سیستم فرمان برقی

با توجه به تعریف پروژه فرمان برقی توسط سازه گستر و همكاری با شركت سایپا در تولید خودروی پراید، در این گزارش به معرفی سیستم مذكور و مزایای آن نسبت به سیستم هیدرولیكی و نحوه عملكردش می پردازیم. با در نظر گرفتن مزیت های سیستم فرمان برقی، احتمال دارد در آینده از آن به عنوان یكی از آپشن های خودروی S81  استفاده شود.

سیستم فرمان انواع گوناگونی دارد از جمله سیستم فرمان مكانیكی(دنده شانه ای و پینیون)، هیدرولیكی والكتریكی.
معمول ترین آنها سیستم مكانیكی یا دنده شانه ای و پینیون است. پینیون حركت دورانی دارد و دنده شانه ای حركت خطی انجام می دهد. در این حال پینیون حركت دورانی غربیلك فرمان را به دنده شانه ای منتقل می كند و دنده شانه ای نیز حركت خطی را از طریق مفصل ها به چرخ های خودرو انتقال می دهد.
برای تسهیل در چرخش فرمان و به تبع آن كاهش خستگی راننده و همچنین افزایش ایمنی، سیستم هیدرولیكی ابداع شده است. برای ایجاد فرمان هیدرولیكی معمولا اجزای زیر به قسمت مكانیكی فرمان اضافه می شوند:
پمپ هیدرولیك با مخزن روغن و چرخ تسمه، شیرهای كنترل، لوله های رابط،سیلندر وتسمه.
سیستم هیدرولیكی فرمان برای ایفای نقش خود از موتور خودرو استفاده می كند بنابراین از بازده آن اندكی می كاهد همچنین مصرف انرژی بیشتر را در پی دارد. علاوه بر آن، سیستم هیدرولیك به صورت مركز آزاد عمل می كند یعنی حتی وقتی خودرو به صورت مستقیم در حال حركت است و هیچ انحرافی ندارد باز هم به عملكرد خود ادامه می دهد. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سیستم های بهتر و مفیدتری بگردند و آنها را جایگزین سیستم هیدرولیكی كنند یا سیستم هیدرولیكی را بهبود بخشند.
یكی از سیستم های ارائه شده در سال های اخیر، فرمان الكتروهیدرولیكی(EHPS) است كه در آن به جای استفاده از موتور خودرو، یك موتور الكتریكی به پمپ هیدرولیك اضافه می شود و در نتیجه فرمان از موتور مستقل می شود.
در این نوع فرمان هر چند مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته ولی مشكل دائمی بودن عملكرد سیستم هیدرولیكی یعنی حالت مركز آزاد هنوز پا بر جاست.
به عبارت دیگر باید وضعیتی را تدارك دید كه سیستم تنها وقتی چرخشی به فرمان وارد می شود عمل كند، نه همیشه.
از این رو  در نسل جدید خودروها فرمان الكتریكی(EPS)
جایگزین انواع قبلی شد. این نوع فرمان مشابه نوع هیدرولیكی عمل می كند ولی از لحاظ ساختار متفاوت است. امروزه با توجه به مزایای متعدد خودروهای فرمان برقی در قیاس با خودروهای دارای فرمان¬های هیدرولیكی و مكانیكی، بیشتر خودروسازان به استفاده از این سیستم روی آورده اند تا جایی كه در سال 2007 بیش از 60درصد خودروهایی كه د اروپا به فروش رفته اند، سیستم فرمان برقی داشته اند.
از مزایای سیستم را الكتریكی می وان به افزایش سرعت، عملكرد بهتر فرمان و حفظ تعادل خودرو در انحراف ها اشاره كرد كه باعث فرمان پذیری آسانتر بهخصوص هنگام پارك خودرو میشود و با توجه به ارتباط مدار الكتریكی با حسگرها و ECU، این سیستم بسیار سریع و هوشمندانه عمل میكند. از مزایای سیستم فرمان برقی نسبت به فرمان هیدرولیك می توان بهبود و كاهش مصرف سوخت خودرو (حدود 5درصد) و تقویت فرمان در سرعت های پایین و كاهش قدرت فرمان در سرعت های بالا را نام برد. در سیستم فرمان برقی تنها زمانی كه فرمان می چرخد انرژی مصرف میشود؛ در حالی كه در سیستم فرمان هیدرولیك، پمپ هیدرولیك صرف نظر از چرخش فرمان، به صورت دائم كار میكند و حدود 5  اسب بخار از توان خودرو صرف تولید دبی و پمپاژ دائمی روغن هیدرولیك در مدار می شود. ماكزیمم قدرت فرمان هیدرولیك در سرعتهای بالاست كه بیشترین دبی توسط پمپ تولید میشود؛ درحالی كه در سرعتهای بالا كمترین نیرو برای چرخش فرمان مورد نیاز است. وزن خودرو نیز در سیستم فرمان برقی به علت حذف اتصالات هیدرولیك، پمپ، پولی و … حدود 4 تا 6 كیلوگرم كمتر از خودروی مجهز به سیستم فرمان هیدرولیك است همچنین حذف روغن هیدرولیك و غیر قابل چرخش بودن این روغن باعث كاهش اثرات مخرب زیست محیطی آن می شود و مشكلات ناشی از ایرادهای مربوط به نشتی های روغن از اتصالات نیز در این سیستم برطرف شده است. برخی مزایا در جدول شماره 1 به اختصارآورده شده است.

اجزای اصلی سیستم فرمان برقی خودرو شامل موتور الكتریكی با جریان مستقیم(DC)، كنترل یونیت، میله پیچشی و حسگر گشتاور است كه در ادامه به نحوه عملكرد این سیستم می پردازیم.
انواع سیستم های EPS  با توجه به محل قرار گرفتن موتورالكتریكی تعریف میشوند. موتور الكتریكی روی محور فرمان، پینیون، رك و یا به صورت تركیبی با پمپ هیدرولیك  قرار دارد. معمولا در مدلهای جدید از نوع فرمان برقی با نصب موتور الكتریكی روی محور فرمان به جای نصب روی جعبه فرمان استفاده میكنند.
 در سیستم فرمان برقی میله پیچشی به محور فرمان متصل است و از طریق حسگر گشتاور متصل به میله پیچشی، مقدار گشتاور مقاومی كه بر اثر چرخش فرمان بین چرخ هی خودرو و نیروی پیچشی فرمان اعمال میشود، اندازه گیری می گردد و براساس آن به سیگنال الكتریكی تبدیل و به ECU  ارسال میشود. ECU هم براساس دادههای ارسالی از حسگر گشتاور و سرعت خودرو، مقدار نیروی اعمالی لازم  به موتور الكتریكی DC را تعیین میكند.
میله پیچشی جزئی از محور فرمان است و هنگام فرمان گیری از خودرو  تحت دو گشتاور، یكی گشتاور ورودی از طرف غربیلك و دیگری گشتاور عكس العملی وارده از سمت تایر قرار می گیرد. دو حسگر برای اندازه گیری مقدار نیروی پیچشی و تبدیل آن به سیگنال الكتریكی و خروجی ولتاژ (متناسب با مقدار پیچش) وجود دارد. هر حسگر به صورت coil در شكل نشان داده شده است. بر اثر چرخش رینگ های متصل به شفت، القای مغناطیسی دركویل ها ایجاد و به سیگنال الكتریكی تبدیل می شود كه در شرایط بدون اعمال گشتاور ولتاژ 2.5 ولت را تولید می كند. وقتی پیچش اتفاق نمی افتد میزان اختلاف ولتاژ خروجی حسگرها صفر و محدوده ولتاژ خروجی مجموعه دو حسگر صفر تا 5 ولت است. مطابق شكل وقتی فرمان به سمت چپ یا راست می پیچد همزمان در یك حسگر ولتاژ خروجی افزایش می یابد و در حسگر دیگر كاهش ولتاژ خروجی اتفاق می افتد. هر چه اختلاف بین خروجی ولتاژ حسگرها بیشتر باشد نیروی اعمالی بیشتری در موتور الكتریكی تولید می شود و در صورت معكوس شدن ولتاژ جهت چرخش موتور الكتریكی تغییر می كند.ECU  براساس سیگنالهای مختلفی كه از حسگرهای گشتاور و سرعت دریافت می كند و با لحاظ وضعیت خودرو در آن لحظه مقدار دور لازم برای چرخش  را به موتور الكتریكی ارسال می كند و موتور الكتریكی DC  توسط یك چرخ دنده گشتاور موتور الكتریكی را به محور فرمان انتقال می دهداین سیستم كه مكانیزم كاهش نام دارد نیروی اعمالی موتور را به پینیون شفت انتقال می دهد. این مكانیزم شامل یك چرخ دنده مارپیچی و یا حلقوی است كه ارتباط بین پینیون محور فرمان و پینیون چرخ دنده ای متصل به شفت موتور را برقرار  و نیروی موتور را به پینیون شفت منتقل می كند. به این ترتیب پینیون شفت به چرخش در می آید تا گشتاور مقاوم ایجاد شده در میله پیچشی به صفر برسد.
ECU دارای سه مد عملیاتی است:1- مد كنترلی نرمال: زمانی كه فرمان به چپ و راست می پیچد و نیروی كمكی با توجه به میزان گشتاور ورودی در حسگر گشتاور اعمال می شود.  2- مد كنترلی بازگشت: زمانی كه فرمان به طور كامل پیچیده است نیروی كمكی در جهت برگشت ایجاد می كند. 3- مد كنترلی میراكننده: سرعت خودرو را با هدف بهبود احساس سواری و جذب تنش های وارده از جاده به چرخ ها تغییر می دهد.
زمانی كه فرمان تا انتها می چرخد كنترل یونیت نیروی كمكی را كاهش می دهد تا از آسیب دیدن موتور الكتریكی جلوگیری كند همچنین در صورت وجود هرگونه خطا، سیستم به طور خودكار از حالت برقی به مكانیكی تغییر می كند و چراغ اخطار روشن میشود كه باید با استفاده از نرم افزار و دستگاه عیب یاب، ایراد برطرف شود.
بیشترین نیرو توسط موتور الكتریكی هنگامی اعمال میشود كه خودرو در سرعت پایین حركت كند و روی یك سطح با اصطكاك بالا فرمان با سرعت چرخانده شود. در شرایطی كه سطح جاده دارای اصطكاك كمی باشد نیروی كمتری توسط موتور الكتریكی اعمال و از انحراف خودرو جلوگیری میشود. عواملی چون فشار باد تایر، سطح جاده، سرعت خودرو و … بر مقدار نیرویی كه باید راننده برای چرخش فرمان اعمال كند تأثیر نخواهد داشت و در شرایط اضطراری كه فرمان به سرعت چرخانده میشود با توجه به اهمیت گشتاور مقاوم بین تایر و نیروی وارده به غربیلك، خودرو در مسیر مستقیم بدون انحراف به حركت خود ادامه میدهد.
سیستم فرمان برقی معمولا با ولتاژ 12ولت و ماكزیمم مصرف 80 آمپر  و متوسط توان0.1 كیلووات كار میكند