دریچه گاز برقی چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است؟

دریچه گاز برقی چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟ همانطور که در مقاله سنسور پدال گاز بیان شد، برای مدیریت سیستم هوارسانی موتور خودرو از ترکیب سه بخش استفاده می‌شود که یکی از اصلی‌ترینِ آن‌ها، دریچه گاز است. در این مقاله به طور تخصصی به وظیفه، عملکرد و اجزا داخلی دریچه گاز برقی پرداخته خواهد شد. سطح این مقاله آموزشی کاملاً کاربردی و قابل‌استفاده برای کمک تکنسین‌ها و تکنسین‌های تعمیرات خودرو است.

دریچه گاز برقی و اجزای آن

بر اساس تصویر (شکل ۱) که قرار دادید، اجزای داخلی و تشکیل‌دهنده دریچه گاز برقی شامل ۶ بخش کلیدی است:

• هوزینگ دریچه گاز: همان پوسته و بدنه فلزی (یا کامپوزیتی) است که تمام قطعات را داخل خود جای داده است.

• موتور دریچه گاز: موتور برقی کوچکی است که وظیفه دارد با دستور ایسیو خودرو، پروانه گاز را بچرخاند.

• پتانسیومتر دریچه گاز: سنسوری است که زاویه دقیق باز و بسته بودن پروانه را ثانیه به ثانیه به ECU گزارش می‌دهد.

• مجموعه گیربکس دریچه گاز: شامل چرخ‌دنده‌ها و فنر دریچه گاز است که نیروی موتور برقی را به پروانه منتقل می‌کنند تا حرکت آن روان و سریع باشد.

• پروانه دریچه گاز: همان پولکی مدور داخلی است که با چرخیدن، مسیر ورود هوا به موتور خودرو را باز یا بسته می‌کند.

• کانکتور: سوکت و مسیر سیم‌کشی است که جریان برق موتور و سیگنال‌های سنسور زاویه را به برد و کامپیوتر متصل می‌کند.

شکل 1- اجزا اصلی دریچه گاز برقی

دریچه گاز برقی ترکیبی از یک موتور (عملگر) و یک سنسور موقعیت دریچه گاز واحد پروانه‌ای، مجموعه جعبه‌دنده و کانکتور سیم‌کشی تشکیل شده است. شکل 2 اجزا خارجی دریچه گاز برقی را نشان می‌دهد.

1- موتور یا استپر موتور 2- دریچه گاز 3- مکانیزم موتور و سنسور 4- کانکتور
شکل 2- اجزا ظاهری مجموعه دریچه گاز برقی

همانطور که در شکل 2 نیز مشاهده می‌شود مجموعه موتور (یا استپرموتور) و سنسور موقعیت سنجی به صورت ترکیبی زیر یک درپوش قرار می‌گیرند. برای تشخیص بهتر اجزا به شکل 3 توجه کنید.

1-هوزینگ دریچه گاز 2- موتور (استپر موتور) 3- درپوش مجموعه دریچه گاز
4- چرخ دنده 5- مجموعه سنسور موقعیت دریچه (پتانسیومتر دریچه گاز) 6- پروانه ای دریچه گاز
7- واحد مقاومت پتانسیومتر
شکل 3- اجزا مجموعه دریچه گاز

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است موتور DC (شماره 1) نصب شده روی دریچه گاز به مکانیزم چرخدنده ای متصل است. هنگامی که فرمان میزان چرخش موتور توسط ECM صادر می‌شود موتور شروع به حرکت می‌کند و سبب حرکت مکانیزم چردنده‌ای خواهد شد، این مکانیزم در نهایت باعث حرکت پروانه‌ای دریچه گاز می‌شود. روی آخرین چرخ دنده جاروبک‌های (شماره 5) پتانسیومتر دریچه گاز نیز متصل است. این جاروبک‌ها با حرکت چرخدنده (شماره 4) حرکت می‌کنند. جاروبک‌ها روی واحد مقاومت (شماره 7) حرکت می‌کنند و میزان مقاومت مسیر را متناسب با محل قرار گرفتن چاروبک‌ها روی پتانسیومتر تغییر می‌دهند. تغییرات مقاومت پتانسیومتر از طریق دسته سیم به ECM (ایسیو موتور) می‌رسد و ایسیو موتور از میزان باز شدن دریچه گاز مطلع می‌شود.

موتور دریچه گاز برقی (موتور DC) چیست؟

همانطور که اشاره شد در مجموعه دریچه گاز برقی از موتور DC یا گاهی استپر موتور استفاده می‌شود.

شکل 4- موتور DC دریچه گاز

باتوجه‌به اهمیت میزان حرکت آرمیچر این موتور نحوه جریان دهی آن با موتورهای معمولی مانند موتور شیشه‌بالابر یا موتور برف‌پاک‌کن کاملاً متفاوت است. معمولاً این موتورها با استفاده از سیگنال PWM توسط ایسیو موتور کنترل می‌شود.

a- چرخش ساعت‌گرد b- چرخش پادساعت‌گرد
شکل 5- نحوه کنترل موتور DC با سیگنال PWM

همانطور که در شکل 5 مشاهده میشودبا استفاده از 4 ترانزیستور می‌تواند مدار را کنترل کرد. ترانزیستورها در ECM قرار دارند بنابراین دو سیم از ECM به این موتور متصل خواهد شد (شماره 1). در شکل a ولتاژ 12 ولتی به ترانزیستور بالا چپ وارد می‌شود اگر ECM پایه بیس (Base) این ترانزیتسور را همانطور که در شمل نشان داده شده است به صورت دیجیتال تحریک کند، جریان برق از پایه کلکتور (Coloctor)خارج شده و به ذغال بالایی موتور DC می‌رسد به صورت همزمان ایسیو موتور ترانزیستور پایین راست را به صورت موج معکوس ترانزیستور بالا چپ تحریک می‌کند بنابراین جریان از ذغال پایینی موتور به بدنه متصل می‌شود.
حالت b دقیقاً معکوس این وضعیت را نشان می‌دهد؛ یعنی جریان برق مثبت از ترانزیستور پایین چپ وارد زغال پایینی موتور شده و منفی موتور از طریق زغال بالایی و ترانزیستور بالا راست تأمین می‌شود.

فنر دریچه گاز برقی چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟

یکی از اجزای کلیدی دریچه گاز برقی که معمولاً در بحث‌های فنی کمتر به آن پرداخته می‌شود، فنر پیچشی (Return Spring) است. این قطعه کوچک، نقشی فوق‌العاده حیاتی در حفظ ایمنی راننده و افزایش دقت عملکرد موتور ایفا می‌کند. در ادامه به بررسی وظایف حساس و نشانه‌های خرابی این فنر می‌پردازیم.

فنر پیچشی به طور مستقیم روی محور پولکی (صفحه پروانه‌ای) دریچه گاز نصب می‌شود. مکانیزم این فنر به گونه‌ای طراحی شده که همواره تمایل دارد دریچه را در یک موقعیت پیش‌فرض (کمی باز یا به اصطلاح حالت Limp-home) نگه دارد. تقابل این فنر با موتور DC دریچه گاز، ۳ هدف اساسی را دنبال می‌کند:

• حفظ ایمنی راننده (مکانیزم Fail-Safe): اگر به هر دلیلی برق خودرو قطع شود یا موتور DC دریچه گاز بسوزد، نیروی فنر فوراً پولکی را به یک موقعیت نیمه‌بازِ پیش‌فرض هدایت می‌کند. این طراحی هوشمندانه اجازه می‌دهد خودرو خاموش نشود و راننده بتواند با دور آرام (Idle) ماشین را به کنار جاده یا اولین تعمیرگاه برساند.
• افزایش دقت تنظیم زاویه پولکی: تقابل دائمی نیروی مکانیکی فنر با نیروی الکتریکی موتور DC در هر دو جهت (باز و بسته شدن)، به کامپیوتر خودرو (ECU) این امکان را می‌دهد که زاویه دریچه گاز را با دقت صدمِ درجه کنترل کند.
• حذف لقی مکانیکی چرخ‌دنده‌ها: فنر با وارد کردن یک نیروی ثابت و همیشگی به مکانیزم چرخ‌دنده‌های داخلی، لقی (Backlash) بین آن‌ها را کاملاً خنثی کرده و از لرزش پولکی جلوگیری می‌کند.

مهم‌ترین علائم خرابی فنر دریچه گاز برقی

ضعیف شدن، در رفتن یا شکستن فنر پیچشی، مستقیماً روی گاز خوردن خودرو تأثیر می‌گذارد. در صورت بروز مشکل در این قطعه، معمولاً نشانه‌های زیر در خودرو ظاهر می‌شوند:

1. ورود خودرو به حالت اضطراری (Limp-Home Mode)

   ایسیو (ECU) به‌طور مداوم زاویه هدف پولکی را با زاویه واقعی ارسال‌شده از سنسور موقعیت دریچه گاز (TPS) مقایسه می‌کند. وقتی فنر خراب باشد، سرعت و بازخورد حرکت پولکی با محاسبات ECU همخوانی ندارد.علامت: روشن شدن چراغ چک یا چراغ EPC، محدود شدن دور موتور (معمولاً روی ۱۵۰ یا ۲۰۰۰ دور در دقیقه) و عدم گاز خوردن خودرو.

2. نوسان شدید دور موتور در حالت درجا (Hunting Idle)

   بدون کشش استاندارد فنر، موتور الکتریکی دریچه گاز برای تثبیت موقعیت پولکی دچار نوسان می‌شود؛ زیرا نیروی مقاومتی که باید در برابر آن کار کند وجود ندارد یا متغیر شده است.علامت: شلاق زدن و بالا و پایین رفتن مداوم عقربه دور موتور در حالت درجا (بین ۸۰۰ تا ۱۵۰۰ دور).

3. کُندی در بازگشت دور موتور (RPM Hang)

   هنگامی که پدال گاز را رها می‌کنید، بازگشت سریع پولکی به زاویه ایده‌آل عمدتاً بر عهده فنر است.علامت: با برداشتن پا از روی پدال، دور موتور با تأخیر پایین می‌آید یا برای چند ثانیه بالا می‌ماند.

4. بد استارت خوردن یا خاموش شدن ناگهانی موتور

   اگر فنر بشکند و پولکی کاملاً بسته شود (زاویه ۰ درجه)، هنگام استارت زدن هوای کافی وارد مانفیولد نشده و خودرو روشن نمی‌شود یا بلافاصله پس از روشن شدن خاموش می‌شود.

5. پدیدار شدن کدهای خطای مشخص در دیاگ

   در تست دیاگ، کدهای خطای مربوط به عملگر دریچه گاز ثبت می‌شوند، از جمله:

P2111: گیر کردن سیستم کنترل عملگر دریچه گاز در حالت باز (Throttle Actuator Control System – Stuck Open)

P2112: گیر کردن سیستم کنترل عملگر دریچه گاز در حالت بسته (Throttle Actuator Control System – Stuck Closed)

P2109 / P0121: کدهای عدم تطابق عملکرد سنسور و عملگر دریچه گاز

چرخ دنده دریچه گاز برقی و ساختار مکانیزم آن

مکانیزم چرخ‌دنده‌ای یکی از اجزای کلیدی دریچه گاز برقی است که وظیفه انتقال حرکت از موتور DC به پروانه‌ای دریچه گاز را بر عهده دارد.

ساختار و عملکرد مکانیزم چرخ‌دنده

موتور DC به تنهایی نمی‌تواند گشتاور کافی برای حرکت دقیق پروانه‌ای را تأمین کند. به همین دلیل از یک مجموعه چرخ‌دنده کاهنده استفاده می‌شود. این مجموعه معمولاً از سه چرخ‌دنده تشکیل شده است:

• چرخ‌دنده اول: مستقیماً روی شفت موتور DC نصب است و با سرعت بالا و گشتاور پایین می‌چرخد
• چرخ‌دنده میانی: سرعت را کاهش و گشتاور را افزایش می‌دهد
• چرخ‌دنده نهایی: مستقیماً به محور پروانه‌ای متصل است و جاروبک‌های پتانسیومتر نیز روی همین چرخ‌دنده قرار دارند

مکانیزم عملکرد چرخ‌دنده‌ها چطور است؟

زمانی که راننده پدال گاز را فشار می‌دهد، موتور DC شروع به چرخیدن می‌کند. چرخ‌دنده اول این حرکت سریع را به چرخ‌دنده میانی منتقل می‌کند. چرخ‌دنده میانی با کاهش سرعت دورانی، گشتاور (قدرت) لازم را برای چرخ‌دنده نهایی فراهم می‌سازد. در نهایت، چرخ‌دنده نهایی می چرخد، فنر دریچه گاز را فشرده می‌کند و پولکی را دقیقاً به میزان درخواستی ECU باز می‌کند. به محض رها کردن پدال، نیروی فنر از طریق همین چرخ‌دنده‌ها پولکی را به حالت اول برمی‌گرداند.

پتانسیومتر دریچه گاز و نحوه عملکرد سنسور آن

برای تشخیص دقیق موقعیت دریچه گاز ضروری است میزان زاویه قرارگرفتن پروانه‌ای به ایسیو موتور ارسال شود. برای اینکه مانند سنسور پدال گاز از ترکیب دو پتانسیومتر استفاده می‌شود. شکل 6 شماتیک اتصال پتانسیومتر دریچه گاز با ECM را نشان می‌دهد.

1- (ECM) 2- دریچه گاز
شکل 6- شماتیک ارتباط بین ECM و دریچه گاز برقی

همانطور که ملاحظه می‌شود با کمک 4 رشته سیم دو پتانسیومتر دریچه گاز به ECM متصل هستند همانطور که در شکل شماتیک هم نشان داده شده است پتانسیومترها به صورت معکوس یکدیگر قرار گرفته اند. شکل 7 نحوه تماس جاروبک‌ها با صفحه مقاومتی و منحنی تغییرات ولتاژ تولیدی را نشان می‌دهد.

1- جاروبک 2- صفحه دوار به مقاومت چابی روی آن 3- چرخ دنده
شکل 7- نحوه اتصال چاروبک به پتانسیومتر روی سنسور دریچه گاز

دلیل استفاده از دو پتانسیومتر معکوس چیست؟

وقتی پولکی حرکت می‌کند، ولتاژ خروجی یکی از پتانسیومترها افزایش و ولتاژ دیگری به همان نسبت کاهش می‌یابد. ECU با مقایسه هم‌زمان این دو ولتاژ معکوس، از سلامت سنسور دریچه گاز برقی و صحت تنظیم زاویه دریچه گاز مطمئن می‌شود. هرگونه عدم تطابق بین این دو ولتاژ، باعث روشن شدن چراغ چک و رفتن خودرو به حالت اضطراری می‌شود.

در این مقاله به بررسی تخصصی اجزای دریچه گاز برقی از جمله موتور DC، عملکرد مکانیزم چرخ‌دنده‌ها، فنر برگردان و نحوه کارکرد پتانسیومتر دریچه گاز پرداختیم. شناخت این قطعات به درک بهتر عیوب سیستم هوارسانی خودرو کمک می‌کند. در مقالات بعدی، نحوه عیب‌یابی و مدیریت الکترونیکی دریچه گاز برقی را بررسی خواهیم کرد.

سوالات متداول

مهم‌ترین علائم خرابی فنر دریچه گاز برقی چیست؟

ضعیف شدن یا شکستن فنر برگردان باعث بالا ماندن دور موتور، گاز خوردن بی‌دلیل خودرو در دور آرام و بهم خوردن تنظیم زاویه دریچه گاز می‌شود که بلافاصله چراغ چک را روشن می‌کند.

چرا خودروهای دارای دریچه گاز برقی تاخیر پدال گاز دارند؟

این تاخیر به دلیل فرآیند الکترونیکی ارسال سیگنال از پدال به ECU و سپس دستور ECU به موتور DC است. البته کثیفی دریچه، سفت شدن فنر یا کچل کردن چرخ‌دنده‌ها این تاخیر را به شدت افزایش می‌دهند.

وظیفه پتانسیومتر دریچه گاز برقی چیست؟

این قطعه در واقع همان سنسور موقعیت دریچه گاز است که زاویه دقیق باز بودن پولکی را لحظه به لحظه به صورت ولتاژ به ECU گزارش می‌دهد تا حجم هوای ورودی دقیقاً کنترل شود.

آیا دریچه گاز برقی استپر موتور دارد؟

خیر، در سیستم دریچه گاز برقی، استپر موتور کاملاً حذف شده است. وظیفه تنظیم دور آرام خودرو مستقیماً توسط موتور DC و با باز و بسته کردن بسیار دقیق پولکی (پروانه) انجام می‌شود.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی