سيستم فرمان برقی

سيستم فرمان انواع گوناگوني دارد از جمله سيستم فرمان مكانيكي(دنده شانه اي و پينيون)، هيدروليكي والكتريكي.
معمول ترين آنها سيستم مكانيكي يا دنده شانه اي و پينيون است. پينيون حركت دوراني دارد و دنده شانه اي حركت خطي انجام ميدهد. در اين حال پينيون حركت دوراني غربيلك فرمان را به دنده شانه اي منتقل ميكند و دنده شانه اي نيز حركت خطي را از طريق مفصل ها به چرخ هاي خودرو انتقال ميدهد.
براي تسهيل در چرخش فرمان و به تبع آن كاهش خستگي راننده و همچنين افزايش ايمني، سيستم هيدروليكي ابداع شده است. براي ايجاد فرمان هيدروليكي معمولا اجزاي زير به قسمت مكانيكي فرمان اضافه مي شوند:
پمپ هيدروليك با مخزن روغن و چرخ تسمه،شيرهاي كنترل،لوله هاي رابط،سيلندر وتسمه.
سيستم هيدروليكي فرمان براي ايفاي نقش خود از موتور خودرو استفاده مي کند بنابراين از بازده آن اندكي مي كاهد همچنين مصرف انرژي بيشتر را در پي دارد. علاوه بر آن، سيستم هيدروليك به صورت مركز آزاد عمل مي كند يعني حتي وقتي خودرو به صورت مستقيم در حال حركت است و هيچ انحرافي ندارد باز هم به عملكرد خود ادامه مي دهد. اين موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سيستم هاي بهتر و مفيدتري بگردند و آنها را جايگزين سيستم هيدروليكي كنند يا سيستم هيدروليكي را بهبود بخشند.
يكي از سيستم هاي ارائه شده در سال هاي اخير، فرمان الكتروهيدروليكي(EHPS) است كه در آن به جاي استفاده از موتور خودرو، يك موتور الكتريكي به پمپ هيدروليك اضافه مي شود و در نتيجه فرمان از موتور مستقل مي شود.
در اين نوع فرمان هر چند مستقل بودن از موتور خودرو تحقق يافته ولي مشكل دائمي بودن عملكرد سيستم هيدروليكي يعني حالت مركز آزاد هنوز پا بر جاست.
به عبارت ديگر بايد وضعيتي را تدارك ديد كه سيستم تنها وقتي چرخشي به فرمان وارد مي شود عمل كند، نه هميشه.از اين رو در نسل جديد خودروها فرمان الكتريكي(EPS)جايگزين انواع قبلي شد.
اين نوع فرمان مشابه نوع هيدروليكي عمل مي كند ولي از لحاظ ساختار متفاوت است. امروزه با توجه به مزاياي متعدد خودروهاي فرمان برقي در قياس با خودروهاي داراي فرمان هاي هيدروليكي و مكانيكي، بيشتر خودروسازان به استفاده از اين سيستم روي آورده اند تا جايي كه در سال 2007 بيش از 60درصد خودروهايي كه در اروپا به فروش رفته اند، سيستم فرمان برقي داشته اند.
از مزاياي سيستم فرمان الكتريكي مي توان به افزايش سرعت، عملكرد بهتر فرمان و حفظ تعادل خودرو در انحراف ها اشاره كرد كه باعث فرمان پذيري آسانتر به خصوص هنگام پارك خودرو مي شود با توجه به ارتباط مدار الكتريكي با حسگرها و ECU، اين سيستم بسيار سريع و هوشمندانه عمل مي كند. از مزاياي سيستم فرمان برقي نسبت به فرمان هيدروليك مي توان بهبود و كاهش مصرف سوخت خودرو (حدود 5درصد) و تقويت فرمان در سرعت هاي پايين و كاهش قدرت فرمان در سرعت هاي بالا را نام برد. در سيستم فرمان برقي تنها زماني كه فرمان مي چرخد انرژي مصرف مي شود؛ در حالي كه در سيستم فرمان هيدروليك، پمپ هيدروليك صرف نظر از چرخش فرمان، به صورت دائم كار مي كند و حدود 5 اسب بخار از توان خودرو صرف توليد دبي و پمپاژ دائمي روغن هيدروليك در مدار مي شود. ماكزيمم قدرت فرمان هيدروليك در سرعت هاي بالاست كه بيشترين دبي توسط پمپ توليد مي شود؛ درحالي كه در سرعت هاي بالا كمترين نيرو براي چرخش فرمان مورد نياز است. وزن خودرو نيز در سيستم فرمان برقي به علت حذف اتصالات هيدروليك، پمپ، پولي و ... حدود 4 تا 6 كيلوگرم كمتر از خودروي مجهز به سيستم فرمان هيدروليك است همچنين حذف روغن هيدروليك و غير قابل چرخش بودن اين روغن باعث كاهش اثرات مخرب زيست محيطي آن مي شود و مشكلات ناشي از ايرادهاي مربوط به نشتی های روغن از اتصالات نيز در اين سيستم برطرف شده است.
اجزاي اصلي سيستم فرمان برقي خودرو شامل موتور الكتريكي با جريان مستقيم(DC )، كنترل يونيت، ميله پيچشي و حسگر گشتاور است كه در ادامه به نحوه عملكرد اين سيستم ميپردازيم.
انواع سيستمهاي EPS با توجه به محل قرار گرفتن موتورالكتريكي تعريف ميشوند. موتور الكتريكي روي محور فرمان، پينيون، رك و يا به صورت تركيبي با پمپ هيدروليك قرار دارد. معمولا در مدلهاي جديد از نوع فرمان برقي با نصب موتور الكتريكي روي محور فرمان به جاي نصب روي جعبه فرمان استفاده مي كنند.
در سيستم فرمان برقي ميله پيچشي به محور فرمان متصل است و از طريق حسگر گشتاور متصل به ميله پيچشي، مقدار گشتاور مقاومي كه بر اثر چرخش فرمان بين چرخهاي خودرو و نيروي پيچشي فرمان اعمال ميشود، اندازه گيري مي گردد و براساس آن به سيگنال الكتريكي تبديل و به ECU ارسال ميشود. ECU هم براساس داده هاي ارسالي از حسگر گشتاور و سرعت خودرو، مقدار نيروي اعمالي لازم به موتور الكتريكي DC را تعيين مي كند.
ميله پيچشي جزئي از محور فرمان است و هنگام فرمان گيري از خودرو تحت دو گشتاور، يكي گشتاور ورودي از طرف غربيلك و ديگري گشتاور عكس العملي وارده از سمت تاير قرار مي گيرد. دو حسگر براي اندازه گيري مقدار نيروي پيچشي و تبديل آن به سيگنال الكتريكي و خروجي ولتاژ (متناسب با مقدار پيچش) وجود دارد .هر حسگر به صورت coil است. بر اثر چرخش رينگ هاي متصل به شفت، القاي مغناطيسي دركويل ها ايجاد و به سيگنال الكتريكي تبديل مي شود كه در شرايط بدون اعمال گشتاور ولتاژ 2.5 ولت را توليد مي كند. وقتي پيچش اتفاق نمي افتد ميزان اختلاف ولتاژ خروجي حسگرها صفر و محدوده ولتاژ خروجي مجموعه دو حسگر صفر تا 5 ولت است .مطابق شكل وقتي فرمان به سمت چپ يا راست مي پيچد همزمان در يك حسگر ولتاژ خروجي افزايش مي يابد و در حسگر ديگر كاهش ولتاژ خروجي اتفاق مي افتد. هر چه اختلاف بين خروجي ولتاژ حسگرها بيشتر باشد نيروي اعمالي بيشتري در موتور الكتريكي توليد مي شود و در صورت معكوس شدن ولتاژ جهت چرخش موتور الكتريكي تغيير مي كند.ECU براساس سيگنال هاي مختلفي كه از حسگرهاي گشتاور و سرعت دريافت مي كند و با لحاظ وضعيت خودرو در آن لحظه مقدار دور لازم براي چرخش را به موتور الكتريكي ارسال مي كند و موتور الكتريكي DC توسط يك چرخ دنده مارپيچي گشتاور موتور الكتريكي را به محور فرمان انتقال مي دهد.اين سيستم كه مكانيزم كاهش نام دارد نيروي اعمالي موتور را به پينيون شفت انتقال مي دهد. اين مكانيزم شامل يك چرخ دنده مارپيچي و يا حلقوي است كه ارتباط بين پينيون محور فرمان و پينيون چرخ دنده اي متصل به شفت موتور را برقرار و نيروي موتور را به پينيون شفت منتقل ميكند. به اين ترتيب پينيون شفت به چرخش در مي آيد تا گشتاور مقاوم ايجاد شده در ميله پيچشي به صفر برسد.
ECU داراي سه مد عملياتي است:
1- مد كنترلي نرمال: زماني كه فرمان به چپ و راست مي پيچد و نيروي كمكي با توجه به ميزان گشتاور ورودي در حسگر گشتاور اعمال مي شود.

2- مد كنترلي بازگشت: زماني كه فرمان به طور كامل پيچيده است نيروي كمكي در جهت برگشت ايجاد ميكند.

3- مد كنترلي ميراكننده: سرعت خودرو را با هدف بهبود احساس سواري و جذب تنش هاي وارده از جاده به چرخ ها تغيير ميدهد.

زماني كه فرمان تا انتها مي چرخد كنترل يونيت نيروي كمكي را كاهش ميدهد تا از آسيب ديدن موتور الكتريكي جلوگيري كند همچنين در صورت وجود هرگونه خطا، سيستم به طور خودكار از حالت برقي به مكانيكي تغيير مي كند و چراغ اخطار روشن مي شود كه بايد با استفاده از نرم افزار و دستگاه عيب ياب، ايراد برطرف شود.
بيشترين نيرو توسط موتور الكتريكي هنگامي اعمال مي شود كه خودرو در سرعت پايين حركت كند و روي يك سطح با اصطكاك بالا فرمان با سرعت چرخانده شود. در شرايطي كه سطح جاده داراي اصطكاك كمي باشد نيروي كمتري توسط موتور الكتريكي اعمال و از انحراف خودرو جلوگيري مي شود. عواملي چون فشار باد تاير، سطح جاده، سرعت خودرو و ... بر مقدار نيرويي كه بايد راننده براي چرخش فرمان اعمال كند تأثير نخواهد داشت و در شرايط اضطراري كه فرمان به سرعت چرخانده مي شود با توجه به اهميت گشتاور مقاوم بين تاير و نيروي وارده به غربيلك، خودرو در مسير مستقيم بدون انحراف به حركت خود ادامه مي دهد.
سيستم فرمان برقي معمولا با ولتاژ 12ولت و ماكزيمم مصرف 80 آمپر و متوسط توان0.1 كيلووات كار مي كند.

با توجه به تعريف پروژه فرمان برقي توسط سازه گستر و همكاري با شركت سايپا در توليد خودروي پرايد، در اين گزارش به معرفي سيستم مذكور و مزاياي آن نسبت به سيستم هيدروليكي و نحوه عملكردش مي پردازيم. با در نظر گرفتن مزيت هاي سيستم فرمان برقي، احتمال دارد در آينده از آن به عنوان يكي از آپشن هاي خودروي S81 استفاده شود.


سيستم فرمان انواع گوناگوني دارد از جمله سيستم فرمان مكانيكي(دنده شانه اي و پينيون)، هيدروليكي والكتريكي.
معمول ترين آنها سيستم مكانيكي يا دنده شانه اي و پينيون است. پينيون حركت دوراني دارد و دنده شانه اي حركت خطي انجام مي دهد. در اين حال پينيون حركت دوراني غربيلك فرمان را به دنده شانه اي منتقل مي كند و دنده شانه اي نيز حركت خطي را از طريق مفصل ها به چرخ هاي خودرو انتقال مي دهد.
براي تسهيل در چرخش فرمان و به تبع آن كاهش خستگي راننده و همچنين افزايش ايمني، سيستم هيدروليكي ابداع شده است. براي ايجاد فرمان هيدروليكي معمولا اجزاي زير به قسمت مكانيكي فرمان اضافه مي شوند:
پمپ هيدروليك با مخزن روغن و چرخ تسمه،
شيرهاي كنترل،
لوله هاي رابط،
سيلندر و
تسمه.
سيستم هيدروليكي فرمان براي ايفاي نقش خود از موتور خودرو استفاده مي كند بنابراين از بازده آن اندكي مي كاهد همچنين مصرف انرژي بيشتر را در پي دارد. علاوه بر آن، سيستم هيدروليك به صورت مركز آزاد عمل مي كند يعني حتي وقتي خودرو به صورت مستقيم در حال حركت است و هيچ انحرافي ندارد باز هم به عملكرد خود ادامه مي دهد. اين موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سيستم هاي بهتر و مفيدتري بگردند و آنها را جايگزين سيستم هيدروليكي كنند يا سيستم هيدروليكي را بهبود بخشند.
يكي از سيستم هاي ارائه شده در سال هاي اخير، فرمان الكتروهيدروليكي(EHPS) است كه در آن به جاي استفاده از موتور خودرو، يك موتور الكتريكي به پمپ هيدروليك اضافه مي شود و در نتيجه فرمان از موتور مستقل مي شود.
در اين نوع فرمان هر چند مستقل بودن از موتور خودرو تحقق يافته ولي مشكل دائمي بودن عملكرد سيستم هيدروليكي يعني حالت مركز آزاد هنوز پا بر جاست.
به عبارت ديگر بايد وضعيتي را تدارك ديد كه سيستم تنها وقتي چرخشي به فرمان وارد مي شود عمل كند، نه هميشه.
از اين رو در نسل جديد خودروها فرمان الكتريكي(EPS)
جايگزين انواع قبلي شد. اين نوع فرمان مشابه نوع هيدروليكي عمل مي كند ولي از لحاظ ساختار متفاوت است. امروزه با توجه به مزاياي متعدد خودروهاي فرمان برقي در قياس با خودروهاي داراي فرمان¬هاي هيدروليكي و مكانيكي، بيشتر خودروسازان به استفاده از اين سيستم روي آورده اند تا جايي كه در سال 2007 بيش از 60درصد خودروهايي كه د اروپا به فروش رفته اند، سيستم فرمان برقي داشته اند.
از مزاياي سيستم را الكتريكي مي وان به افزايش سرعت، عملكرد بهتر فرمان و حفظ تعادل خودرو در انحراف ها اشاره كرد كه باعث فرمان پذيري آسانتر بهخصوص هنگام پارك خودرو ميشود و با توجه به ارتباط مدار الكتريكي با حسگرها و ECU، اين سيستم بسيار سريع و هوشمندانه عمل ميكند. از مزاياي سيستم فرمان برقي نسبت به فرمان هيدروليك مي توان بهبود و كاهش مصرف سوخت خودرو (حدود 5درصد) و تقويت فرمان در سرعت هاي پايين و كاهش قدرت فرمان در سرعت هاي بالا را نام برد. در سيستم فرمان برقي تنها زماني كه فرمان مي چرخد انرژي مصرف ميشود؛ در حالي كه در سيستم فرمان هيدروليك، پمپ هيدروليك صرف نظر از چرخش فرمان، به صورت دائم كار ميكند و حدود 5 اسب بخار از توان خودرو صرف توليد دبي و پمپاژ دائمي روغن هيدروليك در مدار مي شود. ماكزيمم قدرت فرمان هيدروليك در سرعتهاي بالاست كه بيشترين دبي توسط پمپ توليد ميشود؛ درحالي كه در سرعتهاي بالا كمترين نيرو براي چرخش فرمان مورد نياز است. وزن خودرو نيز در سيستم فرمان برقي به علت حذف اتصالات هيدروليك، پمپ، پولي و ... حدود 4 تا 6 كيلوگرم كمتر از خودروي مجهز به سيستم فرمان هيدروليك است همچنين حذف روغن هيدروليك و غير قابل چرخش بودن اين روغن باعث كاهش اثرات مخرب زيست محيطي آن مي شود و مشكلات ناشي از ايرادهاي مربوط به نشتي هاي روغن از اتصالات نيز در اين سيستم برطرف شده است. برخي مزايا در جدول شماره 1 به اختصارآورده شده است.

اجزاي اصلي سيستم فرمان برقي خودرو شامل موتور الكتريكي با جريان مستقيم(DC)، كنترل يونيت، ميله پيچشي و حسگر گشتاور است كه در ادامه به نحوه عملكرد اين سيستم مي پردازيم.
انواع سيستم هاي EPS با توجه به محل قرار گرفتن موتورالكتريكي تعريف ميشوند. موتور الكتريكي روي محور فرمان، پينيون، رك و يا به صورت تركيبي با پمپ هيدروليك قرار دارد. معمولا در مدلهاي جديد از نوع فرمان برقي با نصب موتور الكتريكي روي محور فرمان به جاي نصب روي جعبه فرمان استفاده ميكنند.

در سيستم فرمان برقي ميله پيچشي به محور فرمان متصل است و از طريق حسگر گشتاور متصل به ميله پيچشي، مقدار گشتاور مقاومي كه بر اثر چرخش فرمان بين چرخ هي خودرو و نيروي پيچشي فرمان اعمال ميشود، اندازه گيري مي گردد و براساس آن به سيگنال الكتريكي تبديل و به ECU ارسال ميشود. ECU هم براساس دادههاي ارسالي از حسگر گشتاور و سرعت خودرو، مقدار نيروي اعمالي لازم به موتور الكتريكي DC را تعيين ميكند.
ميله پيچشي جزئي از محور فرمان است و هنگام فرمان گيري از خودرو تحت دو گشتاور، يكي گشتاور ورودي از طرف غربيلك و ديگري گشتاور عكس العملي وارده از سمت تاير قرار مي گيرد. دو حسگر براي اندازه گيري مقدار نيروي پيچشي و تبديل آن به سيگنال الكتريكي و خروجي ولتاژ (متناسب با مقدار پيچش) وجود دارد. هر حسگر به صورت coil در شكل نشان داده شده است. بر اثر چرخش رينگ هاي متصل به شفت، القاي مغناطيسي دركويل ها ايجاد و به سيگنال الكتريكي تبديل مي شود كه در شرايط بدون اعمال گشتاور ولتاژ 2.5 ولت را توليد مي كند. وقتي پيچش اتفاق نمي افتد ميزان اختلاف ولتاژ خروجي حسگرها صفر و محدوده ولتاژ خروجي مجموعه دو حسگر صفر تا 5 ولت است. مطابق شكل وقتي فرمان به سمت چپ يا راست مي پيچد همزمان در يك حسگر ولتاژ خروجي افزايش مي يابد و در حسگر ديگر كاهش ولتاژ خروجي اتفاق مي افتد. هر چه اختلاف بين خروجي ولتاژ حسگرها بيشتر باشد نيروي اعمالي بيشتري در موتور الكتريكي توليد مي شود و در صورت معكوس شدن ولتاژ جهت چرخش موتور الكتريكي تغيير مي كند.ECU براساس سيگنالهاي مختلفي كه از حسگرهاي گشتاور و سرعت دريافت مي كند و با لحاظ وضعيت خودرو در آن لحظه مقدار دور لازم براي چرخش را به موتور الكتريكي ارسال مي كند و موتور الكتريكي DC توسط يك چرخ دنده گشتاور موتور الكتريكي را به محور فرمان انتقال مي دهداين سيستم كه مكانيزم كاهش نام دارد نيروي اعمالي موتور را به پينيون شفت انتقال مي دهد. اين مكانيزم شامل يك چرخ دنده مارپيچي و يا حلقوي است كه ارتباط بين پينيون محور فرمان و پينيون چرخ دنده اي متصل به شفت موتور را برقرار و نيروي موتور را به پينيون شفت منتقل مي كند. به اين ترتيب پينيون شفت به چرخش در مي آيد تا گشتاور مقاوم ايجاد شده در ميله پيچشي به صفر برسد.
ECU داراي سه مد عملياتي است:1- مد كنترلي نرمال: زماني كه فرمان به چپ و راست مي پيچد و نيروي كمكي با توجه به ميزان گشتاور ورودي در حسگر گشتاور اعمال مي شود. 2- مد كنترلي بازگشت: زماني كه فرمان به طور كامل پيچيده است نيروي كمكي در جهت برگشت ايجاد مي كند. 3- مد كنترلي ميراكننده: سرعت خودرو را با هدف بهبود احساس سواري و جذب تنش هاي وارده از جاده به چرخ ها تغيير مي دهد.
زماني كه فرمان تا انتها مي چرخد كنترل يونيت نيروي كمكي را كاهش مي دهد تا از آسيب ديدن موتور الكتريكي جلوگيري كند همچنين در صورت وجود هرگونه خطا، سيستم به طور خودكار از حالت برقي به مكانيكي تغيير مي كند و چراغ اخطار روشن ميشود كه بايد با استفاده از نرم افزار و دستگاه عيب ياب، ايراد برطرف شود.
بيشترين نيرو توسط موتور الكتريكي هنگامي اعمال ميشود كه خودرو در سرعت پايين حركت كند و روي يك سطح با اصطكاك بالا فرمان با سرعت چرخانده شود. در شرايطي كه سطح جاده داراي اصطكاك كمي باشد نيروي كمتري توسط موتور الكتريكي اعمال و از انحراف خودرو جلوگيري ميشود. عواملي چون فشار باد تاير، سطح جاده، سرعت خودرو و ... بر مقدار نيرويي كه بايد راننده براي چرخش فرمان اعمال كند تأثير نخواهد داشت و در شرايط اضطراري كه فرمان به سرعت چرخانده ميشود با توجه به اهميت گشتاور مقاوم بين تاير و نيروي وارده به غربيلك، خودرو در مسير مستقيم بدون انحراف به حركت خود ادامه ميدهد.
سيستم فرمان برقي معمولا با ولتاژ 12ولت و ماكزيمم مصرف 80 آمپر و متوسط توان0.1 كيلووات كار ميكند