سیستم فرمان خودرو مجموعهای است که نیروی دست راننده را از غربیلک فرمان به چرخهای جلو منتقل و آن را حدود ۱۵ تا ۳۰ برابر تقویت میکند. انواع سیستم فرمان از نظر جعبهفرمان به دو دسته ساچمهدرگردش و رکوپینیون، و از نظر نیروی کمکی به پنج دسته مکانیکی، هیدرولیکی، الکتروهیدرولیکی، برقی (EPS) و Steer-by-Wire تقسیم میشود. مبنای طراحی همه این مکانیزمها، اصل آکرمان است که تضمین میکند چرخ داخل پیچ زاویه بیشتری نسبت به چرخ خارج پیچ بگیرد.
آنچه در این مقاله خواهید خواند...
این سیستم یکی از حیاتیترین مجموعههای خودرو برای کنترل جهت حرکت و پایداری در مسیرهای مستقیم و پیچها است. در این مقاله، ابتدا اصل آکرمان و مفهوم مرکز آنی دوران را توضیح میدهیم و سپس سراغ انواع مکانیزمهای جعبهفرمان و انواع فرمان از نظر وجود یا عدم وجود نیروی کمکی میرویم.
وظیفه سیستم فرمان خودرو
وظیفه اصلی سیستم فرمان، کنترل مسیر حرکت خودرو بهصورت پایدار است. مسیر انتقال نیرو در این سیستم از غربیلک فرمان آغاز میشود؛ نیروی دست راننده ابتدا وارد ستون فرمان شده و سپس توسط جعبهفرمان و اهرمبندیها تقویت میگردد. این نیروی تقویت شده از طریق میلهای فرمان به بازوی فرمان یا شغالدست منتقل میشود و در نهایت از طریق سگدست باعث دوران چرخها میگردد.
نکته کلیدی در طراحی این زنجیره، مفهوم مبادله نیرو و جابجایی است. بهطور معمول نیروی دست راننده حدود ۱ به ۲۰ (یا نزدیک به آن) تقویت میشود؛ یعنی راننده با نیروی کم اما جابجایی زیاد غربیلک، نیروی بسیار بیشتر و جابجایی کمتر در چرخها ایجاد میکند. همین نسبت است که هم فرماندهی را برای راننده آسان میسازد و هم دقت کنترل را بالا میبرد؛ اگر این نسبت خیلی کم باشد فرمان سفت میشود و اگر خیلی زیاد باشد، راننده برای هر پیچ باید غربیلک را بیش از حد بچرخاند.
اصل آکرمان در سیستم فرمان
مرکز آنی دوران خودرو چیست؟
برای اینکه خودرو در پیچ بدون لغزش جانبی نامطلوب حرکت کند، باید حول یک مرکز آنی دوران بچرخد. این نقطه همیشه روی امتداد محور چرخ های عقب قرار دارد، چون چرخ های عقب ثابت هستند و نمیچرخند. این مفهوم پایه طراحی سیستم فرمان است و مستقیماً به قانون آکرمان مرتبط میشود.
برای كنترل جهت حركت خودرو بهصورت مطلوب و پايدار از سیستم فرمان استفاده میشود. جهت دستيابی به اين امر مهم، مطابق شكل 1، خودرو بايد حول يك مركز آنی دوران، دوران نمايد.
شكل 1-مركز آنی دوران خودرو و اصل آكرمان
قانون آکرمان چه میگوید؟
طبق اصل آکرمان، در پیچها باید زاویه گردش چرخ داخل پیچ بیشتر و زاویه گردش چرخ خارج پیچ کمتر باشد. دلیل آن ساده است: چرخ داخل پیچ شعاع گردش کوچکتری را طی میکند و اگر هر دو چرخ زاویه یکسان بگیرند، حداقل یکی از آنها بهجای غلتیدن روی مسیر خود، روی آسفالت کشیده میشود.
نتیجه این لغزش، کاهش پایداری، سایش نامتقارن تایر و افت فرمانپذیری است. به همین دلیل است که تنظیم زوایای چرخ خودرو یکی از سرویسهای دورهای مهم محسوب میشود؛ خارج شدن این زوایا از محدوده استاندارد، دقیقاً همان لغزش و سایشی را ایجاد میکند که هندسه آکرمان برای جلوگیری از آن طراحی شده است.
چنانچه روابط رياضی حاكم بر شكل 1 نوشته شود، قانون آكرمان[1] مطابق رابطه زیر استخراج میشود:
با توجه به شكل 1 و رابطه بالا، ملاحظه میشود كه در زوايای فرمان زياد و به جهت پايدار حركت كردن خودرو روی مسيرهای منحنی، زاويه گردش چرخ داخل پيچ (δi) بيشتر از زاويه گردش چرخ خارج پيچ (δo) میباشد. به همین دلیل، اصل آکرمان یکی از مهمترین معیارهای طراحی مکانیزم فرمان است و منجر به توسعه مکانیزم های رایج سیستم فرمان شده است. [1] Ackermann
انواع مکانیزم سیستم فرمان از نظر نوع جعبه فرمان
به طور کلی جعبه فرمانها مکانیزم های مختلفی دارند، اما دو خانواده مهم و رایجتر عبارتاند از جعبهفرمان ساچمه در گردش (Recirculating Ball) و جعبه فرمان چرخ دنده شانه ای یا رکوپینیون (Rack & Pinion). تفاوت اصلی این دو، هم در نحوه تبدیل حرکت دورانی به خطی است و هم در فضایی که اشغال میکنند و باری که تحمل مینمایند.
1) جعبه فرمان ساچمه در گردش (Recirculating Ball) چیست؟
این نوع جعبهفرمان از نظر کیفیت و تحمل بار، جزو گزینه های بسیار قوی و پایدار محسوب میشود و در بسیاری از خودروهای قدیمی و همچنین خودروهای تجاری استفاده شده است. مطابق شكل 2، در مكانيزم فرمان مجهز به اين جعبهفرمان از ميلهها و مفاصل زياد استفاده شده، بنابراين عملكرد بسيار مطلوبی دارد و پايداری خودرو با اين نوع مكانيزم بسيار مناسب است. اين مكانيزم در خودروهای پيكان، شورلت، نيسان وانت، مزدا وانت و با كمی تغييرات در تمامی كاميونها و اتوبوسها استفاده شده است.
1-میله واسط فرمان (ميل فرمان بلند) 2-مفصل بازوي هرزگرد 3-بازوي هرزگرد 4-ميله قابل تنظيم سیستم فرمان (ميل فرمان كوتاه) 5-غربيلك فرمان 6-ستون فرمان 7-جعبه فرمان 8-بازوی هزارخار يا Pitman 9-طبق 10-بازوي فرمان (شغالدست) 11-محور گردش چرخ (king pin)
شكل 2- مكانيزم سیستم فرمان با استفاده از جعبه فرمان ساچمه درگردش
شکل 3 ساختمان داخلی این جعبه فرمان را نشان میدهد.
1- ساچمه 2- لوله هاي برگشت ساچمه ها 3- خار حلقوي 4- كاسه نمد 5- مهره قفلی 6- مهره تنظيم 7- بلبرينگ یا ياتاقان های مارپيچ 8- پيچ تنظيم 9- دنده هاي مخروطی تاج خروسی 10- مارپيچ 11- مهره به صورت چرخ دنده شانه اي (قرقری) 12- تاج خروسی 13- شفت Pitman 14- ياتاقان غلتكی سوزني 15- كاسه نمد 16- بازوی Pitman
شكل 3- ساختار جعبه فرمان ساچمه در گردش
مطابق شكل 3، با دوران غربيلك فرمان توسط راننده، مارپيچ فرمان دوران نموده و از آنجايی كه توانايی حركت محوری ندارد، كل حركت خود را از طريق ساچمهها (۱) به مهره (۱۱) منتقل میكند. از آنجايی كه مهره توانايی چرخش ندارد، با دريافت حركت دورانی از مارپيچ، فقط حركت خطی انجام میدهد. حركت خطی مهره از طريق دندانههای ايجادشده بر روی سطح خارجی آن به شفت Pitman (۱۳) منتقل میشود؛ اين شفت دوران كرده و حركت دورانی خود را به بازوی هزارخار يا بازوی Pitman (۱۶) میدهد و از آنجا نيرو و جابجايی به مكانيزم فرمان اعمال شده و باعث دوران چرخها میگردد.
مزیت کلیدی این ساختار، وجود ساچمهها بین مارپیچ و مهره است. این ساچمهها اصطکاک لغزشی را به اصطکاک غلتشی تبدیل میکنند و در نتیجه نيروی اصطكاك به حداقل ممكن رسيده و بازده جعبهفرمان افزايش میيابد. همين ويژگی باعث شده اين جعبهفرمان يكی از بهترين گزينهها برای خودروهای سواری و تجاری[2] (كاميون، اتوبوس و…) باشد. [2] Commercial vehicle
2) جعبهفرمان رکوپینیون (Rack & Pinion) چیست؟
این نوع جعبهفرمان امروزه در خودروهای سواری بسیار رایج است. با توجه به شكل 4، ملاحظه میگردد كه عضو شانهای خود بهعنوان يكی از ميلههای مكانيزم فرمان عمل میكند؛ يعنی یک قطعه همزمان دو نقش را ایفا مینماید و همين موضوع باعث میشود مكانيزم سادهتر و ارزانتر شود و فضای زيادی نیز اشغال نكند. از اينرو در خودروهای امروزی اين مكانيزم بهصورت فراگير در خودروهايی مانند پرايد، پژو، زانتيا و غيره استفاده شده است.
1- غربيلك فرمان 2- ستون فرمان 3- مفصل چهار شاخه اي بالايي 4- شفت فرمان 5- مفصل چهار شاخه ای پايينی 6- شفت پينيون 7- چرخ دنده شانه اي 8- پوسته جعبه فرمان 9- ميله قابل تنظيم فرمان 10- محل اتصال جعبه فرمان به بدنه خودرو 11- بازوی فرمان (شغالدست) 12- طبق 13- محور گردش چرخ 14- محور چرخ (سگدست)
شكل 4- مكانيزم سيستم فرمان با استفاده از جعبه فرمان چرخ دنده شانهاي (Rack and pinion)
شکل 5 ساختمان داخلی جعبه فرمان چرخدنده شانهای را نشان میدهد.
۱- محفظه يا هوزينگ شانه اي ۲- محل اتصال جعبه فرمان به بدنه خودرو ۳- هوزينگ پينيون ۴- پينيون ۵- شانه ای ۶- تكيه گاه قابل تنظيم براي كنترل لقي بين پينيون و شانه ای ۷- گردگير ۸- فنر ۹- نشيمنگاه كروی ۱۰- مفصل كروی ۱۱- هوزينگ و مهره مفصل كروی ۱۲- فنر ۱۳- شيم يا واشر با ضخامت های متفاوت جهت كنترل لقی بين پينيون و شانه اي ۱۴- درپوش ۱۵- ميله قابل تنظيم فرمان ۱۶- ياتاقان شانه ای از نوع بوش ۱۷- مجراي عبور هوا ۱۸- انتهای ديگر محفظه يا هوزينگ
شكل 5- ساختمان جعبه فرمان چرخ دنده شانه ای
با توجه به شكل 5، با دوران غربيلك فرمان، پينيون (۴) دوران كرده و بنابراين چرخدنده شانهای (۵) حركت خطی به سمت چپ و راست انجام میدهد. حركت خطی شانهای از طريق ميلههای قابل تنظيم فرمان (۱۵) به بازوی فرمان (شغالدست) و از آنجا به محور چرخ (سگدست) منتقل شده و چرخها به سمت چپ و راست دوران میكنند.
اين نوع جعبهفرمان بسيار ساده و ارزانقيمت بوده و فضای كمی را اشغال میكند؛ از اينرو برای خودروهای محرك جلو كه موتور نيز بهصورت عرضی نصب شده و محدوديت فضای محفظه موتور وجود دارد، بسيار مناسب میباشد. به همین دلیل در اكثر خودروهای امروزی از این نوع جعبهفرمان استفاده میشود.
جلوبندی سازی را عملی یاد بگیرید
از عیبیابی تا تعمیر؛ سیستم تعلیق، جعبهفرمان، فنر و کمکفنر و میزان فرمان را حرفهای یاد بگیرید. با مدرک دانشگاه شریف
شروع یادگیری ←انواع سیستم فرمان خودرو از نظر وجود نیروی کمکی
از دید «محرک کمکی»، سیستمهای فرمان به دو گروه اصلی تقسیم میشوند: فرمان مکانیکی که تمام نیرو را راننده تأمین میکند، و فرمان با قدرت کمکی که بخشی از نیرو توسط منبع دیگری تأمین میشود. تفاوت این دو گروه صرفاً در راحتی راننده نیست؛ روی وزن خودرو، مصرف سوخت و حتی امکان پیادهسازی سیستمهای کمکراننده نیز اثر مستقیم دارد.
شكل 6- انواع روش دستهبندی سیستم فرمان
۱) سیستم فرمان مکانیکی یا دستی
در این سیستم تمام نیروی لازم برای چرخاندن چرخها توسط راننده تأمین میشود و هیچ منبع کمکی وجود ندارد. ضریب تقویت اهرمبندیها معمولاً بین ۱۵ تا ۳۰ برابر است که برای رانندگی در سرعتهای متوسط و بالا کافی است. اما محدودیت اصلی این سیستم در زوایای فرمان زیاد بروز میکند: هنگام پارک یا مانور در سرعت پایین، سطح تماس تایر با زمین ثابت است و مقاومت اصطکاکی بالایی ایجاد میکند، به همین دلیل فرمان بهمراتب سفتتر احساس میشود. این مدل در خودروهای قدیمی رایجتر بوده و امروزه کمتر استفاده میشود.
شكل 7- برخی از انواع مکانیزم جعبهفرمان
2) سیستم فرمان با قدرت کمکی (Power Steering)
برای کاهش خستگی راننده و افزایش دقت فرماندهی، سیستمهای کمکی توسعه یافتند. این خانواده شامل سه نوع مهم هیدرولیکی، الکتروهیدرولیکی و برقی است که در ادامه هرکدام را بررسی میکنیم.
شكل 8- انواع سیستمهای فرمان با قدرت کمکی
الف) فرمان هیدرولیکی (Hydraulic Power Steering)
در این سیستم، یک پمپ هیدرولیکی که اغلب با تسمه از موتور نیرو میگیرد فشار روغن تولید میکند و با کمک جعبهفرمان، فرماندهی را نرمتر میکند. مزیت اصلی آن قدرت کمکی بالا و احساس فرمان نرم است که حتی در خودروهای سنگین نیز عملکرد خوبی ارائه میدهد.
در مقابل، سه ضعف مهم دارد. نخست تعداد زیاد قطعات و وزن بالاتر مجموعه؛ ساختار این سیستم شامل جعبه فرمان هیدرولیک، پمپ هیدرولیک فرمان، شیر فرمان هیدرولیک و مدار لولهکشی است که هرکدام نقطه بالقوهای برای بروز عیب محسوب میشوند. دوم نیاز به مایع هیدرولیک فرمان و احتمال نشتی که خود یکی از رایجترین ایرادات این سیستم است؛ و سوم که مهمترین ضعف آن محسوب میشود، این است که پمپ حتی وقتی راننده فرمان نمیدهد نیز معمولاً در حال کار است و از موتور توان میگیرد. نتیجه این کارکرد دائمی، اتلاف انرژی و افزایش مصرف سوخت است. این سیستم در بسیاری از خودروهای دهه ۱۹۸۰ تا حدود ۲۰۱۰ رایج بوده است.
شكل 9- ساختمان کلی سیستم فرمان هیدرولیکی
ب) فرمان الکتروهیدرولیکی (Electro-Hydraulic)
این مدل در واقع پاسخی به ضعف اصلی سیستم هیدرولیکی است. مدار هیدرولیک همچنان وجود دارد، اما بهجای اینکه پمپ با تسمه از موتور نیرو بگیرد، توسط یک موتور الکتریکی کار میکند. مزیت این تغییر آن است که در بسیاری از شرایط رانندگی مانند زاویه کم فرمان یا حرکت مستقیم، پمپ خاموش میماند و انرژی مصرف نمیکند؛ در نتیجه اتلاف انرژی بهطور محسوسی کاهش مییابد در حالی که احساس نرم فرمان هیدرولیکی حفظ میشود. این مدل در بسیاری از خودروهای تولیدی بین حدود ۲۰۰۰ تا ۲۰۲۰ دیده میشود.
کنترل این خاموش و روشن شدن بر عهده اجزایی مانند شیر کنترل پمپ هیدرولیک فرمان و سنسور فشار هیدرولیک فرمان است که وضعیت مدار را لحظهبهلحظه به واحد کنترل گزارش میدهند.
شكل 10- سیستم فرمان از نوع الکتروهیدرولیکی
ج) فرمان برقی (Electric Power Steering – EPS)
در این سیستم، مدار هیدرولیک بهطور کامل حذف میشود و یک موتور الکتریکی که روی ستون فرمان یا جعبهفرمان نصب شده، نیروی کمکی را تأمین میکند. این موتور فقط هنگام نیاز فعال میشود، بنابراین در حرکت مستقیم عملاً هیچ توانی مصرف نمیکند. ساختار و اجزای این مجموعه در مقاله جعبه فرمان برقی بهطور کامل بررسی شده است.
مزیتهای EPS فراتر از کاهش مصرف سوخت است. حذف پمپ، مخزن، شیلنگها و روغن، طراحی را سادهتر و سبکتر میکند و مشکل نشتی روغن را نیز از بین میبرد. اما مهمترین برتری آن قابلیت کنترل هوشمند است؛ چون میزان کمک توسط واحد الکترونیکی تعیین میشود، میتوان آن را بر اساس سرعت خودرو تنظیم کرد (فرمان سبک در سرعت پایین و سنگینتر در سرعت بالا) و همچنین امکان پیادهسازی قابلیتهایی مانند پارک خودکار و کمکراننده حفظ خط را فراهم نمود.
شكل 11- دو نوع سیستم فرمان از نوع الکتریکی
نسل جدید: Steer-by-Wire چیست؟
در Steer-by-Wire ارتباط مکانیکی بین غربیلک فرمان و چرخها بهطور کامل حذف میشود و انتقال فرماندهی بهصورت الکترونیکی انجام میگیرد. در این ساختار، حرکت غربیلک توسط سنسور خوانده شده و به واحد کنترل ارسال میشود و عملگرهای الکتریکی چرخها را میچرخانند.
چون هیچ اتصال فیزیکی وجود ندارد، نسبت فرمان دیگر ثابت نیست و میتواند بهصورت نرمافزاری و متناسب با سرعت تغییر کند. این فناوری در خودروهای مدرن برای افزایش قابلیت کنترل و اجرای الگوریتمهای پیشرفته پایداری توسعه یافته است. این ایده که نسبت فرمان بتواند بسته به شرایط تغییر کند، پیش از Steer-by-Wire نیز در قالب فرمان نسبت متغیر پیادهسازی شده بود.
شكل 12- سیستم فرمان برقی از نوع Steer-by-Wire
جلوبندی سازی را عملی یاد بگیرید
از عیبیابی تا تعمیر؛ سیستم تعلیق، جعبهفرمان، فنر و کمکفنر و میزان فرمان را حرفهای یاد بگیرید. با مدرک دانشگاه شریف
شروع یادگیری ←مقایسه انواع سیستم فرمان خودرو
| نوع سیستم فرمان | منبع نیروی کمکی | مصرف انرژی | دوره رواج |
|---|---|---|---|
| مکانیکی (دستی) | ندارد؛ فقط نیروی راننده | صفر | خودروهای قدیمی |
| هیدرولیکی | پمپ هیدرولیک با تسمه از موتور | زیاد (کارکرد دائمی) | دهه ۱۹۸۰ تا حدود ۲۰۱۰ |
| الکتروهیدرولیکی | پمپ هیدرولیک با موتور الکتریکی | متوسط | حدود ۲۰۰۰ تا ۲۰۲۰ |
| برقی (EPS) | موتور الکتریکی، بدون هیدرولیک | کم (فقط هنگام نیاز) | خودروهای امروزی |
| Steer-by-Wire | عملگر الکتریکی، بدون اتصال مکانیکی | کم | نسل جدید خودروهای مدرن |
جمعبندی نهایی
سیستم فرمان برای کنترل پایدار مسیر خودرو طراحی شده و یکی از پایههای اصلی ایمنی و مانورپذیری محسوب میشود. اصل آکرمان تضمین میکند که در پیچها، چرخ داخل پیچ زاویه بیشتری بگیرد تا لغزش و سایش تایر کاهش یابد؛ همین اصل ساده، مبنای طراحی تمام مکانیزمهای فرمان از قدیمیترین تا مدرنترین نمونههاست.
از نظر مکانیزم، جعبهفرمانها معمولاً به دو خانواده مهم ساچمهدرگردش و رکوپینیون تقسیم میشوند که اولی تحمل بار بالاتر و دومی سادگی و اشغال فضای کمتر را ارائه میدهد. از نظر وجود نیروی کمکی نیز سیستم فرمان میتواند مکانیکی، هیدرولیکی، الکتروهیدرولیکی، برقی و در نسل جدید Steer-by-Wire باشد؛ روند تکامل این سیستمها بهروشنی به سمت کاهش مصرف انرژی و افزایش قابلیت کنترل هوشمند حرکت کرده است.
شناخت عملی اجزای سیستم فرمان و توانایی عیبیابی آن روی خودرو، مهارتی است که با کار مستقیم در کارگاه به دست میآید. برای یادگیری عملی باز و بست، عیبیابی و تعمیر اجزای فرمان و جلوبندی، میتوانید در دوره آموزش جلوبندیسازی شرکت کنید.
سوالات متداول
هدف از بهکارگیری سیستم فرمان خودرو چیست؟
هدف اصلی، کنترل پایدار مسیر حرکت خودرو است. این سیستم نیروی دست راننده را حدود ۱۵ تا ۳۰ برابر تقویت کرده و به چرخهای جلو منتقل میکند تا تغییر مسیر با دقت و بدون لغزش انجام شود.
انواع سیستم فرمان خودرو کداماند؟
از نظر جعبهفرمان به دو نوع ساچمهدرگردش و رکوپینیون، و از نظر نیروی کمکی به پنج نوع مکانیکی، هیدرولیکی، الکتروهیدرولیکی، برقی (EPS) و Steer-by-Wire تقسیم میشوند.
اصل آکرمان در سیستم فرمان چیست؟
اصل آکرمان میگوید در پیچها باید زاویه چرخ داخل پیچ بیشتر از چرخ خارج پیچ باشد تا خودرو بدون لغزش جانبی نامطلوب حرکت کند و هر دو چرخ حول یک مرکز آنی دوران مشترک بچرخند.
تفاوت جعبهفرمان ساچمهدرگردش با رکوپینیون چیست؟
ساچمهدرگردش معمولاً تحمل بار و پایداری بالاتری دارد و در خودروهای تجاری هم رایج است؛ رکوپینیون سادهتر، ارزانتر و مناسب خودروهای سواری مدرن است و فضای کمتری اشغال میکند.
کدام نوع جعبهفرمان اصطکاک کمتری دارد؟
جعبهفرمان ساچمهدرگردش، زیرا وجود ساچمهها بین مارپیچ و مهره باعث تبدیل اصطکاک لغزشی به غلتشی میشود و بازده مجموعه را افزایش میدهد.
سیستم فرمان چگونه باعث افزایش نیروی دست راننده میشود؟
از طریق نسبت اهرمبندی جعبهفرمان و میلههای فرمان؛ راننده با نیروی کم اما جابجایی زیاد غربیلک، نیروی بیشتر و جابجایی کمتر در چرخها ایجاد میکند. این نسبت معمولاً حدود ۱ به ۲۰ است.
چرا فرمان هیدرولیکی باعث افزایش مصرف سوخت میشود؟
چون پمپ هیدرولیک با تسمه از موتور نیرو میگیرد و معمولاً حتی در زمانی که راننده فرمان نمیدهد هم در حال کار است و انرژی موتور را مصرف میکند.
فرمان برقی (EPS) چه مزیتی نسبت به هیدرولیک دارد؟
EPS فقط هنگام نیاز فعال میشود، هیدرولیک و مشکل نشتی روغن ندارد، سبکتر است و امکان کنترل هوشمند بر اساس سرعت خودرو و پیادهسازی قابلیتهایی مانند پارک خودکار را فراهم میکند.
Steer-by-Wire یعنی چه؟
یعنی ارتباط مکانیکی بین غربیلک فرمان و چرخها حذف میشود و فرماندهی کاملاً با سیستمهای الکترونیکی انجام میگیرد. در این حالت نسبت فرمان ثابت نیست و میتواند نرمافزاری تغییر کند.
نویسنده: صیاد نصیری
گروه فنی مهندسی اِیمِگ
