با توجه به تعریف پروژه فرمان برقی توسط سازه گستر و همكاری با شركت سایپا در تولید خودروی پراید، در این گزارش به معرفی سیستم مذكور و مزایای آن نسبت به سیستم هیدرولیكی و نحوه عملكردش می پردازیم. با در نظر گرفتن مزیت های سیستم فرمان برقی، احتمال دارد در آینده از آن به عنوان یكی از آپشن های خودروی S81 استفاده شود
.
سیستم فرمان انواع گوناگونی دارد از جمله سیستم فرمان مكانیكی(دنده شانه ای و پینیون)، هیدرولیكی والكتریكی.
معمول ترین آنها سیستم مكانیكی یا دنده شانه ای و پینیون است. پینیون حركت دورانی دارد و دنده شانه ای حركت خطی انجام می دهد. در این حال پینیون حركت دورانی غربیلك فرمان را به دنده شانه ای منتقل می كند و دنده شانه ای نیز حركت خطی را از طریق مفصل ها به چرخ های خودرو انتقال می دهد.
برای تسهیل در چرخش فرمان و به تبع آن كاهش خستگی راننده و همچنین افزایش ایمنی، سیستم هیدرولیكی ابداع شده است. برای ایجاد فرمان هیدرولیكی معمولا اجزای زیر به قسمت مكانیكی فرمان اضافه می شوند:
پمپ هیدرولیك با مخزن روغن و چرخ تسمه،
شیرهای كنترل،
لوله های رابط،
سیلندر و
تسمه.
سیستم هیدرولیكی فرمان برای ایفای نقش خود از موتور خودرو استفاده می كند بنابراین از بازده آن اندكی می كاهد همچنین مصرف انرژی بیشتر را در پی دارد. علاوه بر آن، سیستم هیدرولیك به صورت مركز آزاد عمل می كند یعنی حتی وقتی خودرو به صورت مستقیم در حال حركت است و هیچ انحرافی ندارد باز هم به عملكرد خود ادامه می دهد. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سیستم های بهتر و مفیدتری بگردند و آنها را جایگزین سیستم هیدرولیكی كنند یا سیستم هیدرولیكی را بهبود بخشند.
یكی از سیستم های ارائه شده در سال های اخیر، فرمان الكتروهیدرولیكی(EHPS) است كه در آن به جای استفاده از موتور خودرو، یك موتور الكتریكی با قطعات برقی به پمپ هیدرولیك اضافه می شود و در نتیجه فرمان از موتور مستقل می شود.
در این نوع فرمان هر چند مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته ولی مشكل دائمی بودن عملكرد سیستم هیدرولیكی یعنی حالت مركز آزاد هنوز پا بر جاست.
به عبارت دیگر باید وضعیتی را تدارك دید كه سیستم تنها وقتی چرخشی به فرمان وارد می شود عمل كند، نه همیشه.
از این رو در نسل جدید خودروها فرمان الكتریكی(EPS)
جایگزین انواع قبلی شد. این نوع فرمان مشابه نوع هیدرولیكی عمل می كند ولی از لحاظ ساختار متفاوت است. امروزه با توجه به مزایای متعدد خودروهای فرمان برقی در قیاس با خودروهای دارای فرمان¬های هیدرولیكی و مكانیكی، بیشتر خودروسازان به استفاده از این سیستم روی آورده اند تا جایی كه در سال 2007 بیش از 60درصد خودروهایی كه د اروپا به فروش رفته اند، سیستم فرمان برقی داشته اند.
از مزایای سیستم قطعات برقی می وان به افزایش سرعت، عملكرد بهتر فرمان و حفظ تعادل خودرو در انحراف ها اشاره كرد كه باعث فرمان پذیری آسانتر بهخصوص هنگام پارك خودرو میشود و با توجه به ارتباط مدار الكتریكی با حسگرها و ECU، این سیستم بسیار سریع و هوشمندانه عمل میكند. از مزایای سیستم فرمان برقی نسبت به فرمان هیدرولیك می توان بهبود و كاهش مصرف سوخت خودرو (حدود 5درصد) و تقویت فرمان در سرعت های پایین و كاهش قدرت فرمان در سرعت های بالا را نام برد. در سیستم فرمان برقی تنها زمانی كه فرمان می چرخد انرژی مصرف میشود؛ در حالی كه در سیستم فرمان هیدرولیك، پمپ هیدرولیك صرف نظر از چرخش فرمان، به صورت دائم كار میكند و حدود 5 اسب بخار از توان خودرو صرف تولید دبی و پمپاژ دائمی روغن هیدرولیك در مدار می شود. ماكزیمم قدرت فرمان هیدرولیك در سرعتهای بالاست كه بیشترین دبی توسط پمپ تولید میشود؛ درحالی كه در سرعتهای بالا كمترین نیرو برای چرخش فرمان مورد نیاز است. وزن خودرو نیز در سیستم فرمان برقی به علت حذف اتصالات هیدرولیك، پمپ، پولی و ... حدود 4 تا 6 كیلوگرم كمتر از خودروی مجهز به سیستم فرمان هیدرولیك است همچنین حذف روغن هیدرولیك و غیر قابل چرخش بودن این روغن باعث كاهش اثرات مخرب زیست محیطی آن می شود ومشكلات ناشی از ایرادهای مربوط به نشتی های روغن از اتصالات نیز در این سیستم برطرف شده است. برخی مزایا در جدول شماره 1 به اختصارآورده شده است
.
اجزای اصلی سیستم فرمان برقی خودرو شامل موتور الكتریكی با جریان مستقیم(DC)، كنترل یونیت، میله پیچشی و حسگر گشتاور است كه در ادامه به نحوه عملكرد این سیستم می پردازیم.
انواع سیستم های EPS با توجه به محل قرار گرفتن موتورالكتریكی تعریف میشوند. موتور الكتریكی روی محور فرمان، پینیون، رك و یا به صورت تركیبی با پمپ هیدرولیك قرار دارد. معمولا در مدلهای جدید از نوع فرمان برقی با نصب موتور الكتریكی روی محور فرمان به جای نصب روی جعبه فرمان استفاده میكنند.
در سیستم فرمان برقی میله پیچشی به محور فرمان متصل است و از طریق حسگر گشتاور متصل به میله پیچشی، مقدار گشتاور مقاومی كه بر اثر چرخش فرمان بین چرخ هی خودرو و نیروی پیچشی فرمان اعمال میشود، اندازه گیری می گردد و براساس آن به سیگنال الكتریكی تبدیل و به ECU ارسال میشود. ECU هم براساس دادههای ارسالی از حسگر گشتاور و سرعت خودرو، مقدار نیروی اعمالی لازم به موتور الكتریكی DC را تعیین میكند.
میله پیچشی جزئی از محور فرمان است و هنگام فرمان گیری از خودرو تحت دو گشتاور، یكی گشتاور ورودی از طرف غربیلك و دیگری گشتاور عكس العملی وارده از سمت تایر قرار می گیرد. دو حسگر برای اندازه گیری مقدار نیروی پیچشی و تبدیل آن به سیگنال الكتریكی و خروجی ولتاژ (متناسب با مقدار پیچش) وجود دارد. هر حسگر به صورت coil در شكل نشان داده شده است. بر اثر چرخش رینگ های متصل به شفت، القای مغناطیسی دركویل ها ایجاد و به سیگنال الكتریكی تبدیل می شود كه در شرایط بدون اعمال گشتاور ولتاژ 2.5 ولت را تولید می كند. وقتی پیچش اتفاق نمی افتد میزان اختلاف ولتاژ خروجی حسگرها صفر و محدوده ولتاژ خروجی مجموعه دو حسگر صفر تا 5 ولت است. مطابق شكل وقتی فرمان به سمت چپ یا راست می پیچد همزمان در یك حسگر ولتاژ خروجی افزایش می یابد و در حسگر دیگر كاهش ولتاژ خروجی اتفاق می افتد. هر چه اختلاف بین خروجی ولتاژ حسگرها بیشتر باشد نیروی اعمالی بیشتری در موتور الكتریكی تولید می شود و در صورت معكوس شدن ولتاژ جهت چرخش موتور الكتریكی تغییر می كند.ECU براساس سیگنالهای مختلفی كه از حسگرهای گشتاور و سرعت دریافت می كند و با لحاظ وضعیت خودرو در آن لحظه مقدار دور لازم برای چرخش را به موتور الكتریكی ارسال می كند و موتور الكتریكی DC توسط یك چرخ دنده گشتاور موتور الكتریكی را به محور فرمان انتقال می دهداین سیستم كه مكانیزم كاهش نام دارد نیروی اعمالی موتور را به پینیون شفت انتقال می دهد. این مكانیزم شامل یك چرخ دنده مارپیچی و یا حلقوی است كه ارتباط بین پینیون محور فرمان و پینیون چرخ دنده ای متصل به شفت موتور را برقرار و نیروی موتور را به پینیون شفت منتقل می كند. به این ترتیب پینیون شفت به چرخش در می آید تا گشتاور مقاوم ایجاد شده در میله پیچشی به صفر برسد.
ECU دارای سه مد عملیاتی است:1- مد كنترلی نرمال: زمانی كه فرمان به چپ و راست می پیچد و نیروی كمكی با توجه به میزان گشتاور ورودی در حسگر گشتاور اعمال می شود. 2- مد كنترلی بازگشت: زمانی كه فرمان به طور كامل پیچیده است نیروی كمكی در جهت برگشت ایجاد می كند. 3- مد كنترلی میراكننده: سرعت خودرو را با هدف بهبود احساس سواری و جذب تنش های وارده از جاده به چرخ ها تغییر می دهد.زمانی كه فرمان تا انتها می چرخد كنترل یونیت نیروی كمكی را كاهش می دهد تا از آسیب دیدن موتور الكتریكی و
قطعات برقی جلوگیری كند همچنین در صورت وجود هرگونه خطا، سیستم به طور خودكار از حالت برقی به مكانیكی تغییر می كند و چراغ اخطار روشن میشود كه باید با استفاده از نرم افزار و دستگاه عیب یاب، ایراد برطرف شود.بیشترین نیرو توسط موتور الكتریكی هنگامی اعمال میشود كه خودرو در سرعت پایین حركت كند و روی یك سطح با اصطكاك بالا فرمان با سرعت چرخانده شود. در شرایطی كه سطح جاده دارای اصطكاك كمی باشد نیروی كمتری توسط موتور الكتریكی اعمال و از انحراف خودرو جلوگیری میشود. عواملی چون فشار باد تایر، سطح جاده، سرعت خودرو و ... بر مقدار نیرویی كه باید راننده برای چرخش فرمان اعمال كند تأثیر نخواهد داشت و در شرایط اضطراری كه فرمان به سرعت چرخانده میشود با توجه به اهمیت گشتاور مقاوم بین تایر و نیروی وارده به غربیلك، خودرو در مسیر مستقیم بدون انحراف به حركت خود ادامه میدهد.
سیستم فرمان برقی معمولا با ولتاژ 12ولت و ماكزیمم مصرف 80 آمپر و متوسط توان0.1 كیلووات كار میكند
فرمانهاي الكتريكي (EPS)
اين نوع فرمان مشابه هيدروليكي آن عمل ميكند ولي از لحاظ ساختار متفاوت بوده و داراي مزاياي زيادي نسبت به نوع هيدروليك است. اين سيستم در اواسط دهه 1970 براي اولين بار مطرح گرديد اما ساخت و كاربرد عملي آن از سال 1993 شروع گرديد . در اين فرمان مشكل دائمي عملكرد سيستم كمكي فرمان حل شده است، يعني سيستم الكتريكي زماني عمل ميكند كه چرخشي در فرمان بوجود آيد بعبارت ديگر گشتاوري موجود باشد.
فرمان الكتريكي از سه قسمت اساسي زير تشكيل شده است كه به سيستم فرمان مكانيكي (R&P) اضافه ميشود :
- سنسور گشتاور (Torque Sensor)
- موتور با جريان مستقيم DC (DC Brushless Motor)
- واحد كنترل الكترونيكي يا ECU (Electronic Control Unit)
سه قسمت ياد شده ميتوانند در يك محفظه (Housing) يا جداگانه قرارگيرند.
طرزكار:
سيستم EPS به اين صورت عمل ميكند كه ابتدا سنسورگشتاور وارده از غربيلك فرمان را حس نموده ،آن رابه صورت سيگنال يا سيگنالهايي به قسمت ميكروكنترلر(ESU) ارسال ميكند . ميكروكنترلر علاوه بر اين سيگنال ، سيگنالي نيز از سرعت خودرو دريافت ميكند ،آنگاه اين دو را پردازش نموده ، دستور العمل لازم را به قسمت موتور DCاعمال مينمايد تا به صورت كمكي (Assisted) سيستم فرمان مكانيكي را تحت تاثير قرار دهد.
بنابراين دستور العملهاي ECU به موتور Brushless تابعي از خروجي سنسور و سرعت خودرو است . اين يعني سرعت در عملكرد EPS موثر بوده و اين به منظور ايمني بيشتر خودرو است . يعني بيشترين عملكرد EPS در سرعتهاي پايين و كمترين عملكرد آن در سرعتهاي بالاي خودرو است .
محل نصب :EPS
فرمان الكتريكي در سه حالت مختلف متواند بر روي قسمت مكانيكي نصب شود.
الف)- نصب بر روي ستون(Column) فرمان : در اين روش مجوعه سنسورها ، موتور DC و قسمت ECU بطور مجتمع در يك محفظه مستقر شده وبر روي ستون فرمان(Steering- Column) نصب ميشود. بنابراين عملكرد كمكي (Assisted) فرمان EPS به ستون فرمان اعمال ميگردد. اين روش در خودروهاي كوچك ، مخصوصا خودروهاي درون شهري كه راحتي فرمان فاكتور مهمي به ويژه در ترافيك هاي سنگين و پارك نمودن خودرو محسوب ميشود ، بكار ميرود. ستون فرمان با موتور الكتريكي DC توسط دنده حلزوني (Worm Gear) درگير هستند .
ب)- نصب بر روي پينيون
در اين روش نيز مجموعه سنورها ، موتور DC و قسمت ECU بطور مجتمع در يك محفظه قرار گرفته ولي بر روي پينيون نصب ميشوند. اين حالت براي خودروهاي نيمه سنگين مناسب بوده ، جايي كه راننده اين نوع خودروها در راحت ترين حالت ميتوانند خودرو را هدايت كنند.
ج)- نصب بر روي دنده شانه اي:
در اين روش هر سه قسمت EPS يعني سنسور ، موتور DC و ECU جدا از هم بر روي جعبه فرمان نصب ميشوند . به اين صورت كه موتور DC و ECU بطور جدا از هم بر دنده شانه اي (Rack) قرار گرفته و سنسورها نيز روي پينيون مستقر ميشوند . زيرا روي دنده شانهاي گشتاوري وجود ندارد كه سنسورها بتوانند آن را حس نمايند. اين حالت براي خودروهاي سنگين مناسب است . جايي كه نيروي زيادي بايد به دنده شانهاي ااعمال شود. بنا براين نيروي كمكي ( Assisted) بطور مستقيم از موتور DC به دنده شانه اي Rack)) وارد ميگردد.
مزياي فرمان الكتريكي نسبت به فرمان هيدروليكي :
- حذف پمپ هيدروليك (pump) وچرخ( pulley)
- حذف شيرهاي كنترل(valve) و لوله هاي رابط
- حذف تسمه ما بين پمپ هيدروليك وموتور اتومبيل(belt)
- حذف جك هيدروليك(jack hydraulic) و روغن هيدروليك
- وزن كم نسبت به هيدروليكي
- تغييرات كمتردر قسمت مكانيكي فرمان هنگام طراحي فرمان الكتريكي نسبت به هيدروليك
- عدم كمك (Assist) فرمان در هنگام عدم ورود گشتاور در فرمان الكتريكي ،به عبارت ديگر زماني كه انحرافي در فرمان داده شود ،قسمت الكتريكي وارد عمل ميگردد.
8 - فرمان الكتريكي به صورت Fail Safe است. چنانچه قسمت الكتريكي به دلايلي از كار افتد، قسمت مكانيكي فرمان ميتواند به كار ادامه دهد.
9- مقداري انرژي مصرفي در فرمان الكتريكي ،حدود يك ششم انرژي مصرفي در فرمان هيدروليك است. به عبارت ديگر به مقدار85% در انرژي مصرفي از لحاظ فرمان الكتريكي نسبت به هيدروليك صرفه جويي ميشود.
10 - كاهش حجم واندازه نسبت به هيدروليك
11 - مستقل بودن از موتورخودرو
12 - كاهش قابل ملاحظه زمان مونتاژ
13 - افزايش قابل ملاحظه عمر موثر نسبت به فرمان هيدروليك
14 - قابليت ايمني بالا در شرايط بحراني
15 - استفاده از يك نوع فرمان الكتريكي در چندين خودروي متفاوت، به عبارت ديگر يك نوع طراحي فرمان الكتريكي را در چندين خودروي مختلف مي توان بكار برد .