سیستم فرمان خودرو از اجزای مهم و حیاتی خودرو است که برای کنترل جهت حرکت و جابجایی خودرو استفاده می‌شود. سیستم فرمان، باعث تغییر جهت حرکت چرخ‌های خودرو می‌شود که این امر از اهمیت بسیاری برای کنترل خودرو در مسیرهای مختلف برخوردار است. در این مقاله، به بررسی انواع سیستم های فرمان خودرو می‌پردازیم و به توضیح عملکرد هریک از آن‌ها می‌پردازیم.
آشنایی با سیستم فرمان خودرو
سیستم فرمان خودرو یکی از اجزای مهم خودرو است که برای کنترل جهت حرکت خودرو استفاده می‌شود. سیستم فرمان طراحی شده است تا نیروی چرخشی فرمان را به حرکت چرخ‌های جلوی خودرو تبدیل کند و با تبدیل نیروی دورانی فرمان به نیروی افقی روی چرخ‌های جلو وظیفه ی خود را انجام می‌دهد.
تا به حال به این فکر کرده‌اید که چرا بعضی از خودروها فرمان خوبی به راننده می‌دهند و با هندلینگ عالی احساس امنیت و تسلط کامل بر خودرو را می‌دهند؟ کیفیت فرمان تاثیرگذارترین موضوعی است که ممکن است در خرید هر خودرویی داشته باشد.
این سیستم که مسئول کنترل جهت حرکت خودرو را برعهده دارد شامل چندین قطعه مختلف است که با همکاری به کنترل جهت حرکت ماشین کمک می‌کنند. سیستم فرمان شامل دو بخش اصلی است: سیستم فرمان اصلی (جعبه فرمان) که به کمک پیچ و مهره‌هایی که بر روی آن قرار دارند جهت حرکت خودرو را کنترل می کند و سیستم رانندگی ( شامل چرخ ها و تعلیق) که به کمک سیستم فرمان اصلی جهت حرکت خودرو را اجرا می‌کند.
اجزای سیستم فرمان خودرو
برای هدایت خودرو در مسیر دلخواه، چرخ‌ها باید جهت پذیر باشند. مکانیزمی به نام سیستم فرمان (steering system) این تغییر جهت را اعمال می‌کند. سیستم فرمان برای انتقال نیروی دست راننده به چرخ‌های فرمان‌پذیر، نیازمند بخش‌های زیر است:
- غربیلک فرمان
غربیلک فرمان جزئی از سیستم فرمان خودرو است که وظیفه‌ی آن انتقال نیروی چرخشی دست راننده به ستون فرمان است. وجود غربیلک باعث افزایش گشتاوری است که راننده به غربیلک وارد می‌کند.
- ستون فرمان
ستون یا میل فرمان رابطی بین غربیلک و جعبه فرمان است که چرخش غربیلک را به جعبه فرمان منتقل می‌کند.
- جعبه فرمان
جعبه فرمان که جزء قطعات اصلی سیستم فرمان محسوب می‌شود وظیفه‌ی افزایش گشتاور و کاهش حرکت چرخشی و جابجایی دورانی دست راننده و تغییر صفحه دوران غربیلک فرمان به صفحه مکانیکی فرمان را بر عهده دارد.
- پیتمن و میله درگ
بازوی پیتمن روی شفت خروجی جعبه فرمان نصب می‌شود و حرکت دورانی شفت را به حرکت زاویه ایی تبدیل می‌کند و همچنین میله درگ رابط بین پیتمن و شغال دست است.
- شغال دست و سگدست
این دو قطعه نفش حیاتی در عملکرد فرمان و ایمنی خودرو دارند؛ چرخیدن چرخ‌ها حول محور اکسل توسط این دو قطعه ممکن خواهد بود.
بخش‌های فوق علاوه بر اینکه باعث انتقال حرکت و نیروی دست راننده از غربیلک به تایر می‌شوند، گشتاور نیروی دست راننده را نیز افزایش می‌دهند.
انواع سیستم فرمان خودرو
سیستم فرمان خودرو انواع گوناگونی دارد که به این شرح است:
- سيستم فرمان مكانيكي(دنده شانهای و پينيون)
- هيدروليكي
- الکترو هیدرولیکی
- الكتريكی
حال که به معرفی سیستم فرمان و اهمیت آن پرداختیم می‌خواهیم به معرفی و بررسی انواع آن بپردازیم.
سیستم فرمان مکانیکی
سیستم فرمان مکانیکی امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سیستم فرمان مکانیکی که همان سیستم دنده شانهای و پينيون است که در آن پینیون حرکت دورانی و دنده شانهای حركت خطی انجام می‌دهد که در این حالت پینیون حركت دورانی غربيلك فرمان را به دنده شانهای منتقل می‌كند و دنده شانهای نيز حركت خطی را از طريق مفصل‌ها به چرخ‌های خودرو انتقال می‌دهد. واضح‌تر برایتان بگوییم که در این سیستم نیروی دست راننده از طریق غربیلک، جعبه فرمان و مکانیزم فرمان افزایش بین 15 تا 30 پیدا کرده و به چرخ‌ها منتقل می‌شود. خودروهایی همچون پیکان، پراید و نیسان وانت دارای این نوع از سیستم فرمان هستند.
سیستم فرمان هیدرولیکی (HPS)
براي تسهيل در چرخش فرمان و به تبع آن كاهش خستگی راننده و همچنين افزايش ايمني، سيستم هيدرولیکی (Hydraulic Power Steering) ابداع شده است. سيستم هيدروليكی فرمان برای ايفای نقش خود از موتور خودرو استفاده می‌کند؛ بنابراين از بازده آن اندكی می‌كاهد؛ همچنين مصرف انرژی بيشتر را در پی دارد. علاوه بر آن، سيستم هيدروليك به صورت مركز آزاد (Open-Center) عمل می‌كند يعنی حتی وقتی خودرو به صورت مستقيم در حال حركت است و هيچ انحرافی ندارد باز هم به عملكرد خود ادامه می‌دهد.
در این سیستم از یک پمپ هیدرولیک استفاده می‌شود تا نیروی فشاری که بر روی فرمان اعمال می‌شود تقویت شده و به این طریق چرخ‌های خودرو به درستی به سمت مطلوب هدایت می‌شود.
این سیستم شامل چندین قطعه‌ی مهم است که عبارتند از:
- فرمان خودرو: برای کنترل جهت حرکت خودرو توسط راننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- پمپ هیدرولیک: وظیفه‌ی پمپ هیدرولیک تقویت نیروی فشاری است که روی فرمان خودرو اعمال می‌شود.
- صفحه ی بالابر: برای افزایش فشار مواد هیدرولیکی استفاده می‌شود.
- سیلندرهای هیدرولیکی: انتقال فشار برای جهت دادن به چرخ‌های خودرو به جهت مورد نظر
- مایع هیدرولیکی: برای انتقال فشار و جابجایی سیستم هیدرولیک
طرز کار سیستم فرمان هیدرولیکی
وقتی راننده فرمان را در یک جهتی می‌چرخاند پمپ هیدرولیک مایع را به سمت سیلندرهای هیدرولیکی جریان می‌دهد. این مایع باعث جابجایی سیلندرهای هیدرولیکی می‌شود تا چرخ‌های خودرو در جهت مورد نظر حرکت کنند. با بازگرداندن فرمان به حالت اولیه پمپ هیدرولیک مایع را به سمت بالابر هدایت می‌کند تا فشار مایع را افزایش دهد و سیستم آماده‌ی کنترل فرمان برای حرکت بعدی باشد.
این نوع از سیستم فرمان معمولاً در خودروهای سنگین، خودروهای مسابقه‌ایی، خودروهای لوکس و خودروهای جدید استفاده می‌شود.
مزایای سیستم فرمان هیدرولیکی
استفاده از سیستم فرمان هیدرولیکی در خودروهای جدید به دلیل داشتن مزایا و ویژگی‌های خاص بسیار مورد توجه تولیدکنندگان خودرو قرار گرفته است. مزایای سیستم فرمان هیدرولیکی به این شرح است:
- کنترل بسیار دقیق
- رانندگی راحت
- عمر طولانیتر
- حساسیت بالا
- حفاظت از فرمان
- عملکرد بهتر در شرایط خاص
با توجه به این مزایا بسیاری از تولیدکنندگان از سیستم فرمان هیدرولیکی استفاده می‌کنند تا لذت رانندگی را برای مشتریان خود چندین برابر کنند.
سیستم فرمان الكتروهيدروليكي (EHPS)
فرمان الكتروهيدروليكی (EHPS | Electro-Hydraulic Power Steering) یک سیستم فرمان‌دهی برای خودروها است که از اصول هیدرولیکی و الکتریکی استفاده می کند. در این سیستم قدرت الکتریکی به دستگاه هیدرولیکی منتقل می شود تا فشار هیدرولیکی برای حرکت دهنده‌های فرمانی ایجاد شود.
دراین سیستم از یک موتور الکتریکی برای چرخش پمپ هیدرولیک استفاده می‌شود تا از افت توان موتور توسط پمپ هیدرولیک جلوگیری شود. چون در سیستم‌های هیدرولیکی، همیشه پمپ در مدار قرار دارد و حدود ۵ درصد از نیروی پیشرانه را می‌گیرد. با این شیوه و حذف پمپ، فقط در مواقع لازم و ضروری موتور الکتریکی وارد عمل می‌شود و چون ارتباط بین پمپ و موتور خودرو قطع شده است دیگر از کاهش توان موتور و افزایش مصرف سوخت خبری نیست. ضمن اینکه سیستم فرمان می‌تواند کنترل فرمان را بر اساس سرعت خودرو نیز در دست بگیرد تا در سرعت‌های بالا برای افزایش ایمنی، چرخش فرمان کمتر شده و اصطلاحاً فرمان سنگین‌تر شود.
در اين نوع فرمان هر چند مستقل بودن از موتور خودرو تحقق يافته ولی مشكل دائمی بودن عملكرد سيستم هيدروليكی يعنی حالت مركز آزاد هنوز پا بر جاست. به عبارت ديگر بايد وضعيتی را تدارك ديد كه سيستم تنها وقتی چرخشی به فرمان وارد می‌شود عمل كند، نه هميشه.
طرز کار فرمان الکترو هیدرولیکی
در این سیستم یک پمپ هیدرولیکی وجود دارد که توسط یک موتور الکتریکی قدرت می‌گیرد و باعث تولید فشار هیدرولیکی می‌شود. این فشار به یک سیلندر هیدرولیکی منتقل می‌شود که در آن یک پیستون به صورت خودکار حرکت می‌کند. این حرکت پیستون، رابط‌های فرمان را تحریک می‌کند تا چرخ‌های خودرو بچرخند.
سیستم فرمان الکترو هیدرولیکی یک سنسور زاویه چرخش دارد که موقعیت چرخش خودرو را به کنترلر الکتریکی انتقال می‌دهد. سپس کنترلر میزان فشار هیدرولیکی را برای هدایت خودرو تنظیم می‌کند.
با استفاده از سنسورهای مختلف مانند سنسور سرعت، سنسور زاویه پایه فرمان و سنسور فشار روغن هیدرولیکی تحلیل اطلاعات مورد نیاز فرمان انجام می‌شود و با توجه به این اطلاعات میزان فشار روغن هیدرولیکی تنظیم می‌شود تا قطعات فرمان به صورت دقیق‌تر و با حداکثر کارایی حرکت کنند. به این ترتیب، فرمان الکترو هیدرولیکی به راننده کمک می‌کند تا با کمترین تلاش ممکن خودرو را کنترل کند.
مزایای سیستم فرمان الکترو هیدرولیکی
سیستم فرمان الکترو هیدرولیکی نسبت به فرمان هیدرولیکی دارای مزایای بیشتری است که به این شرح است:
- کاهش مصرف سوخت
- کاهش وزن و حجم خودرو
- کاهش نویز و لرزش فرمان
- افزایش عمر مفید
سیستم فرمان الكتريكي(EPS)
سیستم فرمان الکتریکی نوعی از سیستم فرمان خودرو است که در آن از یک موتور الکتریکی برای تولید نیروی فرمان استفاده می‌شود. در این سیستم جریان برق به موتور الکتریکی ارسال می‌شود تا باعث چرخش و تولید نیروی فرمان شود. سنسورهای مختلف تشخیص خواهند داد که راننده در حالت فعلی چه میزان فشاری روی فرمان وارد کرده است.
این سیستم به طور گسترده در بسیاری از خودروها از جمله تمامی مدل‌های تسلا، برخی از مدل‌های بی‌ام‌و، برخی از مدل‌های مرسدس بنز و … استفاده شده است.
طرز کار سیستم فرمان الکتریکی
سیستم فرمان الکتریکی در خودروها به طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شود:
موتور الکتریکی: در این سیستم از یک موتور الکتریکی برای تامین نیروی فرمان استفاده می‌شود. این موتور روی راهنمای فرمان نصب شده است و با چرخش فرمان، نیروی آن تولید می‌شود.
واحد کنترل الکترونیکی: از واحد کنترل الکترونیکی برای کنترل عملکرد موتور الکترونیکی و تولید نیروی فرمان استفاده می‌شود. این واحد کنترل اطلاعات سنسورهایی مانند سنسور فشار فرمان و سنسور سرعت خودرو را پردازش کرده و با توجه به آن‌ها موتور الکترونیکی می‌چرخد و نیروی فرمان تولید می‌شود.
زمانی که راننده فشاری به فرمان وارد می‌کند سنسور فشار اطلاعات لازم را به واحد کنترل ارسال می‌کند. سنسور فشار فرمان اطلاعاتی را به واحد کنترل فرمان ارسال می‌کند؛ واحد کنترل با توجه به سرعت خودرو و میزان فشار ورودی تصمیم می‌گیرد که چه میزان نیروی فرمان به موتور الکتریکی بدهد تا نیروی فرمان که تولید شده مناسب باشد. سپس موتور الکتریکی به چرخش در می‌آید و نیروی فرمان تولید می‌شود که باعث کمک به راننده در فرمان گیری راحت می‌شود.
به طور کلی در سیستم فرمان الکتریکی عملکرد فرمان به طور اتوماتیک در تمام شرایط حرکت خودرو بهینه شده و کمک به فرمان گیری راحت و دقیق می‌شود.
مزایای سیستم فرمان الکتریکی
سیستم فرمان الکتریکی چندین مزایا نسبت به سیستم فرمان‌های قدیمی دارد که در این قسمت به برخی از آن‌ها می‌پردازیم.
- کارکرد آرام و قابل پیش‌بینی: در این سیستم فشار فرمان به صورت الکتریکی تولید شده و به طور اتومات با توجه به سرعت و شرایط رانندگی تنظیم می شود. بدین ترتیب رانندگی راحت‌تر و کنترل بهتری روی خودرو فراهم خواهد شد.
- مصرف انرژی کم: سیستم فرمان الکتریکی نسبت به سیستم‌های فرمان هیدرولیکی کمترین میزان انرژی را مصرف می‌کند. به این طریق کارایی سوخت بهبود یافته و سوخت کمتری مصرف و در نهایت هزینه‌های شما کاهش خواهد یافت.
- عملکرد بهتر در شرایط سرد: سیستم فرمان الکتریکی در مقایسه با سیستم فرمان هیدرولیکی در شرایط سرد عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد. چرا که در سیستم فرمان هیدرولیکی روغن فشرده شده به سختی جریان پیدا می‌کند که این امر به احتمال باعث تاخیر در عملکرد فرمان می‌شود.
- کمترین نویز: سیستم فرمان الکتریکی نسبت به سیستم فرمان هیدرولیکی نویز کمتری را تولید کرده و این باعث بهبود کیفیت رانندگی و راحتی راننده خواهد شد.
- نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری: در این سیستم قطعات کمتری نسبت به سایر سیستم‌ها استفاده شده است. به همین دلیل کمترین نیاز را به تعمیر و نگهداری دارد.
مقایسه انواع سیستم‌های فرمان
بسته به نوع سیستم فرمانی که در نظر دارید، مزایا و معایب متفاوتی وجود دارد. اما به طور کلی، می‌توانید سیستم‌های فرمان را به دو دسته‌ی سیستم‌های فرمان بدون هیچ گونه اتصال مکانیکی (Non-Mechanical Steering Systems) و سیستم‌های فرمان با اتصال مکانیکی (Mechanical Steering Systems) تقسیم کنید.
سیستم فرمان بدون هیچ گونه اتصال مکانیکی شامل سیستم‌های فرمان الکتریکی و هیدرولیکی است. سیستم فرمان الکتریکی با استفاده از موتور الکتریکی به جای فشار هیدرولیکی، فشار برای چرخاندن چرخ‌ها ایجاد می‌کند. این سیستم فرمان عمدتاً در خودروهای کوچک و میان‌سایز استفاده می‌شود و به دلیل کمترین نیاز به تعمیرات و قطعات مکانیکی، هزینه تعمیر و نگهداری کمتری دارد.
سیستم فرمان هیدرولیکی به جای استفاده از موتور الکتریکی، از یک پمپ هیدرولیکی استفاده می‌کند که فشار هیدرولیکی را تولید می‌کند تا چرخ‌ها را چرخاند. این سیستم فرمان در خودروهای بزرگتر و سنگین‌تر، مانند کامیون‌ها و اتوبوس‌ها استفاده می‌شود. عیب این سیستم فرمان این است که به دلیل وجود بخش‌های مکانیکی و هیدرولیکی، هزینه تعمیر و نگهداری آن بالاتر است.
سیستم فرمان با اتصال مکانیکی شامل سیستم‌های فرمان مکانیکی و فرمان راک و پین است. سیستم فرمان مکانیکی با استفاده از یک میل برای انتقال حرکت از فرمان به چرخ‌ها استفاده می‌شود. این سیستم فرمان در خودروهای کلاسیک و قدیمی استفاده می‌شود. فرمان راک و پین هم مانند سیستم فرمان مکانیکی است، با این تفاوت که از یک راک برای چرخاندن چرخ‌ها استفاده می‌کند. این سیستم فرمان در خودروهای جدیدتر استفاده می‌شود.
کدام سیستم فرمان کار آمدتر است هیدرولیکی یا الکتریکی؟
از مزايای سيستم الكتريكی می‌توان به افزايش سرعت، عملكرد بهتر فرمان و حفظ تعادل خودرو در انحراف‌ها اشاره كرد كه باعث فرمان پذيری آسان‌تر به خصوص هنگام پارك خودرو می‌شود و با توجه به ارتباط مدار الكتريكی با حسگرها و ECU ، اين سيستم بسيار سريع و هوشمندانه عمل مي‌كند. از مزايای سيستم فرمان برقی نسبت به فرمان هيدروليك می‌توان بهبود و كاهش مصرف سوخت خودرو (حدود 5درصد) و تقويت فرمان در سرعت‌های پايين و كاهش قدرت فرمان در سرعت‌های بالا را نام برد. در سيستم فرمان برقی تنها زمانی كه فرمان می‌چرخد انرژی مصرف می‌شود؛ در حالی كه در سيستم فرمان هيدروليك، پمپ هيدروليك صرف نظر از چرخش فرمان، به صورت دائم كار می‌كند و حدود 5 اسب‌بخار از توان خودرو صرف پمپاژ دائمی روغن هيدروليك در مدار می‌شود.
وزن خودرو نيز در سيستم فرمان برقی به علت حذف اتصالات هيدروليك، پمپ، پولي و … حدود 4 تا 6 كيلوگرم كمتر از خودروی مجهز به سيستم فرمان هيدروليك است. همچنين حذف روغن هيدروليك و غير قابل چرخش بودن اين روغن باعث كاهش اثرات مخرب زيست محيطی آن می‌شود و مشكلات ناشی از ايرادهای مربوط به نشتی‌های روغن از اتصالات نيز در اين سيستم برطرف شده است.
در مقابل بسیاری معتقدند سیستم های الکتریکی، به ویژه در خودروهای اسپرت احساس مناسبی از مسیر حرکت را به راننده منتقل نمی‌کنند و به این ترتیب راننده نمی‌تواند در زمان پیچیدن به خوبی مانور دهد. البته خودروسازان تا حدود زیادی مشکلات این سیستم را برطرف کرده‌اند تا آنجا که پورشه بر روی نسل جدید ” ۹۱۱ ” نیز این سیستم را نصب کرده است. کمپانی BMW تلاش زیادی برای رساندن سیستم های الکتریکی به سطح سیستم های هیدرولیک انجام داده است و تا حدود زیادی نیز در این مسیر موفق بوده، اما هنوز نمی‌توان سیستم‌های الکتریکی را به طور قطعی به عنوان جایگزین سیستم‌های هیدرولیک دانست. هر چند این سیستم‌ها دردسر کمتری در زمینه خرابی‌های احتمالی دارند و نصب آن‌ها در خودرو آسان‌تر است و بر اساس نتایج آزمون‌ها، حس بهتری را به راننده منتقل می‌کنند. اما بیش از هر چیز برنامه کامپیوتری کنترل آن‌ها است که باید هوشمندتر شود تا بتواند احساس مناسب را در زمان مناسب دراختیار راننده قرار دهد. با هوشمندتر شدن اجزای مختلف خودرو از جمله سیستم تعلیق، شاید در آینده بتوان به فرمان‌های الکتریکی بهتری نیز امیدوار بود اما تا آن زمان فرمان‌های هیدرولیک همچنان سلطان خودروهای اسپرت خواهند بود.
در نهایت، تعیین اینکه کدام سیستم فرمان بهتر است بستگی به نوع خودرو، استفاده کننده و شرایط رانندگی دارد. در صورتی که به دنبال یک سیستم فرمان کم هزینه و نیاز به تعمیرات کمتری هستید، سیستم فرمان الکتریکی می‌تواند گزینه خوبی باشد. اما اگر خودروی شما بزرگتر و سنگین‌تر است، سیستم فرمان هیدرولیکی ممکن است بهترین گزینه باشد.
جمع بندی
در کل، عملکرد سیستم فرمان خودرو بسیار پیچیده و ترکیبی است و به همکاری بین چندین قطعه و سیستم وابسته است. گفته شد که هدف اصلی این سیستم، کنترل جهت حرکت خودرو و ایمنی راننده و سرنشینان است. اگر به دنبال سیستم فرمانی با عملکرد دقیق و حساسیت بالا هستید، سیستم فرمان الکتریکی می‌تواند گزینه بهتری باشد. در نهایت، تعیین اینکه کدام سیستم فرمان بهتر است، بستگی به نیازها و شرایط شما دارد و بهتر است با متخصصان خودرو مشورت کنید.
