فرمان برقی (Electric Power Steering): راهنمای جامع و فنی

فرمان برقی یا EPS یکی از تکنولوژی‌های پیشرفته در صنعت خودرو است که جایگزین سیستم‌های فرمان هیدرولیکی شده و به دلیل مزایای فراوان، طی سال‌های اخیر به شکل گسترده‌ای در خودروهای سواری و سنگین به کار گرفته شده است. در این مقاله به بررسی جامع، عملکرد، اجزا، مزایا، معایب و نکات فنی فرمان برقی می‌پردازیم.

فرمان برقی چیست؟

فرمان برقی (Electric Power Steering)، سیستمی است که با استفاده از موتور الکتریکی به جای سیستم هیدرولیک، نیروی لازم برای گردش فرمان را تامین می‌کند. این سیستم با کمک حسگرها میزان تلاش راننده برای چرخاندن غربیلک فرمان را تشخیص داده و بسته به شرایط رانندگی نیروی مناسب را به چرخ‌ها منتقل می‌کند.

تفاوت فرمان برقی با فرمان هیدرولیکی

• منبع نیرو: در فرمان هیدرولیکی، نیروی کمکی از طریق روغن تحت فشار تامین می‌شود؛ در حالی که در فرمان برقی این نیرو از طریق موتور الکتریکی ساخت می‌شود.
• مصرف انرژی: فرمان برقی انرژی خود را از سیستم برق خودرو تامین می‌کند و در مصرف سوخت صرفه‌جویی ایجاد می‌کند.
• نگهداری: فرمان برقی نیاز به روغن هیدرولیک و قطعات جانبی کمتر دارد و نگهداری آسان‌تری دارد.
• پیچیدگی سیستم: فرمان هیدرولیکی شامل قطعات مکانیکی و هیدرولیکی بیشتری است؛ در حالی که فرمان برقی سیستم ساده‌تر و قابلیت کنترل بهتر دارد.

اجزاء سیستم فرمان برقی

یک سیستم فرمان برقی به چند جز اصلی تقسیم می‌شود که هرکدام نقش مهمی در عملکرد صحیح آن دارند:

1. حسگر گشتاور (Torque Sensor)

این حسگر بر روی ستون فرمان نصب شده و مقدار نیروی اعمال شده توسط راننده به فرمان را اندازه‌گیری می‌کند. داده‌های این حسگر توسط واحد کنترل الکترونیکی پردازش می‌شود.

2. موتور الکتریکی (Electric Motor)

موتور الکتریکی نقش تامین نیروی کمکی را دارد. نوع رایج این موتور در فرمان‌های برقی موتور براشلس DC (Brushless DC Motor) است که راندمان بالایی دارد و سرعت و گشتاور آن به دقت کنترل می‌شود.

3. واحد کنترل الکترونیکی (ECU)

این واحد پردازشگر داده‌های ورودی از حسگرها است و متناسب با شرایط استفاده، دستور اعمال نیروی کمکی را به موتور می‌دهد. ECU بر اساس سه عامل مهم یعنی سرعت خودرو، میزان گشتاور فرمان و زاویه چرخش تصمیم‌گیری می‌کند.

4. مکانیزم انتقال نیرو

این قسمت شامل چرخ دنده و جعبه فرمان است که نیروی موتور الکتریکی را به سمت چرخ‌ها منتقل می‌کند. بسته به نوع خودرو ممکن است مکانیزم متفاوتی داشته باشد.

انواع سیستم‌های فرمان برقی

فرمان‌های برقی به طور کلی به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1. فرمان برقی محور فرمان (Column Drive EPS)

موتور برق به صورت مستقیم بر روی محور فرمان نصب شده و به صورت مستقیم نیروی کمکی اعمال می‌کند. از مزایای این نوع، سادگی نصب و استفاده در خودروهای کوچک است.

2. فرمان برقی دنده شانه‌ای (Rack Drive EPS)

موتور الکتریکی در کنار جعبه فرمان (دنده شانه‌ای) نصب شده و نیروی آن به سمت چرخ‌ها منتقل می‌شود. این نوع دقت و بازخورد بهتری برای راننده دارد.

3. فرمان برقی کمکی (Pinion Drive EPS)

موتور به محور پینیون متصل شده و این محور با دنده شانه‌ای درگیر است. این سیستم معمولاً برای خودروهای سنگین و SUV استفاده می‌شود.

عملکرد سیستم فرمان برقی

زمانی که راننده فرمان را می‌چرخاند:

1. حسگر گشتاور میزان نیرو و جهت اعمال شده را اندازه‌گیری می‌کند.
2. اطلاعات به ECU ارسال می‌شود.
3. ECU با توجه به سرعت خودرو و شرایط سیستم، نیروی کمکی لازم را محاسبه می‌کند.
4. دستور به موتور الکتریکی داده می‌شود تا نیروی کمکی را فراهم کند.
5. موتور نیروی کمکی را به مکانیزم فرمان منتقل کرده و حرکت فرمان را تسهیل می‌کند.

مزایای فرمان برقی

• کاهش مصرف سوخت: حذف پمپ هیدرولیک و صرف انرژی فقط در هنگام نیاز باعث صرفه‌جویی در مصرف سوخت می‌شود.
• وزن کمتر و کاهش حجم: حذف روغن هیدرولیک و لوله‌های فشار، وزن خودرو را کاهش می‌دهد.
• فیدبک بهتر و تنظیم آسان‌تر: سیستم کنترل الکترونیکی امکان تنظیم حالت‌های مختلف فرمان (نرم، اسپرت، اکو) را می‌دهد.
• عدم نیاز به نگهداری مکرر: عدم استفاده از روغن هیدرولیک موجب کاهش نیاز به تعویض و تعمیرات دوره‌ای می‌شود.
• امکان اتصال به سیستم‌های کمک راننده: فرمان برقی قابلیت یکپارچگی با سیستم‌های کمک راننده مانند کروز کنترل تطبیقی و پارک خودکار را دارد.

معایب و چالش‌های سیستم فرمان برقی

• هزینه اولیه بالاتر: ساخت و نصب سیستم‌های الکترونیکی دقیق هزینه بیشتری دارد.
• وابستگی به سیستم برق خودرو: در صورت کاهش ولتاژ یا مشکلات برقی، عملکرد فرمان مختل می‌شود.
• احساس فرمان مصنوعی: برخی رانندگان ممکن است بازخورد واقعی و طبیعی فرمان هیدرولیکی را ترجیح دهند.
• پیچیدگی تعمیرات الکترونیکی: در صورت خرابی، نیاز به تجهیزات تخصصی برای عیب‌یابی و تعمیر است.

کاربردهای فرمان برقی در خودروهای مدرن

فرمان برقی در خودروهای سواری، کامیون‌ها، اتوبوس‌ها و حتی خودروهای اسپرت به شکل گسترده‌ای استفاده می‌شود. به عنوان مثال، شرکت‌هایی مانند تسلا و بی‌ام‌و از سیستم‌های پیشرفته EPS با قابلیت تنظیم حالت‌های متنوع فرمان استفاده می‌کنند.

در خودروهای جدید با سیستم‌های کمک راننده پیشرفته، فرمان برقی، نقشی کلیدی در تسهیل ابزارهایی نظیر رانندگی خودکار لاین-کیپینگ (Lane Keeping Assist) و پارک خودکار ایفا می‌کند. این سیستم می‌تواند بسته به سرعت، وضعیت جاده و شرایط بحرانی، واکنش‌های سریع و دقیق داشته باشد.

نکات فنی و نگهداری سیستم فرمان برقی

اگرچه فرمان برقی نیازهای نگهداری کمتری نسبت به سیستم هیدرولیکی دارد، رعایت نکات زیر برای افزایش طول عمر و عملکرد بهینه ضروری است:

• بررسی سلامت برق خودرو: باتری و دینام باید وظایف خود را به درستی انجام دهند تا ولتاژ مناسب به سیستم برسد.
• بازرسی و کالیبراسیون حسگرها: حسگرهای گشتاور و زاویه باید به صورت دوره‌ای بازبینی شوند و در صورت نیاز کالیبره شوند.
• کنترل دمای موتور الکتریکی: استفاده مداوم در شرایط سخت ممکن است موجب گرمای زیاد موتور شود، که باید بررسی گردد.
• توجه به نشانه‌های خرابی: صدای غیرطبیعی، سفت شدن فرمان یا خطاهای نمایش داده شده روی صفحه داشبورد می‌توانند نشان‌دهنده مشکلات سیستم باشند.

نمونه‌های عملی و تست‌های عملکردی

برای مثال، در خودروی هیوندای النترا مدل 2022 از سیستم فرمان برقی Rack Drive استفاده شده است که نسبت فرمان به چرخ‌ها در سرعت‌های پایین کمتر و در سرعت‌های بالا افزایش می‌یابد تا رانندگی نرم و اطمینان‌بخش باشد. این سیستم با حسگر سرعت و ECU هوشمند تنظیم می‌شود تا در پیچ‌های تند فرمان دقیق و قابل اطمینان باشد.

خودروهای اسپرت مانند پورشه 911 نیز از نسخه‌های پیشرفته فرمان برقی بهره می‌برند که به صورت پویا میزان نیرو و بازخورد به فرمان را بسته به سبک رانندگی modulate می‌کنند. این امر موجب تجربه‌ای دینامیک و در عین حال کنترل شده می‌شود.

آینده سیستم‌های فرمان برقی

پیشرفت‌های فناوری در زمینه هوش مصنوعی و سیستم‌های کمکی می‌تواند فرمان برقی را به سمت سیستم‌های کاملاً خودران سوق دهد. انتظار می‌رود سیستم‌های EPS نسل آینده با استفاده از سنسورهای پیشرفته‌تر، ارتباط‌های بی‌سیم و الگوریتم‌های یادگیری ماشینی، امکان تطبیق بی‌نظیر با سبک راننده و شرایط محیطی را فراهم آورند.

افزون بر این، تلفیق سیستم فرمان برقی با سیستم‌های شبکه‌ای خودرو (Vehicle Network) امکان تسهیل هماهنگی با ترمز ABS، کنترل پایداری و سیستم‌های کمک پارک را افزایش خواهد داد.

نتیجه‌گیری

فرمان برقی به عنوان فناوری نوین، جایگزین بهینه‌ای برای سیستم‌های قدیمی هیدرولیکی محسوب می‌شود و با مزایایی مانند کاهش مصرف انرژی، دقت بیشتر، و امکان یکپارچه‌سازی با سیستم‌های الکترونیکی مدرن خودرو، نقش بسیار مهمی در آینده صنعت خودرو دارد. با پیشرفت تکنولوژی و پیچیده‌تر شدن الزامات ایمنی و راحتی رانندگی، فرمان برقی نه تنها انتخابی مناسب بلکه لازمه هر خودروی مدرن آینده خواهد بود.