فرمان ( هیدرولیک در ماشین آلات )

[hamedali]

فرمان ( هیدرولیک در ماشین آلات ) فرمان شما میدانید وقتی فرمان خودروی خود را می گردانید چرخهای خودروی شما نیز می گردد.ولی وسایل و جزییات بسیار جالبی میان فرمان و چرخ وجود دارد که باعث این امر مشود.

در این مقاله ما نحوه ی کار دو نوع سیستم فرمان رایج را بررسی خواهیم کرد.

• rack-and-pinion
• recirculating ball

سپس یه بررسی فرمانهای power steering خواهیم پرداخت و به بعضی از ویژگی های جالب توسعه یافته در سیستم فرمان پی می بریم.اساسا" گردنده ها (چرخ ها) برای افزایش راندمان ماشین لازم است, اما ابتدا بگذاریید ببینیم که شما چگونه خودروی خود را می گردانید.این به آن آسانی هم که شما فکر می کنید نیست.
گردش خودرو
ممکن از شما شگفت زده بشوید اگر بدانید که زمانی شما ماشین خود را می گردانید, چرخ های شما به یک سمت جهت گیری نمی کنند.

برای اینکه خودرو به نرمی بگردد هر چرخ باید از یک مسیر دایره ای متفاوت پیروی کنند.زمانی که چرخ درون پیچ از دایره ای با شعاع کوچکتر پیروی می کند حقیقتا" گردش سخت تری نسبت به چرخ بیرونی دارد.اگر شما برای هر چرخ یک خط عمود منصف رسم کنید این خطوط در نقطه ی مرکز گردش طلاقی می کنند. لذا شکل هندسه ای اهرم فرمان بگونه ای است که چرخ درونی بیش تر از چرخ بیرونی بگردد.

دو نوع سیستم فرمان رایج موجود دارد:
1. rack-and-pinion
2. ricirculating ball

فرمان rack-and-pinion به سرعت به رایج ترین نوع فرمان در خودروها, کامیون ها, suv مطرح شد.به راستی این نوع دارای مکانیزم ساده ی جالبی می باشد.فرمان های Rack-and-pinion داری دو چرخدنده هستند, اولی rack که داندانه هایی است که روی یک لوله ی فلزی ایجاد شده است, به هر انتهای لوله ی میله ای که (میله ی قید ) نام دارد متصل شده است.
دومین چرخدنده pinion می باشد که به شفت فرمان متصل است.زمانی که شما قربالک فرمان را می گردانید چرخدنده ی pinion نیز می گردد و دنده ها ی (rack) را حرکت می دهد.(دندانه های pinion و rack با هم در گیر هستند).هر انتهای میله ی قید (tie rod) به بازوی فرمان بر روی محور متصل است.
چرخدنده های Rack-and-pinion دو کار را انجام می دهند:
- حرکت چرخشی قربالک فرمان را به حرکت خطی مورد نیاز برای گردش چرخ تبدیل می کند.
- آسان کردن چرخاندن چرخ ها بخاطر کاهش چرخدنده.

در اغلب خودروها 3 الی 4 دور قربالک فرمان نیاز است تا چرخ را از حالت نهایت چپ به نهایت راست ببرد.
ضریب فرمان ضریبی است که میزان گردش چرخ بازای گردش قربالک فرمان را معین می کند.بعنوان مثال اگر یک چرخش کانل فرمان "360 درجه " باعث گردش 20 درجه ایی چرخ شود, بنابراین ضریب فرمان برابر است با 360 تقسیم بر 20 یا به عبارت دیگر 18:1 است.ضریب بیشتر بدان معنی است که شما فرمان را برای جابجایی چرخ بیشتر بگردانید, هرچند تقلای کمتری بخاطر ضریب بالای فرمان برای چرخاندن نیاز است.

عموما" قایق ها , ماشین های اسپرت دارای ضریب فرمان کمتری نسبت به ماشین های بزرگ و کامیون ها هستند.ضریب کم فرمان عکس العمل سریعتری برای چرخش می دهد-شما ناچار نیستسد قربالک فرمان را برای تغییر جهت چرخ زیاد بچرخانید-که یک ویژگی خوشایند برای ماشین های اسپرت می باشد.این ماشین ها به اندازه ی کافی سبک هستند که حتی با ضرایب کم , تقلا برای چرخاندن چرخ بیش از اندازه نشود.(با وجود ضریب کم فرمان سفت نمی شود.)
بعضی از ماشین ها دارای ضریب فرمان متغییر هستند.که از rack-and-pinion ایی استفاده می کنند که دارای تعداد دندانه های متفاوت در مرکز نسبت به کنار ها هستند.(مترجم: معمولا تعداد دندانه ها (rack) در مرکز بیشتر از کناره ها است)این باعث می شود که ماشین در آغاز چرخش عکس العمل سریعتری داشته باشد (مترجم:ضریب کم) (rack به مرکز نزدیکتر باشد).و همچنین هر چه به حد چرخش چرخ نزدیک بشود فرمان نرم تر کار می کند و از تقلا برای چرخاندن کاسته می شود (مترجم:ضریب بالا).
Power rack-and-pinion steering
وقتی از فرمان های rack-and-pinion در power steering استفاده می شود, rack و لوله آن دارای تفاوت اندکی در طراحی هستند.بخشی از لوله ی rack شامل سیلندری است که یک پیستون در وسط آن قرار دارد و به لوله ی rack متصل است.دو مجرای عبور مایع هریک در یک سمت از پیستون قرار دارد. اعمال کردن مایع پرفشار به یک سمت از پیستون باعث به حرکت در آن می شود که در به حرکت در آوردن rack نیروی کمکی را فراهم می کند.


ما بعدا" در این مقاله به بررسی اجزای دستگاهی که مایع پرفشار ایجاد می کند و همچنین چگونگی هدایت این مایع به سمت های مختلف پیستون خواهیم پرداخت.
اینک به بررسی نوع دیگر فرمان می پردازیم.
Recirculating ball steering
فرمان های Recirculating ball امروزه در بسیاری از کامیون ها و suv ها مورد استفاده قرار می گیرد.اهرمی که در این نوع فرمان چرخ را می چرخاند کمی با فرمان rack-and-pinion متفاوت است.

فرمان Recirculating ball درای یک چرخدنده ی کرمی (worm gear) است.شما می توانید چرخدنده ها را در 2 قست مختلف نمایش دهید.اولین قسمت بلوک فلزی است که دارای یک سوراخ پیچ دار (رزوه دار) می باشد.این بلوک دارای دندانه هایی سوار شده بر روی قسمت خارجی خود است که با چرخدنده هایی که موجب حرکت شغال دست می شوند, درگیر است.((به تصویر زیر وبالا توجه کنید)).قربالک فرمان به یک میله ی پیچ دار شبیه به پیچ متصل است که در سوراخ بلوک گیر کرده است.زمانی که قربالک می چرخد پیچ (میله پیچدار) را می چرخاند ولی بجای پیشروی پیچ در بلوک , طبق روال معمول پیچ, این پیچ ثابت نگاه داشته می شود بنابراین چرخش پیچ باعث حرکت بلوک می شود.سپس حرکت بلوک باعث حرکت شغال دست شده و حرکت شغال دست بعد از انتقال به چرخها موجب گردش چرخها می شود.

بجای تماس مستقیم پیچ با دندانه های داخلی بلوک, همه ی شیارهای پیچ بوسیله ی بلبورینگ پرشده است که در میان چرخدنده می چرخد وقتی که چرخدنده به چرخش در بیاید.
در حقیقت به دو ئلیل از بلبورینگ استفاده می شود:

• کاهش اصطحکاک و ساییده شدن
• کاهش لنگ زدن چرخدنده

لنگ زدن زمانی که قربالک فرمان را می چرخانیم اتفاق می افتد._بدون توپ ها در چرخدنده ی فرمان, دندانه ها بعد از یک مدت تمایشان با یکدیگر بدلیل خوردگی از دست می دهند که باعث می شود قربالک فرمان هرز بگردد.
Power recirculating ball steering
Power steering در این نوع فرمان ها شبیه به power rack and pinion steering کار می کند.با این تفاوت که نیروی کمکی به یکی از جهات بلوک اعمال می شود.
Power steering
Power steering کلا" به معنی سیستم هایی است که تقلای راننده را برای کرداندن فرمان راحت تر می کند.که به دو نوع عمده تقسیم می شود:

• هیدرولیکی
• الکترونیکی

در این بخش به بررسی جزییات نوع اول یعنی فرمان های هیدرولیکی می پردازیم.
2قمست اساسی در فرمان های هیدرولیکی از نوع rack and pinion وجود دارد:

• پمپ
• شیر دوار (rotary valve)

پمپ
نیروی هیدرولیکی مورد نیاز برای فرمان بوسیله پمپ توربینی گردنده فراهم می شود.این پمپ بوسیله ی تسمه با موتور گردانده می شود.پمپشمامل یک مجموعه توربین های جمه شونده که درون یک محفظه ی تخم مرغی شکل می گردد, است.زمانی که توربین می گردد, مایع هیدرولیکی کم فشار از مجرای بازگشت میگیرد و با اعمال نیرو با فشار بالا به مجرای خروج می فرستد.مقدار مایع جریان داده شده به سرعت موتور بستگی دارد.پمپ باید طوری طراحی شود که وقتی موتور زیر بار قرار ندارد بتواند جریان و فشار مناسب را تولید کند, وگرنه پمپ مقدار بسیار بیشتر از مورد نیاز را زمانی که موتور در سرعت های بالاتر می چرخد پمپاژ می کند.

پمپ شامل یک شیر خلاص فشار است تا اطمینان حاصل کند که فشار بیش از حد بالا نیست, بخصوص در سرعت های بالای موتور که مایع بیشتری پمپ می شود (فشار افزایش می یابد).
شیرهای دورانی
سیستم power steering باید زمانی به راننده کمک کند که او نیرویی به فرمان وارد کند ( مثل گرداندن فرمان).زمانی که راننده نیروی به فرمان وارد نمی کند ( مثل حرکت در یک مسیر مستقیم), سیستم هیچگونه کمک و دخالتی نمیکند.وسیله ایی که نیروی وارده به فرمان را حس می کند شیر دورانی یا rotary valve نامیده می شود.
قسمت اصلی شیر دورانی , میله ی توریسون است.torsion bar میله ی باریک فلزی است که با اعمال گشتاور می چرخد.میله از بالا به شفت فرمان متصل است و از پایین به pinion و یا worm gear (که چرخ را می گرداند), همچنین مقدار گشتاور torsion bar با گشتاوری که راننده برای چرخاندن چرخ استفاده می کند برابر است.هرچه راننده گشتاور بیشتری برای چرخاندن چرخ اعمال کند میله بیشتر می گردد.

شفت ورودی فرمان بخشی از شیر ماسوره ای (spool valve) داخلی را ایجاد می کند.این همچنینن به انتهای بالای torsion bar متصل شده است.پایین torsion bar به بخش خارجی spool valve (شیر ماسوره ای) متصل شده است.همچنین torsion bar چرخدنده ی خروجی فرمان را می گرداند, که به هریک از چرخدنده های pinion و یا worm gear وابسته به نوع فرمان متصل است.
زمانی torsion bar بگردد, بخش داخلی spool valve که به بخش خارجی وابسته است را می گرداند.از آنجایی که بخش داخلی spool valve به شفت فرمان متصل است ( و سپس به قربالک فرمان), مقدار گردش بین بخش خارجی و داخلی spool valve به میزان گشتاوری که راننده به قربالک فرمان وارد میکند; بستگی دارد.

منبع:howstuffworks

پمپ هاي پره اي : ( هیدرولیک در ماشین آلات )

پمپ هاي پره اي :
به طور کلي پمپ هاي پره اي به عنوان پمپ هاي فشار متوسط در صنايع مورد استفاده قرار مي گيرند. سرعت آنها معمولا از 1200 rpm تا 1750 rpm بوده و در مواقع خاص تا 2400 rpm نيز ميرسد. بازده حجمي اين پمپ ها 85% تا 90% است اما بازده کلي آنها به دليل نشت هاي موجود در اطراف روتور پايين است ( حدود 75% تا 80% ). عمدتا اين پمپها آرام و بي سر و صدا کار مي کنند ، از مزاياي جالب اين پمپ ها اين است که در صورت بروز اشکال در ساختمان پمپ بدون جدا کردن لوله هاي ورودي و خروجي قابل تعمير است.
فضاي بين روتور و رينگ بادامکي در در نيم دور اول چرخش محور ، افزيش يافته و انبساط حجمي حاصله باعث کاهش فشار و ايجاد مکش مي گردد، در نتيجه سيال به طرف مجراي ورودي پمپ جريان مي يابد. در نيم دور دوم با کم شدن فضاي بين پره ها سيال که در اين فضاها قرار دارد با فشار به سمت خروجي رانده مي شود. همانطور که در شکل مي بينيد جريان بوجود آمده به ميزان خروج از مرکز(فاصله دو مركز) محور نسبت به روتور پمپ بستگي دارد و اگر اين فاصله به صفر برسد ديگر در خروجي جرياني نخواهيم داشت.

پمپ هاي پره اي که قابليت تنظيم خروج از مرکز را دارند مي توانند دبي هاي حجمي متفاوتي را به سيستم تزريق کنند به اين پمپ ها ، جابه جايي متغيير مي گويند. به خاطر وجود خروج از مرکز محور از روتور(عدم تقارن) بار جانبي وارد بر ياتاقان ها افزايش مي يابد و در فشار هاي بالا ايجاد مشکل مي کند.
براي رفع اين مشکل از پمپ هاي پره اي متقارن (بالانس) استفاده مي کنند. شکل بيضوي پوسته در اين پمپ ها باعث مي شود که مجاري ورودي و خروجي نظير به نظير رو به روي هم قرار گيرند و تعادل هيدروليکي برقرار گردد. با اين ترفند بار جانبي وارد بر ياتاقان ها کاهش يافته اما عدم قابليت تغيير در جابه جايي از معايب اين پمپ ها به شمار مي آيد .( چون خروج از مرکز وجود نخواهد داشت)

حداکثر فشار قابل دستيابي در پمپ هاي پره اي حدود 3000 psi است

[IMG]file:///C:/Documents%20and%20Settings/Dear-User/My%20Documents/TAHGHIGH/hydroulic/_Hamed%20Monsef_%D9%BE%D9%85%D9%BE%D9%87%D8%A7%D9% 8A%20%D9%87%D9%8A%D8%AF%D8%B1%D9%88%D9%84%D9%8A%D9 %83%D9%8A%20%28%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA%20%D8%B3%D 9%88%D9%85%29_files/bullets4.gif[/IMG][IMG]file:///C:/Documents%20and%20Settings/Dear-User/My%20Documents/TAHGHIGH/hydroulic/_Hamed%20Monsef_%D9%BE%D9%85%D9%BE%D9%87%D8%A7%D9% 8A%20%D9%87%D9%8A%D8%AF%D8%B1%D9%88%D9%84%D9%8A%D9 %83%D9%8A%20%28%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA%20%D8%B3%D 9%88%D9%85%29_files/bullets.gif[/IMG] پمپ هاي پيستوني
پمپ هاي پيستوني با دارا بودن بيشترين نسبت توان به وزن، از گرانترين پمپ ها هستند و در صورت آب بندي دقيق پيستون ها مي تواند بالا ترين بازدهي را داشته باشند. معمولا جريان در اين پمپ ها بدون ضربان بوده و به دليل عدم وارد آمدن بار جانبي به پيستونها داراي عمر طولاني مي باشند، اما به خاطر ساختار پيچيده تعمير آن مشکل است.
از نظر طراحي پمپ هاي پيستوني به دو دسته شعاعي و محوري تقسيم مي شوند.
پمپ هاي پيستوني محوري با محور خميده (Axial piston pumps(bent-axis type)) :
در اين پمپ ها خط مرکزي بلوک سيلندر نسبت به خط مرکزي محور محرک در موقعيت زاويه اي مشخصي قرار دارد ميله پيستون توسط اتصالات کروي (Ball & socket joints)به فلنج محور محرک متصل هستند به طوري که تغيير فاصله بين فلنج محرک و بلوک سيلندر باعث حرکت رفت و برگشت پيستون ها در سيلندر مي شود. يک اتصال يونيورسال ( Universal link) بلوک سيلندر را به محور محرک متصل مي کند.


ميزان خروجي پمپ با تغيير زاويه بين دو محور پمپ قابل تغيير است.در زاويه صفر خروجي وجود ندارد و بيشينه خروجي در زاويه 30 درجه بدست خواهد آمد.
پمپ هاي پيستوني محوري با صفحه زاويه گير (Axial piston pumps(Swash plate)) :
در اين نوع پمپ ها محوربلوک سيلندر و محور محرک در يک راستا قرار مي گيرند و در حين حرکت دوراني به خاطر پيروي از وضعيت صفحه زاويه گير پيستون ها حرکت رفت و برگشتي انجام خواهند داد ، با اين حرکت سيال را از ورودي مکيده و در خروجي پمپ مي کنند. اين پمپ ها را مي توان با خاصيت جابه جايي متغير نيز طراحي نمود . در پمپ هاي با جابه جايي متغيير وضعيت صفحه زاويه گير توسط مکانيزم هاي دستي ، سرو کنترل و يا از طريق سيستم جبران کننده تنظيم مي شود. حداکثر زاويه صفحه زاويه گير حدود 17.5 درجه مي باشد.


پمپ هاي پيستوني شعاعي (Radial piston pumps)
در اين نوع پمپ ها ، پيستون ها در امتداد شعاع قرار ميگيرند.پيستون ها در نتيجه نيروي گريز از مرکز و فشار سيال پشت آنها همواره با سطح رينگ عکس العمل در تماسند.
براي پمپ نمودن سيال رينگ عکس العمل بايد نسبت به محور محرک خروج از مرکز داشته باشد ( مانند شکل ) در ناحيه اي که پيستون ها از محور روتور فاصله دارند خلا نسبي بوجود آمده در نتيجه مکش انجام ميگيرد ، در ادامه دوران روتور، پيستون ها به محور نزديک شده و سيال موجود در روتور را به خروجي پمپ مي کند. در انواع جابه جايي متغيير اين پمپ ها با تغيير ميزان خروج از مرکز رينگ عکس العمل نسبت به محور محرک مي توان مقدار خروجي سيستم را تغيير داد.


[IMG]file:///C:/Documents%20and%20Settings/Dear-User/My%20Documents/TAHGHIGH/hydroulic/_Hamed%20Monsef_%D9%BE%D9%85%D9%BE%D9%87%D8%A7%D9% 8A%20%D9%87%D9%8A%D8%AF%D8%B1%D9%88%D9%84%D9%8A%D9 %83%D9%8A%20%28%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA%20%D8%B3%D 9%88%D9%85%29_files/bullets4.gif[/IMG][IMG]file:///C:/Documents%20and%20Settings/Dear-User/My%20Documents/TAHGHIGH/hydroulic/_Hamed%20Monsef_%D9%BE%D9%85%D9%BE%D9%87%D8%A7%D9% 8A%20%D9%87%D9%8A%D8%AF%D8%B1%D9%88%D9%84%D9%8A%D9 %83%D9%8A%20%28%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA%20%D8%B3%D 9%88%D9%85%29_files/bullets.gif[/IMG]پمپ هاي پلانچر (Plunger pumps)
پمپ هاي پلانچر يا پمپ هاي پيستوني رفت و برگشتي با ظرفيت بالا در هيدروليک صنعتي کاربرد دارند. ظرفيت برخي از اين پمپ ها به حدود چند صد گالن بر دقيقه مي رسد.
پيستون ها در فضاي بالاي يک محور بادامکي (شامل تعدادي رولر برينگ خارج از مرکز) در آرايش خطي قرار گرفته اند. ورود و خروج سيال به سيلندر ها از طريق سوپاپ ها(شير هاي يک ترفه) انجام مي گيرد.



[IMG]file:///C:/Documents%20and%20Settings/Dear-User/My%20Documents/TAHGHIGH/hydroulic/_Hamed%20Monsef_%D9%BE%D9%85%D9%BE%D9%87%D8%A7%D9% 8A%20%D9%87%D9%8A%D8%AF%D8%B1%D9%88%D9%84%D9%8A%D9 %83%D9%8A%20%28%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA%20%D8%B3%D 9%88%D9%85%29_files/bullets4.gif[/IMG][IMG]file:///C:/Documents%20and%20Settings/Dear-User/My%20Documents/TAHGHIGH/hydroulic/_Hamed%20Monsef_%D9%BE%D9%85%D9%BE%D9%87%D8%A7%D9% 8A%20%D9%87%D9%8A%D8%AF%D8%B1%D9%88%D9%84%D9%8A%D9 %83%D9%8A%20%28%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA%20%D8%B3%D 9%88%D9%85%29_files/bullets.gif[/IMG]راندمان پمپ ها (Pump performance):
بازده يک پمپ بطور کلي به ميزان تلرانسها و دقت بکار رفته در ساخت ، وضعيت مکانيکي اجزاء و بالانس فشار بستگي دارد. در مورد پمپ ها سه نوع بازده محاسبه مي شود:
1- بازده حجمي که مشخص کننده ميزان نشتي در پمپ است و از رابطه زير بدست مي آيد

( دبي تئوري كه پمپ بايد توليد كند /ميزان دبی حقيقی پمپ )=بازده حجمي

2- بازده مکانيکي که مشخص کننده ميزان اتلاف انرژي در اثر عواملي مانند اصطکاک در ياتاقان ها و اجزاي درگير و همچنين اغتشاش در سيال مي باشد.

= بازده مکانيکي

(قدرت حقيقی داده شده به پمپ /قدرت تئوری مورد نياز جهت کار پمپ )

3- بازده کلي که مشخص کننده کل اتلاف انرژي در يک پمپ بوده و برابر حاصضرب بازده مکانيکي در بازده حجمي مي باشد.