فرمان کمکی هیدرولیکی چیست و چگونه کار می‌کند؟

نویسنده: علیرضا کرامتیان، مدیر مرکز فنی(آموزش و پشتیبانی فنی، گارانتی) و شبکه نمایندگی های خدمات پس از فروش شرکت رنو ایران

یکی از سیستم‌هایی که موجب تسهیل در رانندگی می‌شود، فرمان کمکی است. فرمان کمکی انواع مختلفی دارد که مهم‌ترین انواع آن‌ها را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: فرمان کمکی الکتروهیدرولیکی، فرمان کمکی هیدرولیکی و فرمان کمکی الکترونیکی یا برقی.

فرمان کمکی هیدرولیک دارای تاریخچه خیلی قدیمی است و انواع مختلفی دارد. سیستم‌های الکتروهیدرولیکی به دلیل کارایی پائین به مرور زمان منسوخ شده و در حال حاضر کاربردی ندارند و در مقابل سیستم‌های فرمان کمکی هیدرولیکی به مرور زمان توسعه یافته و در حال حاضر بر روی تعداد زیادی از خودروها نصب می‌شوند. در این مقاله قصد داریم تا به نحوه عملکرد سیستم فرمان کمکی هیدرولیکی بپردازیم.

همان‌طور که از نام این نوع فرمان کمکی هیدرولیکی مشخص است، این سیستم با بهره‌گیری از سیال روغن کار می‌کند و نیروی مورد نیاز خود را از طریق تسمه، از موتور دریافت می‌کند و به همین دلیل دارای بازده بالائی است.

این سیستم بر روی مجموعه فرمان نصب می‌شود و اجزاء آن عبارت‌اند از: جعبه‌فرمان، پمپ هیدرولیک، مخزن هیدرولیک، جک، شیر هیدرولیکی(مُقسم)، لوله‌های ارتباطی و سنسور یا سوئیچ فشار هیدرولیک(فقط در بعضی خودروها وجود دارند).

پمپ هیدرولیک:

با توجه به اینکه در این سیستم، فشار بالای روغن مورد نیاز است لذا پمپ بکار رفته در آن از نوع پره‌ای است و توان مورد نیاز خود را مستقیماً از موتور و به‌وسیله تسمه دریافت می‌کند که در بیشتر خودروها این کار توسط همان تسمه‌ای که گشتاور را به دینام و کمپرسور کولر منتقل می‌کند، انجام می‌گیرد.

همان‌طور که در شکل بالا نمایش داده شده است، روی روتورِ پمپ، شیارهایی وجود دارد و در داخل هر کدام از آن شیارها، پره‌های متحرکی تعبیه شده است. وقتی روتور گردش می‌کند، پره‌ها به‌واسطه نیروی گریز از مرکز، به سمت خارج، حرکت و مماس با دیواره داخلی پمپ حرکت می‌کنند، اگر با دقت به شکل نگاه کنید، قسمتی که روتور در آن قرار دارد، دایره نیست بلکه به شکل تقریبا بیضی است لذا حجم حفره‌هایی که توسط دو پره متوالی و دیواره داخلی پمپ، تشکیل می‌شود، مدام در حال تغییر است.

روغن با فشار کم از سمت چپ که ورودی پمپ محسوب می‌شود، وارد می‌ گردد، در اینجا حجم تشکیل‌شده توسط دو پره متوالی و دیواره داخلی پمپ، نسبتاً زیاد است. وقتی پره‌ها می‌چرخند، هر پره به‌آرامی مماس بر دیواره داخلی پمپ حرکت می‌کند و حجم منطقه مابین دو پره متوالی کم می‌شود لذا حجم منطقه ای که روغن در آن قرار می گیرد، کم شده و فشار روغن افزایش می‌یابد، با چرخش روتور، روغن مقابل دریچه خروجی می‌رسد و روغن با فشار زیاد از پمپ خارج می‌شود.

روغن با فشار بالا از طریق لوله‌های ارتباطی به شیر هیدرولیکی(مُقسم) که روی جعبه‌فرمان قرار دارد، می‌رسد.

اگر راننده فرمان را بچرخاند، دریچه‌هایی که در شیر هیدرولیکی(مُقسم) قرار دارند، مقابل هم قرار می‌گیرند و روغن به سمت جکی که بر روی جعبه‌فرمان تعبیه شده است، هدایت می‌شود. روغن جک را حرکت می‌دهد و بازوی فرمان که به جک متصل است حرکت کرده و چرخ‌ها در جهتی که راننده فرمان را چرخانده است، گردش می‌کنند.

در قسمت وسط شیر هیدرولیکی(مُقسم) میله‌ای وجود دارد که در جهت پیچش، دارای خاصیت فنریت(Torsion Bar) است و نقش مهمی در هدایت مقدار روغن به جک دارد. میله پیچشی مذکور از یک طرف به چهارشاخ فرمان(که در نهایت به غربیلک فرمان متصل است) و از سمت دیگر بر روی دنده پینیون داخل جعبه‌فرمان متصل است. این بدین معنی است که زمانی که راننده فرمان را می‌چرخاند، نیروی دست راننده به میله پیچشی و سپس به پینیون می‌رسد. پینیون مانند جعبه‌فرمان خودروهای معمولی(خودروهایی که فاقد سیستم فرمان کمکی هستند) روی دنده شانه‌ای قرار دارد و دنده شانه‌ای نیز در نهایت به تایرها اتصال دارد.

در زمانی که بیشترین میزان اصطکاک مابین لاستیک‌های خودرو و سطح جاده وجود دارد، میله مذکور(Torsion Bar) بیشترین میزان پیچش را داشته و دریچه‌ها طوری مقابل هم قرار می‌گیرند که بیشترین مسیر برای عبور روغن باز می‌شود و مقدار روغن زیادی به سمت جک هدایت می‌شود و بیشترین میزان فرمان کمکی را در این وضعیت خواهیم داشت.

به‌عنوان‌ مثال اول، اگر خودرو در حالت سکون باشد و راننده بخواهد خودرو را که در یک خیابان، مابین دو خودرو دیگر که بصورت طولی قرار گرفته است، از حالت پارک خارج کند و یا خودرو را مابین دو خودرو دیگر که بصورت طولی قرار گرفته‌اند، پارک کند، مقاومت بین لاستیک و جاده بسیار زیاد است و به همین دلیل فرمان سفت است. وقتی راننده فرمان را می‌چرخاند، میله پیچشی بیشترین مقاومت را در مقابل چرخش از خود نشان می‌دهد و همان‌طور که گفته شد حجم زیادی از روغن با فشار بالا به جک هدایت می‌شود، در این حالت بیشترین میزان کمک به سیستم فرمان انجام می‌پذیرد.

به‌عنوان‌مثال دوم وقتی خودرو با سرعت‌بالا در حال حرکت است، کمترین میزان مقاومت مابین لاستیک و سطح زمین وجود دارد و به همین دلیل فرمان نرم است، حال اگر راننده فرمان را بچرخاند، سیستم کمکی فرمان نیز وارد مدار شده و فرمان بیش از اندازه نرم شده و ممکن است موجبات عدم تعادل خودرو فراهم شود، عملکرد دیگر میله پیچشی فرمان در این وضعیت است. در این حالت به دلیل اینکه اصطکاک مابین لاستیک‌های جلو و زمین حداقل است، میله پیچشی(Torsion Bar) در مقابل پیچش حداقل مقاومت را نشان داده و شیر هیدرولیکی به میزان حداقل باز شده و مقدار روغنی که به جک منتقل می‌شود، کمترین مقدار خواهد بود و میزان کمک به سیستم فرمان نیز حداقل خواهد بود، این وضعیت سبب می‌شود تا تعادل خودرو حفظ شود و مشکلی برای سرنشینان ایجاد نشود. به عبارت ساده‌تر می‌توان گفت که هرچه سرعت خودرو کمتر باشد، سیستم فرمان کمکی هیدرولیکی بیشترین نیرو را صرف کمک به راننده در چرخاندن فرمان اعمال می‌نماید و هرچه سرعت خودرو بالاتر باشد، نیروی کمتری به سیستم فرمان جهت کمک به راننده در چرخاندن فرمان، اعمال می‌شود.

پس از اینکه روغن توسط شیر هیدرولیک(مُقسم) و لوله‌ها و شلنگ‌های مربوطه به سمت جک هدایت شد و انرژی آن مستهلک گردید، روغن از سمت دیگر جک تخلیه و به سمت شیر هیدرولیک(مُقسم) هدایت و به مخزن روغن هیدرولیک ارسال می‌گردد.

بعضی از سیستم‌های هیدرولیک فرمان دارای سوئیچ هیدرولیک فرمان می‌باشند که بر روی شلنگ فشار بالا نصب است و وضعیت فشار سیستم را به یونیت موتور اعلام می‌کند.

وقتی راننده فرمان را می‌چرخاند، فشار در این شلنگ افزایش‌یافته و سوئیچ عمل می‌کند و یونیت موتور را از چرخیدن فرمان توسط راننده مطلع می‌نماید و یونیت موتور برای جبران کاهش دور موتور، میزان پاشش انژکتور و همچنین باز بودن استپرموتور و یا موتور دریچه گاز را کنترل می‌کند تا اختلالی در پایداری موتور(در دور آرام) به وجود نیامده و رانندگی با خودرو با مشکل مواجه نشود.

سؤال: در وضعیتی که موتور روشن و راننده فرمان را نچرخانده است، وضعیت چرخش روغن به شکلی است؟

با چرخش پمپ هیدرولیک از طریق تسمه دینام و توسط پولی سر میل‌لنگ، روغن از مخزن کشیده شده و با افزایش فشار به سمت شیر هیدرولیکی(مُقسم) حرکت می‌کند اما از آنجا که نیرویی بر روی غربیلک وجود ندارد که موجب پیچش میله پیچشی شود، شیر هیدرولیکی متصل در حالتی قرار دارد که روغن به سمت جک هیدرولیک هدایت نمی‌شود، در این وضعیت شیر چرخشی ورودی که از طرف پمپ است را به خروجی که به مخزن متصل است، ارتباط می‌دهد.

سؤال: چرا نباید فرمان را در حالتی که به‌طور کامل به چپ و یا راست چرخانده‌ایم، در زمان طولانی نگهداریم؟

در زمانی که فرمان توسط راننده، چرخانده و به انتها رسیده است یعنی جک تا انتهای کورس خود حرکت کرده است لذا میله پیچشی(فنر پیچشی) که از یک طرف به پینیون و شانه ای فرمان متصل است، قادر به چرخش نیست و چرخاندن فرمان سبب حداکثر چرخش میله پیچشی و به جهت آن، چرخش شیر هیدرولیک(مُقسم) می‌گردد، در این حالت روغن پرفشار از طریق شیر هیدرولیک(مُقسم) به سمت جک حرکت می‌کند اما از آنجا که جک در انتهای کورس است، پره‌های پمپ تحت فشار قرار گرفته و مقداری روغن(با فشار بالا) از شیر هیدرولیک و مقداری روغن(با فشار بالا) نیز از خلاصی بسیار اندک بین پره ها و دیواره داخلی پمپ فرار می‌کند لذا چرخاندن فرمان و نگه داشتن آن در انتهای کورس سبب خرابی پمپ، آسیب دیدن شیر هیدورلیک، افزایش شدید دمای روغن هیدرولیک و استهلاک قطعات دیگر سیستم می‌شود.

نگهداری سیستم فرمان هیدرولیک:

مطابق آنچه در بالا توضیح داده شد، روغن هیدرولیک همواره تحت تنش‌های فشاری و حرارتی قرار دارد لذا برای اینکه کارایی سیستم کمکی فرمان هیدرولیکی کاهش پیدا نکند و قطعات آن کمترین استهلاک را داشته باشد، لازم است تا مطابق آنچه در دفترچه راهنمای خودرو عنوان شده است، روغن هیدرولیک مطابق جدول زمانی، تعویض شود. تعویض روغن هیدرولیک در زمان تعیین شده، علاوه بر اینکه از آسیب رسیدن به سیستم جلوگیری می‌کند، موجب افزایش کارآئی و نرم تر شدن سیستم کمکی فرمان خواهد شد. 

راننده می‌بایست نسبت به کوچک‌ترین نشتی در سیستم فرمان هیدرولیک، بسیار حساس باشد. بروز نشتی و ریختن روغن بر روی قطعات دیگر مانند اگزوز، دینام، کاتالیست و غیره ممکن است موجب بروز آتش سوزی گردد. اگر روغن سیستم هیدرولیک تخلیه شود، اصطکاک مابین پره‌های پمپ هیدرولیک و دیواره داخلی پمپ، ممکن است موجب افزایش دمای داخلی پمپ هیدرولیک شده و تخریب و آسیب رسیدن به سیستم را به همراه داشته باشد. بنابراین راننده می بایست نسبت به کنترل سطح روغن در مخزن هیدرولیک فرمان به‌صورت دوره‌ای اقدام کرده و در صورت مشاهده کم شدن میزان روغن، نسبت یافتن دلیل کاهش میزان روغن اقدام نماید.

نفوذ آب به داخل سیستم هیدرولیک فرمان باعث می‌شود تا علاوه بر اینکه کارایی سیستم به‌شدت کاهش یابد، قطعات داخلی سیستم خصوصاً پمپ هیدرولیک فرمان، به‌شدت آسیب بیند. نفوذ آب به سیستم معمولاً به دلیل شستشوی غیراصولی موتور انجام می‌شود. گاهی اوقات صاحب خودرو، بدون مطالعه دفترچه راهنمای مشتری و عدم آگاهی از قرار گرفتن قطعات مختلف خودرو، مخزن روغن هیدرولیک فرمان را با مخزن مایع شیشه‌ شور اشتباه گرفته و به‌ جای پُر کردن مخزن مایع شیشه شور، درب مخزن روغن هیدرولیک را باز کرده و مایع شیشه‌ شور را به داخل آن بریزد لذا لازم است تا صاحب خودرو نسبت به مطالعه دقیق مطالب دفترچه راهنمای مشتری، دقت کافی به عمل آورد.

عیب‌یابی و تعمیرات سیستم هیدرولیک:

یکی از مشکلاتی که معمولاً در سیستم فرمان هیدرولیک ایجاد می‌شود، به گوش رسیدن صدای غیرعادی از پمپ هیدرولیک است. اگر راننده روغن سیستم هیدرولیک فرمان را مطابق جدول زمانی تعویض نکند، میزان خوردگی و فرسایش بین پره‌های داخل پمپ هیدرولیک و شیارهای پره‌ها زیاد شده که سبب لق شدن بیش‌ از اندازه پره‌ها، در جای خود می‌گردد که سرعت پرتاب پره‌های داخل پمپ هیدرولیک افزایش‌یافته و علاوه بر اینکه موجب بروز صدای غیرعادی می‌گردد، باعث می‌شود تا فرار روغن از لابلای پره‌ها افزایش یافته و کارایی سیستم فرمان هیدرولیک کاهش یابد. لازم به ذکر است که در این حالت، به دلیل خوردگی قطعات، شیارها، پره‌ها و همچنین دیواره داخلی پمپ هیدرولیک، تنها راه برطرف شدن مشکل، تعویض پمپ هیدرولیک فرمان و شستشوی کامل سیستم(برای خارج کردن ذرات و پلیسه ها) است البته در بعضی موارد نیاز است جک سیستم هیدرولیک(در مدل‌هایی که جک بیرون از جعبه‌فرمان قرار دارد) نیز تعویض شود.

مشکل دیگری که معمولاً برای سیستم کمکی هیدرولیک فرمان ایجاد می‌شود، آسیب دیدن بلبرینگ شفت پمپ است که پیامد این ایراد نیز بروز صدای غیرعادی از ناحیه پمپ است.

What is hydraulic power steering and how does it work?

Writer: Alireza Keramatian/ Renault IRAN Technical Hub and Network Manager