نظام التوجيه المعزز

نظام التوجيه المعزز هو نظام لتقليل الجهد الذي يبذله السائق لتدوير عجلة قيادة السيارة ، وذلك باستخدام مصدر طاقة للمساعدة في التوجيه . ^{[ 1 ]}

تُضيف المشغلات الهيدروليكية أو الكهربائية طاقة مُتحكَّم بها إلى آلية التوجيه، مما يُتيح للسائق بذل جهد أقل لتدوير عجلة القيادة عند القيادة بسرعات عادية، ويُقلل بشكل كبير من الجهد البدني اللازم لتدوير العجلات عند توقف المركبة أو تحركها ببطء. كما يُمكن تصميم نظام التوجيه المعزز آليًا لتوفير بعض التغذية الراجعة الاصطناعية للقوى المؤثرة على العجلات المُوجَّهة.

تعمل أنظمة التوجيه الهيدروليكي للسيارات على تعزيز جهد التوجيه عبر مشغل، وهو عبارة عن أسطوانة هيدروليكية تُعد جزءًا من نظام مؤازر . تتميز هذه الأنظمة بوصلة ميكانيكية مباشرة بين عجلة القيادة ووصلة التوجيه التي تُحرك العجلات. هذا يعني أنه حتى في حالة تعطل نظام التوجيه المعزز (الذي يُعزز الجهد)، يظل بالإمكان توجيه السيارة يدويًا فقط.

تستخدم أنظمة التوجيه الكهربائي محركات كهربائية لتوفير المساعدة بدلاً من الأنظمة الهيدروليكية. وكما هو الحال في الأنظمة الهيدروليكية، يتم التحكم في الطاقة المُوَصَّلة إلى المُشغِّل (المحرك في هذه الحالة) بواسطة باقي أجزاء نظام التوجيه.

لا تحتوي أنظمة التوجيه المعزز الأخرى (مثل تلك الموجودة في أكبر مركبات البناء على الطرق الوعرة ) على اتصال ميكانيكي مباشر بوصلة التوجيه؛ فهي تتطلب طاقة كهربائية. تُسمى هذه الأنظمة، التي لا تحتوي على اتصال ميكانيكي، أحيانًا "أنظمة القيادة الإلكترونية " أو "أنظمة التوجيه الإلكترونية"، قياسًا على نظام " التحكم الإلكتروني " في الطيران. في هذا السياق، تشير كلمة "إلكتروني" إلى الكابلات الكهربائية التي تنقل الطاقة والبيانات، وليس إلى كابلات التحكم الميكانيكية الرقيقة .

تتميز بعض مركبات البناء بهيكل ثنائي الأجزاء مزود بمفصل متين في المنتصف؛ يسمح هذا المفصل للمحورين الأمامي والخلفي بأن يصبحا غير متوازيين لتوجيه المركبة. وتعمل أسطوانات هيدروليكية متقابلة على تحريك نصفي الهيكل بالنسبة لبعضهما البعض لتوجيه المركبة.

يبدو أن أول نظام توجيه آلي في مركبة قد تم تركيبه عام 1876 على يد رجل يُدعى فيتس، ولكن لا يُعرف عنه الكثير غير ذلك. ^{[ 2 ]} أما نظام التوجيه الآلي التالي فقد تم تركيبه على شاحنة كولومبيا حمولتها 5 أطنان عام 1903، حيث استُخدم محرك كهربائي منفصل لمساعدة السائق في تدوير العجلات الأمامية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

قام روبرت إي. تويفورد ، المقيم في بيتسبرغ ، بنسلفانيا ، بتضمين آلية توجيه ميكانيكية كجزء من براءة اختراعه (براءة الاختراع الأمريكية رقم 646477) ^{[ 4 ]} الصادرة في 3 أبريل 1900 لأول نظام دفع رباعي. ^{[ 5 ]}

بدأ فرانسيس دبليو ديفيس ، مهندس قسم الشاحنات في شركة بيرس-أرو ، باستكشاف سبل تسهيل التوجيه، وفي عام 1926 اخترع أول نظام توجيه آلي عملي وعرضه. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} انتقل ديفيس إلى شركة جنرال موتورز وطوّر نظام التوجيه الآلي الهيدروليكي، لكن الشركة المصنعة للسيارات رأت أن إنتاجه سيكون مكلفًا للغاية. ^{[ 7 ]} ثم انضم ديفيس إلى شركة بنديكس ، وهي شركة مصنعة لقطع غيار السيارات. وقد زادت الحاجة العسكرية خلال الحرب العالمية الثانية إلى تسهيل توجيه المركبات الثقيلة من الحاجة إلى نظام التوجيه الآلي في السيارات المدرعة ومركبات استعادة الدبابات للجيشين البريطاني والأمريكي. ^{[ 7 ]}

قدّمت شركة كرايسلر أول نظام توجيه آلي متاح تجاريًا لسيارات الركاب في سيارة كرايسلر إمبيريال عام 1951 تحت اسم "هيدراغايد". ^{[ 9 ]} استند نظام كرايسلر إلى بعض براءات اختراع ديفيس المنتهية الصلاحية. وقدّمت جنرال موتورز سيارة كاديلاك عام 1952 بنظام توجيه آلي باستخدام العمل الذي أنجزه ديفيس للشركة قبل نحو عشرين عامًا.

قام تشارلز إف. هاموند من ديترويت بتقديم العديد من براءات الاختراع لتحسينات التوجيه الآلي إلى مكتب الملكية الفكرية الكندي في عام 1958. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

ابتداءً من منتصف خمسينيات القرن الماضي، بدأ المصنّعون الأمريكيون بتقديم هذه التقنية كتجهيز اختياري أو قياسي، بينما أصبحت متاحة على نطاق واسع عالميًا في المركبات الحديثة، وذلك بفضل التوجهات نحو الدفع الأمامي ، وزيادة وزن المركبات، وانخفاض تكاليف الإنتاج في خطوط التجميع، واستخدام إطارات أعرض ، وكلها عوامل تزيد من الجهد المطلوب للتوجيه. المركبات الأثقل وزنًا، كما هو شائع في بعض البلدان، يصعب مناورتها للغاية عند السرعات المنخفضة، بينما قد لا تحتاج المركبات الأخف وزنًا إلى نظام التوجيه المعزز آليًا على الإطلاق.

أظهرت دراسة أجريت عام 1999 حول دقة إدراك قوة التغذية الراجعة للتوجيه أن سائقي الشاحنات والسيارات العاديين في العالم الحقيقي يتوقعون بشكل طبيعي زيادة في عزم الدوران مع زيادة السرعة، ولهذا السبب قوبلت الأشكال المبكرة من التوجيه المعزز، التي افتقرت إلى هذا التأثير، بالرفض. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

تعمل أنظمة التوجيه الهيدروليكي المعزز باستخدام نظام هيدروليكي لمضاعفة القوة المطبقة على عجلة القيادة والموجهة إلى عجلات الطريق (عادةً الأمامية). ^{[ 15 ]} يأتي الضغط الهيدروليكي عادةً من مضخة دوارة أو مضخة ريشية دوارة تعمل بمحرك السيارة. تُطبق أسطوانة هيدروليكية مزدوجة الفعل قوة على جهاز التوجيه، الذي بدوره يُوجه عجلات الطريق. تُشغل عجلة القيادة صمامات للتحكم في تدفق السائل إلى الأسطوانة. كلما زاد عزم الدوران الذي يُطبقه السائق على عجلة القيادة وعمودها، زادت كمية السائل التي تسمح الصمامات بمرورها إلى الأسطوانة، وبالتالي زادت القوة المطبقة لتوجيه العجلات. ^{[ 16 ]}

يعتمد أحد تصميمات قياس عزم الدوران المُطبق على عجلة القيادة على مستشعر عزم الدوران - وهو عبارة عن قضيب التواء في الطرف السفلي لعمود التوجيه. عند دوران عجلة القيادة، يدور عمود التوجيه أيضًا، وكذلك الطرف العلوي لقضيب الالتواء. ولأن قضيب الالتواء رقيق ومرن نسبيًا، وعادةً ما يقاوم طرفه السفلي الدوران، فإنه يلتوي بمقدار يتناسب مع عزم الدوران المُطبق. ويتحكم الفرق في موضع طرفي قضيب الالتواء في صمام. يسمح هذا الصمام بتدفق السائل إلى الأسطوانة التي توفر مساعدة التوجيه؛ وكلما زاد "التواء" قضيب الالتواء، زادت القوة.

بما أن المضخات الهيدروليكية من نوع الإزاحة الموجبة، فإن معدل تدفقها يتناسب طرديًا مع سرعة المحرك. وهذا يعني أنه عند سرعات المحرك العالية، ستعمل عجلة القيادة بشكل أسرع من سرعات المحرك المنخفضة. ولأن هذا غير مرغوب فيه، يقوم صمام تحكم في التدفق وفتحة تقييد بتوجيه جزء من تدفق المضخة إلى خزان الزيت الهيدروليكي عند سرعات المحرك العالية. كما يمنع صمام تخفيف الضغط تراكم الضغط بشكل خطير عندما يصل مكبس الأسطوانة الهيدروليكية إلى نهاية شوطه.

صُمم مُعزز التوجيه بحيث يستمر التوجيه بالعمل حتى في حال تعطل المُعزز (مع أن عجلة القيادة ستكون أثقل). يُمكن أن يؤثر فقدان التوجيه المعزز بشكل كبير على تحكم السيارة. يُقدم دليل مالك كل سيارة تعليمات حول فحص مستويات السوائل والصيانة الدورية لنظام التوجيه المعزز.

السائل العامل، والذي يُسمى أيضاً " السائل الهيدروليكي " أو "الزيت"، هو الوسط الذي يتم من خلاله نقل الضغط . تعتمد السوائل العاملة الشائعة على الزيوت المعدنية ، وهي مشابهة لسائل ناقل الحركة الأوتوماتيكي ، وفي بعض الحالات هي نفسها .

تتضمن بعض الأنظمة الحديثة أيضًا صمام تحكم إلكتروني لتقليل ضغط الإمداد الهيدروليكي مع زيادة سرعة السيارة؛ وهذا ما يسمى بالتوجيه المعزز المتغير.

تستخدم أنظمة التوجيه الكهروهيدروليكية، والتي تُختصر أحيانًا إلى EHPS، وتسمى أحيانًا أيضًا بالأنظمة "الهجينة"، نفس تقنية المساعدة الهيدروليكية مثل الأنظمة القياسية، ولكن الضغط الهيدروليكي يأتي من مضخة تعمل بمحرك كهربائي بدلاً من حزام القيادة في المحرك.

في عام 1965، أجرت شركة فورد تجربة على أسطول من سيارات ميركوري بارك لين المزودة بنظام توجيه فوري بلف المعصم، والذي استبدل عجلة القيادة الكبيرة التقليدية بحلقتين قطرهما 5 بوصات (127 مم) ، ونسبة تروس سريعة تبلغ 15:1، ومضخة هيدروليكية كهربائية في حالة توقف المحرك. ^{[ 18 ] [ 19 ]} 

في عام 1988، تم تزويد سيارة سوبارو XT6 بنظام توجيه كهروهيدروليكي متكيف فريد من نوعه من نوع Cybrid والذي يغير مستوى المساعدة بناءً على سرعة السيارة.

في عام 1990، قدمت تويوتا الجيل الثاني من سيارتها MR2 المزودة بنظام توجيه كهربائي هيدروليكي. وقد أدى ذلك إلى تجنب تمديد أنابيب هيدروليكية من المحرك (الذي كان خلف السائق في سيارة MR2) إلى علبة التوجيه.

في عام 1994، أنتجت فولكس فاجن سيارة جولف Mk3 إيكوماتيك المزودة بمضخة كهربائية. هذا يعني أن نظام التوجيه المعزز سيظل يعمل حتى عند إيقاف المحرك بواسطة الكمبيوتر لتوفير الوقود. ^{[ 20 ]} توجد أنظمة كهروهيدروليكية في بعض سيارات فورد ، وفولكس فاجن، وأودي ، وبيجو ، وسيتروين ، وسيات ، وسكودا ، وسوزوكي ، وأوبل، وميني ، وتويوتا ، وهوندا ، ومازدا .

يستخدم نظام التوجيه المعزز كهربائياً (EPS) أو التوجيه المعزز بمحرك كهربائي (MDPS) محركاً كهربائياً ووحدة تحكم إلكترونية ( ECU ) بدلاً من النظام الهيدروليكي لمساعدة سائق السيارة . تستشعر الحساسات موضع عمود التوجيه وعزم الدوران المُطبق عليه ، وتقوم وحدة حاسوبية بتطبيق عزم دوران مساعد عبر المحرك، المتصل إما بعلبة التوجيه أو بعمود التوجيه. يتيح ذلك تطبيق مستويات مساعدة متفاوتة حسب ظروف القيادة. وبالتالي، يستطيع المهندسون تخصيص استجابة علبة التوجيه لأنظمة التعليق ذات معدل التخميد المتغير، مما يُحسّن تجربة القيادة والتحكم والتوجيه لكل سيارة. ^{[ 21 ]} كما أتاحت هذه الميزة التقنية الجديدة للمهندسين إضافة ميزات جديدة لمساعدة السائق، مثل المساعدة في الحفاظ على المسار، وتصحيح انحراف السيارة بفعل الرياح، وغيرها. ^{[ 22 ]} في سيارات مجموعة فيات، يُمكن تنظيم مستوى المساعدة باستخدام زر "CITY" الذي يُبدّل بين منحنيين مختلفين للمساعدة، بينما تتميز معظم أنظمة التوجيه المعزز كهربائياً الأخرى بمساعدة متغيرة. تُقدم هذه الأنظمة مساعدة أكبر عند تباطؤ السيارة، ومساعدة أقل عند السرعات العالية.

يحتفظ نظام التوجيه المعزز كهربائياً (EPS) بوصلة ميكانيكية بين عجلة القيادة وجهاز التوجيه. في حال تعطل أحد المكونات أو انقطاع التيار الكهربائي مما يؤدي إلى توقف نظام التوجيه، تعمل هذه الوصلة الميكانيكية كآلية احتياطية. عند تعطل نظام التوجيه المعزز كهربائياً، يواجه السائق صعوبة بالغة في التوجيه، وهي صعوبة مماثلة لتلك التي يواجهها في حال تعطل نظام التوجيه الهيدروليكي المساعد . وبحسب ظروف القيادة ومهارة السائق وقوته، قد يؤدي فقدان التوجيه المساعد إلى حادث أو لا. وتتفاقم صعوبة التوجيه مع تعطل نظام التوجيه المعزز بسبب اختلاف نسب التوجيه بين أنظمة التوجيه المساعدة والتوجيه اليدوي الكامل. وقد ساعدت الإدارة الوطنية لسلامة المرور على الطرق السريعة (NHTSA) شركات تصنيع السيارات في استدعاء أنظمة التوجيه المعزز كهربائياً المعرضة للأعطال. ^{[ 23 ]}

تتميز الأنظمة الكهربائية بكفاءة عالية في استهلاك الوقود لعدم وجود مضخة هيدروليكية تعمل بحزام بشكل مستمر، سواءً كانت هناك حاجة للمساعدة أم لا، وهذا سبب رئيسي لانتشارها. ومن المزايا الرئيسية الأخرى الاستغناء عن ملحق المحرك الذي يعمل بحزام، والعديد من خراطيم الضغط الهيدروليكي العالية بين المضخة الهيدروليكية المثبتة على المحرك وجهاز التوجيه المثبت على الهيكل. هذا يُبسط عملية التصنيع والصيانة بشكل كبير. وبفضل دمج نظام التحكم الإلكتروني بالثبات ، تستطيع أنظمة التوجيه الكهربائي تغيير مستويات عزم الدوران المساعد بشكل فوري لمساعدة السائق في المناورات التصحيحية. ^{[ 24 ]}

في عام 1986، طرحت شركة NSK أول نظام توجيه كهربائي في العالم لرافعات الشوكة التي تعمل بالبطاريات. ^{[ 25 ]} وفي عام 1988، طورت شركتا Koyo Seiko (التي تُعرف حاليًا باسم JTEKT) وNSK نظامًا عموديًا مخصصًا للسيارات الصغيرة التي تُباع حصريًا في السوق اليابانية. ^{[ 26 ]} وظهر أول نظام توجيه كهربائي للسيارات ذات الإنتاج الضخم في سيارة سوزوكي سيرفو عام 1988. ^{[ 27 ]} إلا أن هذه الطريقة البسيطة لم تلقَ رواجًا واسعًا بين شركات صناعة السيارات الأخرى في السنوات الأولى نظرًا لعدم سلاسة استجابة التوجيه الناتجة عن القصور الذاتي عند التوجيه السريع لتجنب المخاطر أثناء القيادة بسرعات منخفضة، وكذلك عند القيادة بسرعات عالية حيث يقلل القابض الكهرومغناطيسي من قوة التوجيه، ليعود إلى وضع التوجيه اليدوي. وفي عام 1990، طُبِّق نظام تحكم مباشر كامل بنظام التوجيه المسنن بدون قابض في سيارة هوندا NSX (مُثبَّتًا في البداية في السيارات الأوتوماتيكية فقط). منذ ذلك الحين، حدث تحول في الاتجاه من المحركات ذات الفرش إلى المحركات عديمة الفرش من النوع الرفي للمركبات العادية، وأصبحت هذه الطريقة هي السائدة.

ظهرت أنظمة التوجيه الكهربائي الأخرى (بما في ذلك 4WS) لاحقًا في سيارة هوندا NSX بعد عام 1990، وهوندا بريلود وسوبارو SVX في عام 1991، ونيسان 300ZX (Z32؛ بعد الإصدار 3 وما بعده)، وسيلفيا، وسكايلاين، ولوريل في عام 1993، وMG F، وفيات بونتو Mk2 في عام 1999، وهوندا S2000 في عام 1999، وتويوتا بريوس في عام 2000، وبي إم دبليو Z4 في عام 2002، ومازدا RX-8 في عام 2003.

وقد تم استخدام هذا النظام من قبل العديد من مصنعي السيارات، ويتم تطبيقه بشكل شائع على السيارات الصغيرة لتقليل استهلاك الوقود وتكاليف التصنيع .

في عام 2023، قدمت لكزس سيارة RZ 450e المزودة بنظام توجيه إلكتروني يلغي الوصلة الميكانيكية بين عجلة القيادة والعجلات، مما يمثل تقدماً كبيراً في تكنولوجيا التوجيه المعزز. ^{[ 28 ]}

• نظام المؤازرة
• محرك التوجيه
• عجلة قيادة محاكاة سباقات ذات دفع مباشر