آشنایی با فرمان برقی خودرو

به دلیل اهمیتی که فرمان الکتریکی در کیفیت رانندگی در خودرو دارد در این مطلب از کیان باتری قصد داریم که ضمن بیان عملکرد سیستم‌های فرمان خودرو، به بررسی تخصصی سیستم فرمان برقی خودرو بپردازیم.

تاریخچه سیستم فرمان برقی

امروزه همانطور که می دانید پیشرفت های زیادی در تولید خودرو و صنعت خودرو سازی شده است و تقریبا اجزای مکانیکی و قطعات آنها از حالت دستی به برقی و اتوماتیک تبدیل شده اند. فرمان خودرو جز یکی از اصلی ترین قطعات در خودرو می باشد که به شکل مکانیکی بر روی خودروها نصب می گردد.

یکی از مواردی که در کشور توسعه یافته در زمان انتخاب خودرو بسیار به آن دقت می کنند سهولت چرخش غربیلک فرمان اتومبیل می باشد  و همین موضوع سبب شد تا تولیدکنندگان خودرو به این فکر باشند تا تغییراتی در سیستم فرمان خودرو به وجود بیاورند.

عملکرد فرمان مکانیکی به کمک پینیون ها و دنده شانه ها بود به عبارت دیگر انتقال حرکت دورانی غربیلک فرمان به دنده شانه‌ها صورت می گرفت و دنده شانه ها به وسیله مفصل ها، نیروی وارد شده به خود را به چرخ ها انتقال میدادند.

در چنین فرمان های مشکلاتی وجود دارد مثلا زمانی که سرعت بالا بود با لغزش فرمان روبرو بودیم یا پیچاندن فرمان کمی سخت بود. در نهایت وجود این چنین مشکلاتی سبب شد تا فرمان های هیدرولیکی جای فرمان های مکانیکی را بگیرند که البته مزیت های زیادی نیز دارند مثل سهولت در چرخش، بالا بردن میزان ایمنی خودرو، کم کردن خستگی راننده، عدم لغزش در سرعت بالا و …

بیشتر بدانید: آشنایی با سیستم فرمان خودرو و انواع جعبه فرمان

منظور از فرمان برقی چیست؟

سیستم فرمان برقی یا فرمان الکتریکی EPS (مخفف Electric Power Steering) از سال ۱۹۹۰ میلادی برای مونتاژ خودروها در کمپانی‌های خارجی استفاده شد. این سیستم فرمان پیشرفته خودرو با قابلیت‌ها و عملکرد مثبتی که در حوزه ایمنی خودروها داشته است، توانست جایگزین فرمان هیدرولیکی خودروها شود. قابل ذکر است که وجود سیستم فرمان برقی در خودرو باعث کاهش میزان خرابی سیستم‌های فرمان خودرو، راحتی بیشتر، تجربه رانندگی بهتر و حتی ایمنی بیشتر خودرو ها شده است.

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.

اجزاء سیستم فرمان برقی (EPS )

جعبه فرمان

 هنگامی که غربیلک فرمان به چرخش در می آید گشتاور فرستاده شده پینیون موجب می شود که شفت ورودی به چرخش در آید.  میل پیچشی که به شفت ورودی متصل است و پینیون می چرخند  تا اینکه گشتاور و نیروی متقابل آن مساوی شوند. سنسور گشتاور پیچش میل پیچشی را حس کرده و گشتاور به کار رفته در آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

موتور با جریان مستقیم DC

 این موتورنیروی لازم برای پیچیدن فرمان را تهیه می کند و  برای انتقال گشتاور تولیدی موتور به شفت اصلی از یک دنده مارپیچ استفاده می کند.

مکانیزم تقلیل

این مکانیزم نیروی کمکی موتور برقی را به شفت پینیون انتقال می دهد. این مکانیزم از یک حلقه دندانه دار که با شفت پینیون به حرکت در می آید و دنده پینیون که با شفت موتور یکی می شود، تشکیل شده است. نیروی کمکی موتور توسط مکانیزم تقلیل به شفت پینیون انتقال داده می شود و نیروی کمکی برای پیچیدن فرمان را فراهم می کند.  

سنسور گشتاور TORQUE

 این سنسور پیچش میل پیچشی را حس کرده و گشتاور به کار برده شده را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. کنترل یونیت فرمان برقی از این سیگنالها استفاده می کند و نیروی کمکی که موتور DC باید فراهم کند را محاسبه می کند.

کنترل یونیت EPS

این کنترل یونیت سیگنالها رااز سنسورهای مختلف دریافت میکند وحا لت جاری خودرورا تشخیص داده واندازه جریانی راکه باید در موتور DC بکاررفته شود راتعیین می کند. اگر ECU درکارکرد سیستم خطایی پیدا کند یک چراغ خطر آن رابه راننده هشدارمی دهد.  ECUخطاهاراذخیره می کند و سیستم  EPSاز مدار خارج میشود. اما خودرو هنوز قابلیت هدایت معمولی را دارا می باشد.

نحوه عملکرد فرمان برقی

اگر چه برخی از سیستم های قدیمی فرمان برقی عملا” الکتروهیدرولیک بودند به طوری که از یک الکتروموتور برای به حرکت در آوردن پمپ هیدرولیک استفاده می شد اما نسل جدید فرمان های برقی (EPS ) بطور کلی الکتریکی و الکترونیکی است، جعبه فرمان از یک میل دندانه دار و یک موتور الکتریکی که روی میل فرمان میل دندانه دار بسته شده است، تشکیل شده است.

هنگامی که راننده غربیلک را به حرکت در می آورد سنسورهای فرمان چگونگی و سرعت چرخش غربیلک را بدست می آورد، این اطلاعات همراه با شکل های ورودی از سنسور گشتاور پیچشی ( TORQUE ) بسته شده روی شفت فرمان، کنترل یونیت سیستم فرمان را تغذیه می کند، دیگر ورودی ها مثل سرعت خودرو و کنترل کشش ( TRACTION ) یا سیستم کنترل پایداری خودرو( ESP ) برای تصمیم گیری مقدار کمک مورد نیاز و چگونگی فرمان ملاک هستند، سپس کنترل یونیت برای چرخش به مقدار صحیح به موتور، فرمان می دهد وسنسور روی موتور از میزان چرخش موتور به کنترل یونیت فیدبک می دهد. پس کنترل یونیت موقعیت موتور را نیز مورد نظارت قرار می دهد.

مزایای فرمان برقی ماشین

اصلی‌ترین و مهم‌ترین مزیت سیستم فرمان برقی، متصل بودن سیستم کنترل اتومبیل به شبکه هوشمند ECU است. این نکته باعث حساسیت سیستم فرمان به میزان سرعت خودرو می‌باشد. در واقع به دلیل وجود سنسورهای حرکتی حساس در سیستم فرمان برقی، حدود گشتاوری تولید شده موتور تعیین می‌شود و بر اساس وضعیت و سرعت ESP مشخص می‌شود.

• فرمان پذیری و پایداری در سرعت های بالا

در حقیقت سیستم فرمان برقی با کاهش میزان چرخش و لرزش خودرو، پایداری اتومبیل را در سرعت‌های بالا برقرار می‌سازد که خودرو می‌تواند در این محدوده سرعت‌های بالا، با دقت و عملکرد بهتری حرکت کند. به طور مثال اگر سرعت خودرو افزایش یابد و محدوده نیروی کشش خودرو نسبت به جاده کاهش یابد، در این صورت سنسورهای فرمان برقی با کم کردن گشتاوری موتور، میزان چرخش غربیلک را کمتر می‌کنند.

در واقع این عملکرد حساس سیستم فرمان برقی به سرعت باعث افزایش ایمنی فعال خودروها و همچنین افزایش پایداری خودرو در سرعت‌های بالا شده است. در واقع زمانی که شما با سرعت بالا در بزرگراه در حال رانندگی هستید، مطمئناً یک اشتباه کوچک و چرخش غربیلک فرمان می‌تواند اتفاق ناگواری را رخ دهد.

اما وجود سیستم فرمان برقی با سخت‌تر کردن چرخش غربیلک فرمان می‌تواند موجب افزایش پایداری خودرو در سرعت‌های بالا شود. در مقایسه این سیستم با سیستم های فرمان های قبلی می توان به وضوح دید که سیستم فرمان الکتریکی با توجه به ارتباط با کامپیوتر مرکزی خودرو می تواند بسیار هوشمندتر عمل کرده و حالت های مختلف خودرو مانند سرعت را در میزان چرخش فرمان و همچنین فرمان پذیری خودرو دخیل کند.

این کار به افزایش تجربه مناسب رانندگی و افزایش ایمنی خودرو کمک شایانی خواهد کرد تا آن جا که فرمان الکتریکی را می توان یکی از مزیت های رقابتی خودرو ها دانست.

بیشتر بدانید: سیستم پایداری ESP خودرو چیست؟

• فرمان برقی و مصرف سوخت کمتر

در فرمان برقی، خبری از پمپ‌ها یا پیستون‌های موجود در سیستم فرمان هیدرولیک نیست و درعوض، یک موتور برقی با ساختار ساده تمام کار را انجام می‌دهد. به همین دلیل، وزن کلی خودرو کمتر است. در سیستم فرمان برقی در مقایسه با هیدرولیک، کنار قرار دادن اجزا و نحوه‌ی ایجاد نیرو بسیار ساده‌تر است که به همین دلیل، شرکت‌های خودروسازی این نوع سیستم را ترجیح می‌دهند. علاوه بر این سیستم فرمان برقی ۹۰ درصد نیروی کمتری از پیشرانه می‌گیرد. تمام این موارد فرمان برقی را مقرون به‌صرفه‌تر از هیدرولیک می‌کند.

• فرمان برقی و هزینه‌ی تعمیر و نگهداری کمتر

همانطور که مشخص است، خودروهای مجهز به سیستم فرمان هیدرولیک به روغن هیدرولیک نیاز دارند که این مورد در فرمان برقی وجود ندارد. تعمیر و تنظیم خودروهای با فرمان برقی نیز بسیار ساده است و به چند مورد کوتاه در برنامه‌‌ی کلی سیستم خلاصه می‌شود.

روش های نصب فرمان برقی

رمان 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.

تفاوت فرمان برقی با هیدرولیک

برخلاف سیستم هیدرولیکی که به علت دارا بودن قطعات حساس ضعف های فراوانی دارد، سیستم فرمان برقی (EPS) به علت عدم نیاز به روغن هیدرولیکی و ساختار ساده به آسانی تنظیم شده و نیاز کمتری به تعمیرات دارد.

به علاوه به علت داشتن سنسور، فقط هنگام چرخش فرمان موتور برقی را فعال می کند و هنگام رانندگی در یک جاده ی صاف از قدرت موتور نمی کاهد و در دراز مدت موتور خودروی شما نیاز کمتری به تعمیرات اساسی خواهد داشت. همچنین دیگر خبری از پمپ ها یا پیستون های موجود در سیستم هیدرولیک نیست و یک موتور برقی با ساختار ساده تر فرمانپذیری خودرو را بهبود می بخشد.

مزایای فرمان الكتریكی نسبت به فرمان هیدرولیكی

1. حذف پمپ هیدرولیک (pump) وهرزگرد (pulley)
2. حذف شیرهای کنترل (valve) و لوله های رابط
3. حذف تسمه ها بین پمپ هیدرولیک وموتور اتومبیل (belt)
4. حذف جک هیدرولیک (hydraulic jack) و روغن هیدرولیک
5. وزن کم نسبت به سیستم هیدرولیکی
6. تغییرات کمتردر قسمت مکانیکی فرمان هنگام طراحی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک
7. 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. )
8. فرمان الکتریکی به صورت Safe Fail است. ( چنانچه قسمت الکتریکی به دلایلی از کار افتد، قسمت مکانیکی فرمان می تواند به کار ادامه دهد. )
9. مقداری انرژی مصرفی در فرمان الکتریکی، حدود یک ششم انرژی مصرفی در فرمان هیدرولیک است. به عبارت دیگر به مقدار 85 % در انرژی مصرفی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک صرفه جویی می شود.
10. کاهش حجم واندازه نسبت به هیدرولیک
11. مستقل بودن از موتور خودرو
12. کاهش قابل ملاحظه زمان مونتاژ
13. افزایش قابل ملاحظه عمر موثر نسبت به فرمان هیدرولیکی
14. قابلیت ایمنی بالا در شرایط بحرانی
15. استفاده از یک نوع فرمان الکتریکی در چندین خودروی متفاوت. به عبارت دیگر یک نوع طراحی

فرمان برقی یا هیدرولیک؟ کدام بهتر است؟

بسیاری از راننده‌های حرفه‌ای و با تجربه فرمان هیدرولیک را ترجیح می‌دهند و عملکرد فرمان برقی را خسته ‌کننده و نا هماهنگ می‌دانند. اما افرادی هستند که فرمان برقی را بهتر از نوع هیدرولیک دانسته و رانندگی با این نوع خودرو را ترجیح می‌دهند. بهترین راه برای تجربه‌ی شخصی است که  قبل از خرید خودرو به سیستم فرمان آن توجه کرده و رانندگی با فرمان برقی و هیدرولیک را در نظر داشته باشیم.