یا Spool Valve در سیستم فرمان هیدرولیک، بخشی از ستون فرمان است که به درون گیربکس جعبه فرمان وارد شده و بر اساس نوع طراحی جعبه فرمان، به پینیون یا غلطک متصل است. در نتیجه ستون فرمان در نسخه هیدرولیک دارای چند سوراخ نسبتا ریز است که با اختلاف زاویه مشخص از یکدیگر ایجاد شده‌اند و بر اساس زاویه چرخش فرمان، به روغن پرفشار تولید شده از سوی روغن هیدرولیک اجازه ورود به محفظه‌های روغن از پیش طراحی شده در جعبه فرمان را می‌دهند.
زمانی که فرمان در حالت وسط قرار دارد (چرخ‌ها صاف هستند)، سوراخ‌های موجود در انتهای ستون فرمان درون جعبه فرمان به گونه‌ای قرار دارند که فشار روغن تولیدشده از سوی پمپ هیدرولیک به یک سمت از آن‌ها وارد شده و بلافاصله و بدون اعمال نیرو، از سمت دیگر خارج می‌شود.
اما زمانی که راننده فرمان را به یک سمت می‌چرخاند، زاویه قرارگیری این سوراخ‌ها در تناسب با محفظه‌های ایجادشده درون جعبه فرمان به گونه‌ای تغییر می‌کند که فشار روغن بر مکانیزم درونی جعبه فرمان در راستای چرخش به همان سمت اعمال می‌شود. حالا راننده هرچه بیشتر فرمان را به سمت مورد نظر بچرخاند، حجم روغن پرفشار بیشتری وارد محفظه روغن درون جعبه فرمان شده و به چرخش دنده‌های روغنی جعبه فرمان کمک می‌کند.
به عبارت دیگر، در جعبه فرمان فاقد سیستم هیدرولیک، این راننده است که مستقیما بر غربیلک فرمان اعمال نیرو کرده تا گیربکس درونی فرمان بر اصطکاک میان تایر و زمین غلبه کند و زاویه چرخ‌ها تغییر یابد. در جعبه فرمان دارای سیستم کمکی هیدرولیک نیز دقیقا همین‌طور است. با این تفاوت که در این حالت راننده در حقیقت با چرخاندن فرمان و ایجاد جابجایی در سوراخ‌های شیر هیدرولیک یا Spool Valve ستون فرمان، حجم ورودی روغن پرفشار به جعبه فرمان را تعیین کرده و این روغن پرفشار است که بار سنگین غلبه کردن بر اصطکاک تایر با زمین را بر عهده می‌گیرد. دقیقا به همین دلیل است که عملکرد فرمان در سیستم فرمان هیدرولیک خودرو، نرم‌تر از خودروهای فاقد سیستم کمک فرمان است.
مزایا و معایب فرمان هیدرولیک
همانند هر سیستم مکانیکی دیگر در خودرو، فرمان هیدرولیک نیز با معایب و مزایای بخصوصی همراه است که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.
مزایای فرمان هیدرولیک
- کاهش خستگی راننده
- کنترل بسیار ساده‌تر و مانورپذیری بیشتر خودرو
- افزایش سرعت واکنش راننده به دلیل داشتن ضریب تبدیل سبک‌تر
- عدم تاثیرگذاری وزن خودرو و اصطکاک تایرها بر میزان سختی چرخش فرمان
- کاهش قابل توجه از شدت ضربات معکوس از سطح مسیر به فرمان
- افزایش ایمنی به دلیل عدم خروج فرمان از دست راننده
- دوام قابل توجه، بازده مناسب و عمر مفید بسیار زیاد سیستم
معایب فرمان هیدرولیک
- مصرف بخشی از توان تولیدی پیشرانه از سوی پمپ هیدرولیک (Parasitic Loss/هدررفت انگلی)
- افزایش اندک در میزان مصرف سوخت
- نیاز به سرویس‌های دوره‌ای فنی و تعمیرات
- احتمال بروز نشتی در سیستم
- پیچیدگی بیشتر در مقایسه با فرمان فاقد کمک هیدرولیکی
- سنگینی شدید فرمان در صورت از کار افتادن پمپ هیدرولیک
ایرادهای فرمان هیدرولیک
ایرادهای رایجی چون نشتی در اتصالات هیدرولیک، نشتی روغن از مخزن یا حتی خود جعبه فرمان، به واقع می‌تواند دردسرساز و هزینه‌بردار باشد. اما این ایرادها، مهم‌ترین اشکالاتی نیست که در سیستم فرمان هیدرولیک ماشین بروز می‌کند. بزرگ‌ترین مشکل از کار افتادن پمپ هیدرولیک فرمان و سنگینی (سفت شدن) بسیار شدید فرمان در خودروهای دارای سیستم فرمان هیدرولیک است.
سفت شدن فرمان هیدرولیک
اگر بنا به هر دلیل نظیر کاهش بیش از حد سطح روغن مخزن هیدرولیک، ورود هوا به درون پمپ هیدرولیک، شل شدن تسمه هیدرولیک یا هر دلیل دیگر، سیستم هیدرولیک فرمان از کار بیفتد، میزان سفت شدن فرمان در این حالت به مراتب شدید‌تر از خودروهای فاقد سیستم فرمان هیدرولیک خواهد بود. اما چرا؟
دلیل این اتفاق به ضریب دنده گیربکس درونی جعبه فرمان باز می‌گردد. جعبه فرمان خودروهای فاقد سیستم کمکی هیدرولیک، دارای نرخ تبدیل (ضریب دنده) بسیار سنگین‌تر هستند. به این معنا که برای چرخاندن قفل تا قفل فرمان (بازه کامل فرمان از یک سمت به سمت دیگر)، به عنوان مثال فرمان باید ۴ دور بچرخد. در نتیجه میزان فشار اعمال‌شده بر دستان راننده برای گردش کامل فرمان از یک سو به سوی دیگر، در ۴ دور کامل فرمان تقسیم می‌شود. پس راننده کار کمتری را در مدت زمان بیشتری انجام می‌دهد. این به معنای سنگین بودن ضریب دنده به‌کاررفته در طراحی درونی جعبه فرمان است.
اما در جعبه فرمان هیدرولیکی، انجام کار سنگین بر عهده فشار روغن و پمپ هیدرولیک فرمان است. پس راننده زحمتی جز چرخاندن فرمان بسیار نرم خودرو ندارد. در نتیجه به منظور بازده بیشتر سیستم فرمان، تیز‌تر شدن جعبه فرمان و بهبود مانوردهی خودرو در مسیرهای تنگ و باریک، از ضریب دنده سبک‌تر در جعبه فرمان مجهز به سیتم کمکی هیدرولیک استفاده می‌شود. از این رو بازه جابجایی کامل فرمان از قفل سمت راست تا قفل سمت چپ در نمونه هیدرولیک، به عنوان مثال تنها به ۲ دور چرخش کامل فرمان کاهش می‌یابد.
حالا تصور کنید که بنا به هر دلیل ممکن، پمپ هیدرولیک خودرو از کار بیفتد یا بازده مورد انتظار را فراهم نکند. حالا راننده مجبور است کار مشابه چرخاندن فرمان از یک سو به سوی دیگر را تنها در ۲ دور چرخش غربیلک فرمان انجام دهد. در نتیجه این مهم به معنای انجام کار زیاد در مدت زمان کم است که از سبک‌تر بودن ضریب دنده داخل جعبه فرمان نشات گرفته و موجب سفت‌تر و سنگین‌تر احساس شدن فرمان در مقایسه با فرمان غیر هیدرولیک می‌شود.
دلایل سفت شدن فرمان هیدرولیک
به صورت کلی چند دلیل رایج برای از کار افتادن یا افت بازده توان سیستم هیدرولیک فرمان وجود دارد که در ادامه معرفی می‌کنیم.
- کاهش سطح روغن هیدرولیک که معمولا با صدای زوزه پمپ همراه است.
- نشت زیاد روغن هیدرولیک که باعث کاهش سطح روغن و ورود هوا به سیستم پمپ می‌شود و معمولا صدای زوزه پمپ را به همراه دارد.
- شل شدن تسمه هیدرولیک مخصوصا در خودروهای قدیمی دارای تسمه V شکل.
- ساییده شدن، ترک خوردن یا آلوده شدن تسمه هیدرولیک یا تسمه سرپنتین (تسمه شیاردار).
- سایش قطعات درونی پمپ هیدرولیک (ماه و ستاره) و افت قدرت پمپاژ پمپ هیدرولیک که معمولا در گذر زمان طولانی یا کاهش شدید سطح روغن محقق می‌شود.
فرمان برقی و الکتروهیدرولیک و تفاوت با فرمان هیدرولیک
طراحان و مهندسان صنعت خودروسازی برای کاهش هرچه بیشتر از میزان مصرف سوخت خودروها و همچنین بهبود بازده نهایی پیشرانه‌ها، تلاش می‌کنند تا هرچه بیشتر از هدررفت انگلی (Parasitic Loss) پیشرانه بکاهند.
هدررفت انگلی در صنعت خودروسازی به انرژی از دست رفته‌ای گفته می‌شود که استفاده مفیدی برای آن وجود ندارد. به عنوان مثال، زمانی که فرمان صاف است و سیستم فرمان مورد استفاده نیست، پمپ هیدرولیک در اتصال به پیشرانه همچنان در حال گردش است. یا در مناطق سردسیر که نیاز است پیشرانه با سرعت بیشتری گرم شود، پمپ آب مکانیکی در اتصال به میلنگ در حال گردش و جابجایی بیهوده آب در رادیاتور است. این استفاده بی‌موقع و بیهوده از پمپ هیدرولیک یا پمپ آب، مقداری از انرژی پیشرانه را هدر داده و در نتیجه موجب افزایش اندک اما قابل اندازه‌گیری سوخت می‌شود. به این اتلاف انرژی، هدر رفت انگلی یا Parasitic Loss گفته می‌شود.
در نتیجه در بسیاری از خودروها از پمپ آب یا پمپ هیدرولیک برقی استفاده می‌شود تا سیستم تنها زمانی به کار افتد که در واقع به آن نیاز است. از این رو پمپ هیدرولیک برقی را تحت عنوان Electro-Hydraulic Power Steering Pump یا EHPS یا پمپ الکتروهیدرولیک (هیدروالکتریک) خطاب می‌کنند. در این سیستم، یک موتور برقی قدرتمند که توان خود را از سیستم برق خودرو (ترکیب دینام و باتری) دریافت می‌کند، موظف است تنها در هنگام نیاز روشن شود و پمپ هیدرولیکی مکانیکی را به گردش درآورد.
اما با پیشرفته‌تر شدن تکنولوژی در صنعت خودروسازی و ورود سیستم کمک فرمان تمام الکتریکی، استفاده از نمونه الکتروهیدرولیکی تقریبا کم‌رنگ شده و بیشتر خودروهای مدرن امروزی از سیستم فرمان تمام الکتریکی یا EPS بهره می‌گیرند که به جای استفاده از روغن پرفشار به عنوان سیستم کمکی، از گشتاور یک موتور الکتریکی قدرتمند برای تغییر در زاویه چرخ‌ها استفاده می‌کنند. با این وجود این سیستم‌های پیشرفته امروزی نیز بدون ضعف نیستند.
برای اطلاع از تفاوت فرمان برقی با هیدرولیک، باید به مزایا و معایب فرمان برقی توجه کرد.
مزایای فرمان برقی
- استفاده فقط در مواقع مورد نیاز.
- کاهش یا حذف کامل نشتی به عنوان یک ایراد ایراد رایج (بخصوص در نمونه EPS).
- عدم نیاز به سرویس و رسیدگی دوره‌ای بخصوص.
- کنترل لحظه‌ای و بسیار سریع حساسیت نسبت به سرعت و حالت‌های مختلف رانندگی.
- اتصال ساده به سایر قابلیت‌های پیشرفته خودرو نظیر سیستم کمک پارک یا پارک اتوماتیک.
- قطعات متحرک بسیار محدود و استهلاک کمتر مجموعه.
معایب فرمان برقی
- پیچیدگی فنی بیشتر نسبت به نمونه رایج هیدرولیکی.
- نیازمند تخصص و دانش بالا برای تعمیرات و تنظیم دقیق.
- حساسیت بیشتر و هزینه بالاتر تعمیرات، تنظیم و نگهداری.
- کاهش حس ارتباطی دستان رانده با سطح زمین.
نتیجه گیری
سیستم فرمان هیدرولیک چه از نوع رایج مکانیکی (HPS) و چه از نوع پیشرفته‌تر الکترونیکی (EHPS)، یک ویژگی استاندارد در خودروهای امروزی است که حتی تصور رانندگی بدون حضور آن غیر ممکن و در عمل خسته کننده و خطرناک است. این سیستم اگر به خوبی سرویس و به درستی استفاده شود، می‌تواند تا سال‌های طولانی ایفای نقش کرده و به شکل کاملا محسوسی از میزان خستگی راننده در سفرهای طولانی بکاهد
سوال های متداول
آیا می‌توان در زمان از کار افتادن سیستم هیدرولیک فرمان با خودرو رانندگی کرد؟
پاسخ مثبت است. اما باید توجه داشته باشید که در این مواقع، فرمان خودرو بسیار سنگین شده و مانور دادن و کنترل کردن خودرو بسیار دشوار می‌شود که می‌تواند خطرآفرین باشد. همچنین کار کردن پمپ هیدرولیک بدون روغن یا با سطح روغن کم، به شکل محسوس و قابل توجهی از عمر مفید آن می‌کاهد و به سرعت باعث بروز آسیب و خرابی‌های شدید می‌شود.
آیا سیستم فرمان هیدرولیک قابل اعتماد است؟
بله کاملا. سیستم فرمان هیدرولیک در مدت زمان بسیار طولانی توسعه یافته و در صورت سرویس به موقع و استفاده صحیح از آن، تا سالیان دراز بدون بروز ایراد کار می‌کند. سرویس آن بسیار ساده و هزینه تعمیرات آن اندک است.
آیا سیستم کمک فرمان برقی از هیدرولیکی بهتر است؟
نمی‌توان به صورت انحصاری یک سیستم را برتر از دیگری دانست. هر یک از این نوع سیستم‌ها با مزایا و معایب منحصر به خود همراه هستند. به عنوان مثال سیستم فرمان هیدرولیک ارزان‌قیمت، ساده و دارای حس رانندگی لذت بخش‌تر است، اما تکنولوژی روز خودروسازی به سوی استفاده از نمونه برقی با دقت و بازده بسیار بالاتر و مصرف سوخت کمتر سوق گرفته است که تعمیرات و سرویس‌های مورد نیاز گران قیمت‌تری طلب می‌کند.
نویسنده: شهاب انیسی
