آشنایی با جعبه فرمان هیدرولیک خودرو: ۴ عملکرد کلیدی و روش‌های عیب‌یابی

جعبه فرمان یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم فرمان خودرو است که وظیفه دارد نیروی چرخشی غربیلک فرمان را به حرکت خطی لازم برای چرخاندن چرخ‌ها تبدیل کند. در نوع هیدرولیکی، این فرآیند با کمک فشار روغن هیدرولیک انجام می‌شود تا راننده بتواند با نیروی کمتر، خودرو را کنترل کند.
در این مقاله به بررسی ساختار جعبه فرمان هیدرولیک، اجزای داخلی آن، نحوه عملکرد در شرایط مختلف و روش‌های رایج عیب‌یابی می‌پردازیم.

جعبه فرمان هیدرولیک چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟

وظیفه جعبه فرمان هیدرولیک، تبدیل نیروی دورانی غربیلک فرمان به حرکت چرخ‌ها با کمک نیروی تقویتی هیدرولیک است.

در این سیستم:

• نیروی دست راننده وارد ستون فرمان می‌شود
• حرکت به جعبه فرمان منتقل می‌شود
• فشار روغن هیدرولیک، حرکت را تسهیل و تقویت می‌کند
• چرخ‌ها با نیروی کمتر و نرمی بیشتر تغییر جهت می‌دهند

مزیت اصلی این سیستم، کاهش نیروی مورد نیاز راننده خصوصاً در سرعت پایین و هنگام پارک است.

انواع جعبه فرمان هیدرولیک

جعبه‌های فرمان هیدرولیکی به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1) Rack and Pinion (رک و پینیون هیدرولیکی)

رایج‌ترین نوع مورد استفاده در خودروهای سواری امروزی است.
ساختار ساده‌تر، وزن کمتر و پاسخ‌دهی بهتر از دلایل محبوبیت آن است.

2) Integral Piston Linkage

در این نوع، جک هیدرولیکی ممکن است خارج از مجموعه رک‌وپینیون نصب شود.
به این مدل‌ها External Piston Linkage نیز گفته می‌شود.

در برخی خودروهای قدیمی‌تر (مانند برخی مدل‌های اولیه پژو 405 هیدرولیک)، جک بیرونی به سیستم مکانیکی اضافه شده است تا هزینه تولید کاهش یابد.

شکل 1 نمونه‌ای از دسته‌بندی آنها را نشان می‌دهد.

شکل 1- انواع جعبه فرمان هیدرولیک

جعبه‌فرمان‌های هیدرولیکی امروزی عموماً از نوع جعبه‌دنده شانه‌ای (rock and pinion) هستند؛ چون ساختار نسبتاً ساده‌تری در مقایسه با سایر انواع دارند و علاوه‌برآن عملکرد بهتری نیز دارند. شکل 2 شماتیک این دو نمونه را نشان می‌دهد.

1- پمپ هیدرولیک 2- شیلنگ‌های ارتباطی 3- جعبه فرمان 4- گردگیر
شکل 2- سیستم‌های متداول هیدرولیک فرمان

نظر به اینکه سایر سیستم‌ها هیدرولیک فرمان کمتر در خودروهای داخلی مورداستفاده قرار گرفته است. فعلاً به شرح اجزا و روش عملکرد آن پرداخته نمی‌شود و روش متداول سیستم جعبه فرمان (جعبه فرمان هیدرولیکی خودرو) شانه‌ای مورد بررسی قرار خواهد گرفت

مجموعه جعبه فرمان (جعبه فرمان و شیر کنترل فشار)

همانطور که قبلاً اشاره شد سیستم‌های فرمان هیدرولیک عموماً از نوع شانه‌ای هستند. شکل 3 چند نمونه جعبه فرمان هیدرولیک رانشان می‌دهد.

شکل 3- نمونه‌هایی از جعبه فرمان هیدرولیک

مجموعه جعبه فرمان هیدرولیک از نوع راک و پینیون از دو بخش اصلی تشکیل شده است. شکل 4 این دو بخش را نشان می‌دهد.

1- شیر کنترل هیدرولیک 2- جعبه‌فرمان شانه‌ای (راک)
شکل 4- اجزا اصلی مجموعه جعبه فرمان هیدرولیک

اجزا داخلی مجموعه جعبه‌فرمان در شکل 5 مشخص شده است.

1-محور از ستون فرمان 2- شیر کنترل هیدرولیکی 3- میل‌فرمان 4- دنده شانه‌ای (rack)
4- صفحه آب‌بندی 6- مایع هیدرولیک فرمان 7- پیستون 8- صفحه آب‌بندی
9- گردگیر
شکل 5- اجزا داخلی مجموعه جعبه فرمان هیدرولیکی از نوع شانه‌ای (rack and pinin)

در جعبه‌فرمان‌های هیدرولیکی با هدایت روغن هیدرولیک به طرفین پیستون، حرکت دنده شانه‌ای (Rack) را به طرفین تسهیل می‌کند. توجه کنید که سیستم هیدرولیک باعث افزایش نیرو شده و حرکت را روان‌تر می‌کند. شکل 6 به‌صورت بسیار ساده این فرایند را نشان می‌دهد.

1- محفظه قرارگرفتن مایع هیدرولیک 2- صفحه آب‌بند 3- پیستون 4- صفحه آب‌بندی
5- فشار مایع هیدرولیک پمپ شده به محفظه سمت راست 6- فشار مایع هیدرولیک پمپ شده به محفظه سمت چپ
شکل 6- نحوه عملکرد ساده جعبه فرمان هیدرولیک از نوع شانه‌ای

توجه کنید که به دلیل اهمیت فراوان سیستم فرمان در ایمنی، سیستم هیدرولیک فرمان طوری طراحی شده است که حتی اگر به دلیل نقص در مدار هیدرولیک، این بخش از کار بیفتد هنوز قابلیت هدایت خودرو توسط راننده وجود دارد منتهی برای این کار نیاز به‌صرف نیروی بیشتری توسط راننده است.

همان‌طور که اشاره شد با هدایت فشار مایع هیدرولیک (روغن) به یک سمت و خروج روغن از مجرای سمت دیگر نیرو در طرفین پیستون تغییر کرده و حرکت rack را تسهیل می‌کند. عضوی که باعث می‌شود، فشار روغن به سمت موردنظر هدایت شود را شیر تقسیم یا شیر کنترل هیدرولیک جعبه‌فرمان نامیده می‌شود. شکل 7 چند نمونه از شیر هیدرولیک را نشان می‌دهد.

شکل 7 – چند نمونه شیر هیدرولیک فرمان

هر شیر کنترل دارای 4 مجرا است این مجراها عبارت‌اند از :

• به سمت مخزن (Tank)
• به سمت پمپ (Pump)
• به سمت چپ جعبه‌فرمان
• به سمت راست جعبه‌فرمان

متناسب با حرکت میل‌فرمان ارتباط بین این مجراها برقرار یا قطع می‌شود. باتوجه‌به پیچیده بودن مجموعه شیر کنترل عملکرد آن در یک مقاله مجزا بررسی خواهد شد و در اینجا به‌صورت بسیار ساده مجموعه عملکرد شیر فرمان (شیر کنترل پمپ هیدرولیک فرمان) و جعبه فرمان تشریح میشود.

عملکرد مجموعه جعبه‌فرمان و شیر کنترل

جهت سهولت تشریح مطالب و درک بهتر عملکرد مجموعه را به‌صورت بسیار ساده با استفاده از شکل 8 توضیح داده می‌شود.

1- میله‌ستون فرمان(Torsion bar) 2- مسیر مایع هیدرولیک به‌طرف مخزن (Tank)
3- مسیر مایع هیدرولیک از پمپ (Pump) 4- پینیون 5- پیستون 6- راک
7- لوله‌های جعبه‌فرمان (A-B) 8- شیر هیدرولیک
A: لوله ارتباط به سمت راست B: لوله فشارقوی به سمت چپ
شکل 8- شماتیک عملکرد مجموعه جعبه فرمان و شیر کنترل هیدرولیک شعاعی

عملکرد بدون سیستم کمکی

اگر در حالت خاموش بودن موتور یا خرابی مجموعه هیدرولیک، غربیلک فرمان چرخانده شود، نیروی دورانی از طریق میله‌ستون فرمان (شماره 1) به پینیون (شماره 4) منتقل شده و دنده پینیون با دنده شانه‌ای rack در تماس بوده و باعث حرکت راک به سمت چپ یا راست شده و در نهایت این حرکت به میل‌های فرمان و سیبک‌ها منتقل شده و مجموعه چرخ به سمت راست یا چپ هدایت خواهد شد. عملکرد مجموعه فرمان در این حالت با عملکرد مجموعه فرمان از نوع دستی تفاوتی ندارد.

عملکرد در حالت روشن بودن موتور – فرمان مستقیم

اگر موتور روشن شود پمپ هیدرولیک فرمان که با استفاده از تسمه به موتور متصل است نیز دوران خواهد کرد و فرایند پمپ‌کردن و افزایش فشار در مدار هیدرولیک خواهد شد. در بخش مجموعه پمپ اتفاقاتی که در حالت‌های مختلف در پمپ مورد بررسی قرار گرفت.

در اینجا به بررسی عملکرد مجموعه جعبه‌فرمان پرداخته می‌شود. اگر فرمان در حالت مستقیم قرار بگیرد شیر کنترل هیدرولیک طوری مایع هیدرولیک را هدایت می‌کند ورودی از پمپ هیدرولیک (شماره 3) و خروجی به مخزن (شماره 2) و لوله‌های جعبه فرمان (شماره 7) همه به یکدیگر راه پیدا می‌کنند.

بنابراین فشار در طرفین پیستون (شماره 5) برابر شده و rack در محل خود ثابت مانده و حرکت نخواهد کرد. در صورت افزایش فشار در مدار شیر کنترل جریان موجود در پمپ هیدرولیک (اسپول) فشار و جریان مدار را کنترل کرده و بخش عمده آن را به‌صورت جریان هرز در داخل پمپ به دوران در می‌آورد.

عملکرد در حال روشن بودن موتور – پیچیدن به سمت راست

هنگامی که غربیلک فرمان به سمت راست چرخانده شود شیر هیدرولیک فرمان طوری قرار می‌گیرد که مجرای ورودی از پمپ از طریق لوله انتقال به سمت چپ پیستون (مجرای B) هدایت می‌شود. هم زمان به این اتفاق سمت راست پیستون (مجرای A) از طریق لوله‌ای انتقال به شیر کنترل هیدرولیک (شماره 8) رسیده و در آنجا به سمت مخزن (شماره 2) هدایت می‌شود.

این اتفاق سبب افزایش فشار در سمت چپ پیستون و کاهش فشار در سمت راست پیستون جعبه فرمان شده و در نهایت منجر به حرکت راک (rack) به سمت راست خواهد شد.

عملکرد در حال روشن بودن موتور – پیچیدن به سمت چپ

هنگامی که غربیلک فرمان به سمت چپ چرخانده شود شیر هیدرولیک فرمان طوری قرار می‌گیرد که مجرای ورودی از پمپ از طریق لوله انتقال به سمت راست پیستون (مجرای A) هدایت می‌شود. هم زمان به این اتفاق سمت چپ پیستون (مجرای B) از طریق لوله‌ای انتقال به شیر کنترل هیدرولیک (شماره 8) رسیده و در آنجا به سمت مخزن (شماره 2) هدایت می‌شود.

این اتفاق سبب افزایش فشار در سمت راست پیستون و کاهش فشار در سمت چپ پیستون جعبه فرمان شده و در نهایت منجر به حرکت راک (rack) به سمت چپ خواهد شد.

شیر کنترل هیدرولیک چه وظیفه‌ای دارد؟

شیر کنترل دارای چهار مجرای اصلی است:

• مسیر به سمت پمپ
• مسیر به سمت مخزن
• مسیر به سمت چپ جعبه فرمان
• مسیر به سمت راست جعبه فرمان

با چرخش فرمان، این مجراها باز یا بسته می‌شوند و فشار روغن به سمت مناسب هدایت می‌شود.

مزایا و معایب جعبه فرمان هیدرولیک

مزایا

• فرمان نرم‌تر
• کاهش خستگی راننده
• مناسب خودروهای سنگین‌تر

معایب

• مصرف انرژی دائم توسط پمپ
• افزایش مصرف سوخت
• احتمال نشتی روغن
• هزینه نگهداری بیشتر نسبت به فرمان برقی

علائم خرابی جعبه فرمان هیدرولیک

مهم‌ترین نشانه‌های خرابی عبارت‌اند از:

• سفت شدن فرمان
• صدای زوزه هنگام چرخاندن فرمان
• نشتی روغن هیدرولیک
• لرزش فرمان
• عدم برگشت مناسب فرمان
• روغنی شدن گردگیرها

روش‌های عیب‌یابی جعبه فرمان هیدرولیک

1) بررسی سطح و کیفیت روغن هیدرولیک

کم بودن سطح یا تغییر رنگ شدید روغن نشانه مشکل است.

2) بررسی نشتی

شلنگ‌ها، اتصالات، گردگیر رک و محل آب‌بندی‌ها باید بررسی شوند.

3) تست فرمان درجا

فرمان باید نرم و یکنواخت بچرخد، بدون صدا یا گیر کردن.

4) بررسی صدای پمپ

صدای غیرعادی پمپ می‌تواند نشانه خرابی داخلی باشد.

جمع‌بندی نهایی

جعبه فرمان هیدرولیک یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم فرمان خودرو است که با استفاده از فشار روغن، نیروی مورد نیاز برای چرخاندن چرخ‌ها را کاهش می‌دهد.
نوع رک‌وپینیون هیدرولیکی رایج‌ترین مدل در خودروهای سواری است.

درک نحوه عملکرد شیر کنترل، پیستون و مسیرهای روغن، به تشخیص دقیق عیب کمک می‌کند.
با وجود مزایای زیاد، مصرف انرژی دائم و هزینه نگهداری از نقاط ضعف آن محسوب می‌شود.

سوالات متداول

1) جعبه فرمان هیدرولیک چگونه کار می‌کند؟

با هدایت روغن پرفشار به دو طرف پیستون داخل رک، حرکت شانه‌ای تسهیل شده و فرمان نرم‌تر می‌شود.

2) اگر سیستم هیدرولیک خراب شود آیا خودرو قابل هدایت است؟

بله، اما فرمان سفت‌تر خواهد شد چون سیستم مکانیکی همچنان فعال است.

3) علت سفت شدن فرمان هیدرولیک چیست؟

کم بودن روغن، خرابی پمپ، نشتی یا مشکل در شیر کنترل از دلایل رایج است.

4) تفاوت رک‌وپینیون هیدرولیکی با مکانیکی چیست؟

در نوع هیدرولیکی فشار روغن به حرکت رک کمک می‌کند اما در نوع مکانیکی تمام نیرو توسط راننده تأمین می‌شود.

5) چرا فرمان هیدرولیک مصرف سوخت را افزایش می‌دهد؟

چون پمپ هیدرولیک حتی در زمان عدم فرمان‌دهی نیز توسط موتور می‌چرخد و انرژی مصرف می‌کند.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی