با توجه به تعريف پروژه فرمان برقي توسطسازه گستر و همكاري با شركت سايپا در توليد خودروي پرايد، در اين گزارش به معرفيسيستم مذكور و مزاياي آن نسبت به سيستم هيدروليكي و نحوه عملكردش مي پردازيم. با درنظر گرفتن مزيت هاي سيستم فرمان برقي، احتمال دارد در آينده از آن به عنوان يكي ازآپشن هاي خودروي S81 استفاده شود.

سيستم فرمان انواع گوناگوني دارد از جملهسيستم فرمان مكانيكي(دنده شانه اي و پينيون)، هيدروليكي والكتريكي.
معمول ترينآنها سيستم مكانيكي يا دنده شانه اي و پينيون است. پينيون حركت دوراني دارد ودنده شانه اي حركت خطي انجام مي دهد. در اين حال پينيون حركت دوراني غربيلك فرمانرا به دنده شانه اي منتقل مي كند و دنده شانه اي نيز حركت خطي را از طريق مفصل هابه چرخ هاي خودرو انتقال مي دهد.
براي تسهيل در چرخش فرمان و به تبع آن كاهشخستگي راننده و همچنين افزايش ايمني، سيستم هيدروليكي ابداع شده است. براي ايجادفرمان هيدروليكي معمولا اجزاي زير به قسمت مكانيكي فرمان اضافه مي شوند:
پمپهيدروليك با مخزن روغن و چرخ تسمه،
شيرهاي كنترل،
لوله هاي رابط،
سيلندرو
تسمه.
سيستم هيدروليكي فرمان براي ايفاي نقش خود از موتور خودرو استفادهمي كند بنابراين از بازده آن اندكي مي كاهد همچنين مصرف انرژي بيشتر را در پي دارد. علاوه بر آن، سيستم هيدروليك به صورت مركز آزاد عمل مي كند يعني حتي وقتي خودرو بهصورت مستقيم در حال حركت است و هيچ انحرافي ندارد باز هم به عملكرد خود ادامهمي دهد. اين موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سيستم هاي بهترو مفيدتري بگردند و آنها را جايگزين سيستم هيدروليكي كنند يا سيستم هيدروليكي رابهبود بخشند.
يكي از سيستم هاي ارائه شده در سال هاي اخير، فرمانالكتروهيدروليكي(EHPS) است كه در آن به جاي استفاده از موتور خودرو، يك موتورالكتريكي به پمپ هيدروليك اضافه مي شود و در نتيجه فرمان از موتور مستقلمي شود.
در اين نوع فرمان هر چند مستقل بودن از موتور خودرو تحقق يافته ولي مشكلدائمي بودن عملكرد سيستم هيدروليكي يعني حالت مركز آزاد هنوز پا بر جاست.
بهعبارت ديگر بايد وضعيتي را تدارك ديد كه سيستم تنها وقتي چرخشي به فرمان واردمي شود عمل كند، نه هميشه.
از اين رو در نسل جديد خودروها فرمان الكتريكي(EPS)
جايگزين انواع قبلي شد. اين نوع فرمان مشابه نوع هيدروليكي عمل مي كند ولي ازلحاظ ساختار متفاوت است. امروزه با توجه به مزاياي متعدد خودروهاي فرمان برقي درقياس با خودروهاي داراي فرمان¬هاي هيدروليكي و مكانيكي، بيشتر خودروسازان بهاستفاده از اين سيستم روي آورده اند تا جايي كه در سال 2007 بيش از 60درصدخودروهايي كه د اروپا به فروش رفته اند، سيستم فرمان برقي داشته اند.
از مزايايسيستم را الكتريكي مي وان به افزايش سرعت، عملكرد بهتر فرمان و حفظ تعادل خودرودر انحراف ها اشاره كرد كه باعث فرمان پذيري آسانتر بهخصوص هنگام پارك خودروميشود و با توجه به ارتباط مدار الكتريكي با حسگرها وECU، اين سيستم بسيار سريع وهوشمندانه عمل ميكند. از مزاياي سيستم فرمان برقي نسبت به فرمان هيدروليك مي توانبهبود و كاهش مصرف سوخت خودرو (حدود 5درصد) و تقويت فرمان در سرعت هاي پايين و كاهشقدرت فرمان در سرعت هاي بالا را نام برد. در سيستم فرمان برقي تنها زماني كه فرمانمي چرخد انرژي مصرف ميشود؛ در حالي كه در سيستم فرمان هيدروليك، پمپ هيدروليك صرفنظر از چرخش فرمان، به صورت دائم كار ميكند و حدود 5 اسب بخار از توان خودرو صرفتوليد دبي و پمپاژ دائمي روغن هيدروليك در مدار مي شود. ماكزيمم قدرت فرمانهيدروليك در سرعتهاي بالاست كه بيشترين دبي توسط پمپ توليد ميشود؛ درحالي كه درسرعتهاي بالا كمترين نيرو براي چرخش فرمان مورد نياز است. وزن خودرو نيز در سيستمفرمان برقي به علت حذف اتصالات هيدروليك، پمپ، پولي و ... حدود 4 تا 6 كيلوگرم كمتراز خودروي مجهز به سيستم فرمان هيدروليك است همچنين حذف روغن هيدروليك و غير قابلچرخش بودن اين روغن باعث كاهش اثرات مخرب زيست محيطي آن مي شود و مشكلات ناشي ازايرادهاي مربوط به نشتي هاي روغن از اتصالات نيز در اين سيستم برطرف شده است. برخيمزايا در جدول شماره 1 به اختصارآورده شده است.
اجزاي اصلي سيستم فرمان برقي خودرو شامل موتورالكتريكي با جريانمستقيم(DC)، كنترل يونيت، ميله پيچشي وحسگر گشتاور است كه در ادامه به نحوه عملكرد اين سيستم مي پردازيم.
انواعسيستم هاي EPS با توجه به محل قرار گرفتن موتورالكتريكي تعريف ميشوند. موتورالكتريكي روي محور فرمان، پينيون، رك و يا به صورت تركيبي با پمپ هيدروليك قرار دارد. معمولا در مدلهاي جديد از نوع فرمان برقي با نصب موتور الكتريكي رويمحور فرمان به جاي نصب روي جعبه فرمان استفاده ميكنند.

در سيستم فرمانبرقي ميله پيچشي به محور فرمان متصل است و از طريق حسگر گشتاور متصل به ميله پيچشي،مقدار گشتاور مقاومي كه بر اثر چرخش فرمان بين چرخ هاي خودرو و نيروي پيچشي فرماناعمال ميشود، اندازه گيري مي گردد و براساس آن به سيگنال الكتريكي تبديل و به ECU ارسال ميشود. ECU هم براساس دادههاي ارسالي از حسگر گشتاور و سرعت خودرو، مقدارنيروي اعمالي لازم به موتور الكتريكي DC را تعيين ميكند.
ميله پيچشيجزئي از محور فرمان است و هنگام فرمان گيري از خودرو تحت دو گشتاور، يكي گشتاورورودي از طرف غربيلك و ديگري گشتاور عكس العملي وارده از سمت تاير قرار مي گيرد. دوحسگر براي اندازه گيري مقدار نيروي پيچشي و تبديل آن به سيگنال الكتريكي و خروجيولتاژ (متناسب با مقدار پيچش) وجود دارد. هر حسگر به صورت coil در شكل نشانداده شده است. بر اثر چرخش رينگ هاي متصل به شفت، القاي مغناطيسي دركويل ها ايجاد وبه سيگنال الكتريكي تبديل مي شود كه در شرايط بدون اعمال گشتاور ولتاژ 2.5 ولت راتوليد مي كند. وقتي پيچش اتفاق نمي افتد ميزان اختلاف ولتاژ خروجي حسگرها صفر ومحدوده ولتاژ خروجي مجموعه دو حسگر صفر تا 5 ولت است. مطابق شكل وقتي فرمانبه سمت چپ يا راست مي پيچد همزمان در يك حسگر ولتاژ خروجي افزايش مي يابد و در حسگرديگر كاهش ولتاژ خروجي اتفاق مي افتد. هر چه اختلاف بين خروجي ولتاژ حسگرها بيشترباشد نيروي اعمالي بيشتري در موتور الكتريكي توليد مي شود و در صورت معكوس شدنولتاژ جهت چرخش موتور الكتريكي تغيير مي كند.ECU براساس سيگنالهاي مختلفي كه ازحسگرهاي گشتاور و سرعت دريافت مي كند و با لحاظ وضعيت خودرو در آن لحظه مقدار دورلازم براي چرخش را به موتور الكتريكي ارسال مي كند و موتور الكتريكي DC توسط يكچرخ دنده گشتاور موتور الكتريكي را به محور فرمان انتقال مي دهداين سيستم كه مكانيزم كاهش نام دارد نيروي اعمالي موتور را به پينيون شفتانتقال مي دهد. اين مكانيزم شامل يك چرخ دنده مارپيچي و يا حلقوي است كه ارتباط بينپينيون محور فرمان و پينيون چرخ دنده اي متصل به شفت موتور را برقرار و نيرويموتور را به پينيون شفت منتقل مي كند. به اين ترتيب پينيون شفت به چرخش در مي آيدتا گشتاور مقاوم ايجاد شده در ميله پيچشي به صفر برسد.
ECU داراي سه مد عملياتياست:1- مد كنترلي نرمال: زماني كه فرمان به چپ و راست مي پيچد و نيروي كمكي با توجهبه ميزان گشتاور ورودي در حسگر گشتاور اعمال مي شود. 2- مد كنترلي بازگشت: زمانيكه فرمان به طور كامل پيچيده است نيروي كمكي در جهت برگشت ايجاد مي كند. 3- مدكنترلي ميراكننده: سرعت خودرو را با هدف بهبود احساس سواري و جذب تنش هاي وارده ازجاده به چرخ ها تغيير مي دهد.
زماني كه فرمان تا انتها مي چرخد كنترل يونيتنيروي كمكي را كاهش مي دهد تا از آسيب ديدن موتور الكتريكي جلوگيري كند همچنين درصورت وجود هرگونه خطا، سيستم به طور خودكار از حالت برقي به مكانيكي تغيير مي كند وچراغ اخطار روشن ميشود كه بايد با استفاده از نرم افزار و دستگاه عيب ياب، ايرادبرطرف شود.
بيشترين نيرو توسط موتور الكتريكي هنگامي اعمال ميشود كه خودرو درسرعت پايين حركت كند و روي يك سطح با اصطكاك بالا فرمان با سرعت چرخانده شود. درشرايطي كه سطح جاده داراي اصطكاك كمي باشد نيروي كمتري توسط موتور الكتريكي اعمال واز انحراف خودرو جلوگيري ميشود. عواملي چون فشار باد تاير، سطح جاده، سرعت خودرو و ... بر مقدار نيرويي كه بايد راننده براي چرخش فرمان اعمال كند تأثير نخواهد داشت ودر شرايط اضطراري كه فرمان به سرعت چرخانده ميشود با توجه به اهميت گشتاورمقاوم بين تاير و نيروي وارده به غربيلك، خودرو در مسير مستقيم بدون انحراف به حركتخود ادامه ميدهد.
سيستم فرمان برقي معمولا با ولتاژ 12ولت و ماكزيمم مصرف 80آمپر و متوسط توان0.1 كيلووات كار ميكند

سيدمهدي نوري، مديريت كيفيت قواي محركه وسيستم هاي مكانيكي
noori@saipacorp.com
منبع : ماهنامه انديشه گستر سايپا
http://www.saipaonline.com/view-327.html