ساده‌ترین چیزی که احتمالا همه ما از کودکی درباره رانندگی می‌دانیم آن است که فرمان وسیله هدایت خودرو است. اما برای اینکه راننده بتواند توسط فرمان، در واقع غربیلکی که ما در کابین می‌بینیم، مسیر خودرو را کنترل و آن را هدایت کند، نیازمند همکاری اجزای مختلفی از یک سیستم بزرگ است که شاهد آن نیستیم. این سیستم را سیستم فرمان خودرو می‌نامند.
این سیستم ضمن انتقال نیروی چرخش فرمان، جهت حرکت آن را نیز به چرخ‌ها منتقل کرده و به این ترتیب مسیر حرکت خودرو را مشخص می‌کند. سیستم فرمان نیز مانند دیگر بخش‌های فنی خودرو تاکنون پیشرفت فراوانی داشته و اجزای آن تغییرات زیادی کرده‌اند. یکی از اجزای اصلی سیستم فرمان، جعبه فرمان است که عمده تنوع سیستم به آن بستگی دارد. در واقع نوع جعبه فرمان است که نوع این سیستم را تعیین می‌کند. بنابراین برای شناخت کامل سیستم فرمان، نیاز به شناخت جعبه فرمان با تمام جزئیات داریم. اکنون قصد داریم تا با بررسی جزئیات این قطعه، انواع و وظایف آن را در سیستم فرمان بشناسیم.
وظایف جعبه فرمان در اتومبیل
این بخش از سیستم فرمان که اصلی‌ترین قسمت آن محسوب می‌شود ضمن انتقال گشتاور دست راننده به چرخ‌ها، فرایند افزایش این گشتاور را نیز انجام می‌دهد. جعبه فرمان روی اتاق خودرو وصل می‌شود و گشتاور و دَوَران فرمان را توسط مفصل‌ها و سیبک‌های سیستم فرمان به سگ‌دست منتقل می‌کند. این قسمت از سیستم فرمان انواع مختلفی دارد و هر نوع از اجزای مخصوصی تشکیل شده است. اما وظایف جعبه فرمان برای همه انواع آن یکی است و تغییری نمی‌کند. این وظایف شامل موارد زیر می‌شود:
– افزایش گشتاور و کاهش حرکت چرخشی و جا به جایی دَوَرانی دست راننده
– تغییر صفحه دوران غربیلک فرمان به صفحه مکانیکی فرمان
– تبدیل حرکت چرخشی و دورانی غربیلک به حرکت خطی اهرم‌بندی فرمان
تنوع جعبه فرمان در کیفیت ارائه این وظایف تاثیر بسزایی دارد. هرچه کیفیت خدمات جعبه فرمان بیشتر باشد کنترل فرمان برای راننده راحت‌تر و نرم‌تر است. اما در عین حال اساس طرز کار همه انواع جعبه فرمان مشابه است. به این ترتیب که وقتی راننده غربیلک فرمان را می چرخاند ، این گشتاور و حرکت دورانی به جعبه فرمان منتقل می شود. جعبه فرمان حرکت دورانی غربیلک را به حرکت خطی تبدیل کرده و از طریق میله بندی فرمان یا شغال‌دست‌های چپ و راست به سگ دست منتقل می‌کند. سگ دست روی سیبک‌ها، به داخل یا خارج می‌چرخد و این حرکت سبب پیچیدن چرخ‌ها و به چپ یا راست می‌شود.
انواع جعبه فرمان
جعبه‌ی فرمان بر اساس کیفیت عملکرد یعنی میزان افزایش گشتاور، نحوه افزایش آن و درصد راحتی راننده در فرمان دادن و کنترل خودرو به دو دسته تقسیم می‌شوند. این دو دسته خود دارای انواع و زیرمجموعه‌های دیگری هستند. همچنین قطعات اصلی این دو دسته تفاوت‌های بسیاری دارند.
-
جعبه فرمان مکانیکی
این نوع جعبه فرمان که ساده‌ترین سیستم را دارد و در گذشته مورد استفاده قرار می‌گرفته، عمل افزایش گشتاور دست راننده و انتقال آن به چرخ‌ها را تنها به وسیله مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌ها و بازوها انجام می‌دهد. در سیستم‌های فرمان مجهز به جعبه فرمان مکانیکی تنها منبع انرژی سیستم، نیروی دست راننده است. این امر البته خستگی ناشی از صرف نیروی زیاد برای کنترل و حرکت غربیلک برای راننده ایجاد می‌کند.
-
جعبه فرمان با نیروی کمکی
در این نوع جعبه فرمان، نیروهای هیدرولیکی یا الکتریکی به کمک قطعات مکانیکی آمده تا نیروی گشتاور دست راننده را که توسط غربیلک به جعبه منتقل شده است افزایش دهند. بنابراین با کاهش سختی و خشکی فرمان، رانندگی راحت‌تری را به راننده نوید می‌دهند. در ادامه این دو دسته، اجزا، تقسیم‌بندی و مزایا و معایب هریک را بررسی می‌کنیم.
جعبه فرمان‌های مکانیکی
این نوع جعبه فرمان‌ها امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند و حتی عموما پیشرفته‌ترین آنها نیز به نوعی به سیستم نیروی کمکی تجهیز می‌شوند. برخی از آنها نیز به طور کامل در صنعت خودروسازی به فراموشی سپرده شده‌اند. مدل‌های مختلف جعبه فرمان مکانیکی اجزای متفاوتی دارند و تنها در برخی قطعات مانند پوسته جعبه با هم مشترک هستند. انواع جعبه فرمان‌های مکانیکی به این ترتیب هستند:
۱. جعبه فرمان حلزونی انگشتی
این نوع جعبه فرمان که در بین انواع مکانیکی ساده‌ترین جعبه فرمان موجود است، دارای یک پوسته جعبه مربع شکل و قطعاتی به نام‌های انگشتی و حلزونی است. انتقال حرکت از غربیلک به چرخ‌ها و تغییر دوران آن به خطی، توسط این دو قطعه صورت می‌گیرد. این نوع جعبه دنده به دلیل معایب بسیار، سال‌ها است که از چرخ تولید خودروسازی خارج شده و مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
۲. جعبه فرمان حلزونی با دنده تاج خروسی
در این نوع جعبه فرمان از قطعه‌ای دندانه‌دار به نام تاج خروسی که شباهت به تاج خروس نیز دارد به جای انگشتی استفاده می‌شود و انتقال حرکت مارپیچ که به غربیلک متصل است به سمت حلزونی و میل فرمان‌ها توسط آن صورت می‌گیرد. گرچه جعبه فرمان مربع شکل حلزونی با دنده تاج‌خروسی از مدل حلزونی انگشتی پیشرفته‌تر است، اما همچنان معایب زیادی دارد. بنابراین به سرنوشت خلف خود دچار و در بین قطعات از دور خارج شده قرار گرفته است.
۳. جعبه فرمان حلزونی غلتکی
این مدل نیز شبیه نوع قبلی جعبه فرمان است با این تفاوت که در آن یک غلتک جای دنده تاج خروسی را می‌گیرد.غلتک این نوع جعبه فرمان نیز باعث نشد تا از معایب مدل‌های قبلی بی‌بهره بماند. بنابراین چند سالی می‌شود که از رده خارج محسوب می‌شود.
۴. جعبه فرمان ساچمه‌ای با دنده تاج خروسی
در این مدل جعبه دنده یک چرخ‌دنده تاج خروسی و یک دنده تاج‌خروسی به شکل مخروط در کنار هم به کار می‌ٰروند. جعبه فرمان ساچمه‌ای از جمله جعبه‌های مکانیکی است که در صنعت خودروسازی به خصوص خودروهای سنگین همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرد، هرچند به ندرت. قطعات اصلی آن شامل ساچمه‌ها، مهره انتقال، دنده تاج خروسی، شفت خروجی و پیچ تنظیم می‌شود.
آشنایی با سیستم خنک‌کاری خودرو و اجزای آن
به این ترتیب ساچمه‌ها و لوله‌های مسیر گردش آنها جای حلزونی را می‌گیرند. لوله‌های مسیر گردش ساچمه‌ها به دور پیچ‌های مارپیچی می‌پیچند. عملکرد این جعبه دنده با حرکت چرخشی مارپیچ فرمان آغاز می‌شود. این حرکت به ساچمه‌ها که دور مارپیچ چرخیده‌اند منتقل و سپس توسط ساچمه‌ها تبدیل به حرکت خطی می‌شود. این تبدیل به طور دقیق توسط دنده‌های روی دیواره مهره انتقال که بین ساچمه‌ها، مارپیچ و دنده تاج خروسی قرار دارد صورت می‌گیرد. حرکت خطی نیز توسط دنده تاج خروسی به شفت خروجی سپس بازوی هزار خار فرمان و در نهایت میل فرمان می‌رسد. پیچ تنظیم نیز در این سیستم وظیفه تنظیم لقی فرمان را به عهده دارد. این نوع جعبه دنده مزایایی دارد که باعث شده همچنان مورد استفاده قرار گیرد. مزایای آن عبارتند از:
- اصطکاک کم در بین قطعات جعبه فرمان
- ایمنی بیشتر نسبت به مدل‌های قبلی
- استهلاک و حساسیت کمتر و نگهداری راحت‌تر
- امکان تجهیز آن به سیستم توان کمکی (هیدرولیکی یا الکتریکی)
اصطکاک کمتر قطعات این نوع جعبه فرمان، کار را برای راننده راحت‌تر می‌کند و نیروی کمتری از او برای چرخش غربیلک می‌گیرد ضمن اینکه این خصوصیت منجر به کاهش سایش و خوردگی قطعات و در نتیجه بالا رفتن لقی فرمان می‌شود و احتمال خلاصی آن را کاهش می‌دهد. اما معایب این نوع جعبه نیز نباید نادیده گرفته شود. این معایب عبارتند از:
- وزن بالا که منجر به سنگین شدن نهایی خودرو و سیستم فنی آن می‌شود.
- قیمت بالا که هزینه تعمیرات آن را نیز بالا می‌برد.
۵. جعبه فرمان چرخ‌دنده شانه‌ای
این نوع جعبه فرمان رایج‌ترین نوع جعبه فرمان مکانیکی است که همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرد و به کشویی یا راک اند پینیون نیز معروف است. دلیل اصلی مورد استفاده قرار گرفتن آن سبک بودن و فضای کمی است که اشغال می‌کند. پوسته جعبه دنده در این نوع تبدیل به یک سیلندر فلزی می‌شود. قطعات آن شامل بست اتصال، پوسته، بازوی فرمان، پیچ و مهره‌های تنظیم لقی، گردگیر، پینیون، یاتاقان پینیون و دنده‌شانه‌ای می‌شود. پینیون و دنده‌شانه‌ای که راک هم نامیده می‌شود اصلی‌ترین اجزای این نوع جعبه فرمان هستند.
در واقع پینیون که با مارپیچ فرمان در ارتباط است حرکت چرخشی غربیلک را از مارپیچ گرفته و با درگیر کردن دنده‌های خود با دنده‌های راک این دوران را به حرکت عمودی تبدیل می‌کند. پینیون و دنده شانه‌ای به صورت عمود بر هم قرار گرفته‌اند و هر دو فرمی دندانه‌دار دارند. دنده شانه اهرم عرضی و پینیون اهرم عمودی این سیستم هستند. این نوع جعبه دنده نیز مزایایی نسبت به جعبه دنده ساچمه‌ای دارد که استفاده از آن را رایج‌تر کرده است. مزایایی مانند:
- قیمت کمتر که هزینه تعمیرات آن را نیز کاهش می‌دهد.
- اشغال فضای کمتر که آن را برای خودروها دیفرانسیل جلو مناسب می‌کند.
- وزن کمتر که این سیستم را مناسب برای خودروهای سبک می‌سازد.
البته جعبه دنده چرخ‌دنده شانه‌ای در مزیت‌هایی مانند اصطکاک کمتر، درصد استهلاک پایین‌تر، قابلیت ارتقاء بازده و قابلیت تجهیز به سیستم توان کمکی مشترک است. معایب این سیستم نیز عبارتند از:
- – محدودیت در افزایش گشتاور، به این ترتیب که میزان گشتاور را نسبت به نوع ساچمه‌ای کمتر افزایش می‌دهد.
- – محدودیت در افزایش پایداری خودرو، که در این مورد نیز جعبه‌های ساچمه‌ای مکانیزم بهتری برای افزایش پایداری خودرو دارند.
جعبه فرمان با نیروی کمکی
این جعبه فرمان‌ها راحتی و آسایش راننده را بیشتر تامین می‌کنند و نیروی زیادی از او جهت به حرکت درآوردن غربیلک نمی‌گیرند، بلکه یک نیروی کمکی از نوع هیدرولیکی یا الکتریکی در جعبه فرمان به کمک راننده می‌آید. نرمی سیستم‌های مجهز به این نوع جعبه فرمان هنگام پارک خودرو و فرمان گرفتن‌های تیز بیشتر به چشم می‌آید. این دسته جعبه‌ها نیز مانند انواع مکانیکی زیرمجموعه‌ها و انواع مختلفی دارند. هر یک از این انواع هم اجزای مختص خودشان را در اختیار می‌گیرند. اکنون به معرفی انواع جعبه فرمان با نیروی کمکی می‌پردازیم.
پیستون چیست و طرز کار آن چگونه است؟
۱. جعبه فرمان‌های هیدرولیکی
جعبه فرمان هیدرولیکی اولین نوع جعبه فرمان کمکی است و همچنان رایج‌ترین آنها. در این جعبه فرمان که ساختاری مشابه جعبه فرمان مکانیکی دنده شانه‌ای دارد از یک فشار هیدرولیکی برای به حرکت درآوردن دنده شانه‌ای کمک گرفته می‌شود تا راننده نیروی کمتری برای دوران غربیلک به کار گیرد. بنابراین به سیستم جعبه دنده دنده شانه‌ای مکانیکی، تجهیزاتی جهت ایجاد این فشار اضافه می‌شود. این تجهیزات شامل این قطعات می‌شود:
– پمپ هیدرولیکی که بیرون از جعبه فرمان و سیلندر آن قرار دارد و با غربیلک در ارتباط است.
– شیر هیدرولیکی که روی شفت ورودی جعبه فرمان و در کنار پوسته یا سیلندر جعبه نصب می‌شود.
– مخزن روغن که نزدیک به پمپ روغن تعبیه می‌شود.
– لوله‌های رفت و برگشت روغن که در فاصله جعبه فرمان و پمپ قرار دارند.
– جک هیدرولیک که در مسیر ورود و خروج روغن به جعبه فرمان قرار دارد.
– تسمه هیدرولیک که رابط پمپ و موتور خودرو است.
در این سیستم پمپ نیروی دورانی و چرخشی خود را از طریق تسمه از موتور دریافت می‌کند و روغن را با فشاری معادل ۷۰بار روانه لوله‌های فشار قوی یا لوله‌های رفت می‌کند. این لوله‌ها روغن را با همان فشار به پشت شیر هیدرولیک سیستم منتقل می‌کنند. شیر هیدرولیک دارای سوراخ‌هایی است که با چرخش فرمان به راست یا چپ، تعدادی از آنها باز می‌شوند. به این ترتیب هدایت روغن به سمت چپ یا راست جک هیدرولیک کنترل می‌شود. ورود روغن با فشار به هر سمت جک، حرکت راحت‌تر فرمان را موجب می‌شود. سپس روغن مجددا از جک عبور کرده و به سمت لوله‌های برگشت یا فشار ضعیف رفته و به مخزن برمی‌گردد. جعبه فرمان هیدرولیک مزایای دیگری به جز نرمی بیشتر فرمان دارد که موجب استفاده بیشتر از آن می‌شود. مزایایی مانند:
- کاهش نیروی دست راننده برای دوران غربیلک
- افزایش پایداری خودرو
- کاهش لرزش و ارتعاشات فرمان
- کاهش حساسیت فرمان در سرعت‌های بالا و کنترل راحت‌تر آن
حتما بخوانید: آشنایی با کاربرد دیسک ترمز و انواع آن
فرمان‌های هیدرولیکی در صورت ثابت بودن غربیلک به فعالیت خود ادامه می‌دهد به این ترتیب که در صورت حرکت خودرو در مسیر مستقیم، اگر راننده دست خود را از روی غربیلک بردارد خودرو به حرکت مستقیم ادامه می‌دهد و جهت غربیلک تغییر نمی‌کند. اما این مساله منجر به هدررفت بالای انرژی می‌شود. بنابراین با وجود تمام مزایای گفته شده، جعبه فرمان هیدرولیکی نیز مانند بسیاری تکنولوژی‌های روز معایبی دارد. معایب عمده این جعبه فرمان عبارتند از:
- بالا بودن قیمت تمام شده ساخت و هزینه بالای تعمیرات
- افزایش مصرف سوخت به دلیل دوران مداوم پمپ
- کاهش توان موتور به دلیل استفاده پمپ از نیروی موتور
- نیاز به گشتاور بیشتر برای فرمان دادن به خودرو در زمان خاموش بودن موتور
- استهلاک بالا به دلیل فعال بودن مداوم پمپ بدون تاثیر در سرعت خودرو
۲. جعبه فرمان الکتروهیدرولیکی
از آنجا که مهندسان مکانیک همواره در حال تلاش برای ارائه تکنولوژی‌های جدیدتر در خودروها هستند و همچنین رفع معایب تکنولوژی‌ها به کار گرفته شده، جعبه فرمان الکتروهیدرولیکی جایگزین جعبه فرمان‌های هیدرولیکی می‌شود تا معایب آنها را پوشش دهد. این جعبه فرمان عملکردی مشابه جعبه فرمان‌ها هیدرولیکی دارد با این تفاوت که پمپ در این سیستم نیروی خود را از موتور دریافت نمی‌کند. بنابراین کاهش توان موتور را به همراه نخواهد داشت. قطعه‌ای که به این سیستم جهت تامین نیروی پمپ اضافه می‌شود یک موتور الکتریکی است که دقیقا پشت پمپ قرار می‌گیرد. این پمپ که جایگزین تسمه هیدرولیک می‌شود فضای کمتری را نیز نسبت به آن اشغال می‌کند.
همچنین گاهی یک سنسور سنجش سرعت و یک ECU کوچک کنار جعبه فرمان تعبیه می‌شود تا با بررسی و پایش سرعت خودرو فشار روغن هیدرولیک تنظیم شود. این عمل باعث می‌شود تا در سرعت‌های بالا فشار هیدرولیک کاهش یافته و کنترل فرمان با نیروی بیشتری از سوی راننده صورت بگیرد وبالعکس. این امر افزایش پایداری خودرو در سرعت‌های بالاتر را به دنبال دارد. نکته مهم اینکه موتور الکتریکی در این سیستم معضل کاهش توان موتور و افزایش مصرف سوخت را مرتفع می‌سازد اما معضل فعال بودن مداوم سیستم هیدرولیک در آنها همچنان پابرجا است.
۳. جعبه فرمان الکتریکی
توان کمکی این نوع جعبه فرمان که به کمک نیروی دست راننده رفته و آن را تکمیل می‌کند یک موتور الکتریکی است. درواقع در این سیستم یک موتور الکتریکی جایگزین نیروی روغن هیدرولیک و اجزای تامین کننده این نیرو می‌شود. این سیستم که در حال رواج روزافزون در بین خودروسازان است آخرین و جدید‌ترین تکنولوژی جعبه فرمان است. در آن مخزن، پمپ، شیر و لوله‌های هیدرولیک حذف شده و مجموعه‌ای شامل موتور الکتریکی با جریان مستقیم، سنسور گشتاور و ECU اضافه می‌شود. ساختار اصلی جعبه فرمان که این بخش‌ها به آن اضافه می‌شود دنده شانه‌ای است. موتور الکتریکی، سنسور و ECU در این سیستم روی ستون فرمان نصب می‌شود.
بنابراین این سیستم برقی بخشی است که در بیرون جعبه فرمان به آن اضافه می‌شود. درون سیلندر نیز شفت موتور الکتریکی، پتانسیومتر و غلاف قرقره‌ای اجزایی هستند که به جعبه فرمان دنده شانه‌ای اضافه شده و آن را تبدیل به جعبه فرمان نیروی کمکی تبدیل می‌نمایند. برای شروع به کار این سیستم با چرخش غربیلک فرمان، سیستم برقی آن فعال شده و ضمن تولید توان کمکی لازم، نیرو را به میل فرمان منتقل می‌کند. میل فرمان نیز این چرخش و توان را به پینیون می‌رساند. سیستم جعبه فرمان برقی که جوان‌ترین در نوع خود است مزایای بسیاری دارد. مانند:
- وزن خیلی کم
- هزینه‌ی نگهداری و تعمیر پایین
- اشغال فضای کمتر از دیگر انواع
- فعال نبودن دائم سیستم و شروع به کار آن با حرکت فرمان
- تغییر شرایط و میزان نیروی کمکی با تغییر شرایط خودرو و سرعت آن و در نتیجه کنترل راحت‌تر فرمان در موقعیت‌های مختلف
- افزایش پایداری خودرو
- افزایش ایمنی خودرو
- افزایش سرعت عملکرد فرمان
- کاهش مصرف سوخت
حتما بخوانید: بهترین زمان تعویض روغن گیربکس چه موقع است؟
یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های این سیستم با جعبه فرمان‌های هیدرولیکی و الکتروهیدرولیکی مصرف انرژی تنها در زمان چرخش غربیلک است. این امر در جلوگیری از هدررفت انرژی تاثیر بسیاری دارد. این جعبه فرمان نیز به نسبت جوان بودن همچنان معایبی دارد که باید مرتفع گردد. هرچند این معایب نسبت به دیگر انواع جعبه فرمان کمتر باشند اما به نوبه خود از اهمیت ویژه برخوردارند. این معایب عبارتند از:
- قیمت تمام شده بالای تولید و هزینه زیاد ساخت
- مناسب نبودن برای خودروهای سنگین
- حساسیت بالای سیستم برقی
- عدم هماهنگی سیستم با شرایط محیطی و ناتوانی در پیدا کردن این هماهنگی با شرایط اقلیمی خاص