سیر تكاملی سیستم فرمان

سیر تكاملی سیستم فرمان

یکی از پارامترهای موثر در انتخاب نوع خودرو در کشورهای توسعه یافته راحتی چرخش غربیلک فرمان خودرو می باشد. این موضوع سازندگان خودرو را بر آن داشت که جهت تسهیل در چرخش فرمان و به تبع آن کاهش خستگی راننده وهمچنین افزایش ایمنی با فراهم کردن کنترل بهتر در جاده های خشن ، یک سیستم هیدرولیکی به قسمت مکانیکی اضافه نمایند. معمولا این سیستم جانبی به صورت کمکی عمل می نماید، یعنی وظیفه اصلی همچنان به عهده قسمت مکانیکی است. پمپ هیدرولیک ، مخزن روغن ، تسمه ، شیرهای کنترل ، لوله های رابط سیلندر و … از اجزای اضافه شده به قسمت مکانیکی فرمان هستند تا فرمان خودروهیدرولیکی شود.
سیستم هیدرولیکی فرمان جهت ایفای نقش از موتور خودرو استفاده می کند. بنابراین از بازده موتور کاسته وهمچنین منجر به مصرف انرژی بیشتری می گردد. علاوه بر آن، سیستم هیدرولیک به صورت مرکز آزاد عمل می کند. یعنی حتی در زمانی که خودرو به صورت مستقیم در حال حرکت است و هیچ انحرافی ازمسیر ندارد ، باز هم این سیستم عمل می کند. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سیستم های بهتر و مفیدتری بوده تا آن را جایگزین سیستم های هیدرولیکی نمایند .
یکی از سیستم های ارائه شده در سال های اخیرفرمان الکتروهیدرولیکی (EHPS) است که در آن به جای استفاده از موتور خودرو، یک موتور الکتریکی به پمپ هیدرولیک اضافه می شود و در نتیجه فرمان از موتور مستقل می گردد. خودروی پژو۴۰۷ از این نوع سیستم فرمان استفاده می کند. دراین نوع فرمان هر چند مسئله مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته است ولی مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم هیدرولیکی هنوز پا برجاست. به عبارت دیگر باید تنها هنگامی که چرخشی به فرمان وارد می شود عملکرد سیستم اتفاق بیافتد .

فرمان الكتریكی (Electronic Power Steering (EPS

این نوع فرمان مشابه فرمان هیدرولیکی  عمل می کند ولی از لحاظ ساختار متفاوت بوده و دارای مزایای زیادی نسبت به نوع هیدرولیکی است. این سیستم در اواسط دهه ۷۰ برای اولین بار مطرح گردید اما ساخت و کاربرد عملی آن از سال ۱۹۹۳ شروع گردید. اولین بار شرکت HONDA در اتومبیل های رالی NSX از فرمان الکترونیکی استفاده نمود. در این سیستم ، مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم کمکی فرمان حل شده است به طوریکه  سیستم الکتریکی زمانی عمل می کند که چرخشی در فرمان به وجود آید به عبارت دیگر گشتاوری وجود داشته باشد . فرمان الکتریکی از سه قسمت اساسی  تشکیل شده است که به سیستم فرمان مکانیکی (Rack and pinion) اضافه می شود :

1. سنسورگشتاور (Torque Sensor)
2. موتور با جریان مستقیم (Motor Brushless DC)
3. واحد کنترل الکترونیکی (ECU)

سه قسمت یاد شده می توانند در یک محفظه (Housing) یا به صورت جداگانه قرارگیرند.

نحوه عملكرد EPS

فرمان الکترونیکی به این صورت عمل می کند که ابتدا سنسور ، گشتاور وارده از غربیلک فرمان را حس نموده و آنرا به صورت سیگنال یا سیگنالهایی به واحد کنترل الکترونیکی ( ECU ) ارسال می کند . میکروکنترلر یونیت فرمان الکترونیکی علاوه بر این سیگنال ، سیگنالی نیز از سرعت خودرو دریافت می کند. آنگاه این دو را پردازش نموده  و دستور العمل لازم را به قسمت موتور DC اعمال می نماید تا به صورت کمکی (Assisted) سیستم فرمان مکانیکی را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین دستور العملهای ECU به موتور Brushless تابعی از خروجی سنسور گشتاور و سرعت خودرو است. این یعنی به منظور ایمنی بیشتر خودرو سرعت درعملکرد EPS موثر بوده و بیشترین عملکرد در سرعتهای پایین و کمترین عملکرد فرمان  در سرعت های بالای خودرو است.

فرمان الکتریکی در سه حالت مختلف می تواند بر روی قسمت مکانیکی نصب شود .

الف) نصب  روی ستون فرمان (C-EPS):

در این روش مجموعه سنسورها ، موتور DC و قسمت ECU بطور مجتمع در یک محفظه مستقر و روی ستون فرمان (Column- Steering) نصب می شود. بنابراین عملکرد کمکی (Assisted) فرمان EPS به ستون فرمان اعمال می گردد. این روش در خودروهای کوچک، مخصوصا خودروهای درون شهری که راحتی فرمان فاکتور مهمی به ویژه درترافیک های سنگین و پارک نمودن خودرو محسوب می شود ، بکار می رود. ستون فرمان با موتور الکتریکی DC توسط دنده حلزونی درگیر هستند .

 ب) نصب  روی پینیون (P-EPS) :

در این روش نیز مجموعه سنسورها ، موتور DC و قسمت ECU بطور مجتمع در یک محفظه قرار گرفته ولی روی پینیون نصب می شوند. این حالت برای خودروهای نیمه سنگین مناسب بوده ، جایی که راننده این نوع خودروها در راحت ترین حالت می توانند خودرو را هدایت کنند.

ج) نصب  روی دنده شانه ای (R-EPS):

دراین روش هر سه قسمت EPS یعنی سنسور ، موتور DC  و ECU جدا از هم روی جعبه فرمان نصب می شوند . به شکلی که موتور DC و ECU جدا از هم  روی دنده شانه ای (Rack) قرار گرفته و سنسورها نیز روی پینیون مستقر می شوند. زیرا روی دنده شانه ای گشتاوری وجود ندارد که سنسورها بتوانند آن را حس کنند. این حالت برای خودروهای سنگین که نیروی زیادی باید به دنده شانه ای اعمال شود مناسب است .  بنابراین نیروی کمکی (Assisted) به طور مستقیم از موتور DC به دنده شانه ای (Rack) وارد می گردد.

مزایای فرمان الكتریكی نسبت به فرمان هیدرولیكی:

۱- حذف پمپ هیدرولیک (pump) وهرزگرد (pulley)
۲- حذف شیرهای کنترل (valve) و لوله های رابط
۳- حذف تسمه ها بین پمپ هیدرولیک وموتور اتومبیل (belt)
۴- حذف جک هیدرولیک (hydraulic jack) و روغن هیدرولیک
۵- وزن کم نسبت به سیستم هیدرولیکی
۶- تغییرات کمتردر قسمت مکانیکی فرمان هنگام طراحی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک
۷- عدم کمک (Assist) فرمان در هنگام عدم ورود گشتاور در فرمان الکتریکی(به عبارت دیگر زمانی که گردشی در فرمان داده شود ، قسمت الکتریکی وارد عمل می گردد .)
۸- فرمان الکتریکی به صورت Safe Fail است .( چنانچه قسمت الکتریکی به دلایلی از کار افتد، قسمت مکانیکی فرمان می تواند به کار ادامه دهد.)
۹- مقداری انرژی مصرفی در فرمان الکتریکی ، حدود یک ششم انرژی مصرفی در فرمان هیدرولیک است. به عبارت دیگر به مقدار ۸۵ % در انرژی مصرفی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک صرفه جویی می شود.
۱۰ – کاهش حجم واندازه نسبت به هیدرولیک
۱۱ – مستقل بودن از موتور خودرو
۱۲ – کاهش قابل ملاحظه زمان مونتاژ
۱۳ – افزایش قابل ملاحظه عمر موثر نسبت به فرمان هیدرولیکی
۱۴ – قابلیت ایمنی بالا در شرایط بحرانی
۱۵ – استفاده از یک نوع فرمان الکتریکی در چندین خودروی متفاوت . به عبارت دیگر یک نوع طراحی