چگونه فرمان هیدرولیک رانندگی را برای همیشه تغییر داد؟

 

به گزارش خبرنگار بخش خودرو تابناک؛امروز کافی است فرمان خودرو را با یک دست بچرخانید تا یک خودروی سنگین چند صد کیلوگرمی مسیرش را تغییر دهد، اما این حرکت ساده نتیجه نزدیک به یک قرن توسعه مهندسی است. در خودرو‌های اولیه، راننده برای چرخاندن چرخ‌های جلو باید نیروی قابل توجهی به فرمان وارد می‌کرد و هرچه خودرو سنگین‌تر، لاستیک‌ها پهن‌تر و فشار آنها کمتر بود، این کار دشوارتر می‌شد. در سرعت پایین، مخصوصاً هنگام پارک کردن، فرمان دادن می‌توانست واقعاً یک کار فیزیکی باشد. خودرو‌های امروزی با فرمان برقی یا هیدرولیک این فشار را تقریباً از بین برده‌اند، اما رسیدن به این نقطه مسیر طولانی و جالبی داشت که از خودرو‌های سنگین و حتی ماشین‌آلات نظامی آغاز شد.

 

ایده کمک به راننده برای چرخاندن فرمان، خیلی زودتر از آن چیزی که معمولاً تصور می‌شود مطرح شد. در اوایل قرن بیستم، مخترعان مختلف تلاش کردند سیستم‌هایی طراحی کنند که نیروی لازم برای چرخاندن چرخ‌های جلو را کاهش دهند، اما مشکل اصلی این بود که یک سیستم کمکی باید هم قدرتمند باشد و هم کنترل طبیعی خودرو را از راننده نگیرد. اگر کمک بیش از حد باشد، راننده ارتباط مناسبی با سطح جاده احساس نمی‌کند و اگر کمک کم باشد، مزیت سیستم چندان محسوس نخواهد بود.

 

در آن سال‌ها هنوز خودرو‌ها نسبت به استاندارد‌های امروزی بسیار متفاوت بودند. تایر‌ها باریک‌تر بودند، وزن بسیاری از خودرو‌ها کمتر بود و هندسه سیستم فرمان نیز با خودرو‌های مدرن تفاوت داشت. به همین دلیل، نبود فرمان کمکی در بسیاری از خودرو‌ها مشکل بزرگی ایجاد نمی‌کرد. اما با بزرگ‌تر شدن خودروها، افزایش وزن و تغییر طراحی تایرها، نیاز به یک سیستم کمکی جدی‌تر شد.

 

یکی از نقاط عطف مهم در این مسیر، استفاده از فرمان هیدرولیک در خودرو‌های سنگین بود. خودرو‌های نظامی، کامیون‌ها و وسایل نقلیه‌ای که وزن بالایی داشتند، بیش از خودرو‌های معمولی به چنین سیستمی نیاز داشتند. در یک خودروی سنگین، چرخاندن چرخ‌های جلو در حالت سکون یا روی سطحی با اصطکاک بالا می‌توانست نیروی زیادی از راننده بگیرد و این موضوع در شرایط عملیاتی اهمیت بیشتری داشت.

 

فرمان هیدرولیک از یک ایده نسبتاً ساده استفاده می‌کرد: به جای اینکه تمام نیروی لازم برای تغییر مسیر چرخ‌ها را راننده تأمین کند، یک پمپ هیدرولیک بخشی از این نیرو را تأمین می‌کرد. موتور خودرو پمپ را به حرکت درمی‌آورد و پمپ روغن هیدرولیک را تحت فشار قرار می‌داد. هنگامی که راننده فرمان را می‌چرخاند، یک شیر کنترلی مسیر روغن را تغییر می‌داد و فشار روغن به یک عملگر هیدرولیکی منتقل می‌شد. این فشار به حرکت مکانیزم فرمان کمک می‌کرد و در نتیجه راننده می‌توانست با نیروی بسیار کمتری فرمان را بچرخاند.

 

این سیستم در ظاهر ساده بود، اما برای عملکرد مناسب به طراحی دقیق نیاز داشت. مهندسان باید فشار هیدرولیک را طوری تنظیم می‌کردند که فرمان بیش از حد سبک نشود. راننده همچنان باید بتواند مقاومت چرخ‌ها و واکنش خودرو را احساس کند. این موضوع بعد‌ها به یکی از مهم‌ترین چالش‌های توسعه سیستم‌های فرمان کمکی تبدیل شد؛ اینکه چطور می‌توان راحتی را افزایش داد بدون اینکه حس رانندگی از بین برود.

 

یکی از خودرو‌هایی که در تاریخ فرمان هیدرولیک جایگاه ویژه‌ای دارد، Chrysler Imperial مدل ۱۹۵۱ است. کرایسلر در این خودرو سیستم Power Steering را به صورت تولیدی ارائه کرد و این فناوری را به یکی از ویژگی‌های قابل توجه خودرو‌های لوکس تبدیل کرد. اهمیت این اتفاق فقط در خود سیستم نبود؛ مسئله مهم این بود که فرمان کمکی دیگر یک آزمایش مهندسی نبود و می‌توانست به بخشی از یک خودروی تولید انبوه تبدیل شود.

 

ورود فرمان هیدرولیک به خودرو‌های سواری، تغییر بزرگی در تجربه رانندگی ایجاد کرد. خودرو‌های بزرگ آمریکایی که در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ به‌طور پیوسته سنگین‌تر و عریض‌تر می‌شدند، بدون فرمان کمکی می‌توانستند در مانور‌های شهری بسیار دشوار باشند. فرمان هیدرولیک باعث شد حتی خودرو‌های بسیار بزرگ نیز در پارک کردن و حرکت با سرعت پایین، رفتاری بسیار راحت‌تر داشته باشند.

 

اما همین راحتی یک اثر جانبی نیز داشت. خودروسازان دیگر مجبور نبودند برای کنترل خودرو فرمانی با نسبت بسیار مستقیم و نیروی زیاد طراحی کنند. آنها می‌توانستند سیستم فرمان را متناسب با خودرو تنظیم کنند و در عین حال با استفاده از سیستم کمکی، فشار مورد نیاز راننده را پایین نگه دارند. به این ترتیب فرمان هیدرولیک فقط یک قطعه کمکی نبود؛ به مهندسان آزادی بیشتری برای طراحی خودرو داد.

 

با افزایش سرعت خودرو‌ها در دهه‌های بعد، موضوع دیگری اهمیت پیدا کرد: فرمان باید در سرعت بالا دقیق و پایدار باشد و در سرعت پایین سبک‌تر عمل کند. اینجا سیستم‌های هیدرولیک قابلیت مهمی داشتند. مهندسان می‌توانستند میزان کمک را بر اساس شرایط مختلف تنظیم کنند و خودرو در بزرگراه احساس متفاوتی نسبت به زمان پارک کردن داشته باشد.

 

در خودرو‌های لوکس، این فناوری خیلی زود به یک ویژگی استاندارد تبدیل شد. مشتری دیگر انتظار داشت خودروی گران‌قیمتش بدون تلاش فیزیکی زیاد فرمان بخورد. به تدریج این انتظار به بخش بزرگی از بازار منتقل شد و فرمان هیدرولیک از یک فناوری لوکس به یکی از تجهیزات معمول خودرو تبدیل شد.

 

 

پمپ هیدرولیک معمولاً به وسیله موتور خودرو و از طریق تسمه یا مکانیزم مشابه به حرکت درمی‌آمد. این یعنی حتی زمانی که راننده فرمان را نمی‌چرخاند، بخشی از توان موتور برای چرخاندن پمپ مصرف می‌شد. میزان این اتلاف در مقایسه با توان کلی موتور شاید زیاد به نظر نمی‌رسید، اما در مقیاس میلیون‌ها خودرو و با سخت‌تر شدن استاندارد‌های مصرف سوخت، هر مقدار کاهش مصرف اهمیت پیدا کرد.

 

در کنار این مسئله، سیستم هیدرولیک به روغن، شیلنگ، پمپ، مخزن و مجموعه‌ای از قطعات نیاز داشت. هرکدام از این اجزا می‌توانستند در طول زمان دچار فرسودگی شوند. نشتی روغن هیدرولیک یکی از مشکلات شناخته‌شده خودرو‌های مجهز به فرمان هیدرولیک بود و خرابی پمپ نیز می‌توانست فرمان را ناگهان سنگین کند.

 

در خودرو‌های قدیمی، صدای ناله یا زوزه پمپ فرمان هنگام چرخاندن فرمان تا انتها برای بسیاری از رانندگان صدایی آشنا بود. این صدا معمولاً زمانی ایجاد می‌شد که سیستم در فشار بالا کار می‌کرد و راننده فرمان را تا انتهای مسیر می‌چرخاند. البته نگه داشتن فرمان در انتهای کورس برای مدت طولانی نیز می‌توانست فشار زیادی به سیستم وارد کند.

 

 

مهندسان متوجه شدند که اگر بتوان نیروی کمکی را بدون وابستگی مستقیم به موتور تولید کرد، بخشی از اتلاف انرژی سیستم هیدرولیک حذف می‌شود. نتیجه توسعه فرمان‌های الکتروهیدرولیک و سپس فرمان‌های کاملاً برقی بود. در سیستم الکتروهیدرولیک، پمپ به جای دریافت مستقیم توان از موتور، توسط یک موتور الکتریکی به حرکت درمی‌آمد. این روش امکان کنترل بهتر عملکرد پمپ را فراهم می‌کرد، زیرا سیستم می‌توانست زمانی که نیاز به کمک وجود دارد، پمپ را فعال کند.

 

فرمان برقی یک قدم بزرگ‌تر بود. در این سیستم دیگر به روغن هیدرولیک و پمپ مکانیکی نیاز نیست و یک موتور الکتریکی مستقیماً به مکانیزم فرمان کمک می‌کند. حسگر‌های مختلف میزان گشتاور واردشده توسط راننده و موقعیت فرمان را اندازه‌گیری می‌کنند و واحد کنترل بر اساس اطلاعات دریافتی میزان کمک مورد نیاز را تعیین می‌کند.

 

این ساختار مزایای زیادی داشت. وزن و تعداد قطعات کاهش پیدا کرد، مصرف انرژی کمتر شد و خودروساز توانست نرم‌افزار را وارد رفتار فرمان کند. همین ویژگی، فرمان برقی را به یکی از قطعات کلیدی خودرو‌های مدرن تبدیل کرد.

 

در فرمان هیدرولیک، شخصیت سیستم تا حد زیادی با طراحی مکانیکی و هیدرولیکی تعیین می‌شد، اما در فرمان برقی بخشی از این شخصیت را می‌توان با نرم‌افزار تنظیم کرد. خودروساز می‌تواند فرمان را در سرعت پایین سبک‌تر و در سرعت بالا سنگین‌تر کند. حتی می‌توان برای حالت‌های مختلف رانندگی، میزان کمک متفاوتی در نظر گرفت.

 

اما اینجا یک تحول مهم‌تر اتفاق افتاد. وقتی فرمان خودرو به صورت الکترونیکی کنترل شود، اتصال میان راننده و چرخ‌های جلو دیگر تنها یک زنجیره مکانیکی ساده نیست. این مسئله راه را برای فناوری‌های پیشرفته‌تر مانند Lane Keeping Assist و سامانه‌های رانندگی نیمه‌خودکار باز می‌کند.

 

سیستم حفظ مسیر می‌تواند با استفاده از دوربین خطوط جاده را تشخیص دهد و در صورت خروج خودرو از مسیر، فرمان را کمی اصلاح کند. در خودرو‌های مجهز به سامانه‌های پیشرفته‌تر، همین فرمان الکتریکی می‌تواند بخشی از عملیات کنترل مسیر را بدون دخالت مستقیم راننده انجام دهد. این قابلیت با فرمان هیدرولیک سنتی بسیار دشوارتر بود، زیرا اعمال فرمان خودکار نیازمند اضافه کردن سازوکار‌های مکانیکی یا عملگر‌های جداگانه بود.

 

به همین دلیل فرمان برقی فقط جایگزین فرمان هیدرولیک نشد؛ تبدیل به یکی از زیرساخت‌های خودرو‌های هوشمند شد.

 

البته رانندگان قدیمی همیشه از فرمان‌های برقی راضی نیستند. یکی از انتقاد‌های اصلی این است که بعضی سیستم‌های برقی احساس جاده را بیش از حد فیلتر می‌کنند. در یک خودروی اسپرت قدیمی با فرمان هیدرولیک مناسب، راننده می‌توانست تغییرات سطح جاده و بار واردشده به چرخ‌ها را بهتر احساس کند. بسیاری از خودرو‌های مدرن این اطلاعات را به دلیل تمرکز بیشتر بر راحتی و ایمنی کاهش داده‌اند.

 

با این حال، فناوری فرمان برقی همچنان در حال پیشرفت است. خودروسازان تلاش می‌کنند با استفاده از نرم‌افزار و حسگر‌های دقیق‌تر، حس طبیعی‌تری ایجاد کنند. برخی سیستم‌ها حتی می‌توانند میزان کمک فرمان را بر اساس سرعت، حالت رانندگی و شرایط جاده تغییر دهند و در عین حال اطلاعات بیشتری از وضعیت خودرو در اختیار سیستم‌های کنترل پایداری و کمک‌راننده قرار دهند.

 

 

تاریخ فرمان خودرو در واقع نمونه کوچکی از مسیر کلی صنعت خودرو است. چیزی که ابتدا یک اتصال مکانیکی مستقیم میان دست راننده و چرخ‌ها بود، به یک سیستم هیدرولیکی تبدیل شد و سپس به سامانه‌ای الکترونیکی رسید که می‌تواند با ده‌ها حسگر و واحد کنترل ارتباط داشته باشد. در هر مرحله هدف اصلی کاهش زحمت راننده بود، اما هر نسل فناوری امکانات جدیدی نیز به خودرو اضافه کرد.

 

فرمان هیدرولیک زمانی یک انقلاب در راحتی محسوب می‌شد، اما امروز در بسیاری از خودرو‌های جدید دیگر خبری از پمپ هیدرولیک و روغن فرمان نیست. یک موتور الکتریکی، حسگر گشتاور و نرم‌افزار بخش بزرگی از همان وظیفه را انجام می‌دهند. این تغییر شاید برای راننده عادی چندان قابل مشاهده نباشد، اما از نظر مهندسی بسیار مهم است، زیرا فرمان را از یک سیستم صرفاً مکانیکی به بخشی از معماری الکترونیکی خودرو تبدیل کرده است.

 

این روند احتمالاً ادامه خواهد داشت. صنعت خودرو به سمت سامانه‌هایی حرکت می‌کند که در آنها بسیاری از اجزای سنتی، نقش جدیدی پیدا می‌کنند. فرمان دیگر فقط وسیله‌ای برای تغییر جهت نیست؛ می‌تواند یکی از اجزای اصلی سیستم کنترل خودرو باشد. وقتی خودرو بتواند خودش مسیر را دنبال کند، فاصله ایمن را حفظ کند و در شرایط خاص مانور اصلاحی انجام دهد، فرمان باید بتواند دستورات نرم‌افزاری را با دقت بالا اجرا کند.

 

با این حال، هرچه خودرو هوشمندتر می‌شود، یک سؤال مهم‌تر نیز مطرح می‌شود: راننده در آینده چه مقدار از کنترل خودرو را در اختیار خواهد داشت؟ فرمان هیدرولیک هنوز اجازه می‌داد راننده مستقیماً با مکانیزم خودرو درگیر باشد، اما فرمان برقی و سامانه‌های کمک‌راننده این ارتباط را پیچیده‌تر کرده‌اند. ممکن است در آینده خودرو‌هایی تولید شوند که در آنها حتی ارتباط مکانیکی سنتی میان فرمان و چرخ‌ها نیز تغییر کند و فناوری‌های steer-by-wire جایگزین ساختار‌های قدیمی شوند.

 

اگر چنین روزی فرا برسد، فرمان خودرو دیگر الزاماً یک قطعه مکانیکی متصل به چرخ‌ها نخواهد بود؛ بلکه یک رابط کنترلی میان انسان، رایانه و خودرو خواهد شد. مسیری که از فرمان‌های سنگین خودرو‌های اولیه آغاز شد و به موتور‌های الکتریکی کوچک و نرم‌افزار‌های پیچیده امروز رسیده است، نشان می‌دهد حتی ساده‌ترین حرکات رانندگی نیز پشت خود تاریخچه‌ای طولانی از مهندسی دارند.

 

شاید به همین دلیل است که وقتی امروز فرمان یک خودروی مدرن را با یک انگشت می‌چرخانیم، باید به یاد داشته باشیم این راحتی نتیجه یک تغییر ساده نبود؛ صنعت خودرو نزدیک به یک قرن تلاش کرد تا نیرویی که زمانی کاملاً بر دوش راننده بود، ابتدا به روغن و پمپ و سپس به الکترونیک و نرم‌افزار سپرده شود.