فرمان هیدرولیک
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم هایی که در قسمت های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و…).
حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و… استفاده می کنند. در این سیستم ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و …) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم های انعطاف پذیری تبدیل می کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
● قانون پاسکال:
فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال) ۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است. ۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستم های نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستم های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی:
مخزن : جهت نگهداری سیال ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند. ۴) شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی).
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی:
کمپرسور ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار ۴) شیرهای کنترل ۵) عملگرها
● یک مقایسه کلی بین سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک:
در سیستم های نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستم های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند. ۲) در سیستم های هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد ۳) فشار در سیستم های هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستم های نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستم های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند. ۴) در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است . ۵) در سیستم های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد. ۶) سیستم های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستم های هیدرولیکی برخوردارند.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم هایی که در قسمت های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و…).
حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟
در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و… استفاده می کنند. در این سیستم ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و …) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم های انعطاف پذیری تبدیل می کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
● قانون پاسکال:
فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال) ۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است. ۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستم های نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستم های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی:
مخزن : جهت نگهداری سیال ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند. ۴) شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی).
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی:
کمپرسور ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار ۴) شیرهای کنترل ۵) عملگرها
● یک مقایسه کلی بین سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک:
در سیستم های نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستم های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند.
در سیستم های هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد
فشار در سیستم های هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستم های نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستم های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند.
در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است .
در سیستم های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد.
سیستم های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستم های هیدرولیکی برخوردارند.
سیستم فرمان
سیستم فرمان انواع گوناگونی دارد از جمله سیستم فرمان مکانیکی(دنده شانه ای و پینیون)،هیدرولیکی والکتریکی که در این مقاله به آن ها می پردازیم.
مقدمه ای بر سیستم فرمان
امروزه پیشرفت های علمی و فنی در تمام زمینه ها تحقق یافته و این امر شامل صنایع خودرو سازی و صنایع وابسته نیز شده است.یکی از این صنایع و اجزای وابسته،قسمت فرمان خودرو است که وظیفه ی خطیر هدایت خودرو از طریق آن انجام می شود.
برای تغییر مسیر خودرو از سیستم فرمان استفاده می شود.لذا مجموعه ی تشکیل دهنده ی این سیستم نقش مهمی در خودرو به عهده دارد.معمول ترین این سیستم ها،سیستم دنده شانه ای و پینیون است،به طوری که پینیون حرکت دورانی داشته و دنده شانه ای حرکت خطی انجام می دهد.در این حال پینیون حرکت دورانی غربیلک فرمان را به دنده شانه ای انتقال داده،دنده شانه ای نیزحرکت خطی را از طریق مفصل ها به چرخ های خودرو انتقال می دهد.
سیر تکامل سیستم فرمان
یکی از پارامتر های موثر در انتخاب نوع خودرو در کشورهای توسعه یافته،راحتی چرخش غربیلک فرمان خودرو می باشد.این موضوع سازندگان خودرو را بر آن داشته است که جهت تسهیل در چرخش فرمان و به تبع آن کاهش خستگی راننده و همچنین افزایش ایمنی با فراهم کردن کنترل بهتر در جاده های خشن، یک سیستم هیدرولیکی به قسمت مکانیکی اضافه نمایند.معمولا این سیستم جانبی به صورت کمکی عمل می نماید. یعنی وظیفه ی اصلی همچنان به عهده ی قسمت مکانیکی است معمولا اجزای زیر به قسمت مکانیکی فرمان اضافه می شوند تا هیدرولیکی گردد:
پمپ هیدرولیک با مخزن روغن و چرخ تسمه
شیرهای کنترل
لوله های رابط
سیلندر
تسمه
خودروهای سمند،پژو(شامل 206،405،پارس) ،دوو،زانتیا و ماکسیما دارای فرمان هیدرولیک هستند.
سیستم هیدرولیکی فرمان جهت ایفای نقش از موتور خودرو استفاده می کند.بنابراین از بازده موتور کمی می کاهد،همچنین مصرف انرژی بیشتری را باعث می گردد.علاوه بر آن،سیستم هیدرولیک به صورت مرکز آزاد عمل می کند. یعنی حتی در زمان هایی که خودرو به صورت مستقیم در حال حرکت بوده و هیچ انحرافی انجام نمی دهد،باز هم این سیستم عمل می کند. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سیستم های بهتر و مفیدتری گشته،آن ها را جایگزین هیدرولیکی نمایند یا سیستم هیدرولیکی را بهبود بخشند.
یکی از سیستم های ارائه شده در سال های اخیر،فرمان الکتروهیدرولیکی(EHPS) است که در آن به جای استفاده از موتور خودرو،یک موتور الکتریکی به پمپ هیدرولیک اضافه می شود و در نتیجه فرمان از موتور مستقل می گردد.
خودروی پژو 307 از این نوع سیستم فرمان استفاده می کند.
دراین نوع فرمان،هر چند مسئله ی مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته است ولی مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم هیدرولیکی یعنی حالت مرکز آزاد هنوز پابر جاست.
به عبارت دیگر باید حالتی تعبیه نمود که زمانی که چرخشی به فرمان وارد می شودسیستم عمل کند،نه همه ی زمان ها.
فرمان الکتریکی(EPS)
این نوع فرمان مشابه هیدرولیکی آن عمل می کند ولی از لحاظ ساختار متفاوت بوده و دارای مزایای زیادی نسبت به نوع هیدرولیکی است.
این سیستم در اواسط دهه ی 1970 برای اولین بار مطرح گردید اما ساخت و کاربرد عملی آن از سال 1993 شروع گردید.
اولین بار توسط شرکت HONDA در اتومبیل های رالی NSX مورد استفاده قرار گرفت.
در این نوع فرمان مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم کمکی فرمان حل شده است، یعنی سیستم الکتریکی زمانی عمل می کند که چرخشی در فرمان به وجود آید به عبارت دیگر گشتاوری موجود باشد.
فرمان الکتریکی از سه قسمت اساسی زیر تشکیل شده است که به سیستم فرمان مکانیکی اضافه می شود:
سنسور گشتاور
موتور با جریان مستقیم DC
واحد کنترل الکتریکی ECU
سه قسمت یاد شده می توانند در یک محفظه و یا جداگانه قرار گیرند.
طرز کار:
سیستم EPS به این صورت عمل می کند که ابتدا سنسور گشتاور،گشتاور وارده از غربیلک فرمان را حس نموده،آن را به صورت سیگنال یا سیگنال هایی به قسمت میکروکنترولر(ECU) ارسال می کند.میکروکنترلر علاوه بر این سیگنال،سیگنالی نیز از سرعت خودرو دریافت می کند،آن گاه این دو را پردازش نموده، دستورالعمل لازم را به قسمت موتورDC اعمال می نماید تا به صورت کمکی، سیستم فرمان مکانیکی را تحت تاثیر قرار دهد.
بنابراین دستورالعمل های ECU به موتور DC تابعی از خروجی سنسور و سرعت خودرو است.
این یعنی سرعت خودرو در عملکرد EPS موثر بوده و این به منظور ایمنی بیشتر خودرو است.یعنی بیشترین عملکرد EPS در سرعت های پایین و کمترین عملکرد آن در سرعت های بالای خودروست.
محل نصب EPS :
فرمان الکتریکی در سه حالت مختلف می تواند بر روی قسمت مکانیکی نصب شود.
الف- نصب بر روی ستون فرمان:
در این روش مجموعه ی سنسورها،موتور DC و قسمت ECU به طور مجتمع در یک محفظه مستقر شده و بر روی ستون فرمان نصب می شود.بنابراین عملکرد کمکی فرمان ESP به ستون فرمان اعمال می گردد.این روش در خودروهای کوچک،مخصوصا خودروهای درون شهری که راحتی فرمان فاکتور مهمی به ویژه در ترافیک های سنگین و پارک نمودن خودرو محسوب می شود،به کار می رود.
ستون فرمان با موتور الکتریکی DC توسط دنده حلزونی درگیر هستند.
ب- نصب بر روی پینیون:
در این روش نیز مجموعه ی سنسورها،موتور DC و قسمت ECU به طور مجتمع در یک محفظه قرار گرفته ولی بر روی پینیون نصب می شوند.
این حالت برای خودروهای نیمه سنگین مناسب بوده،جایی که راننده ی این نوع خودروها در راحت ترین حالت می تواند خودرو را هدایت کند.
ج- نصب بر روی دنده شانه ای:
در این روش هر سه قسمت ESP یعنی سنسور،موتور DC و ECU جدا از هم برروی جعبه فرمان نصب می شوند.
به این صورت که موتور DC و ECU به طور جداگانه بر روی دنده شانه ای قرار گرفته و
سنسورها نیز روی پینیون مستقر می شوند.زیرا روی دنده شانه ای گشتاوری وجود ندارد که سنسورها بتوانند آن را حس کنند.
این حالت برای خودروهای سنگین مناسب است.جایی که نیروی زیادی باید به دنده شانه ای اعمال شود.بنابراین نیروی کمکی به طور مستقیم از موتور DC به دنده شانه ای وارد می گردد.
مزایای فرمان هیدرولیک نسبت به فرمان معمولی
سهولت رانندگی و کاهش خستگی راننده
هنگام پارک کردن و پیچیدن در سرعتهای پایین و در ترافیک های سنگین سیستم هیدرولیک به راننده جهت فرمانگیری کمک قابل ملاحظه ای می نماید و با توجه به اینکه عمده زمانهای فرمانگیری ، در حالت های پارک بخصوص پارک دوبل و نیز در هنگام ترافیک و سر پیچها می باشد فشار کمتری به دستان راننده وارد می گردد و لذا در انتها موجب کاهش خستگی راننده ( مخصوصا خانمها ) می گردد . این تفاوت بگونه ای است که در صورت رانندگی با یک خودروی هیدرولیک حتی به اندازه یک هفته ، دیگر حاضر نخواهید شد با خودروی دارای فرمان مکانیکی رانندگی نمائید .
2- کارکرد فرمان هنگام قطع سیستم هیدرولیک
فرمان هیدرولیک از نوع Rack & Pinion (دنده شانه ای و پینیون) بصورت Fail Safe است. چنانچه قسمت هیدرولیکی به هر دلیل از کار بیفتد ، قسمت مکانیکی فرمان میتواند به کار خود ادامه دهد.
3- عدم انحراف خودرو هنگام عبور از موانع
با وجود جک هیدرولیکی که بر روی دنده شانه ای وجود دارد ، در صورتی که چرخها در هنگام حرکت به هردلیلی ( موانع و دست اندازها و .. ) بخواهند از مسیر خود خارج گردند ، نیروی مقاوم در جک هیدرولیکی از انحراف فرمان جلوگیری می نماید . این در صورتی است که در فرمانهای مکانیکی ، ضربه انتقالی به چرخها ، مستقیما به غربیلک وارد می گردد و باعث چرخش غربیلک و موجب انحراف از مسیر می گردد.
4- قابلیت ایمنی بالا در سرعتهای بالا
با وجود Spool (سنسور تنظیم میزان حجم روغن خروجی ) بر روی پمپ هیدرولیک ، سفتی فرمان در سرعتهای بالا تضمین می گردد. به گونه ای که در دورهای بالاتر از 2700RPM مقدار روغن خروجی از پمپ کاهش و موجب سفتی فرمان می گردد.
5- کاهش اثر تیزی فرمان
با توجه به کاهش مدول و زوایای دندانه های شانه ای و پینیون ، از 2.5 به 2 تیزی فرمان تا حد قابل ملاحظه ای کاهش یافته و رانندگی مطمئن تری را برای راننده خودرو به ارمغان می آورد.
افزایش قابل ملاحظه عمر موثر کلیه قطعات سیستم فرمان
با توجه به وجود جک هیدرولیکی ، کلیه ضربات ناشی از جاده که به چرخها انتقال می یابد تا اندازه زیادی دمپ می گردد و باعث می گردد نیروی کمتری به کمک فنر ها ، سیبکها ، چهار شاخه های فرمان و محور فرمان وارد شده و در نهایت منجر به طولانی شدن عمر قطعات می گردد. مضافاً به اینکه موجب کاهش هزینه های تعمیر و تنظیم جلوبندی می گردد یعنی در صورتی که یک خودرو با فرمان مکانیکی ، با توجه به کیفیت جاده های ایران ، سالانه نیاز به دوبار تعمیر و تنظیم جلوبندی داشته باشد ، خودروی مشابه دارای فرمان هیدرولیکی ، نیاز به بازدید و تعمیر جلوبندی پس از یک سال و نیم دارد. لذا هزینه پرداختی شما را جهت تبدیل ، کاملا پوشش داده و علاوه بر آن آسایش ، امنیت و لذت رانندگی را برای شما به ارمغان می آورد .
ارزش افزوده معادل بهنگام فروش خودرو
هزینه پرداخت شده توسط شما همانند هزینه های ضبط و باند ویا رینگ و تایر نمی باشد که در هنگام فروش خودرو محسوب نگردد در صورتیکه پس از تبدیل پراید شما به هیدرولیک ، خودروی شما در هنگام فروش از ارزش افزوده ای در حدود ٣٠٠ تومان برخوردار خواهد شد .
به منظور سهولت در کاربرد فرمان جهت خودروهای سواری و باری در سرعت های پائین از سیستم هیدرولیک برای کمک به راننده استفاده می شود هدف از اجرای این پروژه شناخت مبانی طراحی و ساخت یک نمونه فرمان هیدرولیک می باشد. این پروژه شامل فازبندی بشرح ذیل است : -1 فاز مطالعاتی: بررسی و مطالعه استانداردهای متداول جهانی 2- فاز طراحی: مطالعه طراحی از نظر امکان پذیری جهت Modification و طراحی یک سیستم کامل جهت یکی از خودروهای ساخت داخل -3 فاز ساخت نمونه: ساخت کل مجموعه و مونتاژ کل مجموعه -4 فاز تست نمونه: ساخت دستگاه تست و آزمایش نمونه با این دستگاه بر طبق استاندارد جهانی
سیستم فرمان برقی
با توجه به تعریف پروژه فرمان برقی توسط سازه گستر و همکاری با شرکت سایپا در تولید خودروی پراید، در این گزارش به معرفی سیستم مذکور و مزایای آن نسبت به سیستم هیدرولیکی و نحوه عملکردش می پردازیم. با در نظر گرفتن مزیت های سیستم فرمان برقی، احتمال دارد در آینده از آن به عنوان یکی از آپشن های خودروی S81 استفاده شود.
سیستم فرمان انواع گوناگونی دارد از جمله سیستم فرمان مکانیکی(دنده شانه ای و پینیون)، هیدرولیکی والکتریکی.
معمول ترین آنها سیستم مکانیکی یا دنده شانه ای و پینیون است. پینیون حرکت دورانی دارد و دنده شانه ای حرکت خطی انجام می دهد. در این حال پینیون حرکت دورانی غربیلک فرمان را به دنده شانه ای منتقل می کند و دنده شانه ای نیز حرکت خطی را از طریق مفصل ها به چرخ های خودرو انتقال می دهد.
برای تسهیل در چرخش فرمان و به تبع آن کاهش خستگی راننده و همچنین افزایش ایمنی، سیستم هیدرولیکی ابداع شده است. برای ایجاد فرمان هیدرولیکی معمولا اجزای زیر به قسمت مکانیکی فرمان اضافه می شوند:
پمپ هیدرولیک با مخزن روغن و چرخ تسمه،
شیرهای کنترل،
لوله های رابط،
سیلندر و
تسمه.
سیستم هیدرولیکی فرمان برای ایفای نقش خود از موتور خودرو استفاده می کند بنابراین از بازده آن اندکی می کاهد همچنین مصرف انرژی بیشتر را در پی دارد. علاوه بر آن، سیستم هیدرولیک به صورت مرکز آزاد عمل می کند یعنی حتی وقتی خودرو به صورت مستقیم در حال حرکت است و هیچ انحرافی ندارد باز هم به عملکرد خود ادامه می دهد. این موارد سازندگان فرمان خودرو را بر آن داشت تا به دنبال سیستم های بهتر و مفیدتری بگردند و آنها را جایگزین سیستم هیدرولیکی کنند یا سیستم هیدرولیکی را بهبود بخشند.
یکی از سیستم های ارائه شده در سال های اخیر، فرمان الکتروهیدرولیکی(EHPS) است که در آن به جای استفاده از موتور خودرو، یک موتور الکتریکی به پمپ هیدرولیک اضافه می شود و در نتیجه فرمان از موتور مستقل می شود.
در این نوع فرمان هر چند مستقل بودن از موتور خودرو تحقق یافته ولی مشکل دائمی بودن عملکرد سیستم هیدرولیکی یعنی حالت مرکز آزاد هنوز پا بر جاست.
به عبارت دیگر باید وضعیتی را تدارک دید که سیستم تنها وقتی چرخشی به فرمان وارد می شود عمل کند، نه همیشه.
از این رو در نسل جدید خودروها فرمان الکتریکی(EPS)
جایگزین انواع قبلی شد. این نوع فرمان مشابه نوع هیدرولیکی عمل می کند ولی از لحاظ ساختار متفاوت است. امروزه با توجه به مزایای متعدد خودروهای فرمان برقی در قیاس با خودروهای دارای فرمان¬های هیدرولیکی و مکانیکی، بیشتر خودروسازان به استفاده از این سیستم روی آورده اند تا جایی که در سال 2007 بیش از 60درصد خودروهایی که د اروپا به فروش رفته اند، سیستم فرمان برقی داشته اند.
از مزایای سیستم فرمان الکتریکی می توان به افزایش سرعت، عملکرد بهتر فرمان و حفظ تعادل خودرو در انحراف ها اشاره کرد که باعث فرمان پذیری آسانتر بهخصوص هنگام پارک خودرو میشود و با توجه به ارتباط مدار الکتریکی با حسگرها و ECU، این سیستم بسیار سریع و هوشمندانه عمل میکند. از مزایای سیستم فرمان برقی نسبت به فرمان هیدرولیک می توان بهبود و کاهش مصرف سوخت خودرو (حدود 5درصد) و تقویت فرمان در سرعت های پایین و کاهش قدرت فرمان در سرعت های بالا را نام برد. در سیستم فرمان برقی تنها زمانی که فرمان می چرخد انرژی مصرف میشود؛ در حالی که در سیستم فرمان هیدرولیک، پمپ هیدرولیک صرف نظر از چرخش فرمان، به صورت دائم کار می کند و حدود 5 اسب بخار از توان خودرو صرف تولید دبی و پمپاژ دائمی روغن هیدرولیک در مدار می شود. ماکزیمم قدرت فرمان هیدرولیک در سرعتهای بالاست که بیشترین دبی توسط پمپ تولید میشود؛ درحالی که در سرعت های بالا کمترین نیرو برای چرخش فرمان مورد نیاز است. وزن خودرو نیز در سیستم فرمان برقی به علت حذف اتصالات هیدرولیک، پمپ، پولی و … حدود 4 تا 6 کیلوگرم کمتر از خودروی مجهز به سیستم فرمان هیدرولیک است همچنین حذف روغن هیدرولیک و غیر قابل چرخش بودن این روغن باعث کاهش اثرات مخرب زیست محیطی آن می شود و مشکلات ناشی از ایرادهای مربوط به نشتی های روغن از اتصالات نیز در این سیستم برطرف شده است. برخی مزایا در جدول شماره 1 به اختصارآورده شده است.
اجزای اصلی سیستم فرمان برقی خودرو شامل موتور الکتریکی با جریان مستقیم(DC)، کنترل یونیت، میله پیچشی و حسگر گشتاور است که در ادامه به نحوه عملکرد این سیستم می پردازیم.
انواع سیستم های EPS با توجه به محل قرار گرفتن موتورالکتریکی تعریف میشوند. موتور الکتریکی روی محور فرمان، پینیون، رک و یا به صورت ترکیبی با پمپ هیدرولیک قرار دارد. معمولا در مدلهای جدید از نوع فرمان برقی با نصب موتور الکتریکی روی محور فرمان به جای نصب روی جعبه فرمان استفاده می کنند .
در سیستم فرمان برقی میله پیچشی به محور فرمان متصل است و از طریق حسگر گشتاور متصل به میله پیچشی، مقدار گشتاور مقاومی که بر اثر چرخش فرمان بین چرخ های خودرو و نیروی پیچشی فرمان اعمال میشود، اندازه گیری می گردد و براساس آن به سیگنال الکتریکی تبدیل و به ECU ارسال می شود. ECU هم براساس داده های ارسالی از حسگر گشتاور و سرعت خودرو، مقدار نیروی اعمالی لازم به موتور الکتریکی DC را تعیین می کند .
میله پیچشی جزئی از محور فرمان است و هنگام فرمان گیری از خودرو تحت دو گشتاور، یکی گشتاور ورودی از طرف غربیلک و دیگری گشتاور عکس العملی وارده از سمت تایر قرار می گیرد. دو حسگر برای اندازه گیری مقدار نیروی پیچشی و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی و خروجی ولتاژ (متناسب با مقدار پیچش ) وجود دارد . هر حسگر به صورت coil در شکل نشان داده شده است. بر اثر چرخش رینگ های متصل به شفت، القای مغناطیسی درکویل ها ایجاد و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود که در شرایط بدون اعمال گشتاور ولتاژ 2.5 ولت را تولید می کند. وقتی پیچش اتفاق نمی افتد میزان اختلاف ولتاژ خروجی حسگرها صفر و محدوده ولتاژ خروجی مجموعه دو حسگر صفر تا 5 ولت است. مطابق شکل وقتی فرمان به سمت چپ یا راست می پیچد همزمان در یک حسگر ولتاژ خروجی افزایش می یابد و در حسگر دیگر کاهش ولتاژ خروجی اتفاق می افتد. هر چه اختلاف بین خروجی ولتاژ حسگرها بیشتر باشد نیروی اعمالی بیشتری در موتور الکتریکی تولید می شود و در صورت معکوس شدن ولتاژ جهت چرخش موتور الکتریکی تغییر می کند.ECU براساس سیگنالهای مختلفی که از حسگرهای گشتاور و سرعت دریافت می کند و با لحاظ وضعیت خودرو در آن لحظه مقدار دور لازم برای چرخش را به موتور الکتریکی ارسال می کند و موتور الکتریکی DC توسط یک چرخ دنده مارپیچی گشتاور موتور الکتریکی را به محور فرمان انتقال می دهداین سیستم که مکانیزم کاهش نام دارد نیروی اعمالی موتور را به پینیون شفت انتقال می دهد. این مکانیزم شامل یک چرخ دنده مارپیچی و یا حلقوی است که ارتباط بین پینیون محور فرمان و پینیون چرخ دنده ای متصل به شفت موتور را برقرار و نیروی موتور را به پینیون شفت منتقل می کند. به این ترتیب پینیون شفت به چرخش در می آید تا گشتاور مقاوم ایجاد شده در میله پیچشی به صفر برسد.
ECU دارای سه مد عملیاتی است:1- مد کنترلی نرمال: زمانی که فرمان به چپ و راست می پیچد و نیروی کمکی با توجه به میزان گشتاور ورودی در حسگر گشتاور اعمال می شود. 2- مد کنترلی بازگشت: زمانی که فرمان به طور کامل پیچیده است نیروی کمکی در جهت برگشت ایجاد می کند. 3- مد کنترلی میراکننده: سرعت خودرو را با هدف بهبود احساس سواری و جذب تنش های وارده از جاده به چرخ ها تغییر می دهد.
زمانی که فرمان تا انتها می چرخد کنترل یونیت نیروی کمکی را کاهش می دهد تا از آسیب دیدن موتور الکتریکی جلوگیری کند همچنین در صورت وجود هرگونه خطا، سیستم به طور خودکار از حالت برقی به مکانیکی تغییر می کند و چراغ اخطار روشن میشود که باید با استفاده از نرم افزار و دستگاه عیب یاب، ایراد برطرف شود.
بیشترین نیرو توسط موتور الکتریکی هنگامی اعمال میشود که خودرو در سرعت پایین حرکت کند و روی یک سطح با اصطکاک بالا فرمان با سرعت چرخانده شود. در شرایطی که سطح جاده دارای اصطکاک کمی باشد نیروی کمتری توسط موتور الکتریکی اعمال و از انحراف خودرو جلوگیری می شود . عواملی چون فشار باد تایر، سطح جاده، سرعت خودرو و … بر مقدار نیرویی که باید راننده برای چرخش فرمان اعمال کند تاثیر نخواهد داشت و در شرایط اضطراری که فرمان به سرعت چرخانده میشود با توجه به اهمیت گشتاور مقاوم بین تایر و نیروی وارده به غربیلک، خودرو در مسیر مستقیم بدون انحراف به حرکت خود ادامه میدهد.
سیستم فرمان برقی معمولا با ولتاژ 12ولت و ماکزیمم مصرف 80 آمپر و متوسط توان0.1 کیلووات کار می کند .
مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین می توان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود. به این ویژگی و همچنین دانش مطالعه این ویژگی هیدرولیک گفته می شود.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم میشود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتا پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستمهایی که در قسمتهای محرک رباتها بکار می روند) استفاده میکنند در صورتیکه کاربردهای سیستمهای هیدرولیک عمدتا در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و…). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستمهای مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد:
طراحی ساده
قابلیت افزایش نیرو
سادگی و دقت کنترل
انعطاف پذیری
راندمان بالا
اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستمهای مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و… استفاده می کنند . در این سیستم ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و …) کنترل نمود . استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم های انعطاف پذیری تبدیل می کند که در آن ها از محدودیت های مکانی که برای نصب سیستم های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچ های فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستمها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستمها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت میشوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است .
● قانون پاسکال:
فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال)
۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است.
۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستمهای نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستم های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستمهای هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی:
مخزن : جهت نگهداری سیال
پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا
موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند.
شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال
عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی).
● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی:
کمپرسور
خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار
مخزن ذخیره هوای تحت فشار
شیرهای کنترل
عملگرها
● یک مقایسه کلی بین سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک:
1 – در سیستم های نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستم های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند.
2 – در سیستم های هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات ، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد .
3 – فشار در سیستم های هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستمهای نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستم های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند.
4 – در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است .
5 – در سیستم های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد.
6 – سیستم های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستمهای هیدرولیکی برخوردارند.
30