شیر کنترل پمپ هیدرولیک فرمان

و عملکرد آن در پمپ‌های امروزی

شیر کنترل پمپ هیدرولیک فرمان که با نام‌های اسپول (Spool Valve) و در بازار تعمیرات سوپاپ پمپ هیدرولیک یا سوزن پمپ هیدرولیک نیز شناخته می‌شود، قطعه‌ای است که فشار و دبی خروجی پمپ را متناسب با دور موتور و نیاز فرمان‌ دهی تنظیم می‌کند. بدون این قطعه، با افزایش دور موتور فرمان بیش از حد سبک و حساس می‌شد و به قطعات مدار نیز فشار اضافی وارد می‌آمد.

اسپول در حقیقت یک شیر کشویی است؛ یعنی قطعه‌ای استوانه‌ای که داخل بدنه به چپ و راست می‌لغزد و با همین جابه‌جایی، مسیرهای عبور روغن را باز و بسته می‌کند. در پمپ‌های قدیمی‌تر بیشتر با مدل‌های جریان ثابت سروکار داشتیم، اما در خودروهای امروزی از مدارهای جریان متغیر استفاده می‌شود تا هم فرمان در سرعت پایین نرم باشد و هم در دورهای بالا بیش از حد سبک نشود.

پمپ هیدرولیک فرمان نیروی خود را مستقیم از موتور می‌گیرد؛ یعنی هرچه دور موتور بالاتر می‌رود، پمپ سریع‌تر می‌چرخد و تمایل دارد دبی و فشار بیشتری تولید کند. اگر این فشار از محدوده خاصی بیشتر شود، سبب ایجاد مشکلات فراوانی در هدایت خودرو خواهد شد و وظیفه شیر کنترل دقیقاً مهار همین افزایش است.

در این مقاله به عملکرد شیر کنترل جریان متغیر پمپ فرمان در خودروهای متداول پرداخته خواهد شد.

عملکرد مجموعه پمپ و اسپول از نوع جریان متغیر

باتوجه‌به ارتباط مستقیم این بخش با عملکرد شیر کنترل در مقاله پمپ هیدرولیک فرمان، حتماً قبل از مطالعه این بخش مقاله مربوطه را مطالعه کنید.

حالت اول: دور درجا و فرمان مستقیم

حالت اول عملکرد این نوع مجموعه پمپ مانند نوع جریان ثابت است؛ یعنی هنگامی که موتور در دور درجا است و فرمان نیز حرکتی به چپ یا راست ندارد (فرمان در وضعیت مستقیم است).

نظر به عدم نیاز به حرکت شانه فرمان در جعبه فرمان، ضروری است میزان جریان مایع هیدرولیک فرمان از پمپ به جعبه فرمان کم باشد. در این حالت سرعت حرکت تیغه‌ها کم بوده و در نتیجه جریان کمی به سمت شیر کنترل جریان (اسپول) ارسال شده و تعادل فشار هیدرولیک در طرفین اسپول باعث می‌شود اسپول بدون حرکت بماند و مایع هیدرولیک فرمان از طریق مجرای خروجی به سمت شیر هیدرولیک روی جعبه فرمان هدایت شود. فاصله بین نیدل (سوزنی) و بدنه، مقدار فضای عبوری برای مایع هیدرولیک را نشان می‌دهد که در شکل ۱ مشخص شده است.

۱- به سمت جعبه فرمان ۲- شیر کنترل ۳- از جعبه فرمان
شکل ۱ – دور درجا – فرمان بدون حرکت

حالت دوم: افزایش دور موتور تا حد متوسط

همان‌طور که در شکل ۲ ملاحظه می‌گردد، پس از اینکه دور موتور از حد خاصی (متناسب با نوع خودرو متفاوت است) می‌گذرد، فشار طرفین شیر کنترل جریان (اسپول) باعث می‌شود فنر کمی جمع شده و مجرای خروجی به مجرای ورودی راه پیدا کند. به‌ این‌ ترتیب بخشی از جریان مایع هیدرولیک فرمان به سمت کم‌ فشار پمپ راه پیدا می‌کند و در نهایت تا یک دور موتور خاص (معمولاً محدوده دور متوسط موتور) جریان خروجی پمپ ثابت خواهد ماند. نکته قابل توجه اینکه در این مرحله هنوز فاصله بین نیدل و بدنه، به دلیل بدون حرکت ماندن اسپول، تغییری نکرده است.

شکل ۲- افزایش دور موتور – افزایش جریان مایع هیدرولیک فرمان

شکل ۳ – ثابت ماندن جریان خروجی مایع هیدرولیک تا یک دور خاص

حالت سوم: کاهش جریان پس از دور متوسط

تفاوت مهم این نوع پمپ با نوع جریان ثابت، دقیقاً در همین بخش از عملکرد مدار است. با افزایش دور موتور از حد متوسط، جهت کنترل جریان مایع هیدرولیک، سطح عبور مایع هیدرولیک فرمان (ونتوری) کوچک شده و در نتیجه میزان جریان کاهش می‌یابد. شکل ۴ این موضوع را نشان می‌دهد.

شکل ۴- کاهش جریان بعد از دور متوسط

اجزای شیر کنترل (اسپول) در پمپ‌های امروزی

سیستم تشریح‌ شده از نوع جریان متغیر درواقع نوع ساده‌ای است و سیستم‌های امروزی اجزای بیشتری دارند. مهم‌ترین تفاوت، دو قسمت شدن مجموعه اسپول و استفاده از سوزن و ساچمه کنترل است. شکل ۵ اجزای اسپول در نوعی خودرو را نشان می‌دهد.

شکل ۵- اجزای شیر کنترل (اسپول ولو) در پمپ سمند

همان‌طور که در شکل ۵ مشخص شده است، اجزای شیرهای کنترل جریان شامل دو مجموعه متفاوت است که کار کردن این دو قسمت در کنار یکدیگر باعث افزایش کیفیت عملکرد و کنترل بهتر منحنی جریان – دور موتور خواهد شد. شکل‌های ۶ و ۷ اجزای اصلی این دو بخش را نشان می‌دهند.

شکل ۶- بدنه اسپول و اجزای داخلی

شکل ۷- پلاگ اوریفیس

نحوه عملکرد اسپول دوقسمتی

عملکرد در دور پایین و هنگام پارک

زمانی که خودرو ثابت است یا با سرعت بسیار پایین فرمان چرخانده می‌شود، سرعت دوران پمپ پایین است. در این حالت ضروری است حداکثر مقدار جریان و فشار تولیدی توسط پمپ به سمت جعبه فرمان هدایت شود تا نیروی چرخاندن فرمان توسط سیستم هیدرولیک تقویت شده و راننده با سهولت بیشتری غربیلک فرمان را بچرخاند.

در این زمان فشار هیدرولیک از طریق مجرای ورودی به شیر کنترل باعث حرکت بدنه اسپول شده و در نتیجه مایع هیدرولیک فرمان از طریق داخل اسپول به مجرای خروجی راه پیدا کرده و به سمت شیر هیدرولیک روی جعبه فرمان هدایت می‌شود. شکل ۸ مجرای ورودی، حرکت اسپول و هدایت آن به سمت مجرای خروجی و جعبه فرمان را نشان می‌دهد.

شکل ۸- عملکرد در وضعیت دور پایین

به نحوه جا به‌ جایی و محل قرارگرفتن اسپول در این حالت و باز شدن مسیر جریان به سمت مجرای خروجی در شکل ۹ توجه کنید. در این حالت مجموعه پلاگ اوریفیس کمی توسط سوزنی به سمت جلو هدایت شده و فنر بزرگ پشت پلاگ اوریفیس را جمع می‌کند. میزان جریان عبوری به ارتباط بین سطح مقطع سوزنی (نیدل)، فشار پشت سوزنی و فشار پمپ مرتبط است.

شکل ۹ – اجزای کنترلی اسپول در حالت تعادل بین فشار ورودی، خروجی و نیروی فنر و سطح مقطع سوزنی

عملکرد در دور بالای موتور

زمانی که دور موتور افزایش می‌یابد، میزان دوران پمپ هم افزایش یافته و در نتیجه فشار بیشتری تولید می‌کند. این فشار بالا ممکن است باعث شود فرمان با سهولت بیش از حد بچرخد که این اتفاق در دورهای بالا مطلوب نیست؛ بنابراین لازم است به روشی جریان مایع هیدرولیک فرمان به سمت خروجی کاهش یابد.

رویه انجام این کاهش به این صورت است که افزایش فشار تولیدی در سمت خروجی باعث بالا رفتن فشار پشت سوزنی اسپول شده و آن را بیشتر به سمت جلو (چپ) هدایت می‌کند. در این حالت هم‌زمان دو اتفاق می‌افتد.

اتفاق اول: به دلیل حرکت پلاگ اسپول به سمت چپ، مسیر جریان برگشت به سمت ورودی پمپ باز شده و در واقع بخشی از مایع هیدرولیک فرمان به‌صورت هرز بین مجموعه پمپ و شیر کنترل گردش می‌کند. شکل ۱۰ این حالت را نشان می‌دهد.

شکل ۱۰- حالت گردش برگشت بخشی از مایع هیدرولیک فرمان به پمپ

اتفاق دوم: به دلیل کوچک شدن سطح مقطع سوزنی اسپول، جریان خروجی به سمت جعبه فرمان نیز کاهش می‌یابد. شکل ۱۱ این مورد را نشان می‌دهد.

A- در حالت دور کم تا متوسط

B- در حالت دور بالا
شکل ۱۱- مقایسه وضعیت نیدل اسپول در دور کم و زیاد

عملکرد در حالت قفل شدن جعبه‌فرمان

هنگامی که مجموعه جعبه فرمان به انتهای مسیر حرکت خود می‌رسد و در واقع حرکت پینیون داخل آن متوقف می‌شود، فشار داخل پیستون جعبه فرمان افزایش می‌یابد. این فشار از طریق مجرای داخلی شیر کنترل جریان، به پشت مجموعه پلاگ‌این (Plug in) اسپول راه پیدا می‌کند. شکل ۱۲ این حالت را نشان می‌دهد.

شکل ۱۲- نیروی هیدرولیک پشت پلاگ‌این اسپول

درصورتی‌که این فشار بیش از حد باشد، به ساچمه و نگهدارنده ساچمه نیرو وارد کرده و با جمع کردن فنر کوچک، آن را به سمت جلو (راست) فشرده می‌کند و مایع هیدرولیک فرمان از کنار ساچمه می‌گذرد. این کار باعث افزایش فشار پشت پلاگ‌ این اسپول شده و کمی آن را به سمت راست حرکت می‌دهد و مایع هیدرولیک فرمان از طریق این بخش به سمت مجرای برگشت پمپ هدایت می‌شود. شکل ۱۳ این حالت را نشان می‌دهد.

شکل ۱۳- مسیر برگشت در لحظه رسیدن حرکت جعبه فرمان به انتهای مسیر

جمع‌بندی نهایی

شیر کنترل جریان متغیر پمپ هیدرولیک فرمان که به آن اسپول یا سوپاپ پمپ هیدرولیک نیز گفته می‌شود، وظیفه دارد خروجی پمپ را در سه ناحیه اصلی مدیریت کند: در دور پایین و فرمان‌دهی سنگین بیشترین کمک هیدرولیک را فراهم می‌سازد، در دور متوسط جریان خروجی را تثبیت می‌کند، و در دور بالا جریان را کاهش می‌دهد تا فرمان بیش از حد سبک و حساس نشود.

علاوه بر این سه ناحیه، این قطعه یک نقش حفاظتی حیاتی نیز بر عهده دارد. تفاوت کلیدی میان «افزایش دور موتور» و «قفل شدن جعبه‌فرمان» در همین‌جاست: در افزایش دور موتور، عمدتاً با نیدل و مسیر کنترل جریان، بخشی از جریان پیش از ارسال به جعبه‌فرمان به حالت هرزگرد در داخل پمپ برمی‌گردد؛ اما در حالت قفل شدن جعبه‌فرمان، یک مسیر حفاظتی جداگانه شامل ساچمه و پلاگ فعال می‌شود تا فشار لحظه‌ای خطرناک به مدار و تسمه ضربه نزند و پمپ، تسمه و موتور آسیب نبینند.

سوالات متداول

اسپول چیست و در پمپ هیدرولیک چه کاری انجام می‌دهد؟

اسپول یا شیر کشویی، قطعه‌ای استوانه‌ای است که داخل بدنه شیر کنترل به چپ و راست می‌لغزد و با همین جابه‌جایی، مسیرهای عبور روغن را باز و بسته می‌کند. در پمپ هیدرولیک فرمان، وظیفه آن تنظیم فشار و دبی خروجی متناسب با دور موتور است.

سوپاپ پمپ هیدرولیک همان اسپول است؟

بله، شیر کنترل پمپ هیدرولیک فرمان در بازار تعمیرات با نام‌های سوپاپ پمپ هیدرولیک یا سوزن پمپ هیدرولیک نیز شناخته می‌شود و هر سه به یک قطعه اشاره دارند.

چرا در پمپ هیدرولیک فرمان از شیر کنترل (اسپول) استفاده می‌شود؟

برای اینکه فشار و دبی خروجی پمپ در دورهای مختلف موتور کنترل شود و فرمان بیش از حد سبک یا خطرناک نشود.

پمپ جریان متغیر چه تفاوتی با جریان ثابت دارد؟

در پمپ جریان متغیر، بعد از یک محدوده دور موتور، جریان خروجی ابتدا ثابت و سپس در دورهای بالا کاهش می‌یابد تا کنترل فرمان بهتر شود.

نقش نیدل (سوزنی) در شیر کنترل چیست؟

نیدل سطح مقطع عبور روغن را تنظیم می‌کند و کمک می‌کند دبی خروجی متناسب با فشار و دور موتور تغییر کند.

چرا در انتهای کورس جعبه‌فرمان فشار بالا می‌رود؟

چون رک دیگر حرکت نمی‌کند و مسیر مصرف دبی بسته می‌شود؛ در نتیجه فشار داخل مدار به‌سرعت افزایش می‌یابد.

ساچمه و فنر کوچک در اسپول‌های جدید چه کاری انجام می‌دهند؟

برای حفاظت در فشارهای لحظه‌ای (مانند قفل شدن جعبه‌فرمان) مسیر تخلیه ایجاد می‌کنند تا پولی پمپ و تسمه قفل نشوند.

نویسنده : مهندس بهروز خطیبی