سیستم هدایت گشتاور چیست و چه کاربردی در خودرو دارد؟

گشتاور نیروی چرخشی تولید شده توسط موتور است که ملموس‌ترین تأثیرش را در شتاب‌گیری و توانایی عبور از سطوح لغزنده نشان می‌دهد. انتقال مدیریت‌ شده و هوشمند این گشتاور از موتور به چرخ‌ها تعیین‌ کننده رفتار دینامیکی خودرو، از جمله پایداری در پیچ، توان عبور از سطوح با اصطکاک متفاوت و کنترل لغزش است.

در سیستم‌های سنتی مکانیکی، تقسیم گشتاور اغلب بر پایه دیفرانسیل‌های مکانیکی و قفل‌های ساده صورت می‌گیرد؛ اما با گسترش سیستم‌های الکترونیکی و رشد خودروهای الکتریکی، زمینه برای کنترل فعال و لحظه‌ای گشتاور پدید آمده که به‌عنوان سیستم هدایت گشتاور شناخته می‌شود. پژوهش‌ها نشان می‌دهند که این رویکرد جدید به‌طور چشمگیری می‌تواند هندلینگ و ایمنی را ارتقا دهد.

سیستم هدایت گشتاور Torque Vectoring System سیستمی است که به‌صورت فعال و هدفمند گشتاور تولیدی موتور را بین محورها و یا میان چرخ‌های یک محور توزیع می‌کند تا اصلاحات کنترلی مانند تولید گشتاور پیچشی انجام شود. برخلاف توزیع ثابت یا کاربردی مکانیکی صرف، سیستم هدایت گشتاور با تکیه بر حسگرها، الگوریتم‌های کنترلی و عملگرهای مکانیکی یا محرک‌های الکتریکی، مقدار و جهت گشتاور را در ‌لحظه تغییر می‌دهد تا رفتار خودرو مطابق با هدف کنترلی (پایداری، چسبندگی، پاسخ فرمانی) باشد.

کاربرد این تکنیک از خودروهای مسابقه‌ای تا خودروهای لوکس و الکتریکی دیده می‌شود؛ در خودروهای الکتریکی با موتورهای چندگانه، امکان اجرای دقیق‌تر و سریع‌تر این استراتژی فراهم‌تر است.

یک سیستم هدایت گشتاور کامل از سه لایه اصلی تشکیل می‌شود: لایه حسگر و ورودی، واحد کنترل و الگوریتم و لایه اجرا/عملگر.

حسگرها: شامل حسگر سرعت چرخ‌ها، شتاب‌سنج‌ها، گایروسکوپ (نرخ چرخش حول محور عمودی)، زاویه فرمان و گاهی حسگرهای برخط اصطکاک تایر. اطلاعات این حسگرها مبنای تشخیص لغزش و نیاز به مداخله است.

واحد کنترل (ECU): مغز سیستم که بر اساس مدل‌های دینامیکی خودرو و استراتژی کنترل (مثلاً مدل پیش‌بینی کننده، قوانین منطق فازی یا کنترل مد لغزشی) تصمیم می‌گیرد چه میزان گشتاور به هر چرخ تخصیص یابد.

عملگرها: بسته به طراحی، عملگرها می‌توانند شامل دیفرانسیل‌های فعال، کلاچ‌های چندصفحه‌ای کنترل ‌شونده، محرک‌های الکتریکی برای موتورهای هر چرخ یا سیستم‌های ترمزی با قابلیت اعمال گشتاور مخالف بر روی یک چرخ برای ایجاد گشتاور جانبی باشند. ترکیب این عناصر بسته به معماری خودرو (محور محرک جلو/عقب/چهار چرخ یا توزیع ‌شده الکتریکی) متفاوت است.

در سطح تصمیم‌گیری، سیستم هدایت گشتاور معمولاً دو رویکرد را دنبال می‌کند: (۱) ایجاد گشتاور پیچشی متناسب با خطای موردنظر (مثلاً اختلاف بین گشتاور پیچشی مطلوب و واقعی) و (۲) اصلاح رفتار کشش خودرو در شرایط لغزش (مثلاً جلوگیری از هرزگردی یک چرخ و انتقال گشتاور به چرخ با اصطکاک بیشتر).

الگوریتم‌ها می‌توانند مبتنی بر قوانین ساده قاعده‌مند، کنترل‌کننده‌های مدل محور یا ترکیبی از روش‌های هوشمند و تطبیقی باشند. در خودروهای الکتریکی با موتورهای جداگانه برای هر چرخ، اجرای استراتژی‌های پیچیده سرعت بیشتری دارد و می‌توان کارآمدترین انرژی قابل تخصیص را نیز در نظر گرفت. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که الگوریتم‌های بهینه‌ساز قادرند ضمن بهبود پایداری، مصرف انرژی در خودروهای الکتریکی را نیز تا حدی کاهش دهند.

سیستم هدایت گشتاور مزایای فنی و عملکردی متعددی فراهم می‌آورد که قابل‌توجه‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

بهبود هندلینگ و دقت فرمان‌پذیری: با انتقال گشتاور مناسب به چرخ‌های داخلی یا خارجی پیچ، خودرو واکنش تیزتری به فرمان از خود نشان می‌دهد و کم‌فرمانی یا بیش‌فرمانی کاهش می‌یابد.

افزایش ایمنی فعال: توانایی اصلاح سریع وضعیت در آستانه لغزش باعث می‌شود که خودرو در مانورهای ناگهانی یا شرایط لغزنده بهتر کنترل شود.

بهینه‌سازی چسبندگی: در سطوح با اصطکاک نامتوازن، سیستم می‌تواند گشتاور را به چرخ‌هایی که بهتر به زمین متصل‌اند منتقل کند تا هرزگردی کاهش یابد.

پتانسیل مصرف انرژی کمتر در خودروهای الکتریکی: الگوریتم‌های کارآمد می‌توانند توزیع گشتاور را به نحوی تنظیم کنند که اتلاف انرژی کمتر و بازده حرکتی بهتر شود.

قابلیت ادغام با سیستم‌های کمک‌راننده و کنترل‌های پیش‌بینانه: ترکیب هدایت گشتاوری با سیستم‌های پیش‌بینی و کمک‌راننده می‌تواند عملکرد جلوگیری از تصادف و حفظ مسیر را بهبود بخشد.

با وجود مزایا، سیستم هدایت گشتاور محدودیت‌ها و چالش‌هایی نیز به همراه دارد که طراحان باید آن‌ها را مدیریت کنند:

هزینه و پیچیدگی ساخت: نیاز به قطعات فعال، حسگرهای دقیق و پردازش محاسباتی بالا هزینه سیستم را افزایش می‌دهد.

اعتمادپذیری و نگهداری: وجود اجزای عملگر و الکترونیک حساس مستلزم طراحی مقاوم و برنامه‌های نگهداری منظم است.

افزایش وزن و اثر بر مصرف سوخت: اجزای اضافی می‌تواند وزن را افزایش داده و در خودروهای سنتی مصرف سوخت را بالا ببرد گرچه در خودروهای الکتریکی این اثر متفاوت است.

وابستگی به کیفیت داده‌های حسگر: خطا در حسگرها یا تأخیر در داده‌ها می‌تواند منجر به تصمیمات نادرست کنترل شود.

محدودیت در خودروهای ارزان‌قیمت: هزینه و پیچیدگی باعث شده تا این فناوری بیشتر در خودروهای عملکردی، لوکس و الکتریکی پیشرفته پیاده‌سازی شود و در خودروهای اقتصادی رایج نباشد. پژوهش‌های فنی همچنین تأکید دارند که انتخاب استراتژی کنترل باید با توجه به اهداف عملکردی (پایداری، راندمان، یا راحتی) توازن یابد.

سیستم هدایت گشتاور عمدتاً در سه حوزه کاربردی برجسته است: خودروهای اسپرت و پرفورمنس که نیاز به هندلینگ بالا دارند، خودروهای لوکس برای افزایش ایمنی و راحتی و خودروهای الکتریکی که با پیکربندی موتورهای جداگانه برای هر محور یا هر چرخ، پیاده‌سازی سیستم‌های توزیع گشتاور را آسان‌تر کرده‌اند.

در خودروهای الکتریکی با موتورهای داخل چرخ یا چندموتوره، امکان اجرای دقیق و سریع سیستم هدایت گشتاور فراهم است و این موضوع باعث شده بسیاری از توسعه‌دهندگان خودروهای الکتریکی روی الگوریتم‌های اختصاصی و بهینه‌سازی انرژی تمرکز کنند. مطالعات و پروژه‌های صنعتی دانشگاهی نشان می‌دهند که در آینده نزدیک، شاهد گسترش استفاده از سیستم هدایت گشتاور در خودروهای الکتریکی و سیستم‌های کمک‌راننده پیشرفته خواهیم بود.

روند تحقیق و توسعه در زمینه سیستم هدایت گشتاور به سمت روش‌های پیش‌بینانه و بهینه‌ساز همچون کنتر‌ل‌های تطبیقی و یادگیری ماشین پیش می‌رود تا علاوه بر پایداری، جنبه‌های مصرف انرژی و استهلاک تایر نیز بهینه شوند. همچنین یکپارچه‌سازی با سنسورهای محیطی (مثلاً داده‌های جاده و شرایط هوا) می‌تواند تصمیم‌گیری سیستم را از واکنشی به پیش‌بینانه ارتقا دهد. منابع اخیر نشان می‌دهند که سیستم هدایت گشتاور در آینده نزدیک به بخشی جدایی‌ناپذیر از بسته فناوری دینامیک خودرو تبدیل خواهد شد، به‌ویژه در پلتفرم‌های الکتریکی که قابلیت‌های توزیع توان لحظه‌ای را به‌طور دقیق در اختیار می‌گذارند.

سیستم هدایت گشتاور تحول مهمی در انتقال قدرت خودرو است که با مدیریت فعال گشتاور بین چرخ‌ها، هندلینگ، پایداری و ایمنی خودرو را بهبود می‌بخشد. این فناوری به‌ویژه در خودروهای اسپرت، لوکس و الکتریکی کاربرد بالایی دارد و امکان تلفیق با سامانه‌های پیش‌بینانه و کمک‌راننده را فراهم می‌سازد.

با این حال، هزینه، پیچیدگی و وابستگی به حسگرهای دقیق چالش‌هایی هستند که باید در طراحی و استقرار سیستم موردتوجه قرار گیرند. روند پژوهشی و صنعتی نشان می‌دهد که در آینده نزدیک، ترکیب سیستم هدایت گشتاور با معماری‌های موتور توزیع ‌شده و الگوریتم‌های پیشرفته کنترلی می‌تواند استاندارد جدیدی برای ایمنی و عملکرد خودروها خلق کند.