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 را الکتریکی می وان 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 میکند 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 سرعتهای 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 میکنند.

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 هی خودرو و نیروی پیچشی فرمان اعمال میشود، اندازه گیری می گردد و براساس آن به سیگنال الکتریکی تبدیل و به ECU ارسال میشود. ECU هم براساس دادههای ارسالی از حسگر گشتاور و سرعت خودرو، مقدار نیروی اعمالی لازم به موتور الکتریکی DC را تعیین میکند.
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 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 میشود. عواملی چون فشار باد تایر، سطح جاده، سرعت خودرو و ... بر مقدار نیرویی که باید راننده برای چرخش فرمان اعمال کند تأثیر 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 میکند