جعبه فرمان

در وسایل نقلیه موتوری، یک سیستم فرمان خودکار با کاهش نیروی مورد نیاز برای تغییر جهت چرخ‌ها به رانندگان کمک می‌کند تا فرمان وسیله‌نقلیه را با اعمال نیروی کمتری بچرخانند و به این ترتیب چرخیدن یا مانور دادن وسیله‌نقلیه را آسان‌تر می‌کند. محرک‌های هیدرولیک یا الکتریکی، انرژی کنترل‌شده‌ای را به مکانیزم فرمان اضافه می‌کنند، بنابراین راننده می‌تواند نیروی کمتری را برای چرخاندن غربیلک فرمان در هنگام رانندگی در سرعت‌های معمول به کار گیرد و به طور قابل‌توجهی تلاش فیزیکی لازم برای چرخش چرخ‌ها زمانی که وسیله‌نقلیه متوقف است یا به آرامی حرکت می‌کند کاهش پیدا می کند. فرمان خودکار همچنین می‌تواند به گونه ای طراحی شود که بازخورد نیروهای وارد بر چرخ‌ها را به صورت مصنوعی برای راننده ثبت کند.

ساز و کار فرمان خودرو

سیستم‌های فرمان خودکار هیدرولیک برای ماشین‌ها، نیروی وارد بر فرمان را از طریق یک محرک، یک سیلندر هیدرولیک که بخشی از یک سروو سیستم است، افزایش می‌دهند. این سیستم‌ها ارتباط مکانیکی مستقیمی بین غربیلک فرمان و لینکی که چرخ‌ها را هدایت می‌کند دارند. این بدان معنی است که در صورت عدم موفقیت سیستم فرمان خودکار (‏برای کاهش نیروی اعمالی)‏ هنوز هم وسیله‌نقلیه این امکان را دارد تا تنها با استفاده از نیروی فرد هدایت شود.

بیشتر بخوانید:جعبه فرمان-قسمت دوم

سیستم‌های فرمان خودکار الکتریکی از موتورهای الکتریکی کمکی به جای سیستم‌های هیدرولیک برای هدایت خودرو استفاده می‌کنند. همانند انواع هیدرولیک، نیروی منتقل شده به محرک (‏در این مورد، موتور الکتریکی) ‏توسط سایر اجزا سیستم فرمان خودکار کنترل می‌شود.

دیگر سیستم‌های فرمان خودکار (‏مانند آن‌هایی که در بزرگ‌ترین وسایل نقلیه مخصوص آفرود وجود دارند)‏ هیچ ارتباط مکانیکی مستقیمی با رابط فرمان ندارند؛ آن‌ها به نیروی الکتریکی نیاز دارند. سیستم‌های از این نوع، بدون اتصال مکانیکی، گاهی اوقات "هدایت با سیم[1]" یا "فرمان با سیم[2]" که شبیه به کلمه‌ی "پرواز با سیم[3]" هستند، نامیده می‌شوند. در این کلمات، سیم به کابل‌های الکتریکی اشاره دارد که نیرو و داده‌ها را حمل می‌کنند، نه کابل‌های نازک کنترل مکانیکی.

برخی از وسایل نقلیه ساختمانی یک قاب دو قسمتی با لولای ناهموار در وسط دارند؛ این مفصل به اکسل‌های جلو و عقب این امکان را می‌دهد تا غیر موازی شده و وسیله‌نقلیه را هدایت کنند. سیلندرهای هیدرولیک مخالف، دو نیمه‌ی قاب را برای هدایت، نسبت به یکدیگر حرکت می‌دهند.

تاریخچه جعبه فرمان

اولین سیستم فرمان خودکار بر روی یک وسیله‌نقلیه ظاهرا در سال ۱۸۷۶ توسط مردی با نام‌خانوادگی فیتس[4] نصب شد، اما اطلاعات کمی در مورد او وجود دارد. سیستم فرمان خودکار بعدی در سال ۱۹۰۳ بر روی یک کامیون ۵ تنی کلمبیا قرار داده شد که در آن از یک موتور الکتریکی جداگانه برای کمک به راننده در چرخش چرخ‌های جلو استفاده شده است.

رابرت ای. توییفورد[5] یک شهروند اهل پیتسبورگ پنسیلوانیا، یک مکانیزم فرمان خودکار مکانیکی را در اختراع خود (U.S. Patent 646,477) که در سوم آپریل ۱۹۰۰ ثبت شد، برای اولین سیستم چهار چرخ متحرک استفاده کرد.

فرانسیس دبلیو دیویس[6]، مهندس بخش کامیون پیرس-ارو[7] شروع به تحقیق و بررسی درباره چگونگی ساده‌تر کردن فرمان کرد و در سال ۱۹۲۶ اولین سیستم فرمان خودکار عملی را اختراع و ثبت کرد. دیویس بعدها به جنرال‌موتورز[8] رفت و سیستم فرمان خودکار هیدرولیکی را اصلاح کرد، اما خودروساز تولید آن را بسیار گران ارزیابی کرد.

سپس دیویس با بندیکس[9]، یک سازنده قطعات برای خودروسازان، قرارداد بست. در طول جنگ جهانی دوم نیازهای نظامی برای هدایت آسان‌تر وسایل نقلیه سنگین، نیاز به کمک گرفتن از نیروی برق در ماشین‌های زرهی و وسایل نقلیه بازیابی تانک برای ارتش بریتانیا و آمریکا را افزایش داد.

شرکت کرایسلر[10] اولین سیستم فرمان خودکار در خودروهای مسافربری کرایسلر ایمپریال[11] را در سال ۱۹۵۱ با نام تجاری "هیدراگاید"[12]معرفی کرد. سیستم کرایسلر مبتنی بر برخی از اختراعات گذشته‌ی دیویس بود. جنرال‌موتورز، کادیلاک[13] ۱۹۵۲ مجهز به سیستم فرمان خودکار را با استفاده از کاری که دیویس تقریبا بیست سال قبل برای شرکت انجام داده بود، معرفی کرد.

چارلز اف. هاموند[14] از دیترویت چندین اختراع برای بهبود فرمان خودکار در دفتر مالکیت معنوی کانادا در سال ۱۹۵۸ ثبت کرد‏.

درحال حاضر اکثر وسایل‌نقلیه جدید، با توجه به روند افزایشی درخواست خودروهای چرخ جلو متحرک، جرم بیشتر وسیله‌نقلیه و لاستیک‌های بزرگ‌تر، که همگی نیروی لازم برای حرکت فرمان را افزایش می‌دهند، مجهز به فرمان خودکار هستند. مانوور دادن وسایل نقلیه سنگین‌تر، که در برخی از کشورها متداول هستند، در سرعت‌های پایین بسیار دشوار است، در حالی که وسایل نقلیه سبک‌تر ممکن است اصلا نیازی به نیروی کمکی فرمان نداشته باشند.

انواع سیستم های فرمان

1- سیستم‌های فرمان هیدرولیکی

​​​​​​​​سیستم‌های فرمان هیدرولیکی با استفاده از یک سیستم هیدرولیکی برای افزایش نیروی اعمال‌شده از غربیلک فرمان به چرخ‌های وسایل نقلیه (‏معمولا چرخ‌های جلو) کار می‌کنند. فشار هیدرولیکی معمولا ناشی از یک جروتور[15] یا پمپ پره‌ای چرخشی است که توسط موتور وسیله‌نقلیه حرکت می‌کند. یک سیلندر هیدرولیکی دو طرفه، نیرویی را به دنده فرمان اعمال می‌کند که آن هم چرخ‌های خودرو را هدایت می‌کند. غربیلک فرمان شیرهایی را برای کنترل جریان به سیلندر اداره می‌کند. هرچه راننده گشتاور بیشتری به غربیلک فرمان و ستون اعمال کند، شیرها سیال بیشتری به سیلندر می‌فرستند و بنابراین نیروی بیشتری برای فرمان دادن به چرخ‌ها اعمال می‌شود.

یک طراحی برای اندازه‌گیری گشتاور اعمال‌شده به چرخ فرمان دارای یک حسگر گشتاور - یک میله پیچشی در انتهای پایین ستون فرمان است. با چرخاندن غربیلک فرمان، ستون فرمان و همچنین انتهای بالایی میله پیچشی نیز می‌چرخد. از آنجا که میله پیچشی نسبتا نازک و انعطاف‌پذیر است، و انتهای پایینی معمولا در برابر چرخش مقاومت می‌کند، میله با مقداری متناسب با گشتاور اعمال‌شده می پیچد. تفاوت موقعیت دو انتهای میله پیچشی یک سوپاپ را کنترل می‌کند. سوپاپ به سیال اجازه می‌دهد تا به درون سیلندر جریان یابد که این امر به فرمان‌دهی کمک می‌کند. هر چه "پیچش" میله پیچشی بیشتر باشد، نیرو بیشتر خواهد بود.

از آنجا که پمپ‌های هیدرولیکی از نوع جابجایی مثبت هستند، نرخ جریانی که تحویل می‌دهند به طور مستقیم متناسب با سرعت موتور است. این بدان معنی است که در دور موتورهای بالا فرمان به طور طبیعی سریع‌تر از دور موتورهای پایین عمل می‌کند. از آنجایی که این امر نامطلوب خواهد بود، در دور‌های بالای موتور یک اوریفیس محدود کننده و یک شیر کنترل جریان، مقداری از خروجی  را به مخزن هیدرولیک برمی گردانند. زمانی که پیستون سیلندر هیدرولیکی به انتها می‌رسد، یک شیر کنترل فشار از افزایش فشار خطرآفرین جلوگیری می‌کند.

بوستر فرمان طوری تنظیم شده‌است که اگر بوستر عمل نکند، فرمان به کار خود ادامه خواهد داد (‏اگر چه چرخ سنگین‌تر به نظر خواهد رسید)‏. نبود فرمان خودکار می‌تواند به طور قابل‌توجهی بر کنترل یک وسیله‌نقلیه تاثیر بگذارد. کتابچه راهنمای هر وسیله‌نقلیه دستورالعمل‌هایی را برای بازرسی سطح سیال و تعمیر و نگهداری منظم سیستم فرمان خودکار ارایه می‌دهد.

مایعِ کاری، که "سیال هیدرولیکی" یا "روغن" نیز نامیده می‌شود، ماده ای است که فشار از طریق آن منتقل می‌شود. مایعات کاری رایج بر پایه روغن معدنی هستند.

برخی سیستم‌های مدرن شامل یک شیر کنترل الکترونیکی برای کاهش فشار منبع هیدرولیک با افزایش سرعت وسایل نقلیه هستند. به این سیستم، فرمان خودکار نیرو متغیر میگویند.

فرمان خودکار نیرو متغیر ​​​​​​​​دیراوی[16]

دیراوی فرمان حساس به سرعت رایج کنونی را ابداع کرد.

در این سیستم فرمان خودکار، نیروی فرمان چرخ‌ها از سیستم هیدرولیک فشار بالا می‌آید و همیشه بدون توجه به سرعت جاده یکسان است. چرخش غربیلک فرمان، چرخ‌ها رابه طور همزمان با زاویه‌ای متناظر و از طریق یک سیلندر هیدرولیکی حرکت می‌دهد. به منظور شبیه‌سازی حس فرمان، یک سیستم هیدرولیکی جداگانه وجود دارد که تلاش می‌کند فرمان را به موقعیت مرکز برگرداند. مقدار فشار اعمال‌شده متناسب با سرعت جاده است، به طوری که در سرعت‌های پایین فرمان بسیار سبک است و در سرعت‌های بالا  کمی حرکت از مرکز، بسیار دشوار است.

این سیستم توسط سیتروئن فرانسه اختراع شد.

تا زمانی که فشار در سیستم هیدرولیکی ماشین وجود داشته باشد، هیچ ارتباط مکانیکی بین غریبلک فرمان و چرخ‌ها وجود ندارد. این سیستم برای اولین بار در سال ۱۹۷۰ در سیتروئن SM معرفی شد و با عناوین "VariPower" در بریتانیا و "SpeedFeel" در ایالات‌متحده شناخته شد.

مخزن روغن هیدرولیک جعبه فرمان و پمپ محرک قرقره

2- سیستم‌های فرمان الکتروهیدرولیک

سیستم‌های فرمان خودکار الکتروهیدرولیک، که گاهی اوقات به اختصار ،EHPS  و گاهی اوقات سیستم‌های "هیبریدی"، خوانده می شوند از تکنولوژی کمکی هیدرولیک مشابه سیستم‌های استاندارد استفاده می‌کنند، اما فشار هیدرولیک آنها از یک پمپ متحرک با یک موتور الکتریکی به جای یک تسمه محرک در موتور ایجاد می شود.

در سال ۱۹۶۵، فورد یک ناوگان از "فرمان لحظه‌ای با چرخاندن مچ دست" مجهز به پارک مرکوری لانز[17] را آزمایش کرد که با دو حلقه ۵ اینچی (‏۱۲۷ میلیمتری)‏، یک نسبت دنده ۱۵:۱ سریع، و یک پمپ هیدرولیک الکتریکی در صورت توقف موتور، جایگزین فرمان بزرگ معمولی شد.

در سال ۱۹۸۸، سوبارو XT6 به یک سیستم فرمان الکتروهیدرولیک تطبیقی سیبرید[18] منحصر به فرد تجهیز شد که سطح کمک را براساس سرعت وسیله‌نقلیه تغییر می داد.

در سال ۱۹۹۰، تویوتا نسل دوم MR2 خود را با فرمان خودکار هیدرولیکی را معرفی کرد. این امر از اجرای خطوط هیدرولیکی از موتور (که در MR2 پشت راننده بود) تا قفسه فرمان اجتناب می‌کرد.

در سال ۱۹۹۴ فولکس‌واگن گلف اکونومیک مارک ۳[19] را با یک پمپ الکتریکی تولید کرد. این بدان معنی است که فرمان خودکار وقتی که موتور توسط کامپیوتر برای صرفه‌جویی در سوخت متوقف می‌شود همچنان کار می کند. سیستم‌های الکتروهیدرولیک را می توان در برخی از ماشین‌های فورد، فولکس‌واگن، آئودی، پژو، سیتروئن، سیات، اسکودا، سوزوکی، اپل، مینی، تویوتا، هوندا و مزدا یافت.

3- سیستم‌های فرمان الکتریکی​​​​​​​​

​​​​​​​​فرمان خودکار الکتریکی (EPS) یا فرمان خودکار متحرک با موتور (MDPS) از یک موتور الکتریکی به جای سیستم هیدرولیک برای کمک به راننده وسیله‌نقلیه استفاده می‌کند. سنسورها موقعیت و گشتاور ستون فرمان را تشخیص می‌دهند، و یک ماژول کامپیوتری گشتاور کمکی را از طریق موتور که به فرمان یا چهارشاخ فرمان متصل می‌شود، اعمال می‌کند. این امر امکان اعمال مقادیر مختلفی از نیروی کمکی بسته به شرایط رانندگی را فراهم می‌کند. بنابراین مهندسان می‌توانند پاسخ دنده فرمان را به سیستم‌های تعلیق نرخ متغیر و میرایی متغیر، بهینه‌سازی سواری، کنترل و هدایت برای هر وسیله‌نقلیه تطبیق دهند. در ماشین‌های گروه فیات مقدار نیروی کمکی را می توان با استفاده از یک دکمه به نام "سیتی[20]" که بین دو منحنی کمکی مختلف تغییر می‌کند تنظیم کرد، در حالی که بیشتر سیستم‌های EPS دیگر نیروی کمکی متغیر دارند. این سیستم‌ها بیشتر در هنگام کند شدن وسیله‌نقلیه و کاهش سرعت کمک بیشتری می‌کنند و در سرعت‌های بالاتر کمتر موثرند.

یک رابط مکانیکی بین غربیلک و دنده فرمان در EPS وجود دارد. در صورت شکست قطعه یا شکست توان که باعث عدم ارائه کمک می‌شود، رابط مکانیکی به عنوان پشتیبان عمل می‌کند. اگر EPS از کار بیفتد، راننده برای هدایت فرمان به نیروی بسیار زیادی احتیاج دارد. این نیروی زیاد شبیه به نیروی لازم برای چرخش یک فرمان هیدرولیک غیر عملیاتی است. بسته به شرایط رانندگی، مهارت رانندگی و قدرت راننده، نبود کمک فرمان ممکن است منجر به تصادف شود یا نشود. سختی چرخاندن فرمان با فرمان خودکار غیر فعال با ترکیب انتخاب نسبت‌های فرمان در دنده‌های کمکی فرمان و مقایسه با فرمان دستی، به دست می آيد. NHTSA‏ به سازندگان اتومبیل با اعلام فراخوان برای سیستم‌های EPS در معرض شکست کمک کرده‌است.

سیستم‌های الکتریکی مزیتی در بهره‌وری مصرف سوخت دارند، زیرا چه به کمک نیاز باشد و چه نباشد، هیچ پمپ هیدرولیکی تسمه‌ای به طور مداوم در حال اجرا نیست و این دلیل اصلی ساخت و معرفی آن‌ها است. مزیت عمده دیگر حذف لوازم جانبی تسمه‌ای موتور ودچندین شیلنگ هیدرولیکی فشار بالا بین پمپ هیدرولیک، بر روی موتور و دنده فرمان، و بر روی شاسی است. این امر تا حد زیادی تولید و نگهداری را ساده‌تر می‌کند. با در نظر گرفتن کنترل پایداری الکترونیک، سیستم‌های فرمان خودکار الکتریکی می‌توانند میزان گشتاور مورد نیاز برای کمک به راننده در مانورهای اصلاحی را تغییر دهند. 

NSK در سال ۱۹۸۶ EPS را برای سه شاخه باتری به صورت عملی به کار برد. ‏ در ۸ سال بعد کویو سیکو‏ JTEKT)  فعلی)، NSK یک سیستم ستونی را به طور انحصاری برای ماشین‌های کوچک توسعه داد، تنها در ژاپن مانند خودروهای سوزوکی و میتسوبیشی موتورز به فروش رسید. با این حال، احساس اینرسی موتور در این روش ساده در زمان هدایت سریع برای اجتناب از خطر حرکت با سرعت کم، در زمان حرکت با سرعت بالا که در آن نیروی فرمان کم می‌شود و بازگشت به فرمان دستی، قابل‌توجه بود. در نتیجه، این سیستم اتخاذ نشد. در اواخر دهه ۱۹۹۰، یک سیستم کنترل کاملا مستقیم دنده‌ی کمکی بدون کلاچ برای یک ماشین معمولی در هوندا NSX مورد استفاده قرار گرفت (‏در ابتدا، فقط خودکار)‏. از آن زمان، تبدیل وسایل نقلیه دارای موتور براش به وسایل نقلیه دنده‌ای بدون براش آغاز شد و این روش تبدیل به روش اصلی و غالب شده است.

سیستم‌های فرمان خودکار الکتریکی در سال ۱۹۹۰ در هوندا NSX، MGF، در سال ۱۹۹۹ در فیات پونتو MK2، در سال ۱۹۹۹ در هوندا S2000، در سال ۲۰۰۰ در تویوتا پریوس، در سال ۲۰۰۲ بی ام دبلیو Z4، و در سال ۲۰۰۳ در مزداRX-8  ظاهر شدند.

اولین سیستم فرمان برقی در سال ۱۹۸۸ بر روی سوزوکی سرو ‏قرار داشت. این سیستم توسط سازندگان مختلف خودرو مورد استفاده قرار گرفته‌است و معمولا برای خودروهای کوچک‌تر به منظور کاهش مصرف سوخت و هزینه‌های تولید به کار می‌رود.

یک مدول EPS با یک چهارشاخ فرمان جدا شده

4- سیستم‌ فرمان نسبت دنده متغیر اکترونیکی​​​​​​​

در سال ۲۰۰۰، هوندا S2000 نوع V اولین سیستم فرمان خودکار الکترونیکی با ضریب دنده متغیر ‏(VGS) را معرفی کرد‏.‏ در سال ۲۰۰۲، تویوتا سیستم "فرمان با نسبت دنده متغیر" (‏VGRS‏) را در لکسوس LX 470 و لندکروزر سایگنوس معرفی کرد و همچنین از سیستم کنترل پایداری الکترونیکی را برای تغییر نسبت‌های دنده فرمان و سطوح کمک فرمان استفاده کرد. در سال ۲۰۰۳، بی ام دبلیو سیستم "فرمان فعال" را در سری ۵ معرفی کرد.

این سیستم نباید با فرمان خودکار کمکی متغیر، که گشتاور کمکی فرمان را تغییر می‌دهد، نه نسبت فرمان، اشتباه گرفته شود و همچنین نباید با سیستم‌هایی که نسبت دنده تنها به عنوان تابعی از زاویه فرمان تغییر می‌کند، اشتباه گرفته شود. این موارد آخر به طور دقیق‌تر انواع غیر خطی نامیده می‌شوند (‏به عنوان مثال، فرمان مستقیم پیشنهاد‌شده توسط مرسدس)‏؛ نمودار موقعیت چرخ فرمان برحسب زاویه فرمان محور به تدریج منحنی (و متقارن) می‌شود.

برای مشاوره در خصوص انواع قطعات لوازم یدکی کیا و لوازم یدکی هیوندای فقط کافیست تا با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید.

[1] Drive by wire

[2] Steer-by-wire

[3] Fly-by-wire

[4] Fitts

[5] Robert E. Twyford

[6] Francis W. Davis

[7] Pierce-Arrow

[8] General Motors

[9] Bendix

[10] Chrysler Corporation

[11] Chrysler Imperial

[12] Hydraguide

[13] Cadillac

[14] Charles F. Hammond

[15] gerotor

[16] DIRAVI

[17] Mercury Park Lanes

[18] Cybrid

[19] Mark 3 Golf Ecomatic

[20] City