جعبه فرمان هیدرولیک چیست؟ اجزا، نحوه عملکرد و عیب‌یابی

جعبه فرمان هیدرولیک، قطعه‌ای است که نیروی چرخشی غربیلک فرمان را با کمک فشار روغن هیدرولیک به حرکت خطی چرخ‌ها تبدیل می‌کند تا راننده با نیروی کمتری خودرو را هدایت نماید. اجزای اصلی مجموعه جعبه فرمان هیدرولیک عبارت‌اند از شیر کنترل هیدرولیک، پینیون و دنده شانه‌ای (راک)، پیستون و صفحات آب‌بندی، میله ستون فرمان (تورشن بار)، مایع هیدرولیک و گردگیرها. رایج‌ترین نوع آن در خودروهای سواری امروزی، مدل رک‌وپینیون هیدرولیکی است.

مهم‌ترین علائم خرابی این مجموعه شامل سفت شدن فرمان، صدای زوزه هنگام چرخاندن فرمان و نشتی روغن هیدرولیک است. در این مقاله ساختار جعبه فرمان هیدرولیک، اجزای داخلی آن، نحوه عملکرد در حالت‌های مختلف و روش‌های رایج عیب‌یابی بررسی می‌شود. برای آشنایی با جایگاه این مجموعه در کل سیستم فرمان، مقاله سیستم فرمان خودرو را مطالعه کنید.

جعبه فرمان چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟

جعبه فرمان یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم فرمان خودرو است که وظیفه آن تبدیل حرکت دورانی غربیلک فرمان به حرکت خطی موردنیاز برای چرخاندن چرخ‌ها و هم‌زمان تقویت نیروی دست راننده است. در نوع مکانیکی، تمام این نیرو توسط راننده تأمین می‌شود؛ اما در نوع هیدرولیکی، فشار روغن بخش قابل توجهی از این نیرو را فراهم می‌کند.

در جعبه فرمان هیدرولیک، مسیر انتقال نیرو به این ترتیب است: نیروی دست راننده وارد ستون فرمان می‌شود، حرکت به جعبه فرمان منتقل می‌گردد، فشار روغن هیدرولیک این حرکت را تقویت می‌کند و در نهایت چرخ‌ها با نیروی کمتر و نرمی بیشتر تغییر جهت می‌دهند. مزیت اصلی این سیستم، کاهش محسوس نیروی موردنیاز راننده به‌ ویژه در سرعت پایین و هنگام پارک است؛ جایی که سطح تماس تایر با زمین ثابت است و مقاومت اصطکاکی بالایی ایجاد می‌کند.

انواع جعبه فرمان هیدرولیک

جعبه‌های فرمان هیدرولیکی به‌طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند. نوع رک‌وپینیون (Rack and Pinion) رایج‌ترین مدل مورد استفاده در خودروهای سواری امروزی است که ساختار ساده‌تر، وزن کمتر و پاسخ‌دهی بهتر از دلایل محبوبیت آن محسوب می‌شود. نوع Integral Piston Linkage که در آن جک هیدرولیکی ممکن است خارج از مجموعه رک‌وپینیون نصب شود و به همین دلیل به آن External Piston Linkage نیز گفته می‌شود.

دلیل وجود نوع دوم عمدتاً اقتصادی است؛ در خودروهای بهبودیافته، به‌جای طراحی یک جعبه فرمان هیدرولیک کامل، همان جعبه فرمان مکانیکی موجود حفظ شده و یک جک بیرونی به آن اضافه می‌شود تا هزینه تولید کاهش یابد. نمونه شناخته‌شده این روش، مدل‌های اولیه پژو ۴۰۵ با فرمان هیدرولیک است. شکل ۱ نمونه‌ای از دسته‌بندی آن‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 1- انواع جعبه فرمان هیدرولیک

جعبه‌فرمان‌های هیدرولیکی امروزی عموماً از نوع جعبه‌دنده شانه‌ای (Rack and Pinion) هستند؛ چون ساختار نسبتاً ساده‌تری در مقایسه با سایر انواع دارند و علاوه‌برآن عملکرد بهتری نیز ارائه می‌دهند. شکل ۲ شماتیک این دو نمونه را نشان می‌دهد.

۱- پمپ هیدرولیک ۲- شیلنگ‌های ارتباطی ۳- جعبه فرمان ۴- گردگیر
شکل 2- سیستم‌های متداول هیدرولیک فرمان

نظر به اینکه سایر سیستم‌های هیدرولیک فرمان کمتر در خودروهای داخلی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، فعلاً به شرح اجزا و روش عملکرد آن‌ها پرداخته نمی‌شود و روش متداول سیستم جعبه فرمان شانه‌ای مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

اجزای جعبه فرمان هیدرولیک

همان‌طور که قبلاً اشاره شد سیستم‌های فرمان هیدرولیک عموماً از نوع شانه‌ای هستند. شکل ۳ چند نمونه جعبه فرمان هیدرولیک را نشان می‌دهد.

شکل 3- نمونه‌هایی از جعبه فرمان هیدرولیک

مجموعه جعبه فرمان هیدرولیک از نوع رک‌وپینیون از دو بخش اصلی تشکیل شده است: شیر کنترل هیدرولیک که مسیر روغن را تعیین می‌کند و جعبه‌فرمان شانه‌ای (راک) که حرکت خطی را تولید می‌نماید. شکل ۴ این دو بخش را نشان می‌دهد.

۱- شیر کنترل هیدرولیک ۲- جعبه‌فرمان شانه‌ای (راک)
شکل 4- اجزا اصلی مجموعه جعبه فرمان هیدرولیک

اجزای داخلی مجموعه جعبه‌فرمان در شکل ۵ مشخص شده است.

۱- محور از ستون فرمان ۲- شیر کنترل هیدرولیکی ۳- میل‌فرمان ۴- دنده شانه‌ای (Rack) ۵- صفحه آب‌بندی ۶- مایع هیدرولیک فرمان ۷- پیستون ۸- صفحه آب‌بندی ۹- گردگیر
شکل 5- اجزا داخلی مجموعه جعبه فرمان هیدرولیکی از نوع شانه‌ای (Rack and Pinion)

در جعبه‌فرمان‌های هیدرولیکی با هدایت روغن هیدرولیک به طرفین پیستون، حرکت دنده شانه‌ای (Rack) به طرفین تسهیل می‌شود. توجه کنید که سیستم هیدرولیک باعث افزایش نیرو شده و حرکت را روان‌تر می‌کند، اما جایگزین مکانیزم مکانیکی نمی‌شود. شکل ۶ به‌صورت بسیار ساده این فرایند را نشان می‌دهد.

۱- محفظه قرارگرفتن مایع هیدرولیک ۲- صفحه آب‌بند ۳- پیستون ۴- صفحه آب‌بندی ۵- فشار مایع هیدرولیک پمپ شده به محفظه سمت راست ۶- فشار مایع هیدرولیک پمپ شده به محفظه سمت چپ
شکل 6- نحوه عملکرد ساده جعبه فرمان هیدرولیک از نوع شانه‌ای

نکته ایمنی بسیار مهم اینکه 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، همچنان قابلیت هدایت خودرو توسط راننده وجود دارد؛ منتها برای این کار نیاز به صرف نیروی بیشتری خواهد بود. به بیان دیگر، بخش هیدرولیک صرفاً نقش تقویت‌کننده دارد و ارتباط مکانیکی مستقیم بین غربیلک و چرخ‌ها هرگز قطع نمی‌شود.

شیر کنترل هیدرولیک چه وظیفه‌ای دارد؟

همان‌طور که اشاره شد، با هدایت فشار مایع هیدرولیک به یک سمت و خروج روغن از مجرای سمت دیگر، نیرو در طرفین پیستون تغییر کرده و حرکت راک تسهیل می‌شود. عضوی که باعث می‌شود فشار روغن به سمت موردنظر هدایت شود، شیر تقسیم یا شیر کنترل هیدرولیک جعبه‌فرمان نامیده می‌شود. شکل ۷ چند نمونه از شیر هیدرولیک را نشان می‌دهد.

شکل 7 – چند نمونه شیر هیدرولیک فرمان

هر شیر کنترل دارای چهار مجرای اصلی است: مسیر به سمت مخزن (Tank)، مسیر به سمت پمپ (Pump)، مسیر به سمت چپ جعبه‌فرمان و مسیر به سمت راست جعبه‌فرمان. متناسب با حرکت میل‌فرمان، ارتباط بین این مجراها برقرار یا قطع می‌شود و همین باز و بسته شدن است که تعیین می‌کند فشار روغن به کدام طرف پیستون هدایت شود. با توجه به پیچیده بودن مجموعه شیر کنترل، عملکرد دقیق آن در مقاله شیر فرمان هیدرولیک بررسی شده است و در اینجا به‌صورت ساده، مجموعه عملکرد شیر و جعبه فرمان تشریح می‌شود.

عملکرد مجموعه جعبه‌فرمان و شیر کنترل

جهت سهولت تشریح مطالب و درک بهتر، عملکرد مجموعه به‌صورت بسیار ساده با استفاده از شکل ۸ توضیح داده می‌شود.

۱- میله ستون فرمان (Torsion bar) ۲- مسیر مایع هیدرولیک به‌طرف مخزن (Tank) ۳- مسیر مایع هیدرولیک از پمپ (Pump) ۴- پینیون ۵- پیستون ۶- راک ۷- لوله‌های جعبه‌فرمان (A-B) ۸- 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 (موتور خاموش)

اگر در حالت خاموش بودن موتور یا خرابی مجموعه هیدرولیک غربیلک فرمان چرخانده شود، نیروی دورانی از طریق میله ستون فرمان (۱) به پینیون (۴) منتقل شده و دنده پینیون با دنده شانه‌ای در تماس بوده و باعث حرکت راک به سمت چپ یا راست می‌شود. در نهایت این حرکت به میل‌های فرمان و سیبک‌ منتقل شده و مجموعه چرخ به سمت راست یا چپ هدایت خواهد شد. عملکرد مجموعه فرمان در این حالت با عملکرد فرمان از نوع دستی تفاوتی ندارد و به همین دلیل راننده فرمان را سفت احساس می‌کند.

عملکرد در حالت موتور روشن و فرمان مستقیم

اگر موتور روشن شود، پمپ هیدرولیک فرمان که با استفاده از تسمه به موتور متصل است نیز دوران کرده و فرآیند پمپ‌کردن و افزایش فشار در مدار هیدرولیک آغاز می‌شود.

اگر فرمان در حالت مستقیم قرار بگیرد، شیر کنترل هیدرولیک طوری مایع هیدرولیک را هدایت می‌کند که ورودی از پمپ (۳)، خروجی به مخزن (۲) و لوله‌های جعبه فرمان (۷) همگی به یکدیگر راه پیدا کنند. بنابراین فشار در طرفین پیستون (۵) برابر شده و راک 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 هنگام 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. هم‌زمان با این اتفاق، سمت راست پیستون (مجرای A) از طریق لوله انتقال به شیر کنترل هیدرولیک (۸) رسیده و در آنجا به سمت مخزن (۲) هدایت می‌شود. این اتفاق سبب افزایش فشار در سمت چپ پیستون و کاهش فشار در سمت راست آن شده و در نهایت منجر به حرکت راک به سمت راست خواهد شد.

عملکرد هنگام پیچیدن به سمت چپ

هنگامی که غربیلک فرمان به سمت چپ چرخانده شود، مسیر دقیقاً برعکس حالت قبل است؛ مجرای ورودی از پمپ به سمت راست پیستون (مجرای A) هدایت می‌شود و هم‌زمان سمت چپ پیستون (مجرای B) از طریق شیر کنترل به مخزن راه پیدا می‌کند. نتیجه، افزایش فشار در سمت راست و کاهش فشار در سمت چپ پیستون و در نهایت حرکت راک به سمت چپ است.

مزایا و معایب جعبه فرمان هیدرولیک

مهم‌ترین مزیت این سیستم، نرمی فرمان و کاهش خستگی راننده است؛ به‌ویژه در خودروهای سنگین‌تر که نیروی موردنیاز برای چرخاندن چرخ‌ها به‌مراتب بیشتر است. قدرت کمکی بالای این سیستم باعث شده حتی امروزه نیز در بسیاری از خودروهای تجاری و باری همچنان گزینه اصلی باشد.

در مقابل، اصلی‌ترین ضعف آن مصرف انرژی دائمی است؛ چون پمپ با تسمه به موتور متصل است و حتی زمانی که راننده فرمان نمی‌دهد نیز می‌چرخد و توان مصرف می‌کند. نتیجه مستقیم این کارکرد پیوسته، افزایش مصرف سوخت است. علاوه بر این، وجود مدار روغن به معنای احتمال نشتی و در نتیجه هزینه نگهداری بیشتر نسبت به فرمان برقی است. برای مقایسه کامل با نسل بعدی این فناوری، مقاله جعبه فرمان برقی را مطالعه کنید.

روش‌های عیب‌یابی جعبه فرمان هیدرولیک

عیب‌یابی این مجموعه باید از ساده‌ترین و کم‌هزینه‌ترین بررسی‌ها شروع شود؛ چون در بسیاری از موارد، ایراد از خود جعبه فرمان نیست و با اقدامی ساده برطرف می‌شود.

۱) بررسی سطح و کیفیت روغن هیدرولیک

نخستین و مهم‌ترین قدم، بررسی سطح روغن در مخزن است. کم بودن سطح روغن یا تغییر رنگ شدید آن (تیره شدن یا کف‌آلود بودن) نشانه مشکل است. روغن کف‌آلود معمولاً به معنای ورود هوا به مدار است و روغن تیره نشان‌دهنده فرسودگی یا آلودگی. اطلاعات تکمیلی درباره مشخصات و زمان تعویض این سیال در مقاله مایع هیدرولیک فرمان آمده است.

۲) بررسی نشتی مدار

شیلنگ‌ها، اتصالات، گردگیر راک و محل آب‌بندی‌ها باید به‌دقت بررسی شوند. نکته کاربردی اینکه روغنی شدن گردگیرها معمولاً نشانه نشتی داخلی از محل آب‌بندی راک است و برخلاف نشتی شیلنگ، با سفت کردن اتصالات برطرف نمی‌شود.

۳) تست فرمان درجا

در حالت روشن بودن موتور و توقف خودرو، فرمان باید نرم و یکنواخت بچرخد، بدون صدا یا گیر کردن. اگر سفتی فرمان فقط در یک جهت احساس شود، احتمال ایراد در شیر کنترل بیشتر است؛ اما اگر در هر دو جهت سفت باشد، معمولاً منشأ آن کمبود روغن یا ضعف پمپ است.

۴) بررسی صدای پمپ

صدای غیرعادی پمپ می‌تواند نشانه خرابی داخلی باشد. توجه داشته باشید که صدای زوزه‌ای که با چرخاندن کامل فرمان تا انتهای کورس تشدید می‌شود، لزوماً به معنای خرابی نیست؛ اما اگر این صدا در حالت عادی و بدون فرمان‌دهی نیز شنیده شود، بررسی پمپ ضروری است.

جمع‌بندی نهایی

جعبه فرمان هیدرولیک یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم فرمان خودرو است که با استفاده از فشار روغن، نیروی موردنیاز برای چرخاندن چرخ‌ها را کاهش می‌دهد. نوع رک‌وپینیون هیدرولیکی رایج‌ترین مدل در خودروهای سواری است و اجزای اصلی آن شامل شیر کنترل، پینیون، راک، پیستون و صفحات آب‌بندی می‌شود.

درک نحوه عملکرد شیر کنترل، پیستون و مسیرهای روغن، مستقیماً به تشخیص دقیق عیب کمک می‌کند؛ چون بسیاری از علائم مانند سفت شدن فرمان یا صدای زوزه، بین چند قطعه مختلف مشترک‌اند و بدون شناخت مسیر جریان روغن، تفکیک آن‌ها دشوار است. با وجود مزایای زیاد، مصرف انرژی دائم و هزینه نگهداری از نقاط ضعف این سیستم محسوب می‌شود.

یادگیری عملی عیب‌یابی و تعمیر مجموعه هیدرولیک فرمان، مهارتی است که با کار مستقیم روی خودرو به دست می‌آید. برای آموزش کارگاهی سیستم فرمان و جلوبندی، می‌توانید در دوره آموزش جلوبندی‌سازی شرکت کنید.

سوالات متداول

وظیفه جعبه فرمان چیست؟

جعبه فرمان حرکت دورانی غربیلک فرمان را به حرکت خطی موردنیاز برای چرخاندن چرخ‌ها تبدیل کرده و هم‌زمان نیروی دست راننده را تقویت می‌کند.

اجزای جعبه فرمان هیدرولیک کدام‌اند؟

شیر کنترل هیدرولیک، پینیون، دنده شانه‌ای (راک)، پیستون، صفحات آب‌بندی، میله ستون فرمان (تورشن بار)، مایع هیدرولیک و گردگیرها، اجزای اصلی این مجموعه را تشکیل می‌دهند.

جعبه فرمان هیدرولیک چگونه کار می‌کند؟

با هدایت روغن پرفشار به یک طرف پیستون داخل راک و تخلیه طرف دیگر به مخزن، اختلاف فشار ایجاد شده و حرکت شانه‌ای تسهیل می‌شود؛ در نتیجه فرمان نرم‌تر می‌گردد.

انواع جعبه فرمان هیدرولیک کدام‌اند؟

دو نوع اصلی وجود دارد: رک‌وپینیون هیدرولیکی که رایج‌ترین مدل خودروهای سواری است، و Integral Piston Linkage که در آن جک هیدرولیکی خارج از مجموعه نصب می‌شود و به آن External Piston Linkage نیز گفته می‌شود.

اگر سیستم هیدرولیک خراب شود آیا خودرو قابل هدایت است؟

بله، اما فرمان سفت‌تر خواهد شد. سیستم به‌گونه‌ای طراحی شده که ارتباط مکانیکی بین غربیلک و چرخ‌ها هرگز قطع نشود و در این حالت عملکرد آن مانند فرمان دستی است.

علت سفت شدن فرمان هیدرولیک چیست؟

کم بودن روغن، خرابی پمپ، نشتی مدار یا مشکل در شیر کنترل از دلایل رایج است. اگر سفتی فقط در یک جهت باشد، احتمال ایراد شیر کنترل بیشتر است.

تفاوت رک‌وپینیون هیدرولیکی با مکانیکی چیست؟

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

چرا فرمان هیدرولیک مصرف سوخت را افزایش می‌دهد؟

چون پمپ هیدرولیک با تسمه به موتور متصل است و حتی در زمان عدم فرمان‌دهی نیز می‌چرخد و انرژی مصرف می‌کند.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی