پیش از آن که فرمان با سیستم کمک برقی در صنعت خودروسازی رایج شود، سیستم کمکی هیدرولیک (روغنی) به صورت گسترده در انواع و اقسام خودروهای سواری و تجاری به کار گرفته میشد. این سیستم کمکی به دلیل داشتن عمر مفید قابل توجه، توان کمکی بسیار زیاد، طراحی و تولید ساده در کنار تعمیرات کمهزینه، هنوز هم در بسیاری از خودروهای تولید انبوه جهان کاربرد دارد.
رایجترین انواع پمپ هیدرولیک خودرو، معروف به پمپ PS (نام کامل: Power Steering Pump) یا همان پمپ کمک فرمان طراحی و نحوه عملکرد خاص خود را دارد.
پمپ هیدرولیک خودرو چیست؟
سیستم فرمان خودرو یا دارای سیستم کمکی از نوع هیدرولیک، الکتریکی یا هیدروالکتریکی (ترکیب موتور الکتریکی با پمپ روغنی) است که در این موارد با عنوان Power Assist به معنای دارای سیستم کمکی شناخته میشود، یا این که به هیچ سیستم کمکی مجهز نیست که در این حالت تحت عنوان Unassisted یا بدون سیستم کمکی خطاب خواهد شد. بنابراین بیان اشتباه و البته رایج نظیر «فرمان نیمه هیدرولیک» که در مورد برخی مدل های پراید ذکر میشد، از دیدگاه فنی اشتباه است.
در نتیجه زمانی که با عنوان Hydraulic Assisted (سیستم کمکی روغنی) مواجه میشویم، بدون تردید یک پمپ مکانیکی برای تامین فشار روغن مورد نیاز در جعبه فرمان در اتصال به موتور خودرو (یا در اتصال به موتور الکتریکی در نوع الکتروهیدرولیک) وجود خواهد داشت.
جالب است بدانید که اولین خودرو تولید انبوه مجهز به فرمان هیدرولیک، کرایسلر ایمپریال مدل ۱۹۵۱ میلادی بود. پس از آن سایر خودروسازان آمریکا به سرعت به نصب این آپشن بسیار مهم بر خودروهای تولید انبوه خود مشغول شدند.
از زمانی که پیشرانه روشن میشود، پمپ هیدرولیک خودرو عمل کرده و فشار مورد نیاز برای به سهولت در فرمانپذیری را ممکن میسازد. این طراحی با مزایا و معایب منحصر به خود همراه است که در ادامه به آن میپردازیم.
مزایای پمپ هیدرولیک خودرو
پمپ هیدرولیک روغنی نیروی خود را به صورت پیوسته از پیشرانه در حال دوران تولید میکند. فشار روغن تولیدی آن بسیار زیاد است و ازاینرو میتواند تغییر زاویه در تایرهای بسیار پهن و بسیار بزرگ را تحت هر نوع وضعیت خاص (تحت فشار یا وزن زیاد خودرو، در برف یا در گل و لای و…) ممکن سازد. طول عمر مفید قطعات آن به دلیل شناوری در روغن بسیار زیاد است و به سادگی دچار آسیب و خرابی نمیشود. طراحی و فرایند تولید آن بسیار ساده است و ازاینرو تعمیرات آن نیز به راحتی و با هزینه کم انجام میگیرد.
معایب پمپ هیدرولیک ماشین
از سوی دیگر، استفاده پیوسته از توان پیشرانه در حال گردش به معنای هدررفت انرژی یا همان هدررفت انگلی (Parasitic Loss) است. از این رو پمپ هیدرولیک ماشین میتواند به هنگام عمل کردن (چرخاندن فرمان) تا حدود ۱۰-۱۵ اسب بخار از توان تولیدی پیشرانه را مصرف کند. نشتی روغن از مجموعه هیدرولیک فرمان از رایجترین ایرادهای سیستم کمک فرمان هیدرولیک ماشین است که میتواند با آسیبهای زیستمحیطی و آسیب درونی قطعات همراه شود. فشار بسیار زیاد این پمپ قادر است تا در صورت استفاده اشتباه، به قطعات مربوط به سیستم فرمان نظیر سیبک فرمان، میل فرمان، اتصالات و قرقریها و حتی تایرها آسیب بزند.
قطعات تشکیل دهنده فرمان هیدرولیک خودرو
به صورت کلی و مستقل از نوع طراحی فنی سیستم هیدرولیک در خودروها، این مجموعه از پمپ تا چرخها، از چند قطعه مشترک تشکیل میشود که در بیان ساده به ترتیب زیر است.
- مخزن روغن هیدرولیک
- پمپ هیدرولیک
- اتصالات پرفشار و کمفشار هیدرولیک از پمپ تا جعبه فرمان
- جعبه فرمان
- میل فرمان (اتصالات جعبه فرمان به چرخها)
نحوه عملکرد انواع پمپ هیدرولیک ماشین
پمپ هیدرولیک فرمان در خودرو میتواند از انواع مختلفی تشکیل شود که رایجترین آنها به شرح زیر است.
- پمپ مویرگی (Vane Pump)
- پمپ غلطکی (Roller Pump)
- پمپ لغزشی (Slipper Pump)
- پمپ دندهای (Gear Pump)
- پمپ پیستونی (Piston Pump)
در این میان اساس کار سه نوع مویرگی، لغزشی و غلطکی بسیار به یکدیگر شبیه است، اما پمپ دندهای و پیستونی از طراحی متمایزی برخوردار است. از آنجایی که در صنعت خودروسازی جهان، پمپ نوع مویرگی رایجترین نمونه برای پمپ هیدرولیک فرمان است، از بررسی دو مدل مشابه غلطکی و لغزشی خودداری خواهیم کرد.
پمپ مویرگی (Vane Pump)
این پمپ هیدرولیک خودرو نهتنها در سیستم فرمان خودروها، بلکه اساس عملکرد آن در بسیاری از انواع دیگر پمپهای سیالی نظیر پمپ بتن نیز به کار گرفته میشود. در این نوع پمپ یک دیواره ثابت بیضیشکل (معروف به ماه) و یک روتور شکافدار (معروف به ستاره) وجود دارد. درون شکافهای متعدد روتور تیغههای کوچکی با تلورانس دقیق قرار میگیرند که اجازه میدهد این تیغهها در جای خود حرکت کرده و روغن میان دیواره روتور و تیغه را به منظور کاهش اصطکاک پر کند.
زمانی که پیشرانه روشن میشود، تیغهها بر اثر نیروی جانب مرکز از داخل شکاف بیرون آمده و با دیواره بیضی شکل تماس برقرار میکند. روغن فاقد فشار از یک سمت دیواره بیضی شکل درود پمپ مکیده شده و با دوران روتور به لای تیغهها ورود میکند. گردش تیغهها موجب فشرده شدن روغن در سمت دیگر دیواره بیضیشکل و حرکت آن به سمت جعبه فرمان خودرو میشود.
پمپ دندهای (Gear Pump)
پمپ روغن دندهای نهفقط در سیستم کمکی فرمان، بلکه در پمپ روغن پیشرانه خودروها نیز استفاده میشود. یکی از مهمترین مزایای این نوع پمپ، داشتن تعداد قطعات متحرک بسیار کمتر در مقایسه با پمپ مویرگی و پمپ پیستونی است و ازاینرو دوام و طول عمر مفید بسیار زیادی دارد. همچنین فشار تولیدی و دِبی روغن (حجم خروجی روغن) این پمپ بسیار زیاد است و بنابراین میتواند عمل روانکاری سریع و پرفشار قطعات پیشرانه را بسیار سریعتر انجام دهد.
پمپ دندهای در دو نوع داخلی (Internal Gear Pump) و خارجی (External Gear Pump) طراحی میشود و اساس کار این دو سیستم کاملا یکسان است، اما نحوه طراحی فنی و ابعاد نهایی آنها با یکدیگر تفاوت دارد. در هر دو مدل، روغن از یک سمت به درون پمپ مکیده شده و پس از عبور اجباری از لای دندههای پمپ تحت فشار قرار گرفته و از سمت دیگر خارج میشود.
پمپ پیستونی (Piston Pump)
پمپ روغن پیستونی در عمل هیچ تمایزی با کمپرسور کولر در خودروهای جدید ندارد. این پمپ از تعداد ۳ یا ۵ یا ۷ سیلندر و تعداد متناظر پیستون تشکیل میشود. این تعداد از سیلندر و پیستون بر حسب فشار و حجم روغن مورد نیاز متفاوت است. سیلندرها به صورت دایرهای در کنار یکدیگر و به صورت ثابت (همانند خشاب هفت تیر) قرار گرفتهاند. در عوض پیستونها به یک صفحه لنگ متصل هستند که این صفحه دارای شفت متصل به پیشرانه است.
زمانی که صفحه لنگ دوران میکند، به دلیل داشتن زاویه، موجب فرو رفتن و بیرون آمدن ترتیبی پیستونها به درون سیلندرها میشود. پیستونی که از سیلندر بیرون میآید، روغن را به درون خود میکشد و پیستونی که در سیلندر فرو میرود، روغن را فشرده میکند.
مزیت مهم این پمپ دبی بسیار زیاد روغن فشرده است. ازاینرو این پمپ هیدرولیک بیشتر در ماشینآلات سنگین راهسازی و معدنی (لودر، بولدوزر، جرثقیل، لیفتراک، سیستمهای هیدرولیک بزرگ و…) به کار میرود. یعنی جایی که نیاز به جابجایی حجم زیادی از روغن وجود دارد.
این پمپ در صنعت خودروسازی تنها در خودروهای معدودی نظیر محصولات کلاسیک سیتروئن، مازراتی و مرسدس بنز پولمان لیموزین (Pullman) استفاده شد. خودروهایی که در آنها نهتنها سیستم فرمان، بلکه سیستم تعلیق، بالابر شیشهها، تنظیم صندلیها، در صندوق و بسیاری دیگر از ویژگیها، تحت فشار روغن عمل میکند. در نتیجه نیاز به جابجایی حجم قابل توجهی از روغن در آنها ضروری است و تولید این حجم قابل توجه از روغن پرفشار تنها از عهده پمپ پیستونی برمیآید.
سیستم های ایمنی و جانبی فرمان هیدرولیک ماشین
همانطور که بیان شد، فشار خروجی سیستم هیدرولیک فرمان بر اثر نیروی تولید پمپ بسیار زیاد است. در نتیجه استفاده مداوم از پمپ هیدرولیک فرمان موجب افزایش دمای روغن و کاهش از عمر مفید مجموعه میشود. همچنین اگر فشار تولیدی این سیستم کنترل نشود، ممکن است به آسیب دیدن سیستم فرمان، تایرها، پارگی شلنگها یا نشتی شدید از اورینگهای بهکاررفته در سیستم منجر شده و روغن تخلیه شود.
در نتیجه مجموعهای از راهکارهای ایمنی و سیستمهای جانبی برای افزایش طول عمر مفید سیستم هیدرولیک فرمان در خودروهای مختلف درنظر گرفته میشود تا این سیستم دچار ایراد نشده و درصورت استفاده اشتباه، باعث بروز آسیب به قطعات خودرو نشود.
خنک کن روغن
اگرچه وجود خنککن روغن در خودروهای تولید انبوه درونشهری اجباری نیست، اما بسیاری از خودروسازان از یک رادیاتور هواخنک معمولی برای کاهش دمای روغن سیستم هیدرولیک فرمان استفاده میکنند. حفظ دمای روغن هیدرولیک در یک بازه مشخص، موجب افزایش راندمان پمپ هیدرولیک خودرو و همچنین افزایش قابل توجه عمر مفید این سیستم میشود. استفاده از خنککن روغن هیدرولیک در خودروهای مسابقهای بسیار ضروریتر از خودروهای روزمره است.
فشار شکن
پمپ هیدرولیک ماشین تا زمانی که فرمان از حالت مرکز (صاف بودن چرخها) زاویه نگیرد، فشار زیادی تولید نمیکند. به این معنا که هرچه زاویه فرمان بیشتر شود، فشار و حجم روغن منتقلشده به جعبه فرمان نیز افزایش پیدا میکند. در نتیجه در حالتی که فرمان در حالت مرکز قرار دارد، روغن ورودی به پمپ پس از عبور از مرحله تولید فشار به مخزن بازمیگردد. این حلقه ادامه مییابد تا زمانی که چرخش فرمان موجب انتقال حجم روغن پرفشار به سمت جعبه فرمان شود. حالا زمانی که فرمان تا انتها بچرخد، فشار و دبی روغن انتقالی به حداکثر خود میرسد. به همین دلیل است که با قفل شدن فرمان از طرفین (چرخاندن فرمان تا انتها) یا در صورت گیر کردن چرخها به یک مانع، صدای پمپ هیدرولیک تغییر کرده و دور موتور راندکی کاهش مییابد.
حالا زمانی که فشار پمپ هیدرولیک از حد طراحیشده برای آن افزایش یابد، یک شیر مکانیکی (یا الکترونیکی در خودروهای جدیدتر) به صورت یکطرفه فشار روغن را به داخل پمپ بازگردانده و از اعمال این نیرو به جعبه فرمان و قطعات خودرو جلوگیری میکند.
سوئیچ فشار
تقریبا تمامی خودروها بر روی خط پرفشار شلنگ هیدرولیک (شلنگ مسیر پرفشار به سمت جعبه فرمان) از یک کلید حساس به فشار بهره میگیرند. وظیفه این کلید یا سنسور فشار آن است که در صورت فراتر رفتن فشار روغن از حد مجاز، برق سیستم جرقهزنی پیشرانه را قطع کرده و موجب خاموش شدن پیشرانه شود تا از بروز هرگونه اعمال نیروی غیر اصولی و غیر مجاز به سیستم فرمان و متعلقات آن جلوگیری کند.
شلنگ پرفشار
اگر دقت کرده باشید، مسیر شلنگهای بهکاررفته در مسیر رفت و برگشت سیستم هیدرولیک خودرو هم از نظر ظاهری و هم از نظر نوع اتصالات با یکدیگر فرق دارند. شلنگ کمفشار سیستم هیدرولیک معمولا کمی باریکتر، نرم و منعطف است. اتصال بهکاررفته در آن نیز از نوع بست فلزی پیچی یا بست فنری است، چرا که تنها وظیفه جابجایی روغن کم فشار را بر عهده داشته و مسیر برگشت به پمپ به حساب میآید.
اما بخش پرفشار سیستم از شلنگی بهره میگیرد که اندکی ضخیمتر است و چندان منعطف نیست و همچنین از اتصالات فلزی پرسشده یا مهرهای بهره میگیرد. این مسیر شلنگ پرفشار روغن است و وظیفه تحمل فشار زیاد ایجادشده از سوی پمپ هیدرولیک خودرو و انتقال آن به جعبه فرمان را بر عهده دارد. این شلنگ تحت عنوان Braided Hose یا شلنگ تقویت شده با الیاف نخی یا فلزی شناخته میشود.
ایرادهای پمپ هیدرولیک خودرو
سیستمهای هیدرولیک مستقل از نوع طراحی فنی معمولا با ایرادهای یکسانی همراه میشوند که در زمره ایرادهای رایج در این سیستمها به حساب میآید.
صدای زوزه
اگر پمپ نوع مویرگی پس از روشن شدن پیشرانه دچار صدای زوزهمانند پیوسته و در تناسب با دور موتور شود، این احتمال وجود دارد که روغن موجود در مخزن پمپ هیدرولیک کم شده باشد. اگر با پر کردن دوباره مخزن روغن این صدای زوزه برطرف نشد، ایراد احتمالا از پلهدار شدن دیواره بیضیشکل یا ساییده شدن تیغههای پمپ است که در درازمدت محقق میشود. این ایراد به کمک پولیش دیواره ماه و تیغههای ستاره تا حدودی قابل تعمیر است، اما روش اصولی حل این مشکل، جایگزینی کامل مجموعه ماه و ستاره یا کل پمپ هیدرولیک است.
از کار افتادن پمپ
در پمپ مویرگی، یک خار فلزی وظیفه اتصال شفت به ستاره درون پمپ را بر عهده دارد. اگر این خار از جای خود بیرون بزند، شفت از ستاره جدا شده و پمپ از کار میافتد. بریدن کامل این شفت اگرچه بسیار نادر اما همچنان ممکن است. همچنین کم شدن بیش از حد روغن درون مخزن بر اثر نشتی، موجب از کار افتادن پمپ و بروز صدای زوزه میشود. پاره شدن تسمه پولی هیدرولیک نیز یکی دیگر از علل از کار افتادن پمپ است.
ضعیف شدن پمپ
اگر سایش قطعات درونی پمپ هیدرولیک خودرو بیش از حد باشد، پمپ بازده کاری خود را از دست داده و ضعیف میشود در نتیجه فرمان خودرو سفتتر از حالت نرمال احساس خواهد شد. مورد رایجتر، کثیف یا خراب شدن تسمه پولی هیدرولیک، برهم خوردن تنظیم فشار روی تسمه یا خراب شدن تسمه سفتکن است که باعث هرزگردی تسمه بر روی پولی و در نتیجه ضعیف کار کردن پمپ میشود.
صدای تلق تلق
اگر صدایی چون تلق تلق از داخل پمپ هیدرولیک، مخصوصا نمونه پیستونی شنیده شود، این صدا میتواند از آسیب دیدن بلبرینگها و یاتاقانهای درونی متصل به شفت و صفحه لنگ باشد. این ایراد اگر زود برطرف نشود و به قفل کردن پمپ بینجامد، تعویض کامل پمپ را طلب خواهد کرد.
خاموش شدن پیشرانه به هنگام چرخش فرمان
همانطور که بیان شد، سنسور یا سوئیچ فشار قرارگرفته در مسیر پرفشار روغن وظیفه خاموش کردن پیشرانه تحت فشار غیر عادی سیستم هیدرولیک را دارد. خراب شدن رگلاتور فشار پمپ یا خود سوئیچ میتواند به خاموشی زودهنگام پیشرانه منجر شود.
نشتی
بدون تردید رایجترین ایرادی که در سیستمهای هیدرولیک بروز میکند، نشتی روغن است. چک کردن ماهانه سطح روغن هیدرولیک میتواند بروز نشتی در سیستم را به شما هشدار دهد. نشتی در سیستم هیدرولیک فرمان معمولا از پوسیدگی شلنگ کمفشار یا شلنگ پرفشار ایجاد میشود. البته بروز نشتی به دلیل خرابی اورینگها پمپ، شل بسته شدن و خرابی اتصالات هیدرولیک نیز ممکن است.
کف کردن روغن
اگر روغن در مخزن هیدرولیک به اندازه کافی وجود داشته باشد، اما شاهد بروز پدیده کف کردن روغن به همراه صدای زوزه نسبی پمپ بودید، به این معنا است که هوا وارد سیستم هیدرولیک شده است. این ایراد معمولا بعد از تعمیر سیستم هیدرولیک (پمپ، جعبه فرمان یا تعویض شلنگها) یا به دلیل کاهش بیش از حد روغن در مخزن ایجاد میشود. این ایراد تنها با عمل ساده هواگیری رفع میشود. کافی است که فرمان خودرو را چند مرتبه به طور کامل از راست تا چپ بچرخانید. سپس سطح روغن را چک کرده و در صورت کاهش سطح آن، روغن بیشتری اضافه کنید. پس از خروج هوا از سیستم، کف کردن روغن متوقف میشود و صدای زوزه نیز از بین میرود.
بیرون زدن روغن از در مخزن
درِ مخزن روغن یا دیواره آن دارای نوشته و علائم واضحی است که نشان میدهد حجم روغن مورد نیاز درون سیستم به هنگام سرد و گرم بودن دقیقا باید به چه اندازه باشد. از افزودن روغن بیش از حد به سیستم خودداری کنید، چرا که در صورت انبساط روغن به دلیل گرم شدن یا پس زدن فشار روغن به درون مخزن به دلیل چرخاندن بیش از حد فرمان، روغن اضافه از سوراخ کوچک تعبیه شده بر روی در مخزن بیرون میزند. البته اندکی روغنی و آلوده بودن محیط اطراف در مخزن هیدرولیک به دلیل بخار شدن اندک روغن هیدرولیک در دراز مدت طبیعی است.
تغییر رنگ روغن هیدرولیک
روغن هیدرولیک بهکاررفته از خانواده روغن هیدرولیک مشترک با گیربکسهای اتوماتیک است. با این تفاوت که روغن مخصوص گیربکس اتوماتیک از دیدگاه کیفیت و دقت در تولید دارای رده استاندارد بسیار بالاتر از روغن هیدرولیک فرمان است. در نتیجه میتوان از روغن گیربکس اتوماتیک در سیستم هیدرولیک فرمان استفاده کرد، اما نباید روغن هیدرولیک فرمان را جایگزین روغن گیربکس کرد. در درازمدت، ممکن است رنگ روغن هیدرولیک فرمان بر اثر کارکرد طولانی، تغییرات حرارتی یا ورود آلودگی به سیستم، از استاندارد قرمز روشن (قرمز آلبالویی بسیار شفاف) به رنگ قهوهای تغییر پیدا کند. در این حالت باید روغن سیستم هیدرولیک خودرو با روغن نو جایگزین شود.
استفاده از تایرها پهن تر از استاندارد
در تمامی خودروها میتوان سایز تایرها را یک یا دو سایز بالاتر از استاندارد بهکاررفته در کارخانه در نظر گرفت. اما به یاد داشته باشید که استفاده از تایرهای بسیار پهنتر از حد مجاز میتواند فشار وارده بر قسمتهای مختلف سیستم هیدرولیک فرمان، مخصوصا پمپ هیدرولیک و جعبه فرمان را به شدت افزایش داده و از عمر مفید آن بکاهد.
افزایش غیر استاندارد ارتفاع خودرو
لیفت (Lift) کردن خودروهای شاسی بلند آفرودی، یک ارتقای فنی بسیار رایج برای بیراههنوردان است. اما به باد داشته باشید که با افزایش غیر اصولی و بیش از حد در ارتفاع خودرو، زوایای مهندسیشده در محل اتصال میل فرمان به سگ دست چرخ ها برهم میخورد. این تغییر غیر استاندارد در زاویه میل فرمان میتواند فشار بسیار زیادی را بر محل اتصال (قُرقُریها) و خود میل فرمان وارد آورد و موجب کاهش عمر بسیار شدید قطعات و حتی شکستن میل فرمان شود.
نتیجه گیری
پمپ هیدرولیک خودرو یکی از اجزای کلیدی سیستم فرمان هیدرولیک است که وظیفه تامین فشار لازم برای حرکت روان و دقیق فرمان را بر عهده دارد. این قطعه با بهرهگیری از انرژی موتور، روغن هیدرولیک را به مدار هدایت میکند و عملکرد فرمان را بهبود میبخشد. خرابی پمپ میتواند به سختی چرخاندن فرمان و کاهش ایمنی خودرو منجر شود. نگهداری منظم، استفاده از روغن مناسب و تعمیر بهموقع نقش مهمی در افزایش عمر مفید پمپ دارند. توجه به علائم خرابی مانند صدای غیرعادی یا نشتی روغن، میتواند از هزینههای اضافی جلوگیری و عملکرد بهینه خودرو را تضمین کند.
سوال های متداول
رایجترین نمونه پمپ هیدرولیک خودرو کدام است؟
پراستفادهترین نمونه پمپ هیدرولیک فرمان در خودروهای تولید انبوه روز بازار نمونه مویرگی یا Vane Pump یا همان پمپ پرهای است.
آیا روغن هیدرولیک نیاز به تعویض دورهای دارد؟
بله. توصیه میشود که روغن فرمان هیدرولیک هر دو سال یک بار یا هر ۸۰ هزار کیلومتر تعویض شود تا از افت طبیعی کیفیت روغن جلوگیری به عمل آید.
آیا بازدید دورهای روغن هیدرولیک میتواند بروز ایرادهای احتمالی را نشان دهد؟
دقیقا همینطور است. بازدید دورهای از سطح مخزن روغن هیدرولیک، رنگ روغن و بررسی چشمی کیفیت آن میتواند وجود برخی ایرادهای رایج مانند نشتی روغن، ورود آلودگی یا سرآمدن عمر مفید روغن هیدرولیک را برای کارشناس آشکار کند.
نویسنده: شهاب انیسی