سیستم فرمان چیست و چگونه کار می کند؟

سیستم فرمان وظیفه هدایت خودرو را داردو از غربیلک فرمان،میله فرمان،نگه دارنده میله فرمان ، جعبه فرمان ، سیبک فرمان و انواع قاب ها و اجزای دیگر تشکیل شده، متعلقات فرمان روی اکسل جلو درسمت راست و یا چپ اتومبیل هدایت اتومبیل توسط راننده را امکان پذیر می نماید.یعنی حرکت غربیلک و میله اصلی فرمان به هزار خاری و میله های رابط فرمان و بعد به سگدست منتقل و در نتیجه حرکت رفت وبرگشتی یا سمت چپ و راست غربیلک فرمان باعث گردش اتومبیل می شود.

انواع سیستم فرمان خودرو:

سیستم فرمان انواع گوناگونی دارد از جمله سیستم فرمان مکانیکی (دنده شانه ای و پینیون) ،هیدرولیکی و الکتریکی . در ابتدا معمول ترین این سیستم ها، سیستم دنده شانه ای و پینیون است. به طوری که پینیون حرکت دورانی داشته و دنده شانه ای حرکت خطی انجام می دهد. در این حال پینیون حرکت دورانی غربیلک فرمان را به دنده شانه ای انتقال داده، دنده شانه ای نیزحرکت خطی را از طریق مفصل ها به چرخ های خودرو انتقال می دهد.امایکی از پارامترهای موثر در انتخاب نوع خودرو در کشورهای توسعه یافته راحتی چرخش غربیلک فرمان خودرو می باشد. این موضوع سازندگان خودرو را بر آن داشت که جهت تسهیل در چرخش فرمان و به تبع آن کاهش خستگی راننده وهمچنین افزایش ایمنی با فراهم کردن کنترل بهتر در جاده های خشن ، یک سیستم هیدرولیکی به قسمت مکانیکی اضافه نمایند.لذا  پمپ هیدرولیک ، مخزن روغن ، تسمه ، شیرهای کنترل،لوله های رابط سیلندر و ... اضافه شدند تا فرمان خودروهیدرولیکی گردد. که این سیستم جانبی به صورت کمکی عمل می نماید، یعنی وظیفه اصلی همچنان به عهده قسمت مکانیکی است.این سیستم برای ایفای نقش ازنیروی موتور خودرو استفادهمی نماید. لذا از بازده موتور کاسته و مصرف انرژی بیشتری می گردد. علاوه بر آن، سیستم هیدرولیک به صورت مرکز آزاد عمل می کند. یعنی حتی در زمانی که خودرو به صورت مستقیم در حال حرکت است و هیچ انحرافی ازمسیر ندارد ، باز هم این سیستم عمل می کند. دلایل فوق سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سیستم های بهتر و مفیدتری باشنند تا آن را جایگزین سیستم های هیدرولیکی نمایند .یکی از سیستم های ارائه شده در سال های اخیرفرمان الکتروهیدرولیکی (EHPS) است که در آن به جای استفاده از موتور خودرو، یک موتور الکتریکی به پمپ هیدرولیک اضافه شده و فرمان از موتورخودرو مستقل میشود. دراین نوع فرمان هر چند مسئله مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته است ولی مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم هیدرولیکی هنوز پا برجاست. به عبارت دیگر باید تنها هنگامی که چرخشی به فرمان وارد می شود عملکرد سیستم اتفاق بیافتد .

 

 

 فرمان الكتریكی (Electronic Power Steering (EPS

این نوع فرمان با حل مشکلات گذشته از لحاظ ساختار متفاوت و دارای مزایای زیادی نسبت به فرمان هیدرولیک است.اولین بار شرکت هوندا در اتومبیل های رالی NSX از فرمان الکترونیکی استفاده نمود. در این سیستم ، مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم کمکی فرمان حل شد به طوریکه  سیستم الکتریکی زمانی عمل می کند که چرخشی در فرمان به وجود آید و گشتاوری وجود داشته باشد.

نحوه عملكرد EPS

برخی از سیستم های قدیمی فرمان برقی عملا” الکتروهیدرولیک(EHPS) بودند به طوری که از یک الکتروموتور برای به حرکت در آوردن پمپ هیدرولیک استفاده می شد اما نسل جدید فرمان های برقی  (EPS ) بطور کلی الکتریکی و الکترونیکی است ، جعبه فرمان از یک میل دندانه دار و یک موتور  الکتریکی که روی میل فرمان میل دندانه دار بسته شده است ، تشکیل شده است . هنگامی که راننده غربیلک را به حرکت در می آورد سنسورهای فرمان چگونگی و سرعت چرخش غربیلک را بدست می آورد، این اطلاعات همراه با شکل های ورودی از سنسور گشتاور پیچشی ( TORQUE ) بسته شده روی شفت فرمان ، کنترل یونیت سیستم فرمان را تغذیه می کند ، دیگر ورودی ها مثل سرعت خودرو و کنترل کشش ( TRACTION  ) یا سیستم کنترل پایداری خودرو( ESP ) برای تصمیم گیری مقدار کمک مورد نیاز و چگونگی فرمان ملاک هستند ، سپس کنترل یونیت برای چرخش به مقدار صحیح به موتور، فرمان می دهد وسنسور روی موتور از میزان چرخش  موتور به کنترل یونیت فیدبک می دهد . پس کنترل یونیت موقعیت موتور را نیز مورد نظارت قرار می دهد .فرمان الکترونیکی به این صورت عمل می کند که ابتدا سنسور ، گشتاور وارده از غربیلک فرمان را حس نموده و آنرا به صورت سیگنال یا سیگنالهایی به واحد کنترل الکترونیکی ( ECU ) ارسال می کند . میکروکنترلر یونیت فرمان الکترونیکی علاوه بر این سیگنال ، سیگنالی نیز از سرعت خودرو دریافت می کند. آنگاه این دو را پردازش نموده  و دستور العمل لازم را به قسمت موتور DC اعمال می نماید تا به صورت کمکی (Assisted) سیستم فرمان مکانیکی را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین دستور العملهای ECU به موتور Brushless تابعی از خروجی سنسور گشتاور و سرعت خودرو است. این یعنی به منظور ایمنی بیشتر خودرو سرعت درعملکرد EPS موثر بوده و بیشترین عملکرد در سرعتهای پایین و کمترین عملکرد فرمان  در سرعت های بالای خودرو است.

مزایای فرمان الكتریكی نسبت به فرمان هیدرولیكی:

1-فرمانپذیری نرم وآسانتر 
2-حذف صدای پمپ هیدرولیک
3-حذف شیرهای کنترل (valve) و لوله های رابط
4-حذف تسمه ها بین پمپ هیدرولیک وموتور اتومبیل (belt)
5- حذف جک هیدرولیک (hydraulic jack) و روغن هیدرولیک عدم نیاز به چک کردن مداوم
6- تغییرات کمتردر قسمت مکانیکی فرمان هنگام طراحی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک
7- عدم کمک (Assist) فرمان در هنگام عدم ورود گشتاور در فرمان الکتریکی(به عبارت دیگر زمانی که گردشی در فرمان داده شود ، قسمت الکتریکی وارد عمل می گردد .)
8- فرمان الکتریکی به صورت Safe Fail است .( چنانچه قسمت الکتریکی به دلایلی از کار افتد، قسمت مکانیکی فرمان می تواند به کار ادامه دهد.)
9- مقداری انرژی مصرفی در فرمان الکتریکی ، حدود یک ششم انرژی مصرفی در فرمان هیدرولیک است. به عبارت دیگر به مقدار 85 % در انرژی مصرفی فرمان الکتریکی نسبت به هیدرولیک صرفه جویی می شود.
10 - کاهش حجم واندازه نسبت به هیدرولیک
11 - مستقل بودن از موتور خودرو
12 - کاهش قابل ملاحظه زمان مونتاژ
13 - افزایش قابل ملاحظه عمر موثر نسبت به فرمان هیدرولیکی
14 - قابلیت ایمنی بالا در شرایط بحرانی
15 - استفاده از یک نوع فرمان الکتریکی در چندین خودروی متفاوت
16-حذف پمپ هیدرولیک (pump) وهرزگرد (pulley)که از8تا10اسب بخار از قدرت موتور رامصرف می کند.
17-وزن کم نسبت به سیستم هیدرولیکی
18- تنطیم بسیار دقیقتر سیستم فرمان برقی از کنترلهای هیدرولیکی در عین حال چون با سیستم نرم افزاری هدایت می شود دقت فرمان و اعتدال آن و حساس بودن آنرا بالا می برد .

سیستم فرمان پر قدرت برقی (EPS ) اولین بار روی خودروی  NSX Acura ( از اولین خودروهای تولیدی با این مشخصه )Honda S2000 ، Toyota Prius و Toyota RAV4 به اضافه تعداد زیادی از مدلهای GM بین 2004 تا 2009 و شورلت ، پونتیاک از 2002 تا 2009 و غیره ، استفاده شد .

فرمانهای الکتریکی از سه قسمت اساسی  تشکیل شده است که به سیستم فرمان مکانیکی (Rack and pinion) اضافه می شودکه می توانند در یک محفظه (Housing) یا به صورت جداگانه قرارگیرند. :

1. سنسورگشتاور (Torque Sensor)
2. موتور با جریان مستقیم (Motor Brushless DC)
3. واحد کنترل الکترونیکی (ECU)

 

فرمان الکتریکی در سه حالت مختلف می تواند بر روی قسمت مکانیکی نصب شود .

الف) نصب  روی ستون فرمان (C-EPS):

در این روش مجموعه سنسورها ، موتور DC و قسمت ECU بطور مجتمع در یک محفظه مستقر و روی ستون فرمان (Column- Steering) نصب می شود. بنابراین عملکرد کمکی (Assisted) فرمان EPS به ستون فرمان اعمال می گردد. این روش در خودروهای کوچک، مخصوصا خودروهای درون شهری که راحتی فرمان فاکتور مهمی درترافیک های سنگین و پارک نمودن خودرو محسوب می شود ، بکار می رود. ستون فرمان با موتور الکتریکی DC توسط دنده حلزونی درگیر هستند .

 ب) نصب  روی پینیون (P-EPS) :

در این روش نیز مجموعه سنسورها ، موتور DC و قسمت ECU بطور مجتمع در یک محفظه قرار گرفته ولی روی پینیون نصب می شوند. این حالت برای خودروهای نیمه سنگین مناسب بوده و راننده این نوع خودروها در راحت ترین حالت می توانند خودرو را هدایت کنند.

 

 

ج) نصب  روی دنده شانه ای (R-EPS):

دراین روش هر سه قسمت EPS یعنی سنسور ، موتور DC  و ECU جدا از هم روی جعبه فرمان نصب می شوند . به شکلی که موتور DC و ECU جدا از هم  روی دنده شانه ای (Rack) قرار گرفته و سنسورها نیز روی پینیون مستقر می شوند. زیرا روی دنده شانه ای گشتاوری وجود ندارد که سنسورها بتوانند آن را حس کنند. این حالت برای خودروهای سنگین که نیروی زیادی باید به دنده شانه ای اعمال شود مناسب است . بنابراین نیروی کمکی (Assisted) به طور مستقیم از موتور DC به دنده شانه ای (Rack) وارد می گردد.

 

 

 روند پردازش اطلاعات در (EPS)

ماژول کنترل EPS ، نیروی مورد نیاز جهت کمک به کنترل فرمان پذیری را تعیین می کند. همچنین نیروی کمکی اولیه سیستم فرمان را با اضافه نمودن نیروی اینرسی ، چرخش چرخها و کنترل میرایی ، تصحیح می نماید تا احساس بهتری نسبت به کنترل و فرمان پذیری خودرو را بوجود آورد.
با توجه به نتایج حاصل از کنترل های فوق و حداکثر مقادیر اندازه گیری شده، ماژول کنترل EPS جریان هدف را محاسبه می کند. سپس با مقایسه هدف و مقادیر اندازه گیری شده ،جریان مورد نیاز را تنظیم می نماید.
علاوه بر کنترل های معمول ماژول کنترل EPS ، مدلهای تنظیم کمکی نیز دارد که جهت افزایش کنترل ثبات دینامیکی خودرو به آن اضافه شده است . اطلاعات کنترل یونیت AWD که با توجه به شرایط جاده بدست می آید جهت فرمان پذیری بهتر ،توسط BCM به ماژول کنترل EPS ارسال می گردد.

 نحوه عملكرد شفت فرمان (EPS)

درصورتیکه در سیستم فرمان EPS ایرادی بوجود آید سیستم فرمان بدون کمک سیستم EPS و بصورت دستی کار می کند همانند زمانیکه موتور خودرو خاموش باشد.
زمانیکه فرمان به چرخش درمی آید میله پیچشی (bar torsion) نیز به حالت پیچش درمی آید .هنگامیکه منبع تغذیه جریان الکتریسیته موتور EPS قطع شده باشد نیروی کمکی نیز وجود ندارد و نیروی فرمان که توسط راننده اعمال می شود به صورت مستقیم به پنیون فرمان منتقل می گردد.

 اجزای اصلی پینیون فرمان برقی EPS

 نیروی فرمان از میل فرمان به شفت ورودی (1) اعمال می شود.میل پیچشی داخل شفت ورودی قرار گرفته است. قسمت بالایی میل پیچشی (2) به شفت ورودی از طریق یک پین متصل می باشد.قسمت پایینی میل پیچشی به دنده پینیون فرمان(شفت خروجی)(3) پرس شده است.میل پیچشی تنها هنگامی که شفت ورودی زودتر از شفت خروجی بچرخد پیچیده می شود،این نیروی پیچشی توسط سنسور گشتاور (4) اندازه گیری می شود.

چرخش موتور باعث ایجاد یک نیروی القای الکترومغناطیسی می شود.که توسط resolver (9) که یک جفت سیم پیچ است شناسایی می شود.این سیگنال ارسالی از resolver به عنوان زاویه موتور در نظر گرفته می شود.کنترل مدول P/S سیگنال سنسور گشتاور و resolver را دریافت و سیستم فرمان را کنترل می کند.

 اصول عملکرد سنسور موقعیت فرمان یا گشتاورسنج

 1- هنگامی که راننده غربیلک را می چرخاند ، ابتدا شفت ورودی می چرخد و به تبع از آن شفت خروجی خواهد چرخید، به دلیل اصطکاک بین جاده و چرخ از آنجاییکه شفت ورودی زودتر از شفت خروجی می چرخد ، میل پیچشی می پیچد.به تناسب بیشتر شدن نیروی اصطکاک پیچش میله نیز بیشتر خواهد شد.

2- زاویه پیچش میله پیچشی توسط ارتباط بین شفت سنسور (4D) و شکاف(4C) معادل سازی می شود.مقدار مغناطیسی همان مقدار تغییرات محور سنسور است (4D) با توجه به جابه جایی بین شفت سنسور(4D) و شکاف (4C) توسط تغییرات مقاومت (اندوکتانس inductance) دو سیم پیچ تشخیص داده می شود.

3- تغییرات مقاومت که توسط سیم پیچ ها تشخیص داده شده توسط آمپلی فایر به سیگنال تبدیل می شود و پس از آن به کنترل مدول P/S ارسال می گردد.

4- هنگامی که فرمان در حالت طبیعی است ولتاژ سیگنال خروجی اصلی و فرعی 2.5V است و گشتاور فرمان 0 نیوتن متر است.در گردش به راست از 2.5v بالاتر می رود و در گردش به چپ از 2.5v پایین تر می آید.

   وقتی که فرمان می چرخد ، ماژول کنترل P/S سیگنال سنسور گشتاور را دریافت می کند.محاسبه ارسال جریان متناوب به ترانزیستورها بر اساس سیگنال های دریافتی انجام می شود. با چرخاندن فرمان در ماژول کنترل P/S شش ترانزیستور به صورت ON/OFF در می آیند و باعث ایجاد جریان سه فاز در سیم پیچ استاتور موتور الکتریکی می شود.با تغییر قطبیت هر یک از سیم پیچ های استاتور روتور به صورت گام به گام به چرخش در می آید.

 وقتی که روتور می چرخد میدان مغناطیسی در سیم پیچ ها تولید می شود. توسط کوئل 1 و 2 تغییر نیروی الکتروموتور بوسیله میدان مغناطیسی مدوله شده تشخیص داده می شود و همچنین بوسیله کوئل تشخیص 1 و 2 ماژول کنترل P/S موقعیت زاویه دقیق موتور را محاسبه می نماید.

کوئل های تشخیص 1 و 2 در زاویه 90 درجه ای نسبت به هم نصب شده اند به همین دلیل نیروی ناشی از الکتروموتور اختلاف فاز 90 درجه ای دارند و باعث می شود سیم پیچ ها تولید موج سینوسی و کسینوسی نمایند.