شیر فرمان هیدرولیک

شیر کنترل جعبه فرمان هیدرولیکی

در سیستم فرمان هیدرولیکی، تنها پمپ و روغن نیست که فرمان را نرم می‌کند؛ مهم‌ترین قطعه‌ای که تصمیم می‌گیرد فشار روغن به کدام سمت جعبه‌فرمان برود، «شیر کنترل جعبه فرمان» است. این شیر هم‌زمان دو کار مهم انجام می‌دهد:

1. انتقال گشتاور دست راننده از غربیلک به مکانیزم فرمان (مسیر مکانیکی)
2. ایجاد کمک هیدرولیکی برای کاهش نیروی دست راننده (مسیر هیدرولیکی)

در این مقاله، ساختار داخلی شیر کنترل، مجاری آن و عملکردش در حالت فرمان مستقیم و هنگام پیچیدن به چپ/راست را دقیق و مرحله‌به‌مرحله توضیح می‌دهیم.

در مقاله مجموعه جعبه‌فرمان به‌صورت کلی در مورد اجزا جعبه‌فرمان هیدرولیکی مطالبی بیان شد یکی از این اجزا شیر کنترل است در این مقاله به تشریح ساختار و نحوه عملکرد شیر فرمان هیدرولیک خودرو پرداخته خواهد شد.

وظیفه و اجزا شیر فرمان هیدرولیک

شکل 1 مجموعه شیر جعبه فرمان را نشان می‌دهد.

شکل 1- شیر کنترل جعبه فرمان 405

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 دیگری آنکه شرایط کمکی برای کاهش نیروی دست راننده را فراهم کند بر اساس این تعریف اجزا این شیر را می‌توان به دو بخش کلی تقسیم‌بندی کرد که در شکل 2 قابل‌مشاهده است.

شکل 2- دسته‌بندی اجزا شیر جعبه فرمان

اجزا مکانیکی قسمت انتقال گشتاور از غربیلک فرمان به جعبه‌فرمان را بر عهده دارند. عملکرد این بخش طوری است که حتی اگر سیستم هیدرولیک از کار بی افتد باز هم فرماندهی به چرخ‌ها انجام خواهد شد (البته با صرف نیروی بیشتر توسط راننده) اجزا هیدرولیکی هم مسیر انتقال مایع هیدرولیک فرمان را طوری فراهم می‌کنند که راننده با حداقل نیروی اعمالی به رل (غربیلک) فرماندهی را انجام دهد. مجموعه شیر فرمان هیدرولیک در داخل یک پوسته قرار گرفته است.

مجاری ورودی و خروجی آن از طریق شیلنگ‌ها به جعبه‌فرمان و مخزن و پمپ متصل می‌شود. در شکل 3 نوعی پوسته یا بدنه شیر فرمان را مشاهده می‌شود.

1- مجاری ورودی و خروجی
شکل 3- نوعی پوسته شیر فرمان هیدرولیک

همانطور که در مقاله جعبه‌فرمان تشریح شد، 4 مجرا روی پوسته شیر کنترل مشاهده می‌شود. این مجاری عبارت‌اند از
مجرای پمپ، مجرای مخزن، مجرای سمت چپ جعبه‌فرمان و مجرای سمت راست جعبه‌فرمان
این مجاری از طریق حرکت‌کردن اجزا داخلی شیر به هم متصل و یا از یکدیگر جدا می‌شوند. اجزا داخلی شیر در شکل 4 مشاهده می‌شود.

A: مجموعه کامل
1- میله پیچشی 2- شیر یا اسپول داخلی 3- شیر یا اسپول خارجی 4-  محور پینیون
شکل 4- اجزا داخلی نوعی شیر کنترل جعبه فرمان

به‌صورت ساده می‌توان گفت واحد شیر کنترل هیدرولیک در واقع توسعه‌یافته همان مجموعه پینیون ساده سیستم فرمان ساده است که علاوه بر ایجاد ارتباط مکانیکی با استفاده از پینیون و دنده، از یک شیر تناسبی نیز برای انتقال فشار هیدرولیک بهره‌مند شده است که متناسب با سرعت چرخش غربیلک فرمان و جهت آن توسط راننده مجراهای ورودی و خروجی را بازکرده و یا می‌بندد. شکل 5 محل قرارگرفتن این شیر را روی جعبه‌فرمان و اجزا داخلی آن به‌صورت شماتیک و برش خورده نشان می‌دهد.

شکل 5-ارتباط شیر کنترل با جعبه فرمان از نوع چرخ دنده شانه‌ای (رک پینیون) و اجزا داخلی

عملکرد شیر فرمان هیدرولیک

با توجه به اینکه عملکرد شیر کنترل دارای برخی پیچیدگی‌های خاص است این فرایند در دو مرحله یک‌بار به‌صورت ساده و یک‌بار به‌صورت کامل تشریح می‌شود.
اگر موتور روشن شده باشد. پمپ هیدرولیک فرمان در حال ارسال مایع هیدرولیک (روغن هیدرولیک) است. پس از کنترل فشار در پمپ (به مقاله شیر کنترل پمپ هیدرولیک)، روغن به سمت شیر کنترل فرمان ارسال می‌شود.

اگر فرمان کاملاً مستقیم باشد، تمامی مجاری شیر به یکدیگر راه خواهند داشت شکل 6 این حالت را نشان می‌دهد.

1- پمپ هیدرولیک فرمان 2- شیر هیدرولیک جعبه‌فرمان 3- جعبه‌فرمان
شکل 6- عملکرد شیر هیدرولیک فرمان در حالت فرمان مستقیم

با توجه به اینکه تمامی مجاری پمپ، مخزن، سمت چپ جعبه‌فرمان و سمت راست آن به یکدیگر متصل می‌شوند. فشار در طرفین پیستون جعبه‌فرمان مساوی خواهد ماند؛ بنابراین میل‌فرمان‌های چپ و راست حرکت نخواهند داشت. فشار داخل پمپ هم‌افزایش نخواهد یافت به دلیل اینکه مسیر برگشت به مخزن کاملاً باز است.

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.

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 جعبه قرمان 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 7 این حالت را نشان می‌دهد

شکل 7- عملکرد شیر فرمان هیدرولیک  در حالت فرمان به سمت چپ یا راست

شکل 7 مسیر فرمان چپ و راست را به‌سادگی نشان می‌دهد؛ اما چگونه این امر اتفاق می‌افتد. آیا حرکت ناگهانی غربیلک فرمان به یک سمت تأثیری در عملکرد شیر فرمان خواهد داشت؟

فرض کنید وارد یک پیچ طولانی با زاویه 20 درجه (به سمت چپ یا راست) شده است و راننده 20 درجه غربیلک فرمان را چرخانده است 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؟ چرا این شیر را یک شیر تناسبی می‌نامند؟ برای پاسخ به این سؤال باید نحوه ارتباط اجزا داخلی شیر بررسی شود.

شکل 8 بخشی از ارتباط اجزا داخلی را نشان می‌دهد.

1- شیر (اسپول) داخلی 2- تورشن بار 3- پینیون
شکل 8- ارتباط اسپول داخلی، پینیون و میله پیچشی

همانطور که در شکل 8 نشان‌داده‌شده است. میله پیچشی (Torsion Bar) ازیک‌طرف به اسپول داخلی (معمولاً توسط پین) و از طرف دیگر به پینیون (توسط هزارخار یا حالت 4 گوش یا پین) متصل است. اسپول (اسپول یا شیر هیدرولیک فرمان) بیرونی هم با استفاده از یک خار قفلی روی پینیون تثبیت می‌شود. اسپول داخلی از طریق میل‌فرمان به غربیلک متصل می‌شود.

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

همین اختلاف زاویه کم (حداکثر 10 درجه به چپ یا راست – متفاوت در خودرو های مختلف) باعث باز شدن جریان مایع هیدرولیک به سمت موردنظر راننده خواهد شد؛ بنابراین یک سمت پیستون داخل جعبه‌فرمان افزایش فشار خواهد داشت و سمت دیگر کاهش فشار، این کار سبب حرکت رک (دنده شانه‌ای) خواهد شد. شکل 9 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
1- torsion bar 2- پین بین torsion bar و اسپول داخلی 3- اسپول داخلی
4- اسپول خارجی 5- خار محدودکننده حرکت اسپول خارجی
شکل 9- مسیر ارتباط بین پوسته، اسپول داخلی و خارجی

پس از حرکت رک (دنده شانه‌ای) به یک سمت 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 Torsion bar 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 بر می‌گردند در نهایت اختلاف فشار در طرفین پیستون قدرت جعبه‌فرمان ثابت باقی‌مانده، 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 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.

فیلم آموزشی عملکرد شیر فرمان هیدرولیک در کانال آپارات ایمگ

شکل 10 ارتباط بین اسپول ها را نشان میدهد.

1- اسپول داخلی 2- اسپول خارجی
P: پمپ T: مخزن a: سمت چپ جعبه‌فرمان b: سمت راست جعبه‌فرمان
شکل 10- مسیر مایع هیدرولیک فرمان داخلی اسپول‌ها شیر فرمان

توجه کنید ارتباط مکانیکی اجزا داخلی شیر فرمان هیدرولیک با نمونه تشریح شده 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 مجاری روغن، کمک هیدرولیکی را ایجاد می‌کند.
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 این اختلاف زاویه باعث هدایت فشار به سمت مناسب جعبه‌فرمان می‌شود.

سوالات متداول

1) شیر کنترل جعبه فرمان هیدرولیکی چه کاری انجام می‌دهد؟

مسیر مکانیکی انتقال فرمان را برقرار می‌کند و هم‌زمان با هدایت روغن، نیروی کمکی برای نرم شدن فرمان ایجاد می‌کند.

2) چرا شیر کنترل 4 مجرا دارد؟

چون باید مسیر پمپ، مخزن و دو سمت جعبه‌فرمان (چپ و راست) را بسته به جهت فرمان‌دهی مدیریت کند.

3) 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.

4) 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.

5) 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