הכתבה פורסמה בגיליון אוטו 204 בשנת 2003.
מערכות ההיגוי שסקרנו
בכתבה הקודמת התאפיינו בהפעלה מכנית. גם אוטובוסים ומשאיות, בתחילת דרכם, טופלו באופן דומה, כאשר הפתרון לכוח הנדרש לסובב את הגלגלים הגדולים והכבדים התבסס על יחס העברה גבוה במיוחד: את ההגה סובב הנהג שלנו חבר'מן סיבובים רבים, על מנת לקבל הפנייה מזערית של הגלגלים. במשאיות בהן לא הותקן יחס העברה כזה, פיתחו הנהגים זרועות שגיבות, להתמודד עם הכוח הנדרש.
תנו רבנן: מדוע להתאמץ כל כך, אם ניתן לשכור פועל זר לביצוע המטלה? במקרה שלנו, רבנן היה פרנסיס דייויס, מהנדס שעבד במפעל המשאיות של חברת פירס ארוו בארה^ב, בשנות ה-20 של המאה הקודמת. כאשר הבין את הקושי שבסיבוב גלגלי רכב כבד, פרש מחברתו והקים חברה שהתמחתה במערכות הגה כוח הידראולי.
ב-1926 הציג את פתרונו, שבמשך למעלה מ-70 שנה היה הפתרון האולטימטיבי להיגוי כוח. ב-1951 הגיעה ההמצאה למכוניות הנוסעים, באדיבות קרייזלר. ב-1989 ירדה לעם בציון, במכוניות עממיות, כאשר הסמן הימני הייתה ^מיצובישי - ויש בה הכל^. טוב, מהן 63 שנות איחור בהגעת ההמצאה לציון ביחס לנצח? היום מכונית חסרת תגבור כוחני להיגוי ^אינה נחשבת^, והיגוי זה הוא חלק בלתי נפרד מהמפרט הבסיסי ביותר לרכב, ממש כמו מערכת הזרקת-דלק. ובצדק. במשך שבעים שנה הגה הכוח ההידראולי לא השתנה רבות, אך בעשר השנים האחרונות, ובוודאי בבאות, יחולו שינויים משמעותיים בתגבור ההיגוי. על כל אלה בהמשך.
כשמן בעצמותינו
קיימות ארבע שיטות עיקריות להנעת מערכות ולהפעלתן: מכאנית, פנאומטית, הידראולית וחשמלית. לכל אחת יתרונות וחסרונות. בשיטה המכאנית ההעברה פשוטה, ישירה, אמינה וזולה, אך גוזלת מקום רב ואינה מדויקת. השיטה הפנאומטית, בה לחץ אויר עושה את העבודה, היא בעלת תגובה מהירה, אך דורשת מדחס, מיכל לחץ אויר וצנרת, ואלו מגדילים את המרחב הנדרש ויוצרים מקור לתקלות ברכיבים רבים. השיטה ההידראולית מייצרת את הכוח הרב ביותר ביחס לנפח נתון, אך עדיין דורשת מאגר שמן, משאבה וצנרת חזקה. פוטנציאל הנזילות קיים אף הוא. ההפעלה החשמלית היא היעילה ביותר, שכן הובלת הכוח נעשית דרך חוטים, המנוע החשמלי קטן ושקט, אף כי מוגבל בכוחו ביחס להנעה מכאנית והידראולית, אך זוהי גם ההפעלה המדויקת ביותר.
על מה התבסס אדון דייויס? ובכן, בימיו, ההנעה המכאנית הייתה זו שעבורה נדרשה ההחלפה. הפנאומטית נפסלה משיקולי בטיחות (מיכל הלחץ) ונפח (המדחס והמכל) והחשמלית הייתה עדיין בחיתוליה. לפיכך נבחרה ההנעה ההידראולית. ההנעה ההידראולית מתגברת את כוח ההגה, כך ש-80 אחוזים מהכוח המופעל על מערכת ההיגוי מקורו בתגבור, ורק 20 אחוזים מקורו בידי הנהג, כאשר יתרון השמן הוא באי-דחיסותו. הזרמתו בצנרת לחץ לעבר מנגנון מכני, מאלצת אותו להגיב ללחץ השמן. הלחץ נוצר במשאבת שמן המסובבת על-ידי רצועה המחוברת לגלגל המנוע הראשי (פּוּלי). משאבה שכזו מסוגלת לספק כ-8 ליטר שמן בדקה במכוניות נוסעים ועד 13.5 ליטר במשאיות קלות. המשאבה צריכה לעמוד בדרישה לספק את הלחץ הנדרש גם במהירות מנוע נמוכה (כ-900 סל^ד), על מנת לתת מענה לסיבוב ההגה במהירות נמוכה - חנייה, למשל. במשאבה מותקן שסתום פורק לחץ ומפקח זרימה. אלה אחראים למתן מענה למצב בו ההגה מוחזק במצב קיצוני לזמן ארוך, מצב שאינו בריא לשסתומים. זו אגב הסיבה מדוע רצוי לא להחזיק את ההגה במצב כזה יותר מ-15 שניות, אלא להרפות מעט, אם נדרש משך זמן כזה. המנגנון שמפקח על הזרמת השמן לתיבת ההגה, שם מבוצעת העבודה במקום ידי הנהג, הוא שסתום גלילי המותקן על מוט ההגה. סיבוב ההגה גורם לפתיחת מעברי שמן לצד אליו מופנה ההגה, לבוכנה המקושרת לזרועות ההיגוי, מצד אחד, ולשינן ומסרק, מצד שני. במקביל, נפתח מעבר החזרת שמן מהצד השני, העוזר למשוך את בוכנת ההיגוי ולסייע בהפניית הגלגל. כאשר במכונית בעלת הגה כוח נוצר הבדל בהיגוי בין שני הצדדים, בדרך כלל התקלה נובעת מפגם בשסתום המפעיל את הצד שלא מגיב.
השסתום הגלילי אחראי גם על שמירת מרכוז ההגה בנסיעה בכביש ישר, כאשר עקב מהמורה או הפרעה, ההגה נמשך לכיוון מסוים. הפעולה, שהפעם מתחילה בגלגל, נבלמת בשסתום, המתקן את המצב על-ידי פתיחת מעבר לכיוון המתאים, על מנת להחזיר את ההגה למרכזו.
הלחצים בהם פועלת המערכת גבוהים ביותר - הכוח המתפתח במערכת מגיע לכ-400 ק^ג במכוניות ו-600 ק^ג במשאיות קלות, והלחץ מגיע ל-100 אטמוספירות במצבים הקיצוניים. מסיבה זו המערכת סגורה וצינורות הלחץ בה חייבים להיות עבים. גם תנאי העבודה של האטמים במערכת קשים. לכן, כמאמר תוכניות האקסטרים, אם יש לכם בעיה במערכת, אל תנסו את זה בבית!
פעולתו התכופה של השמן, גורמת לעלייה בטמפרטורה שלו, הגוררת בעקבותיה שינוי בצמיגותו. שינוי זה עלול להביא לשינוי באופן התגובה, על כן נדרש לקררו. הקירור מתבצע באמצעות מקרן שמן (רדיאטור), הפועל כמחליף חום עם האוויר וממוקם, בדרך כלל, בחזית תא המנוע, במקום בו זרימת האוויר היא המרבית.
בדגמים מתקדמים יותר, הותקן חיישן מהירות בגלגלים. כאשר המהירות גדלה, כמו בנסיעה בין עירונית, הצורך בתגבור ירד, הואיל והפניות אינן חדות וחשיבות הקשר בין הנהג לגלגלים עולה. במצב זה, כוח המשאבה מופחת, לחץ השמן יורד והתגבור פוחת לרמות של 50 אחוזים ומטה, לפי התכנון הספציפי לכל מכונית. במצב זה הנהג ^מרגיש^ טוב יותר את הכביש, ויחס ההעברה הופך להיות קצר יותר.
חשמל ומגנטיות
בשלב הבא, הגיע תור הטיפול בתגבור משתנה בהתאם למהירות, אך לא באופן הידראולי. הפטנט שהומצא היה הפעלת כוח תומך או נגדי למומנט הסיבוב של גלגל ההגה. השילוב היה בין מערכת הידראולית רגילה, לבין מערכת של אלקטרומגנט, המופעלת באמצעות יחידת פיקוד. יחידה זו מקבלת את נתוני מהירות הרכב, סל^ד המנוע ונתוני השקעת הכוח על-ידי הנהג, ומפעילה אלקטרומגנט המחובר לשינן מערכת השינן-מסרק. כאשר נדרש תגבור, כבמהירויות ותמרוני חנייה, מופעל המגנט כך שמתווסף מומנט למערכת ההידראולית. בעת עלייה במהירות, יפעיל המגנט מומנט נגדי, על מנת להקשות את ההגה.
עם השיפור שחל בפיתוח המנועים החשמליים, היה זה אך טבעי שהחשמל יתחבר גם למערכת ההיגוי. חסרונות המערכת ההידראולית היו רבים: את המשאבה היה צורך להניע באמצעות רצועה מהמנוע. כלומר, תוספת של אביזר טפיל, הגוזל הספק מהמנוע, על חשבון זה המועבר לגלגלים. כתוצאה מכך, גם צריכת הדלק עולה, שכן לביצוע אותו מרחק נסיעה, נדרש להשקיע יותר דלק, שחלקו לא משרת את ההתקדמות אלא את הטפילים בלבד. כאשר המנוע מדומם, לא רק שאין תגבור להיגוי, אלא זה הופך להיות כמעט בלתי אפשרי, וכל מי שניסה לדחוף מכונית מדוממת כזו לשולי הכביש מבין במה מדובר. אלא שלא רק בדחיפה עסקינן: המצב הבעייתי יותר היה כאשר המנוע כבה בנסיעה, ואז ההיגוי ^כבה^ עמו, על כל המשמעויות הבעייתיות שבכך. הצנרת ומקרן השמן תופסים נפח ומהווים מקור נוסף לנזילות אפשריות. הדיוק בהיגוי מוגבל אף הוא, שכן יכולת שינוי הזרמת השמן חייבה שימוש בשסתומים מדויקים מאד, ואלה ייקרו את המערכת מאד, והגבילוה לדגמי יוקרה.
ב-1984, רשמה חברה יפנית בשם (קחו אויר...) 'אייסין סייקי קאבושיקי קאיישה' פטנט על מערכת הגה כוח המסתייעת במנוע חשמלי. הרעיון היה להשתמש במנוע חשמלי, כך שכל המערכת ההידראולית תבוטל. הפטנט, שנקנה חיש-מהר על-ידי חברת ^דלפי^ האמריקאית, פותח למערכת אמינה שניתנת ליישום גם במכוניות בהן לא הותקנה בעת ייצורן. היתרון העיקרי של ההיגוי החשמלי הוא אי תלותו במנוע: ההיגוי מתוגבר גם כשהמנוע כבוי, שכן הכוח מגיע מהמצבר. צריכת הדלק משתפרת ב-4 אחוזים, שכן השינוי הנדרש מהאלטרנטור לטעון את המצבר אינו ^עולה^ באנרגיה כמו טפילות המערכת ההידראולית.
קיימות שתי שיטות עיקריות למיקום המנוע החשמלי, המבצע את עבודת הכוח: בראשונה, המנוע ממוקם על מוט ההגה ובשנייה הוא ממוקם על זרוע ההיגוי (המסרק). פעולת התגבור מתחילה בחיישנים, המודדים את מהירות הרכב ואת המאמץ שמשקיע הנהג בסיבוב ההגה. המשתנים הללו מוזנים לתיבת בקרה אלקטרונית, המעבדת את המידע ופוקדת בהתאם על המנוע החשמלי. הפקודה מאפשרת שינוי במומנט המנוע החשמלי, המסייע להפניית הגלגלים באמצעות מנגנון מכני, שגם בשיטה זו אי אפשר בלעדיו. הפיקוד האלקטרוני, המבוסס על תוכנה, מאפשר שינוי בפרמטרים של ההיגוי, ללא שינוי פיזי של המערכת, באמצעות מחשב נייד המתחבר לשקע נתונים תקני – עוד יתרון (כרגיל) של מערכת ממוחשבת.
מיקום המנוע על מוט ההגה מתאים למכוניות קטנות עד בינוניות, בעוד המיקום על המסרק מאפשר יישום המערכת בכל כלי הרכב, עד משאיות כבדות. בתצורה זו, היישום העתידי של מערכת חשמל בת 42 וולט, האמורה להיכנס לכלי הרכב החל משנת הדגם 2004, פשוט להסבה.
כיוונים עתידיים
תעשיית המטוסים השפיעה רבות על תעשיית הרכב - חומרים, מנועים, ABS, אביזרים ועוד. הכיוון הבא בכיוון הרכב בא אף הוא מתחום זה: ניהוג על-חוט (Drive by wire). היום, סיבוב ההגה, מעביר תנועה למנגנון ההיגוי באופן ישיר. בין אם זו העברה מכנית, בין אם הידראולית ובין אם חשמלית, הקשר הוא ישיר. בניהוג על-חוט גלגל ההגה כלל אינו צריך להיות מחובר לזרועות ההיגוי, בדומה למשטחי ההיגוי במטוסי האף-16 ומטוסי הנוסעים של בואינג ואיירבוס: החיבור הוא וירטואלי, כאשר סיבוב ההגה יעביר נתונים למחשב. המחשב יעבד את כלל הנתונים הנכנסים, כולל סל^ד המנוע, מהירות קווית של הרכב ומהירותו הזוויתית, זווית סיבוב גלגל ההגה ומצב רוחו של הנהג, ויעביר פקודות באמצעות חוטים למנועים חשמליים לביצוע פעולת ההיגוי. ההגה יהיה דומה להגה במשחקי המחשב - אינו מחובר לכלום ועדיין מחובר לכל. כמובן, יש בעיה בסיסית אחת - תחושת הנהג. גם במטוסי האף-16, שהיו הראשונים להשתמש בטכנולוגיה זו, נודעה הבעיה: הטייסים, שהיו רגילים לתנועות סטיק ארוכות, נאלצו להאמין כי הפעלת הכוח על הסטיק, ללא תזוזתו, אכן תגרום לשינוי במצב המטוס. זו הסיבה שג'נרל דיינמיקס שינתה את תכונות הסטיק הזה, ואפשרה לו מעט תזוזה, על אף שלזו לא הייתה כל השפעה על היגוי המטוס, אך הייתה השפעה ניכרת על הפסיכולוגיה של הטייסים. יצרני הרכב מתלבטים כיצד לייצר אצל הנהג תחושת היגוי אמיתית, כולל הקשחת ההגה במהירויות גבוהות.
בסופו של דבר, ההיגוי יהיה בפקודות קוליות. אבל מי ירצה לנהוג אז?
