หน่วยที่ 5 

พวงมาลัยกำลัง (Power Steering Wheel)

5.1 ประเภทของพวงมาลัยกำลัง

          พวงมาลัยกำลัง (Power Steering Wheel) หรือพวงมาลัยเพาเวอร์ เป็นพวงมาลัยที่ติดตั้งอุปกรณ์ที่ช่วยในการบังคับเลี้ยว เพื่อให้การหมุนพวงมาลัยน้อยลง หลักการของพวงมาลัยกำลังก็คือ การจัดอุปกรณ์เพิ่มกำลัง (Booster) อุปกรณ์เพิ่มกำลังจะทำงานเมื่อมีการหมุนพวงมาลัย การหมุนพวงมาลัย เป็นเพียงการบังคับให้อุปกรณ์เพิ่มกำลังหันเลี้ยวรถตามความต้องการ กำลังที่ใช้ได้มากจากแรงดันน้ำมัน (Hydraulic Pressure)  โดยจะมีปั๊มสร้างกำเนิดแรงดันอยู่ตลอดเวลา เมื่อหมุนพวงมาลัยจะเปิดลิ้นให้แรงดันน้ำมันเข้าไปยังลูกสูบ  แรงดันน้ำมันจะดันลูกสูบให้ไปบังคับกลไกบังคับเลี้ยวให้ทำงาน อุปกรณ์ที่ช่วยในการบังคับเลี้ยวภายในระบบมี  2 แบบ คือ

  1. ใช้เครื่องยนต์ควบคุมการทำงานของปั๊มน้ำมันไฮดรอลิก

  2. ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าควบคุมการทำงานของปั๊มน้ำมัน

การทำงานจะอาศัยแรงดันจากน้ำมันไฮดรอลิกมากระทำต่อลูกสูบที่อยู่ภายในกระบอกสูบกำลังจึงทำให้เฟืองขับในกระปุกพวงมาลัยได้รับแรงดันไฮดรอลิกไปขับฟันเฟืองสะดาน แรงขับเคลื่อนขึ้นอยู่กับแรงดันไฮดรอลิกที่กระทำต่อลูกสูบ โดยมีปั๊มน้ำมัน (Oil Pump) ทำหน้าที่ร้างแรงดันกลไกควบคุมน้ำมันไฮดรอลิกที่ใช้กับพวงมาลัยกำลังแบ่งออกได้เป็น 2 แบบ คือ

  1. แบบรวมชุด (Integral Type) เป็นพวงมาลัยที่มีชุดลิ้นควบคุมลูกสูบกำลังประกอบอยู่ภายในเรือนพวงมาลัย เฟืองเกียร์ที่ใช้ในกระปุกพวงมาลัยจะเป็นแบบลูกปืนหมุนวน ส่วนลิ้นควบคุมน้ำมันไฮดรอลิกจะเป็นแบบโรตารี และแบบแฟลบเปอร์เป็นส่วนใหญ่

           2. แบบเฟืองขับและเฟืองสะพาน (Rack and Pinion Power Steering Wheel) พวงมาลัยกำลังที่มีลิ้นควบคุมจะถูกติดตั้งอยู่ภายในเรือนพวงมาลัย ลิ้นควบคุมที่ใช้ควบคุมน้ำมันไฮดรอลิกนั้นจะเป็นแบบโรตารีและแบบสพูล (Spool Valve) ซึ่งมีลักษณะที่คล้ายหลอดด้าย โดยที่ลูกสูบกำลังจะแยกออกจากกัน  พวงมาลัยกำลังแบบเฟืองสะพานก็จะมีกลไกที่เหมือนกันกับแบบรวมชุด

5.2 โครงสร้างของพวงมาลัยกำลัง

พวงมาลัยกำลังหรือพวงมาลัยเพาเวอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบที่สำคัญดังนี้

  1. ปั๊มน้ำมันไฮดรอลิก ปั๊มน้ำมันเป็นกลไกของระบบไฮดรอลิกที่ต้องการแรงดันในการใช้งานที่สูงมาก  ปั๊มน้ำมันๆไฮดรอลิกที่นำมาใช้กับพวงมาลัยเพาเวอร์มีอยู่หลายแบบ คือ

1.1 ปั๊มน้ำมันไฮดรอลิกแบบเวน (Vane Type) ปั๊มน้ำมันแบบนี้จะถูกขับให้หมุนโดยพูลเลย์เพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์หรือมอเตอร์ไฟฟ้า ปริมาณน้ำมันที่ถูกจ่ายภายใต้แรงดันไปยังกระปุกพวงมาลัยจะเป็นสัดส่วนกับรอบของเครื่องยนต์ แต่ปริมาณน้ำมันไฮดรอลิกที่ส่งไปยังกระปุกจะถูกควบคุมแรงดันโดยลิ้นควบคุมการไหลของน้ำมัน น้ำมันส่วนเกินนั้นไหลกลับไปยังด้านดูดของปั๊มลิ้นควบคุมปริมาณจะรักษาปริมาณการไหลของน้ำมันให้คงที่อยู่เสมอโดยไม่คำนึงถึงความเร็วของปั๊ม

          การทำงานโรเตอร์มีลักษณะกลมจะยึดติดกับเรือนปั๊มน้ำมันและจะหมุนอยู่ภายในเสื้อปั๊มรูปวงแหวนลูกเบี้ยว โดยที่ใบพัดจะสอดอยู่ในร่องของโรเตอร์ พื้นที่ผิวภายในเสื้อปั๊มรูปวงแหวนลูกเบี้ยวที่มีลักษณะเป็นวงรี  จึงทำให้มีระยะช่องดว่างระหว่างโรเตอร์กับเสื้อปั๊ม แผ่นใบพัดที่สอดอยู่ภายในร่องของโรเตอร์จะทำหน้าที่ปิดกั้นระยะช่องว่างและรัดน้ำมันที่เข้ามาภายในห้องปั๊ม

          ภายในห้องปั๊มมีช่องดูดและช่องจ่ายน้ำมันอย่างละ 2 ช่อง เพื่อดูดน้ำมันเข้าและจ่ายน้ำมันออก 2  ครั้งต่อการหมุนของโรเตอร์ 1 รอบ

               1.2 ปั๊มน้ำมันไฮดรอลิกแบบสลิปเปอร์ (Slipper Type) ปั๊มแบบนี้จะมีหลักการทำงานที่คล้ายคลึงกับปั๊มแบบเวน เสื้อปั๊มมีลักษณะกลม ใบกวาดน้ำมันจะมีสปริงดันให้ผิวสัมผัสกับผนังด้านในของห้องปั๊มอยู่ตลอดเวลา น้ำมันไฮดรอลิกจากถังเก็บน้ำมันจะไหลเข้าทางช่องดูด ขณะที่เกิดช่องว่างขึ้นภายในห้องปั๊ม เมื่อโรเตอร์หมุนต่อไป ช่องว่างจะเริ่มแคบลงดันให้น้ำมันถูกรีดออกทางช่องจ่ายน้ำมัน ปั๊มแบบนี้จะมีลิ้นควบคุมปริมาณการไหลของน้ำมันเช่นเดียวกัน

     1.3 ปั๊มน้ำมันไฮดรอลิกแบบโรลเลอร์ (Roller Type) ปั๊มน้ำแบบนี้โรเตอร์จะหมุนกลิ้งเคลื่อนที่ไปตามโรลเลอร์ เมื่อเกิดแรงเหวี่ยงโรลเลอร์จะถูกเหวี่ยงให้สัมผัสกับผนังเรือนปั๊มอยู่ตลอดเวลาเนื่องจากเสื้อปั๊มแบบโรลเลอร์มีรูปร่างเยื้องศูนย์ ดังนั้นเมื่อโรลเลอร์หมุนเคลื่อนที่จะเกิดช่องแคบอัด น้ำมันเกิดแรงดันสูงขึ้นจ่ายออกทางช่องจ่ายน้ำมัน

            2. ลิ้นควบคุมปริมาณการไหลของน้ำมันและลิ้นสพูล ปริมาณน้ำมันที่จ่ายออกของปั๊มจะเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร็วรอบของเครื่องยนต์ กำลังที่ใช้ในการบังคับเลี้ยวจะถูกกำหนดจากปริมาณน้ำมันที่จ่ายออกจากปั๊มไปกระทำต่อลูกสูบกำลังเมื่อปั๊มมีรอบการทำงานเพิ่มขึ้น ปริมาณน้ำมันที่จ่ายออกมาจะช่วยในการบังคับเลี้ยว ทำให้แรงที่ใช้ในการหมุนพวงมาลัยลดลงเพื่อเป็นการรักษาปริมาณการไหลของน้ำมันให้คงที่โดยไม่คำนึงถึงรอบการหมุนของปั๊มระบบควบคุมไฮดรอลิกของพวงมาลัยเพาเวอร์จึงต้องติดตั้งลิ้นควบคุมปริมาณการไหลของน้ำมันไว้ที่ปั๊ม

          เมื่อรถวิ่งด้วยความเร็วสูง ค่าความฝืดของหน้ายางจะลดลง แรงบที่ใช้ในการหมุนพวงมาลัยจะลดน้อยลงเช่นกัน ปริมาณการไหลของน้ำมันจากปั๊มที่ไปกระทำภายในกระปุกพวงมาลัยจะลดลง ขณะที่ขับขี่ด้วยความเร็ว ทำให้แรงที่ใช้ในการบังคับเลี้ยวของรถที่ใช้พวงมาลัยเพาเวอร์ลดลง

          การจ่ายน้ำมันของปั๊มน้ำมันจะเพิ่มปริมาณสูงขึ้นเมื่อปั๊มมีรอบการหมุนสูงขึ้น ปริมาณการไหลของปั๊มน้ำมันไปยังกระปุกพวงมาลัยจะลดลง เนื่องจากพวงมาลัยเพาเวอร์ที่มีเซ็นเซอร์วัดรอบการทำงานของเครื่องยนต์ พวงมาลัยแบบนี้จะมีลิ้นควบคุมปริมาณการไหลของน้ำมันประกอบอยู่ภายในลิ้นสพูล

            3. ลิ้นระบายแรงดัน (Relief Value) จะติดตั้งอยู่ภายในลิ้นควบคุมปริมาณการไหลของน้ำมันเมื่อมีแรงดันน้ำมันสูงกว่า 80 กิโลกรัม/ตารางเซนติเมตร (หรือ 1,138 ปอนด์/ตารางนิ้ว) ลิ้นระบายแรงดันจะถูกเปิดเพื่อให้แรงดันน้ำมันลดลง เมื่อแรงดันน้ำมันลดลงลิ้นควบคุมปริมาณการไหลของน้ำมันจะเคลื่อนตัวไปทางด้านซ้าย และควบคุมแรงดันสูงสุด

            4. กระปุกพวงมาลัยเพาเวอร์ (Power Steering Box) ภายในกระปุกพวงมาลัยประกอบด้วย ลูกสูบที่อยู่ในกระบอกสูบกำลัง ติดตั้งอยู่กับเฟืองสะพาน เฟืองสะพานจะเคลื่อนที่ไปด้วยแรงดันน้ำมันจากปั๊มที่ผลักดันให้ไปในทิศทางที่ต้องการ ซีลวงแหวนที่อยู่บนลูกสูบจะทำหน้าที่ป้องกันการรั่วของแรงดัน และที่ปลายสุดของกระบอกสูบจะมีซีลป้องกันการรั่วของน้ำมันภายนอกอีกชั้นหนึ่ง 

          เพลาลิ้นควบคุมจะอยู่ต่อกับพวงมาลัยด้วยสลักยึด เมื่อหมุนพวงมาลัยให้อยู่ในตำแหน่งกึ่งกลาง จึงทำให้น้ำมันจากปั๊มไม่เกิดแรงดันขึ้นภายในห้องน้ำมัน แต่จะไหลกลับไปยังถังเก็บน้ำมันเมื่อหมุนพวงมาลัยไปในตำแหน่งหนึ่งตำแหน่งใดลิ้นควบคุมจะเปลี่ยนช่องน้ำมันทำให้น้ำมันไหลผ่านไปยังห้องน้ำมันอีกห้องหนึ่ง โดยน้ำมันที่อยู่ห้องตรงกันข้ามจะถูกผลักดันผ่านลิ้นควบคุมไปยังกังเก็บน้ำมัน

            5. ลิ้นควบคุม ภายในกระปุกพวงมาลัยจะทำหน้าที่ควบคุมทิศทางและปริมาณการไหลของน้ำมันไฮดรอลิกที่ถูกส่งมาจากปั๊มน้ำมัน เพลาลิ้นควบคุมที่ได้รับแรงบิดจากการหมุนพวงมาลัยและเฟืองขับจะต่อกันด้วยทอร์ชันบาร์ ลิ้นควบคุมที่ใช้ในกระปุกพวงมาลัยเพาเวอร์ในปัจจุบันมี 3 แบบ

              5.1 ลิ้นควบคุมแบบโรตารี (Rotary Valve) ลิ้นโรตารีจะถูกยึดติดอยู่กับเฟืองขับด้วยสลักล็อกเพราะลิ้นควบคุมกับลิ้นโรตารีหมุนเคลื่อนที่เป็นหน่วยเดียวกันกับเฟือนขับ ตัวเรือนของลิ้นด้านนอกจะมีซีลป้องกันการรั่วของน้ำมันระหว่างช่องทางเดินของน้ำมันในแต่ละช่อง โดยที่ซีลทั้งสี่ตัวจะกดสัมผัสกับผิวด้านในของเรือนลิ้นควบคุมเพื่อให้น้ำมันไฮดรอลิกไหลผ่านเข้าออกรูน้ำมันที่ตัวเรือนลิ้นโรตารี (Rotary Housing)

          เมื่อหมุนพวงมาลัยให้เลี้ยวขวาหรือซ้ายจะทำให้เพลาลิ้นควบคุมหมุนบังคับให้เฟืองขับหมุนตามโดยส่งแรงผ่านไปยังทอร์ชันบาร์ที่บิดไปตามสัดส่วนความฝืด เพลาลิ้นควบคุมจะถูกกำหนดการเปิด-ปิดลิ้นให้มีความสัมพันธ์กับการจ่ายน้ำมันของโรตารีทำให้แรงดันน้ำมันภายในห้องลูกสูบด้านซ้ายและขวามีแรงดันที่เพิ่มขึ้นแตกต่างกัน น้ำมันจากปั๊มจะไหลเข้าทางด้านนอกของลิ้นโรตารีและไหลกับไปยังถังเก็บน้ำมันผ่านช่องระหว่างทอร์ชันบาร์และเพลาควบคุมลิ้น

              5.2 ลิ้นควบคุมแบบสพูล (Spool Valve Type) ลิ้นควบคุมแบบสพูลมจะติดตั้งอยู่ภายในปลอกลิ้น และจะมีร่องและทางเดินน้ำมันซึ่งอยู่ทางตอนล่างของตัวลิ้นควบคุม จะต่อการทำงานกับเพลาลิ้นควบคุม  โดยมีลูกปืนกลมจำนวน 2 ตัว หมุนเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับเฟืองขับ ทำให้ระยะเคลื่อนตัวขึ้นลงได้ประมาณ 1 มิลลิเมตร

          ส่วนปลอกลิ้นควบคุม จะติดตั้งระหว่างเรือนกระปุกพวงมาลัยและลิ้นควบคุมที่ยึดติดกับเฟืองขับโดยมีแผ่นเลื่อนปลอกลิ้นและแหวนล็อก ทำให้ไม่สามารถเลื่อนขึ้นลงได้เมื่อหมุนพวงมาลัยจะทำให้เฟืองขับหมุนเคลื่อนที่ไปตามเพลาลิ้นควบคุม ทอร์ชันบาร์จะเกิดการบิดตัวขึ้นทำให้เพลาลิ้นควบคุมหมุนเป็นสัดส่วนกับการบิดตัวของทอร์ชันบาร์ เป็นผลให้ลิ้นควบคุมเคลื่อนที่ขึ้นลงตามการเคลื่อนตัวของลูกปืนที่อยู่ภายในร่องเกลียว แรงดันน้ำมันไฮดรอลิกจะเกิดความแตกต่างขึ้นระหว่างห้องลูกสูบด้านซ้ายและด้านขวา  ทำให้น้ำมันไฮดรอลิกถูกส่งไปยังกระบอกสูบและเกิดแรงที่ช่วยในการบังคับเลี้ยว

               5.3 ลิ้นควบคุมแฟลปเปอร์ (Flapper Valve Type) ลิ้นควบคุมแบบนี้จะถูกประกอบให้รวมเป็นหน่วยเดียวกันกับเพลาทอร์ชันบาร์ โดยที่ลิ้นแฟลปเปอร์ตัวแรกและตัวที่สองจะถูกแรงดันน้ำมันมากระทำกับลิ้นควบคุมและควบคุมแรงดันให้น้ำมันไหลจ่ายไปตามวงจร ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการหมุนของพวงมาลัย

 

เมื่อหมุนพวงมาลัยไปในตำแหน่งใด แรงดันน้ำมันไฮดรอลิกภายในระบบจะเพิ่มสูง และเกิดแรงผลักดันลูกสูบเคลื่อนตัวไปในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อมีแรงดันน้ำมันมาดันเพลาตัวหนอนเพิ่มขึ้นจะปิดช่องทางน้ำมันจึงทำให้แรงดันน้ำมันมีเพิ่มมากขึ้น เมื่อมีแรงมากระทำต่อเพลาตัวหนอน ลดลงเพลาทอร์ชันบาร์จะบิดตัวเป็นมุมน้อยลง ดังนั้นระยะช่องว่างของลิ้นจะเพิ่มขึ้นและแรงดันมทางห้องลูกสูบด้านนั้นจะลดลง

6. อุปกรณ์เพิ่มรอบเดินเบา (Idle-up Device) เมื่อหมุนพวงมาลัยเต็มที่ ปั๊มจะสร้างแรงดันน้ำมันเพิ่มมากขึ้น เป็นผลให้ปั๊มต้องรับโหลดมามากขึ้น ความเร็วรอบเดินเบาของเครื่องยนต์ตกลง รถยนต์ส่วนมากที่ใช้พวงมาลัยเพาเวอร์จึงต้องมีอุปกรณ์เพิ่มรอบเดินเบาให้กับเครื่องยนต์อุปกรณ์เพิ่มรอบเดินเบาจะมีลิ้นควบคุมอากาศติดตั้งที่เรือนปั๊ม

เมื่อมีแรงดันน้ำมากระทำกับลูกสูบของลิ้น ทำให้ลิ้นอากาศเปิดให้ปริมาณอากาศจากภายนอกไหลผ่านช่องอากาศใต้ลิ้นเร่งทำให้ความเร็วรอบของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น

7. กระปุกพวงมาลัยเพาเวอร์แบบลูกปืนหมุนเวียน กระปุกพวงมาลัยเพาเวอร์แบบลูกปืนหมุนเวียน หรือเรียกว่าแบบใช้ลิ้น 2 หัว (ลิ้นใบพัด = Flapper Valve Type) ใช้สำหรับขับเคลื่อนล้อหลัง เช่น รถบรรทุกเล็ก (Pickup) รถโดยสารและรถบรรทุกหนัก (อำพล  , 2548:132)