شیر فرمان هیدرولیک

شیر کنترل جعبه فرمان هیدرولیکی

شیر فرمان هیدرولیک یا شیر کنترل جعبه فرمان، قطعه‌ای است که تصمیم می‌گیرد فشار روغن به کدام سمت جعبه‌فرمان هدایت شود و هم‌زمان دو وظیفه بر عهده دارد: انتقال مکانیکی گشتاور دست راننده از غربیلک به مکانیزم فرمان، و ایجاد کمک هیدرولیکی برای کاهش نیروی موردنیاز راننده. اجزای اصلی آن شامل میله پیچشی (تورشن‌بار)، اسپول داخلی، اسپول خارجی، محور پینیون و پوسته با چهار مجرا است.

قلب هوشمند این مجموعه، میله پیچشی است که مانند یک حسگر مکانیکی عمل می‌کند؛ با پیچش خود اختلاف زاویه‌ای (حداکثر حدود ۱۰ درجه) بین دو اسپول ایجاد می‌کند و همین اختلاف کوچک، مجاری روغن را به سمت دلخواه راننده باز می‌نماید. به همین دلیل به آن شیر تناسبی نیز گفته می‌شود. در این مقاله ساختار داخلی شیر کنترل، مجاری آن و عملکردش در حالت فرمان مستقیم و هنگام پیچیدن به چپ و راست را مرحله‌به‌مرحله بررسی می‌کنیم.

در مقاله مجموعه جعبه‌ فرمان هیدرولیک به‌صورت کلی در مورد اجزای جعبه‌فرمان هیدرولیکی مطالبی بیان شد؛ یکی از این اجزا شیر کنترل است که در این مقاله به تشریح ساختار و نحوه عملکرد آن پرداخته می‌شود.

وظیفه و اجزای شیر فرمان هیدرولیک

شکل ۱ مجموعه شیر جعبه فرمان را نشان می‌دهد.

شکل ۱- شیر کنترل جعبه فرمان ۴۰۵

به‌صورت کلی مجموعه شیر فرمان هیدرولیک دو هدف را بر عهده دارد: اول اینکه مسیر انتقال گشتاور از ستون فرمان به جعبه‌فرمان را برقرار کند و دیگر آنکه شرایط کمکی برای کاهش نیروی دست راننده را فراهم نماید. بر اساس این تعریف، اجزای این شیر را می‌توان به دو بخش کلی مکانیکی و هیدرولیکی تقسیم کرد که در شکل ۲ قابل‌مشاهده است.

شکل ۲- دسته‌بندی اجزای شیر جعبه فرمان

اجزای مکانیکی، انتقال گشتاور از غربیلک فرمان به جعبه‌ فرمان را بر عهده دارند. عملکرد این بخش طوری است که حتی اگر سیستم هیدرولیک از کار بیفتد، باز هم فرمان‌ دهی به چرخ‌ها انجام خواهد شد (البته با صرف نیروی بیشتر توسط راننده). اجزای هیدرولیکی نیز مسیر انتقال مایع هیدرولیک فرمان را طوری فراهم می‌کنند که راننده با حداقل نیروی اعمالی به غربیلک، فرمان‌ دهی را انجام دهد.

پوسته و چهار مجرای شیر فرمان

مجموعه شیر فرمان هیدرولیک در داخل یک پوسته قرار گرفته است و مجاری ورودی و خروجی آن از طریق شیلنگ‌ها به جعبه‌ فرمان، مخزن و پمپ متصل می‌شود. در شکل ۳ نوعی پوسته یا بدنه شیر فرمان مشاهده می‌شود.

۱- مجاری ورودی و خروجی
شکل ۳- نوعی پوسته شیر فرمان هیدرولیک

همان‌طور که در مقاله جعبه‌ فرمان تشریح شد، چهار مجرا روی پوسته شیر کنترل مشاهده می‌شود: مجرای پمپ، مجرای مخزن، مجرای سمت چپ جعبه‌ فرمان و مجرای سمت راست جعبه‌ فرمان. دلیل وجود دقیقاً چهار مجرا این است که سیستم باید هم‌ زمان بتواند روغن پرفشار را از پمپ بگیرد، به یکی از دو سمت پیستون بفرستد، و روغن سمت مقابل را به مخزن برگرداند؛ حذف هر کدام از این مسیرها، امکان کنترل جهت‌دار فشار را از بین می‌برد. این مجاری از طریق حرکت کردن اجزای داخلی شیر، به هم متصل یا از یکدیگر جدا می‌شوند.

اجزای داخلی شیر کنترل

اجزای داخلی شیر در شکل ۴ مشاهده می‌شود.

A: مجموعه کامل
۱- میله پیچشی ۲- شیر یا اسپول داخلی ۳- شیر یا اسپول خارجی ۴- محور پینیون
شکل ۴- اجزای داخلی نوعی شیر کنترل جعبه فرمان

به‌صورت ساده می‌توان گفت واحد شیر کنترل هیدرولیک در واقع توسعه‌ یافته همان مجموعه پینیون سیستم فرمان ساده است؛ با این تفاوت که علاوه بر ایجاد ارتباط مکانیکی با استفاده از پینیون و دنده، از یک شیر تناسبی نیز برای انتقال فشار هیدرولیک بهره‌ مند شده است که متناسب با سرعت چرخش غربیلک فرمان و جهت آن، مجراهای ورودی و خروجی را باز کرده یا می‌بندد. شکل ۵ محل قرارگرفتن این شیر را روی جعبه‌ فرمان و اجزای داخلی آن به‌صورت شماتیک و برش‌خورده نشان می‌دهد.

شکل ۵- ارتباط شیر کنترل با جعبه فرمان از نوع چرخ‌دنده شانه‌ای (رک پینیون) و اجزای داخلی

عملکرد شیر فرمان هیدرولیک

باتوجه‌ به اینکه عملکرد شیر کنترل دارای برخی پیچیدگی‌ های خاص است، این فرایند در دو مرحله تشریح می‌شود؛ یک‌ بار به‌صورت ساده و یک‌بار به‌صورت کامل.

اگر موتور روشن شده باشد، پمپ هیدرولیک فرمان در حال ارسال مایع هیدرولیک (روغن هیدرولیک) است. پس از کنترل فشار در پمپ (که در مقاله شیر کنترل پمپ هیدرولیک بررسی شده است)، روغن به سمت شیر کنترل فرمان ارسال می‌شود.

عملکرد در حالت فرمان مستقیم

اگر فرمان کاملاً مستقیم باشد، تمامی مجاری شیر به یکدیگر راه خواهند داشت. شکل ۶ این حالت را نشان می‌دهد.

۱- پمپ هیدرولیک فرمان ۲- شیر هیدرولیک جعبه‌فرمان ۳- جعبه‌فرمان
شکل ۶- عملکرد شیر هیدرولیک فرمان در حالت فرمان مستقیم

باتوجه‌به اینکه تمامی مجاری پمپ، مخزن، سمت چپ جعبه‌فرمان و سمت راست آن به یکدیگر متصل می‌شوند، فشار در طرفین پیستون جعبه‌ فرمان مساوی خواهد ماند؛ بنابراین میل‌ فرمان‌ های چپ و راست حرکتی نخواهند داشت. فشار داخل پمپ نیز افزایش نخواهد یافت، به دلیل اینکه مسیر برگشت به مخزن کاملاً باز است.

عملکرد هنگام پیچیدن به چپ یا راست

هنگامی که فرمان توسط راننده به چپ یا راست هدایت می‌شود، شفت اصلی فرمان این دستور را به شیر فرمان منتقل می‌کند. اگر موتور خاموش باشد، اتصالات مکانیکی شیر فرمان آن را به پینیون منتقل کرده و در نهایت پینیون باعث حرکت دنده شانه‌ای می‌شود.

اما اگر هدایت فرمان در زمانی که موتور روشن است اتفاق بیفتد، شیر فرمان سمت پمپ را به یک طرف جعبه‌فرمان متصل می‌کند و سمت دیگر جعبه‌فرمان از طریق این شیر به مخزن متصل خواهد شد. در نتیجه فشار در یک سمت پیستون بیشتر شده و در نهایت میل‌های فرمان به سمت موردنظر هدایت خواهند شد. شکل ۷ این حالت را نشان می‌دهد.

شکل ۷- عملکرد شیر فرمان هیدرولیک در حالت فرمان به سمت چپ یا راست

شکل ۷ مسیر فرمان چپ و راست را به‌سادگی نشان می‌دهد؛ اما این امر دقیقاً چگونه اتفاق می‌افتد؟ آیا حرکت ناگهانی غربیلک فرمان به یک سمت تأثیری در عملکرد شیر فرمان خواهد داشت؟

فرض کنید راننده وارد یک پیچ طولانی با زاویه ۲۰ درجه شده، غربیلک فرمان را ۲۰ درجه چرخانده و در همان حالت نگه داشته است. از این لحظه تا زمانی که فرمان به حالت عادی برگردد، نحوه انتقال فشار هیدرولیک چگونه باید باشد؟ و چرا این شیر را یک شیر تناسبی می‌نامند؟ برای پاسخ به این سؤال باید نحوه ارتباط اجزای داخلی شیر بررسی شود.

نقش میله پیچشی (تورشن‌بار)

شکل ۸ بخشی از ارتباط اجزای داخلی را نشان می‌دهد.

۱- شیر (اسپول) داخلی ۲- تورشن بار ۳- پینیون
شکل ۸- ارتباط اسپول داخلی، پینیون و میله پیچشی

همان‌طور که در شکل ۸ نشان داده شده است، میله پیچشی (Torsion Bar) از یک طرف به اسپول داخلی (معمولاً توسط پین) و از طرف دیگر به پینیون (توسط هزارخار، حالت چهارگوش یا پین) متصل است. اسپول بیرونی نیز با استفاده از یک خار قفلی روی پینیون تثبیت می‌شود و اسپول داخلی از طریق میل‌ فرمان به غربیلک متصل می‌گردد.

بنابراین هنگامی که راننده فرمان را می‌چرخاند، ابتدا اسپول داخلی شروع به چرخیدن می‌کند، سپس تورشن‌ بار تحت پیچش قرار می‌گیرد و متناسب با گشتاور دست راننده با کمی تأخیر نیروی پیچشی را به پینیون منتقل می‌نماید. باتوجه‌به اینکه حرکت اسپول بیرونی تقریباً هم‌زمان با پینیون است (با خلاصی کم)، در لحظه‌ای که راننده فرمان را می‌چرخاند زاویه‌ای بین شیر داخلی و خارجی به وجود می‌آید.

همین اختلاف زاویه کم (حداکثر حدود ۱۰ درجه به چپ یا راست که در خودروهای مختلف متفاوت است) باعث باز شدن جریان مایع هیدرولیک به سمت موردنظر راننده خواهد شد؛ بنابراین یک سمت پیستون داخل جعبه‌فرمان افزایش فشار و سمت دیگر کاهش فشار خواهد داشت و این کار سبب حرکت رک (دنده شانه‌ای) می‌شود. شکل ۹ مسیر ارتباطی بین اسپول داخلی و خارجی و پوسته را نشان می‌دهد.

I: حالت فرمان مستقیم یا ثابت نگه داشتن فرمان II: فرمان به سمت چپ III: فرمان به سمت راست
A: ورودی از پمپ B: خروجی به مخزن C: سمت چپ جعبه‌فرمان D: سمت راست جعبه‌فرمان
۱- torsion bar ۲- پین بین torsion bar و اسپول داخلی ۳- اسپول داخلی ۴- اسپول خارجی ۵- خار محدودکننده حرکت اسپول خارجی
شکل ۹- مسیر ارتباط بین پوسته، اسپول داخلی و خارجی

چرا به آن شیر تناسبی می‌گویند؟

پس از حرکت رک (دنده شانه‌ای) به یک سمت و باتوجه‌به اینکه دنده شانه‌ای با پینیون درگیر است، پینیون نیز در همان جهت دوران خواهد داشت. بنابراین با گردش پینیون در جهت موردنظر، خلاصی بین اسپول خارجی (که به پینیون متصل است) و اسپول داخلی به صفر می‌رسد؛ به عبارت ساده‌تر تورشن‌بار دیگر از حالت تحت‌فشار خارج خواهد شد.

در نتیجه مجاری که در اثر اختلاف زاویه بین این دو اسپول باز شده بودند، به حالت قبلی برمی‌گردند و در نهایت اختلاف فشار در طرفین پیستون قدرت جعبه‌فرمان ثابت باقی مانده و زاویه فرمان در همان موقعیت پیچش ثابت می‌ماند، تا زمانی که مجدداً راننده غربیلک را به سمتی هدایت کند.

در واقع میله پیچشی مانند یک سنسور، دقیقاً زمان و میزان سرعت چرخش غربیلک فرمان را تشخیص می‌دهد و برای چند لحظه اجازه می‌دهد مسیر مایع هیدرولیک به سمت موردنظر هدایت شود؛ سپس زمانی که زاویه چرخ‌ها به حد مطلوب رسید، فشار طوری اعمال می‌شود که وضعیت موجود حفظ شود. همین تناسب دقیق بین گشتاور دست راننده و میزان کمک هیدرولیکی است که نام «شیر تناسبی» را برای این قطعه به‌وجود آورده است.

فیلم آموزشی عملکرد شیر فرمان هیدرولیک را در کانال آپارات ایمگ مشاهده کنید.

شکل ۱۰ ارتباط بین اسپول‌ها را نشان می‌دهد.

۱- اسپول داخلی ۲- اسپول خارجی
P: پمپ T: مخزن a: سمت چپ جعبه‌فرمان b: سمت راست جعبه‌فرمان
شکل ۱۰- مسیر مایع هیدرولیک فرمان در داخل اسپول‌های شیر فرمان

توجه کنید که ارتباط مکانیکی اجزای داخلی شیر فرمان هیدرولیک ممکن است با نمونه تشریح‌شده متفاوت باشد؛ اما در نهایت نحوه انتقال فشار به طرفین جعبه‌فرمان مطابق همین شکل خواهد بود. در مقاله‌های بعدی، آثار خرابی و عیب‌یابی مجموعه فرمان هیدرولیکی بیان خواهد شد.

جمع‌بندی نهایی

شیر کنترل جعبه فرمان هیدرولیکی قطعه‌ای کلیدی است که هم مسیر مکانیکی فرمان‌دهی را برقرار می‌کند و هم با مدیریت چهار مجرای روغن، کمک هیدرولیکی را ایجاد می‌نماید. ساختار آن شامل میله پیچشی، اسپول داخلی، اسپول خارجی، محور پینیون و پوسته است.

مهم‌ترین بخش هوشمند این سیستم تورشن‌بار است که مثل یک حسگر مکانیکی، میزان گشتاور و سرعت چرخش فرمان را به اختلاف زاویه بین اسپول‌ها تبدیل می‌کند و همین اختلاف زاویه باعث هدایت فشار به سمت مناسب جعبه‌فرمان می‌شود. نکته مهم از نظر ایمنی اینکه حتی در صورت از کار افتادن کامل بخش هیدرولیک، مسیر مکانیکی این شیر همچنان فعال می‌ماند و راننده کنترل خودرو را از دست نمی‌دهد.

درک دقیق عملکرد این قطعه برای عیب‌یابی سیستم فرمان اهمیت بالایی دارد؛ چون بسیاری از علائم مانند سفتی فرمان در یک جهت، مستقیماً به عملکرد همین شیر مربوط می‌شوند.

سوالات متداول

شیر فرمان هیدرولیک چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟

شیر فرمان هیدرولیک یا شیر کنترل جعبه فرمان، مسیر مکانیکی انتقال فرمان را برقرار می‌کند و هم‌زمان با هدایت روغن به سمت مناسب جعبه‌فرمان، نیروی کمکی برای نرم شدن فرمان ایجاد می‌نماید.

اجزای شیر فرمان هیدرولیک کدام‌اند؟

میله پیچشی (تورشن‌بار)، اسپول داخلی، اسپول خارجی، محور پینیون و پوسته دارای چهار مجرا، اجزای اصلی این مجموعه را تشکیل می‌دهند.

چرا شیر کنترل ۴ مجرا دارد؟

چون باید مسیر پمپ، مخزن و دو سمت جعبه‌فرمان (چپ و راست) را بسته به جهت فرمان‌دهی مدیریت کند. حذف هر کدام از این مسیرها، امکان کنترل جهت‌دار فشار را از بین می‌برد.

تورشن‌بار در شیر فرمان چه نقشی دارد؟

تورشن‌بار با پیچش خود اختلاف زاویه بین اسپول داخلی و خارجی را ایجاد می‌کند و همین اختلاف زاویه باعث باز شدن مجاری روغن می‌شود. این میله عملاً مانند یک حسگر مکانیکی عمل می‌کند.

اختلاف زاویه بین اسپول داخلی و خارجی چقدر است؟

حداکثر حدود ۱۰ درجه به چپ یا راست که در خودروهای مختلف متفاوت است. همین اختلاف کوچک برای باز کردن مجاری روغن و هدایت فشار کافی است.

اگر سیستم هیدرولیک خراب شود، فرمان کاملاً از کار می‌افتد؟

خیر. بخش مکانیکی همچنان کار می‌کند، اما فرمان سفت‌تر می‌شود و نیروی بیشتری لازم است.

چرا به این شیر «تناسبی» می‌گویند؟

چون مقدار باز شدن مجاری و میزان کمک هیدرولیکی، متناسب با گشتاور و سرعت چرخش فرمان توسط راننده تنظیم می‌شود.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی