فرمان خودرو

سیستم فرمان خودرو یا به اختصار، سیستم خودرو مهم‌ترین قسمت از کنترل فرمان خودرو است که به دستورات راننده در حین رانندگی واکنش نشان می‌دهد. کنترل فرمان به شما کمک می‌کند تا با خیالی آسوده رانندگی کرده و احساس امنیت داشته باشید.

شما با استفاده از سیستم فرمان خودرو می‌توانید خودرو را کنترل کرده و هر سمتی که می‌خواهید، حرکت دهید. این سیستم معمولاً بر روی چرخ‌های جلوی خودرو قرار دارد. برای آن‌که بتوانید کنترل مؤثری بر روی خودروی خود در سرعت‌های مختلف داشته باشید و ایمن رانندگی کنید، باید خودروی شما دارای فرمان مناسبی باشد.

با استفاده از این سیستم، راننده می‌تواند صرفاً با اعمال نیرویی اندک یک خودروی سنگین را هدایت کند.

هدایت فرمان با استفاده از چرخ‌های عقب خودرو نیز امکان‌پذیر است. از این مدل معمولاً در کفی‌ها با سرعت پایین و برای بلندکردن و نقل و انتقال قطعات سنگین در فاصله‌ای کوتاه، مثلاً در جرثقیل‌های چنگکی استفاده می‌شود.

اگر دوست دارید چیزهای بیشتری در خصوص سیستم فرمان خودرو، نحوه کارکرد آن، انواع مدل‌های سیستم فرمان، کمک به کنترل و هدایت خودرو، قرارگرفتن در جاده و قابلیت رانندگی بدانید، با ما همراه باشید.

در تمامی خودروها، سیستم فرمان در هر صورت بر روی چهارچرخ قرار دارد. شکل ساده‌ای از سیستم فرمان خودرو در شکل زیر نشان داده شده است.

اصول سیستم فرمان

هدایت خودرو به نظر کار بسیار ساده‌ای است. اما اگر نحوه عملکرد آن را بدانید، متوجه می‌شوید که این سیستم به نظر ساده است، اما واقعاً این‌طور نیست. ببینیم که قطعات متحرک در خودروی شما چیست و چه کارهایی انجام می‌دهند.

وقتی که شما فرمان خودرو را می‌چرخانید، شفت فرمان چرخدنده پینیون را می‌چرخاند. با چرخیدن پینیون، چرخدنده پینیون و شانه فرمان در هم گیر می‌کنند. این دوران باعث می‌شود تا فشاری بر روی شانه وارد شود. شانه نیز میله‌های متصل به آن را حرکت داده و سگ‌دست‌های فرمان به صورت نقاط هادی عمل کرده و لاستیک‌های جلو را می‌چرخانند.

به عنوان مثال، چرخاندن فرمان به سمت چپ، باعث می‌شود تا شانه به سمت راست رفته و لاستیک‌های جلو را به سمت چپ بچرخاند.

هر چه فرمان را بیشتر بچرخانید، فشار بیشتری بر روی شانه وارد می‌شود و بیشتر دور می‌زند. اگر کمی گیج شده‌اید، نگران نباشید. لازم نیست که حتماً مکانیک باشید تا بتوانید با خودرو رانندگی کنید، اما ما می‌خواهیم با شکل به شما نشان دهیم که وقتی فرمان را می‌چرخانید، دقیقاً چه اتفاقی می‌افتد.

هر چند قطعات متحرک بسیاری در این سیستم وجود دارند و کلمات عجیب و غریبی هم هستند که اگر دنبال آن‌ها نبوده باشید، شاید تا به حال به گوش شما هم نخورده باشند، باز هم می‌توانید با استفاده از فرمان خودروی خود با خیال راحت رانندگی کنید.

سیستم فرمان خودرو چگونه کار می‌کند؟

سیستم فرمان خودرو، حرکت دورانی فرمان را به چرخش زاویه‌ای در چرخ‌های جلو تبدیل می‌کند.

• قربیلک فرمان، ستون فرمان را می‌چرخاند.
• جعبه فرمان در انتهای این ستون قرار دارد. بنابراین، وقتی که فرمان را می‌چرخانید، شفت ضربدری در جعبه فرمان جابجا می‌شود.
• شفت ضربدری به بازوی پایینی وصل است. این بازو به وسیله یک میل رابط به بازوی فرمان متصل است.
• بازوهای فرمان در هر دو چرخ به وسیله میله‌های مهار به میل رابط متصل شده‌اند.
• وقتی که فرمان عمل می‌کند، سگ‌دست‌ها به سمت داخل و بیرون حرکت می‌کنند. سگ‌دست‌های فرمان به هم وصل هستند.
• یک سمت میل رابط به میله مهار متصل است. سر دیگر آن نیز به بازوی پایینی وصل است.

هدف از سیستم فرمان

برای آن‌که بتوان با خودرو در سرعت‌های مختلف، با خیال آسوده و ایمن رانندگی کرد و راننده مجبور نباشد تا در سطوح مختلف جاده به شکل‌های متفاوتی تلاش کند، لازم است که یک فرمان درست در خودرو تعبیه شده باشد.

برای آن‌که خودرو عملکرد خوبی داشته باشد و عمر مفید آن هم بیشتر شود، خودرو باید تحت کنترل کامل راننده قرار داشته باشد. به همین دلیل، کنترل خودرو به وسیله سیستم فرمانی انجام می‌شود که با استفاده از آن می‌توان جهت خودرو را در حین رانندگی کنترل کرد.

وظایف سیستم فرمان

وظایف مهم سیستم فرمان عبارتند از:

1. راننده با استفاده از سیستم فرمان، خودروی خود را به هر شکلی که دوست دارد، کنترل می‌کند.
2. با استفاده از فرمان، پایداری خودرو بر روی جاده حفظ می‌شود.
3. سیستم فرمان باعث کاهش در خوردگی یا پارگی لاستیک می‌شود.
4. سیستم فرمان کمک می‌کند تا شوک‌های ناشی از جاده به راننده منتقل نشود.
5. سیستم فرمان به راننده کمک می‌کند تا پس از دور زدن، بتواند خودروی خود را کنترل کند.

تراز چرخ‌ها

تراز چرخ، در واقع همان تنظیم درست محورهای راهنمایی است که حرکت چرخ‌ها را کنترل می‌کنند.

بنابراین، می‌توان گفت که ترازنمودن چرخ‌ها قراردادن چرخ‌های جلو و مکانیزم فرمان در جای درست و صحیح آن‌ها است تا کنترل فرمان بهتر شود، خوردگی لاستیک‌ها به حداقل مقدار ممکن خود برسد و بتوان خودرو را در جهت درست خود کنترل کرد.

در صورتی که چرخ‌ها به درستی تراز شده باشند:

• فرمان راحت است.
• لاستیک‌ها به صورت یکنواخت خورده می‌شوند.
• مصرف انرژی کمینه خواهد بود.
• ارتعاشات بسیار کم می‌شود.
• چرخ‌ها لرزش ندارند.
• راننده برای چرخاندن فرمان، زحمت کمتری دارد.
• پس از دور زدن، راحت‌تر می‌توان خودرو را در جهت مستقیم بر گرداند.
• در هنگام رانندگی، پایداری در جهت بیشتر است.

انواع مختلف سیستم فرمان در خودرو

سه نوع سیستم فرمان وجود دارد:

1. فرمان دوچرخه‌ای
2. فرمان گردونه‌ای یا فرمان مفصل مرکزی
3. فرمان آکرمن یا فرمان مفصل جانبی

1. فرمان دوچرخه‌ای

در این سیستم فرمان، چرخ‌های عقب ثابت بوده و چرخ‌های جلو فرمان می‌گیرند. برای آن‌که بتوان به شکلی امن دور زد، لازم است که هر دو چرخ حول یک نقطه بچرخند. در این حالت، زمانی که عمود بر چرخ جلو قطع می‌شود، عمود بر چرخ عقب هم قطع می‌شود، و نقطه‌ای به وجود می‌آید که به آن مرکز آنی می‌گویند.

2. فرمان گردونه‌ای یا فرمان مفصل مرکزی

در یک خودروی چهارچرخ، دو چرخ جلو بر روی یک محور نصب می‌شوند و خود این محور نیز بر روی یک گردونه که دارای یک محور تکی است، نصب می‌شود.

وقتی که چرخ‌های جلو می‌چرخند، کل محور جلو حول این مفصل مرکزی می‌چرخد. در این حالت، تمامی عمودها بر چرخ‌ها در حین چرخش در یک نقطه به هم می‌رسند. در نتیجه، دورزدن امن بوده و چرخ‌ها نیز به صورت آزاد حرکت می‌کنند.

از این سیستم فرمان در درشکه‌ها و تریلی‌ها استفاده می‌شود. این سیستم فرمان برای خودروهای سواری مناسب نیست، زیرا در سرعت‌های بالا پایداری خوبی ندارد. علاوه بر این، سیستم فرمان مفصلی نیاز به فضای زیادی دارد، زیرا کل محور باید بچرخد.

3. فرمان آکرمن یا فرمان مفصل جانبی

تقریباً در تمام خودروهای امروزی از این مدل فرمان استفاده می‌شود. در این سیستم فرمان، هر یک از چرخ‌های جلو، مستقل از دیگر چرخ‌ها حول مفصل جانبی می‌چرخد.

محور جلو در هر دو طرف محورها مفصل شده است. چرخ‌ها نیز همانند همان محور کوتاه نصب می‌شوند. محورهای کوتاه نیز به وسیله‌ بازوهای فرمان که به میله رابط وصل شده‌اند، می‌چرخد.

بازوهای فرمان به صورت موازی با یکدیگر قرار نگرفته و نسبت به هم شیب دارند. خطوطی که از این بازوهای شیب‌دار ترسیم می‌شوند، در مرکز خط محور عقب به هم می‌رسند. زاویه بین این دو خط را «زاویه آکرمن» می‌نامند.

برای آن‌که بتوانید به یک همراستایی خوب دست یابید، لازم است که عوامل زیر را بشناسید:

1. کمبر (تمایل چرخ‌ها به طرفین یا زاویه کمبر)
2. کستر
3. شیب هزار خار
4. Toe-in (تقارب چرخ‌های جلو)
5. Toe-out (تمایل به سمت بیرون)

کمبر (Camber)

در صورتی که از جلوی خودرو به آن نگاه شود، زاویه بین خط مرکزی لاستیک و خط عمود را کمبر می‌نامند. در صورتی که چرخ‌ها از بالا روی به بیرون خم شده باشند، کمبر مثبت است و اگر به سمت داخل باشند، کمبر منفی در نظر گرفته می‌شود. بر روی هر دو چرخ، زاویه کمبر یکسانی در نظر گرفته می‌شود.

در صورتی که کمبر مثبت باشد، وقتی که بار بر روی لاستیک اعمال می‌شود، چرخ‌ها به صورت عمودی در آمده و تماس کامل با زمین برقرار می‌شود. در نتیجه، خوردگی در لاستیک به صورت یکنواخت خواهد بود. در صورتی که کمبر مثبت بیش از اندازه باشد، لبه بیرونی لاستیک سریع‌تر خورده می‌شود. چنان‌چه کمبر منفی بیش از اندازه باشد، لبه داخلی لاستیک سریع‌تر خورده می‌شود.  

اگر زاویه کمبر بر روی چرخ‌های جلو با هم برابر نباشد، چرخ‌ها در سرعت‌های کمتر دچار لرزش می‌شوند. در مدل‌های قدیمی‌تر زاویه کمبر بزرگ در نظر گرفته شده است. اما در خودروهای امروزی، طراحی بهبود یافته و از موادی استفاده شده است که کمبر بسیار کمی دارند. زاویه کمبر نباید بیشتر از 2 درجه باشد. زاویه کمبر در خودروهای امروزی را به وسیله یک بادامک خارج از مرکز بر روی شفت بازوی کنترل تنظیم می‌کنند.

کستر (Caster)

محور هزارخار یا محور فرمان را نسبت به خط عمودی به سمت جلو یا به سمت عقب خم می‌کنند. این مقدار خم را کستر می‌نامند. زاویه کستر: زاویه کستر، زاویه‌ای است که وقتی از کنار چرخ به آن نگاه می‌شود، به واسطه تمایل محور فرمان نسبت به خط عمود به سمت جلو یا به سمت عقب به وجود می‌آید.

در صورتی که تمایل به سمت عقب باشد، کستر مثبت و در صورتی که به سمت جلو باشد، به عنوان کستر منفی در نظر گرفته می‌شود. در صورتی که زاویه کستر در هر دو طرف با هم برابر نباشد، خودرو به سمت چرخی کشیده می‌شود که زاویه کستر کمتری دارد. زاویه کستر در خودروهای امروزی بین 2 تا 8 درجه است.

هدف از کستر

• حفظ پایداری و کنترل در جهت
• افزایش پایداری فرمان
• تلاش کمتر راننده برای دور زدن

شیب هزارخار

در صورتی که از جلوی خودرو نگاه کنیم، زاویه بین خط خودرو و مرکز هزارخار یا محور فرمان را شیب هزارخار می‌نامند.

شیب هزارخار در خودروهای امروزی بین 7 تا 8 درجه است. این مقدار باید در هر دو سمت با هم برابر باشد. اگر این مقدار در یک طرف نسبت به طرف دیگر بیشتر باشد، خودرو به سمتی کشیده می‌شود که این زاویه بیشتر است.

کارکردهای اصلی برای شیب هزارخار به شرح زیر است:

• کمک می‌کند تا پس از دور زدن بتوان چرخ‌ها را به حالت مستقیم برگرداند.
• فراهم‌نمودن پایداری در جهت.
• کم‌کردن تلاش برای کنترل فرمان.

Toe-in (تقارب چرخ‌های جلو)

چرخ‌های جلو کمی به سمت داخل متمایل هستند. در صورتی که فاصله را در ارتفاع سطح مرکز و در مرکز آج چرخ اندازه‌گیری کنیم، در قسمت جلو فاصله بین چرخ‌های جلو در جلو (A) نسبت فاصله در عقب (B) بیشتر است.

اختلاف بین این دو فاصله را «toe-in» (B-A) می‌نامند که معمولا در حدود 2 تا 3 میلی‌متر است. هدف از ایجاد toe-in، از بین‌بردن اثرات بد ناشی از کمبر است. مقدار toe-in را به وسیله سرهای میله رابط تنظیم می‌کنند.

Toe-out

وقتی که یک خودرو با هندسه فرمان آکرمن دور می‌زند، چرخ داخلی چند درجه بیشتر از چرخ بیرونی می‌چرخد، به طوری که عمودهای هر چهار چرخ در یک نقطه به هم می‌رسند. این نقطه را مرکز آنی می‌نامند. در این نقطه تمامی چرخ‌ها بدون آن‌که ساییده شوند، به آسانی می‌غلتند.

انواع سیستم فرمان بر اساس اهرم

بر اساس اهرمی که بین چرخ جاده و فرمان به وجود می‌آید و همچنین، تعداد شوک‌ها و ارتعاشاتی که از چرخ‌های جاده به فرمان منتقل می‌شوند، دو نوع فرمان را می‌توان در نظر گرفت که عبارتند از:

1. فرمان قابل برگشت
2. فرمان غیرقابل برگشت

فرمان قابل برگشت

فرمان قابل برگشت، فرمانی است که نسبت دنده آن برابر با 1:1 است. از آن جمله می‌توان به فرمان دوچرخه یا فرمان اسکوتر اشاره نمود. در جعبه دنده، هرگونه حرکت در دسته فرمان باعث می‌شود تا همان مقدار حرکت در چرخ هم ایجاد شود. هرگونه ارتعاش یا لرزش در چرخ هم به همان ترتیب به دسته فرمان منتقل می‌شود. این مدل فرمان برای دوچرخه، موتورسیکلت، اسکوتر و سایر وسایل نقلیه مشابه مناسب است.

فرمان غیرقابل برگشت

در این فرمان‌ها، نسبت دنده بین چرخ و فرمان بسیار زیاد است. این مقدار می‌تواند در حدود 40:1 است.

در این حالت، بسیار ضروری است که نسبت کاهش دنده بسیار زیاد باشد، زیرا باری که بر روی چرخ وارد می‌شود، بسیار زیاد است. در این نوع فرمان، ارتعاشات از چرخ روی جاده، چندان به فرمان منتقل نمی‌شود.

چرخدنده فرمان

در صورتی که فرمان به طور مستقیم به میل رابط فرمان وصل شود، حرکت‌دادن چرخ‌ها توسط راننده خیلی سخت می‌شود. بنابراین، برای آن‌که راننده راحت‌تر باشد، از یک سیستم کاهش استفاده می‌شود. چرخدنده‌ فرمان، وسیله‌ای است که حرکت دورانی فرمان را با یک مزیت مکانیکی به حرکت مستقیم در میل رابط تبدیل می‌کند. چرخدنده‌های فرمان در یک جعبه قرار می‌گیرند که جعبه فرمان نام دارد.

انواع چرخدنده‌های فرمان

هشت مورد از مهم‌ترین چرخدنده‌های فرمان عبارتند از:

1. چرخدنده توپ چرخان فرمان.
2. چرخدنده شانه و دنده فرمان.
3. چرخدنده حلزونی و قطاع فرمان.
4. چرخدنده حلزونی و غلتکی فرمان.
5. چرخدنده حلزونی و مهره بلبرینگی فرمان.
6. چرخدنده بادامک و غلتکی فرمان.
7. چرخدنده بادامک و پیچی فرمان.
8. چرخدنده بادامک و دو اهرمی فرمان.

1. چرخدنده توپ چرخان فرمان

چرخدنده توپ چرخان، مشابه با چرخدنده حلزون و بلبرینگ عمل می‌کند. توپی‌ها در درون یک نیم‌مهره و یک لوله انتقال قرار داده شده‌اند. با چرخش بادامک و حلزون، توپ‌ها از یک سمت مهره به طرف لوله انتقال در جهت مخالف آن می‌روند. با توجه به این‌که مهره نمی‌تواند بچرخد و توپ‌ها در مسیر بادامکی حرکت می‌کنند که مهره را جابجا می‌کند، در نتیجه شفت رقاصک (rocker shaft) می‌چرخد.

2. چرخدنده شانه و دنده فرمان

در چرخدنده شانه و دنده‌ای فرمان، یک پینیون در انتهای شفت فرمان نصب شده است. این دنده پینیون با شانه درگیر می‌شود. در هر دو سر شانه نیز یک مفصل توپی وجود دارد که امکان بالا و پایین‌بردن چرخ‌ها را فراهم می‌آورد.

مفصل‌های توپی بر روی جاده به محورهای کوتاه وصل می‌شوند. حرکت دورانی فرمان، دنده پینیون را می‌چرخاند و آن هم دنده را به طرفین حرکت می‌دهد. این حرکت شانه به حرکت در چرخ‌ها تبدیل می‌شود.

3. چرخدنده حلزونی و قطاع فرمان

در چرخدنده حلزونی و قطاع فرمان، چرخدنده حلزونی در انتهای شفت فرمان با قطاع که بر روی شفت قطاع سوار است، درگیر می‌شود. وقتی که حلزون به واسطه حرکت فرمان می‌چرخد، قطاع نیز چرخیده و شفت قطاع را به حرکت در می‌آورد. این حرکت از طریق میله رابطه به چرخ‌ها منتقل می‌شود.

به شفت قطاع، شفت بازوی پیتمن، شفت پیتمن، شفت غلتان، شفت بازوی فرمان و شفت ضربدری هم می‌گویند.

4. چرخدنده حلزونی و غلتکی فرمان

در چرخدنده حلزون و غلتک فرمان، یک غلتک دو دندانه‌ای به قطاع یا شفت قطاع بسته می‌شود، به طوری که در انتهای شفت یا لوله فرمان، با رزوه‌های دنده حلزونی یا شفت درگیر می‌شود.

وقتی که شفت حلزونی می‌چرخد، باعث می‌شود تا غلتک در یک کمان به حرکت در آید و شفت غلتک را می‌چرخاند و در عین حال، پینی که آن را به شفت متصل کرده است را نیز می‌چرخاند. غلتک بر روی یک بلبرینگ سوار می‌شود.

شفت حلزونی بر روی یک تکیه‌گاه سوار می‌شود که می‌تواند هم در برابر نیروهای شعاعی و هم در برابر نیروهای اعمال‌شده در سرها از خود مقاومت نشان دهد. از این مدل چرخدنده فرمان به وفور در خودروهای سواری آمریکایی استفاده می‌شود.

5. چرخدنده حلزون و مهره بلبرینگی فرمان

در چرخدنده حلزون و مهره بلبرینگی فرمان، یک مهره توپی بر روی دنده حلزونی شفت فرمان سوار می‌شود. دنده حلزونی و مهره دارای یک سری شکاف مارپیچی جفت‌شده هستند که توپی‌های فولادی در آن‌ها می‌چرخند تا یک حرکت بدون اصطکاک بین دنده حلزونی و مهره به وجود آید.

از دو مجموعه توپی استفاده می‌شود که هر یک از آن‌ها مستقل از دیگری عمل می‌کنند. یک مسیر برگشت توپی‌ها نیز به سطح بیرونی مهره وصل شده است. وقتی که شفت فرمان به سمت چپ یا راست می‌چرخد، مهره توپی‌ها به وسیله توپی‌هایی که بین دنده حلزونی و مهره قرار دارند، به سمت بالا یا پایین حرکت می‌کنند.

یک چرخدنده قطاعی که بر روی شفت قطاع سوار شده است با مهره توپی درگیر می‌شود و با مهره توپی حرکت می‌کند.

6. چرخدنده بادامک و غلتکی فرمان

در چرخدنده بادامک و غلتک فرمان، یک بادامک با غلتک درگیر می‌شود. با چرخش بادامک، غلتک نیز مجبور می‌شود تا از بادامک تبعیت کند. بدین ترتیب، شفت رقاصک (rocker shaft) هم می‌چرخد و بازوی پایینی را حرکت می‌دهد.

منحنی بادامک به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند با کمانی که توسط غلتک ایجاد می‌شود، درگیر شود. بدین ترتیب، عمق ثابتی از مش همواره حفظ شده، بار به صورت یکنواخت توزیع شده و خوردگی در اجزای درگیر نیز به صورت یکنواخت صورت می‌گیرد.

7. چرخدنده بادامک و پیچی فرمان

در چرخدنده بادامک و پیچی فرمان، بازوی رقاصک به یک پیچ شیب‌دار متصل است که با بادامک درگیر می‌شود. وقتی که بادامک می‌چرخد، پیچ نیز در راستای شکاف حرکت کرده و باعث می‌شود تا شفت رقاصک نیز بچرخد.

8. چرخدنده بادامک و دو اهرمی فرمان

در چرخدنده بادامک و دو اهرمی فرمان، یک دنده حلزونی خاص که به آن بادامک گفته می‌شود، جای دنده حلزونی که در چرخدنده حلزونی و قطاعی و چرخدنده حلزون و غلتکی در فرمان‌ها وجود دارد را گرفته است.

این بادامک به صورت استوانه‌ای شکل است و بخش فعال‌کننده آن نیز یک شکاف است که گام متغیر دارد. مقدار این گام در قسمت مرکز نسبت به انتهای آن کمتر است. این طراحی باعث می‌شود که امکان برگشت در قسمت مرکز بادامک وجود نداشته باشد. به این نکته توجه داشته باشید که بیشتر فرمان خودرو در همین قسمت مرکزی بادامک انجام می‌شود.

اهرم‌های دوقلو نیز بر روی شفت ضربدری قرار گرفته‌اند. این قرارگیری به شکلی است که زایده‌های برآمده از طرفین با بادامک درگیر می‌شوند. وقتی که بادامک می‌چرخد، این زایده‌های برآمده در راستای شکاف بادامک حرکت می‌کنند و باعث می‌شوند تا اهرم در مسیر کمان حرکت کرده و شفت ضربدری نیز به حرکت در آید.