مکانیک خودرو عمومی -بخش 17

سيستم فرمان

برای كنترل جهت حركت خودرو و حرکت پایدار و بدون لغزش خودرو در پیچ جاده از سيستم فرمان استفاده مي‌شود. برای آنکه خودرو بتواند در مسیر پیچ جاده بدون لغزش جانبی و به صورت پایدار حرکت کند، مطابق شکل 1 چرخ داخل پیچ باید بیش از چرخ خارج پیچ، زاویه فرمان داشته باشد. همانگونه که قابل ملاحظه است، به طور مثال زاویه فرمان چرخ داخل پیچ 20 درجه و زاویه فرمان چرخ بیرون پیچ 18 درجه است.

شکل 1-نحوه دوران خودرو در مسیر پیچ جاده

بدین منظور مطابق شکل 2 اگر اجزای مکانیزم فرمان، شامل شغالدست‌های چپ و راست، میل‌فرمان و شاسی خودرو، تشکیل شکل هندسی مستطیل بدهند، در هر حالت زاویه فرمان چرخ چپ با زاویه فرمان چرخ راست برابر خواهد بود، بدین منظور مطابق شکل، از اتصال قطعات ذکر شده باید ذوزنقه‌ای تشکیل شود که به ذوزنقه فرمان معروف است. میزان زاویه انحراف شغالدست نسبت به خط طولی خودرو باید به اندازه‌ای باشد که امتداد شغالدست‌های چپ و راست بر روی مرکز اکسل عقب قرار گیرد.

1-چرخ‌های جلو 2-چرخ‌های عقب 3-شاسی یا بدنه خودرو 4-شغالدست راست 5-شغالدست چپ 6-میل‌فرمان 7-اکسل عقب
شکل 2-ذوزنقه فرمان

با تشکیل ذوزنقه فرمان، مطابق شکل 3 زاویه چرخ داخل پیچ بیشتر از زاویه چرخ بیرون پیچ می‌شود و حرکت خودرو بدون لغزش در پیچ جاده تضمین می‌شود.

شکل 3-عملکرد ذوزنقه فرمان در ایجاد اختلاف زاویه فرمان بین چرخ داخل و بیرون پیچ

مکانیزم انتقال قدرت سیستم فرمان:

ضریب تبدیل بین دست راننده تا چرخ‌های جلو در سیستم فرمان 20 است یعنی نیروی دست راننده که به چرخ‌های جلو می‌رسد 20 برابر و جابجایی یک بیستم می‌شود. برای انتقال قدرت از دست راننده و غربیلک فرمان به چرخ‌های خودرو از چهار روش زیر استفاده می‌شود:

سیستم فرمان مکانیکی یا دستی

شکل 4 انتقال قدرت مکانیکی یا دستی در سیستم فرمان را نشان می‌دهد. همانگونه که ملاحظه می‌شود، نیروی دست راننده از طریق غربیلک فرمان به ستون فرمان و از آنجا به جعبه‌فرمان منتقل می‌شود. سپس، قدرت از طریق مکانیزم میله‌ای ذوزنقه فرمان به شغالدست و سگدست منتقل شده و باعث دوران چرخ می‌شود.

1-غربیلک فرمان 2-ستون فرمان 3-جعبه فرمان 4-میل‌فرمان 5-شغالدست 6-سگدست 7-پلوس 8-طبق 9-میله ضد غلتش یا میل موجگیر
شکل 4-سیستم فرمان با انتقال قدرت مکانیکی

در اين حالت نيروي دست راننده از طريق غربيلك فرمان، جعبه فرمان و مكانيزم فرمان افزايش يافته و مقدار افزايش آن با توجه به نوع خودرو بين 15 تا 30 برابر بوده و به چرخ‌ها منتقل مي‌شود در اين صورت جابجايي چرخ ها نيز نسبت به جابجايي دست راننده 1/30 تا 1/15 مي‌شود. در اين نوع از سیستم انتقال قدرت، هيچ نيرويي به دست راننده كمك نمي‌كند و بنابراین چرخاندن غربیلک فرمان به نیروی قابل ملاحظه‌ای نیاز دارد ضمن اینکه به دلیل سفت بودن فرمان، تاخیر در فرمان‌دهی نیز ایجاد می‌شود و بنابراین قابلیت مانوردهی خودرو هنگام پارک کردن یا حین حرکت کاهش می‌یابد. برای از بین بردن این عیب از سیستم‌های کمکی فرمان هیدرولیکی، الکتروهیدرولیکی و برقی استفاده می‌شود که در ادامه به بررسی آنها پرداخته می‌شود.

سیستم فرمان هیدرولیکی(HPS )

در اين حالت با توجه به شكل 5 اجزاء زير به سيستم فرمان دستی اضافه می‌شود:

الف) پمپ هيدروليك
ب) مجموعه شير هيدروليك كنترلی
ج) سيلندر و پيستون قدرت

1- مخزن روغن هيدروليك فرمان 2- پمپ هيدروليك فرمان 3-لوله‌هاي هيدروليك پرفشار و کم فشار فرمان 4-میل فرمان 5-جعبه‌فرمان هیدرلیکی 6-مجموعه شیر فرمان هیدرولیک 7-ستون فرمان 8-غربیلک فرمان
شكل 5-ساختمان سیستم فرمان هيدروليكی

پمپ هيدروليك (2)، بوسيلة تسمه، توان مورد نياز خود را از ميل‌لنگ دريافت كرده و فشار روغن هيدروليك را افزايش مي‌دهد. اين روغن پرفشار از طريق مجموعه شير هيدروليك كنترلي (6) با سيلندر و پيستون قدرت داخل جعبه فرمان اعمال می‌شود و باعث دوران چرخ‌ها به سمت چپ یا راست می‌شود.
سيستم فرمان هيدروليكي داراي معايب زير می‌باشد :

1. تعداد قطعات سيستم زياد بوده و به دليل استفاده از روغن هيدروليك و سيستم هيدرولیکی علاوه بر وزن زياد آن، تميزي آن نيز كم است.
2. بايد توجه داشت كه در سرعت‌های زياد به جهت تغيير مسير خودرو، تغيير زاويه‌ای در حدود چند درجه براي چرخ‌ها كفايت مي‌كند و از آنجايي كه در هنگام حركت، بار چرخ‌هاي جلو نيز اندكی كم می‌شود، گشتاور مورد نياز جهت تغيير زاوية چرخ‌ها نیز کم است. از اين رو در اينگونه موارد، نیاز زیادی به توان کمکی سيستم هيدروليك نیست ولی در تمامی شرایطی که سرعت خودرو زیاد است و نیازی به استفاده از سیستم هیدرولیک نیست، پمپ هیدرولیک همچنان در حال کار است و این موضوع باعث تلف شدن مقداری از انرژی موتور، افزایش مصرف سوخت و آلایندگی و مستهلک شدن قطعات پمپ هیدرولیک می‌شود. لذا با استفاده از سیستم هاي فرمان الكتروهيدروليكی و الكتريكی علاوه بر از بین رفتن عیوب فوق، می‌توان به راحتی پارامترهای مهم دیگر (مانند سرعت خودرو و غیره) نیز در فرآیند فرمان دهی خودرو دخیل کرد تا منجر به فرمان‌دهی دقیق‌تر و پایداری مطلوب‌تر خودرو به خصوص در سرعت‌های بالا شود.
   شکل 6 جعبه فرمان هیدرولیکی را نشان می‌دهد.

1-سیبک فرمان 2-میل‌فرمان 3-گردگیر 4-لوله‌های هیدرولیک فرمان 5-جعبه فرمان 6-شیر هیدرولیک فرمان
شکل 6-جعبه فرمان هیدرولیکی

شکل 7 مخزن روغن و پمپ هیدرولیک فرمان را نشان می‌دهد.

1-درب مخزن روغن 2-مخزن روغن هیدرولیک فرمان 3-پولی 4-پمپ هیدرولیک فرمان
شکل 7-مخزن روغن و پمپ هیدرولیک فرمان

سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی(EHPS )

برای حذف مشكلات فرمان‌های هیدرولیک، مطابق شکل 8 از سيستم الكتروهيدروليكی استفاده می‌شود.

1-غربیلک فرمان 2-ستون فرمان 3-سیبک فرمان 4-مخزن روغن هیدرولیک فرمان 5-پمپ و موتور 6-میل‌فرمان 7-گردگیر 8-شیر هیدرولیک فرمان 9-جعبه‌فرمان
شکل 8-سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی

در اين صورت سيستم هيدروليك فقط در فرمان هاي با چرخش زياد فعال مي شود و پمپ هيدروليك نيز نيروي خود را از موتور الكتريكي دريافت مي‌كند. بنابراين در زواياي كوچك فرمان و در هنگام عدم فرمان‌دهي، موتور الكتريكي خاموش است و پمپ هيدروليك نيز فعالیت نمی‌کند و بنابراین مصرف سوخت و آلایندگی کاهش یافته و استهلاک پمپ هیدرولیک نیز بسیار کمتر می‌شود. علاوه بر آن می‌توان تاثیر تغییرات سرعت، بار اعمالی به چرخ‌ها، شرایط جاده و غیره نیز بر میزان فشار و دبی روغن خروجی از پمپ لحاظ کرد تا منجر به بهبود فرمان‌دهی و پایداری خودرو شود.
شکل 9 سیستم فرمان الکتروهیدرولیکی نصب شده بر رروی خودرو را نشان می‌دهد.

1-غربیلک فرمان 2-ستون فرمان 3-شیرهیدرولیک فرمان 4-جعبه فرمان 5-گردگیر 6-میل‌فرمان 7-سیبک 8-مخزن روغن هیدرولیک فرمان 9-پمپ و موتور الکتریکی
شکل 9-فرمان الکتروهیدرولیکی نصب شده بر روی خودرو

 سیستم فرمان برقی(EPS )

شکل 10 سیستم فرمان برقی را نشان می‌دهد.

1-غربیلک فرمان 2-موتور، سنسور و واحد کنترل فرمان 3-ستون فرمان 4-سیبک 5-میل‌فرمان 6-گردگیر 7-جعبه فرمان
شکل 10-سیستم فرمان برقی

در اين نوع از سیستم فرمان، يك موتور الكتريكي به ستون فرمان یا پينيون جعبه فرمان شانه‌اي وصل شده است و سيستم هيدروليك، به طور كامل حذف گرديده است. در اين صورت در هنگام فرمان‌دهي موتور الكتريكي روشن شده و به دست راننده كمك مي‌كند. بدیهی است که در زوایای کم فرمان نیاز به نیروی کمکی نیست و بنابراین موتور الکتریکی خاموش است و از به هدررفتن انرژي موتور و افزايش مصرف سوخت جلوگيري مي‌شود. از طرفی در سیستم فرمان الكتريكي مي‌توان از الگوريتم‌هاي کنترلی پیشرفته‌تری برای کنترل جهت حركت خودرو استفاده کرد به نحوي كه تاثير سرعت خودرو، دور موتور بار روي چرخ‌هاي جلو، شعاع انحناي پيچ، شرایط جاده و غيره بر عملکرد سیستم فرمان اعمال شود و نهایتا فرمان‌پذیری با پایداری مطلوب‌تری ایجاد شود.
سیستم فرمان چهارچرخ(4WS )
مطابق شکل 11 در برخي خودروها از سيستم فرمان چهار چرخ (WS4) استفاده مي‌شود.

1-جعبه فرمان برقی چرخ‌های عقب 2-کنترل یونیت سیستم تعلیق 3-سنسور زاویه غربیلک فرمان 4-کنترل یونیت سیستم 4WS 5-جعبه فرمان برقی چرخ‌های جلو
شکل 11-سیستم فرمان 4WS

با بهره‌مندی از سیستم 4WS، در سرعت‌هاي كم و زواياي فرمان زياد (مانند دور زدن) زاویه فرمان چرخ‌هاي عقب و جلو برعكس صورت می‌پذیرد و این موضوع باعث می‌شود که شعاع دايره گردش خودرو كاهش یابد و خودرو به راحتي و در دایره‌ای به شعاع کوچکتر دوران می‌کند که این موضوع در خیابان‌های با ترافیک زیاد و عرض کم بسیار حائز اهمیت است. در حالي كه در سرعت‌هاي زياد و زواياي فرمان كم، چرخ‌هاي عقب و جلو در جهت يكديگر دوران می‌کنند و این موضوع باعث می‌شود که از فرمان‌پذیری ناگهانی خودرو جلوگیری شود و باعث فرمان‌پذیری ملایم و تدریجی خودرو شده و از این رو باعث پايداري خودرو مي‌شود.