نحوه کارکرد فرمان خودرو

 بدیهی است که با چرخاندن فرمان خودرو، چرخ ها نیز می گردند؛ اما دانستن آنچه که منجر به شکل گیری این عمل و عکس العمل می شود بسیار جالب تر از این امر ساده خواهد بود. ما در این مقاله سعی بر آن داریم که چگونگی کارکرد دو نوع از پرکابردترین سیستم های فرمان ها یعنی چرخ و میله دنده و ساچمه چرخان (Recirculating Ball) را شرح دهیم. سپس نحوه کارکرد فرمان برقی را بررسی می کنیم و به بحث در مورد آینده این سیستم ها (از نظر بهبود مصرف سوخت) خواهیم نشست. در ابتدا نگاهی به آنچه که باعث چرخش خودرو می شود خواهیم داشت.

نحوه کارکرد فرمان خودرو

نکته ای که ممکن است جالب توجه باشد این است که هنگام دور زدن، چرخ های جلوی خودرو هر دو به موازات هم و به یک جهت واحد متمایل نمی شوند. برای آنکه خودرو به نرمی دور بزند، هر چرخ بایستی حول دایره ی متفاوتی بچرخد. از آنجایی که چرخ داخلی حول دایره ای با شعاع کوچکتر می چرخد، این چرخ دور کوچکتری را نسبت به چرخ دیگر خواهد زد. اگر خطی را به صورت عمودی به هر چرخ متصل کنیم، خطوط مذکور در مرکز دایره ای به هم خواهند رسید.

 سیستم فرمان چرخ و میله دنده

این سیستم، که از مکانیسم ساده‌ای برخوردار است، به سرعت در حال تبدیل به رایج ترین سیستم فرمان در سواری ها، خودرو های نیمه سنگین و شاسی بلندها می باشد. مجموعه چرخ و میله دنده ها در مجرایی فلزی به شکلی قرار گرفته اند که هر سرمیله دندانه دار از مجرا بیرون زده است. میله ای که به آن میله ی گره (Tie Rod) می گویند به هر دو سر میله دندانه دار وصل شده است. چرخ دنده به میل فرمان متصل است. زمانی که فرمان چرخانده می شود چرخ دنده ها می گردند و میله دندانه دار را جا به جا می کنند. میله ی گره در انتهای هر دو سر میله دندانه دار به بازو های فرمان روی محور چرخ متصل می شوند. مجموعه چرخ و میله دندانه ها دو امر را رقم می زنند: تبدیل حرکت چرخشی فرمان به حرکت خطی مورد نیاز برای چرخاندن چرخ ها، و حذف یک چرخ دنده که باعث سهل تر شدن چرخاندن چرخ ها می شود. در اکثر خودرو ها سه یا چهار دور فرمان، چرخ ها را از یک انتها تا انتهای دیگر می گرداند. ضریب فرمان، نسبت چرخاندن فرمان به چرخیدن چرخ ها می باشد.

برای مثال اگر یک دور کامل (360 درجه) غربیلک فرمان باعث چرخش 20 درجه ای چرخ های خودرو شود آنگاه نرخ نسبت فرمان مساوی با تقسیم 360 بر 20 و یا بعبارتی 18.1 خواهد بود. هرچه ضریب فرمان بیشتر باشد، غربیلک فرمان دور بیشتری را باید بزند تا چرخ را به میزان معینی بگرداند. البته به همان نسبت تلاش کمتری نیز برای چرخاندن فرمان نیاز خواهد بود. به طور کلی خودرو های سبک تر و اسپرت تر از ضریب فرمان پایین تری نسبت به خودرو های بزرگتر و سنگین تر برخوردار می باشند. پایین تر بودن این نرخ به معنی فرمان پذیری سریع تر می باشد (نیازی به چرخاندن زیاد فرمان برای گرداندن چرخ به اندازه ای معین نخواهد بود) و البته این امر نکته ای مطلوب در خودرو های اسپرت محسوب می شود. این خودرو ها آنچنان سبک می باشند که حتی با ضریب فرمان پایین تر نیز، توان مورد نیاز برای چرخاندن فرمان در آنها چندان زیاد نخواهد بود. برخی از خودرو ها از ضریب فرمان متغیر بهره می گیرند. این خودرو ها از چرخ و میله دندانه متفاوتی استفاده می کنند که  دارای تعداد دندانه متفاوتی در مرکز نسبت به کناره ها می باشند. این تفاوت باعث می شود که خودرو در شروع پیچ سریع عمل کند (دندانه ها به مرکز نزدیک می باشند) و همچنین از میزان فشار لازم برای چرخاندن چرخ در انتهای حد آن نیز می کاهد.

 
چرخ و میله دندانه برقی

در سیستم فرمان برقی، طراحی چرخ و میله دندانه ها کاملا متفاوت می‌باشد. بخشی از میله دندانه دار دارای یک سیلندر به همراه یک پیستون در میانه می باشد. این پیستون به میله دندانه دار متصل می شود. دو درگاه مایع  هر کدام در یک سر آن تعبیه شده است.  این درگاهها مایع پرفشار را به یک  سمت پیستون می رسانند و منجر به حرکت پیستون و در نهایت حرکت میله دندانه دار می‌شوند. در ادامه مقاله به بررسی اجزای این سیستم و چگونگی حرکت پیستون و مایع درون آن می‌پردازیم؛ اما پیش از آن نگاهی خواهیم داشت به نوعی دیگر از سیستم فرمان.

 
فرمان ساچمه ی چرخان (Recirculating Ball)

امروزه از این نوع فرمان در بسیاری از کامیون ها و خودروهای شاسی بلند استفاده می‌شود. اتصالی که چرخ ها را می گرداند با آنچه در سیستم چرخ و میله دندانه دار مشاهده می شود، کمی متفاوت است. جعبه فرمان در سیستم ساچمه ی چرخان دارای یک دنده ی کرمی شکل می‌باشد. این دنده را می توان در دو قسمت متصور شد: قسمت اول بلوکی فلزی است که حفره ی رزوه داری در آن تعبیه شده است. دندانه های موجود در قسمت خارجی این بلوک با چرخ دنده ای که بازوی پیتمن را حرکت می دهد درگیر می شوند. غربیلک فرمان به میله ی رزوه داری (شبیه به پیچ) متصل می شود و این میله در حفره ی بلوک فرو می رود و با چرخش غربیلک فرمان، پیچ به چرخش درمی‌آید.

البته به جای آنکه پیچ به چرخش در آید و بیشتر در بلوک فرو رود،  پیچ ثابت نگه داشته می شود تا با چرخشش بلوک به حرکت درآید و در نتیجه بلوک چرخ دنده ای را که چرخ را می چرخاند بگرداند. به جای آنکه پیچ مستقیما با رزوه های درون بلوک درگیر شود، در تمامی رزوه ها از ساچمه هایی استفاده شده که در بلوک با چرخش آن به چرخش و باز-چرخش در می آیند. در واقع این ساچمه ها دو کار انجام می دهند، اولا از اصطکاک و خوردگی دنده کاسته و ثانیا از بازی آن ها نیز می کاهند. اگر ساچمه ها درون بلوک وجود نداشته باشند، زمانی که شما جهت فرمان را تغییر می دهید، دندانه ها برای لحظه ای اتصال خود را از دست خواهند داد و فرمان به نظر خلاص خواهد رسید. فرمان برقی در سیستم ساچمه ی چرخان، کارکردی شبیه به کارکرد خود در سیستم چرخ و میله دنده دارد. افزایش توان، از اعمال مایع پرفشار به یک سمت بلوک ایجاد می شود. اکنون نگاهی خواهیم داشت به اجزای تشکیل دهنده سیستم فرمان برقی.

پمپ

توان هیدرولیکی لازم برای گرداندن فرمان، توسط یک پمپ با پروانه های گردان که همگی درون محفظه‌ای بیضی شکل می چرخند، تامین می شود. این پمپ توسط پیشرانه خودرو و به واسطه یک تسمه و پولی به حرکت در می آید. پروانه ها با حرکت خود، مایع هیدرولیک کم فشار را از شیلنگ بازگشت می کشند و با فشار از خروجی به صورت پر فشار به خارج می رانند. شدت جریان مایع به سرعت پیشرانه خودرو بستگی دارد. 

پمپ بایستی طوری طراحی شود که بتواند جریان مورد نیاز را حین خلاصی موتور نیز تامین نماید. در نتیجه پمپ هنگام حرکت موتور جریانی بسیار بیشتر از حد مورد نیاز تامین می کند. پمپ دارای یک دریچه تخلیه فشار می باشد تا از بالا رفتن بیش از حد فشار، علل الخصوص زمانی که میزان زیادی مایع در حال پمپ شدن است، جلوگیری کند.

دریچه دوار

سیستم فرمان برقی، باید تنها زمانی به کمک راننده بیاید که وی در حال فشار آوردن به غربیلک فرمان می باشد (مانند هنگام دور زدن). زمانی که راننده فشاری را اعمال نمی کند (مانند زمان حرکت در خطی مستقیم) سیستم نباید هیچ کمکی ارائه نماید. وسیله ای که اعمال فشار روی فرمان را حس می کند، دریچه دوار (Rotary Valve) نام دارد.

 مهمترین بخش  دریچه دوار، میله ی پیچشی است. میله ی پیچشی میله ای نازک و فلزی است که در اثر فشار راننده به چرخش در می آید. سر این میله به انتهای پینیون یا دنده کرمی (هرکدام که چرخ ها را می چرخاند) اتصال دارد و در نتیجه نیروی پیچشی وارد بر این میله برابر است با نیروی پیچشی که راننده برای چرخاندن چرخها اعمال می کند. با افزایش نیروی پیچشی توسط راننده چرخش میله افزایش می یابد. انتهای میل فرمان در مرکز سوپاپ ماسوره ای(spool valve) قرار می گیرد. همچنین این میله به بالای میله ی یچشی وصل می شود. پایین میله ی پیچشی به بخش خارجی سوپاپ ماسوره ای متصل می شود. میله ی پیچشی بر اثر نیروی وارده از میه فرمان به چرخش در می آید و بسته به نوع سیستم فرمان این نیرو را به دنده پینیون و یا به دنده کرمی شکل منتقل می کند. میله با چرخش خود قسمت داخلی سوپاپ ماسوره ای را به نسبت بیرون آن می چرخاند. از آن جایی که قسمت داخلی سوپاپ ماسوره ای نیز به میل فرمان (و در نهایت به فرمان متصل است) میزان چرخش نسبی بین بخش داخل و خارج آن به میزان چرخاندن فرمان توسط راننده بستگی دارد.

زمانی که فرمان چرخانده نمی شود، هر دو شیلنگ هیدرولیک فشار یکسانی را در میل فرمان فراهم می آورند، اما اگر سوپاپ ماسوره ای به سمتی بچرخد، دریچه ها برای تامین مایع مورد نیاز به شیلنگ متناسب، باز می شوند. در واقع سوپاپ این نوع از فرمان های برقی (از نظر تاثیر بر مصرف سوخت) کاملا غیر بهینه می باشند. در ادامه با پیشرفت هایی که در سال های آتی به بهبود این سیستم کمک خواهند کرد آشنا می شویم.

فرمان برقی در آینده

پمپاژ مداوم مایع توسط پمپ موجود در فرمان های برقی، سبب اتلاف بخشی از قدرت موتور و در دنتیجه هدر رفتن سوخت می شود. انتظار می رود که نوآوری های جدید مصرف سوخت را بهبود بخشند. یکی از جذاب ترین نظریات مطرح شده، سیستم راندن باسیم یا فرمان دادن باسیم (Drive-by-wire/Steer-by-wire) می باشد. این سیستم ها اتصال مکانیکی بین غربیلک فرمان و میل فرمان را به طور کامل حذف کرده و آن را باسیستمی کاملا الکترونیکی جایگزین می کنند. در واقع فرمان عملکردی شبیه فرمان های بازی با کامپیوتر خواهد داشت. دز این سیستم، سنسورهایی در فرمان تعبیه شده است که تغییرات ایجاد شده از سوی راننده را بر روی چرخ ها را به خودرو منتقل می‌کند و موتورهای موجود در آن، تمامی بازخوردهای جاده را به راننده اطلاع می‌دهد. از داده های این سیستم برای کنترل سیستم فرمان استفاده خواهد شد. یکی از مزایای این کار حذف میل فرمان و باز شدن فضای موتور خواهد بود. همچنین این سیستم به کاهش لرزش کابین نیز کمک خواهد کرد.  کمپانی جنرال موتورز خودرویی کانسپت به نام Hy-Wire را معرفی کرده است که از این سیستم فرمان بهره می گیرد.

یکی از جالب توجه ترین نکات در مورد سیستم راندن-با-سیم در خودروی Hy-Wire این است که شما می توانید نحوه فرمان پذیری خودرو را بدون نیاز به ایجاد تغییری مکانیکی در خودرو تنظیم کنید (تنظیم تنها نیاز به تغییری در نرم افزار سیستم خواهد داشت). در آینده خودرو های بهره مند از این سیستم را می توان طبق میل خود تنها با فشردن چند دکمه تنظیم کرد. با این سیستم حتی می توان نوع فرمان پذیری مطلوب هر فرد را در حافظه خودرو ذخیره کرد. در پنجاه سال گذشته سیستم های فرمان خودرو تغییر چندانی به خود ندیده اند اما در دهه ی بعد پیشرفت هایی را در این زمینه شاهد خواهیم بود که خودرو هایی کم مصرف ترو خوش دست تر به ارمغان خواهند آورد.