کمک‌ چرخ‌های خودروهای برقی

محققان یک راه‌ حل الکتریکی برای سرعت‌های مختلف چرخ اتومبیل‌ که نیاز است تا به اتومبیل‌های "سبز" تبدیل شده و بدون خطر به اطراف حرکت کنند، پیدا کرده‌اند.
محققان این وسیله‌ی نقلیه‌ی خارج از جاده را اصلاح و به یک اتومبیل الکتریکی تبدیل کرده‌اند. چون در حال حاضر، اتومبیل در هر چرخ خود دارای یک موتور است ( به جز موتور اصلی، دنده یا دیفرانسیل)، بنا بر این محققان برنامه‌ی کامپیوتری را طراحی و آزمایش کردند که سرعت هر چرخ را به صورت مستقل کنترل می‌کند ("چرخ‌های آموزشی" زرد رنگ که در اطراف وسیله‌ی نقلیه گسترده شده‌اند، در مواردی که برنامه کامپیوتری به درستی کار نمی‌کند، مانع واژگونی اتومبیل می‌شوند).
طراحی خود روی الکتریکی به آن سادگی که به نظر می‌رسد نیست. مهندسان نمی‌توانند باک بنزین را با یک بانک بزرگ از باتری‌ تعویض کنند. علاوه بر منابع مختلف انرژی که استفاده می‌شود، بسیاری از اتومبیل‌های الکتریکی هم چنین با روشی متفاوت، انرژی را به چرخ‌های اتومبیل منتقل می‌کنند. در این خود روها، به جای چرخ‌ دنده از کابل‌های برق برای تقویت نیرو استفاده می‌شود. این کار، طرح مکانیکیِ اتومبیل را ساده می‌کند. اما با این حال، کنترل چرخ‌های خود روی الکتریکی را هنگام دور زدن، سخت‌تر می‌کند. خوش بختانه، مهندسان در دانشگاه ایالتی اوهایو این مسئله را حل کرده‌اند. راه حل آن‌ها به این صورت است: آنها برای کنترل سرعت هر چرخ به صورت مجزا از کامپیوتر استفاده می‌کنند.
وقتی که موتورِ یک اتومبیل معمولی، بنزین (یا گازوئیل) میسوزاند، نیرویی تولید می‌کند که پیستون را در سیلندر بالا و پایین می‌برد. جعبه‌ی انتقال، انرژی مکانیکی تولید شده را به چرخ‌ها منتقل می‌کند. این کار از طریق انواع میله، چرخ دنده‌ها و سایر تجهیزات انجام می‌شود. گاهی اوقات، نیروی تولید شده فقط به دو چرخ می‌رود (مانند چرخ‌های جلو یا چرخ‌های عقب اتومبیل‌). وسایل نقلیه‌ی چهار چرخ، برای هر چرخ، گشتاور ایجاد می‌کنند. (گشتاور یک نیروی پیچشی است، بر خلاف نیروی فشار یا کشش که شیء‌ را در یک مسیر هل داده یا می‌کشد.)
برای این که وسایل نقلیه‌ی امروزی بتوانند در حالی که به نقاط گوشه‌ای حرکت می‌کنند، حرکت نرم و روانی داشته باشند، خود رو سازان مجموعه‌ای از دنده‌های شناخته شده تحت عنوان دیفرانسیل را به کار می‌برند. این حالت اجازه‌ی چرخش با سرعت‌های مختلف را به چرخ‌ها می‌دهد. به عبارت دقیق‌تر، هنگام دور زدن، به چرخ‌های خارجی این امکان را می‌دهد که نسبت به چرخ‌های داخلی، با سرعت بیشتری بچرخند. جانمین ونگ توضیح می‌دهد که باید این اتفاق بیافتد؛ چون در یک دروه‌‌ی زمانی معین، در هر بار دور زدن، چرخ‌های خارجی از چرخ‌های داخلی مسافت بیشتری را طی می‌کنند. (جانمین ونگ، یک مهندس مکانیک در دانشگاه ایالتی اوهایو است که به مطالعه‌ی چگونگی ساخت اتومبیل‌های الکتریکی ایمن و قابل اعتماد می‌پردازد.)
در اتومبیل‌های بدون دیفرانسیل، در هر بار دور زدن، چرخ‌ها به یک طرف سر خورده یا می‌لغزند. این عامل، کششِ کلی وسیله‌ی نقلیه را کاهش می‌دهد. هم چنین باعث می‌شود لاستیک‌های اتومبیل، سریعتر از حالت طبیعی فرسوده شود.
ونگ می‌گوید؛ چالش اصلی، هماهنگ کردن سرعت چرخ در وسایل نقلیه‌ی تمام برقی بدون استفاده از دیفرانسیل است. وسایل نقلیه‌ی الکتریکی، نه تنها نیروی ایجاد شده را از طریق سیم‌ها به چرخ‌ها منتقل می‌کنند، بلکه در بسیاری از آن‌ها هر چرخ، خودش نیز دارای موتور است. (همین عامل باعث سبک‌تر شدن اتومبیل می‌شود.) اما سرعت موتور هر چرخ را کامپیوتر باید کنترل کند.
تعیین سرعت چرخش هر چرخ هم چنان به عنوان یک مسئله‌ی بزرگ باقی مانده است. به همین دلیل ونگ و اعضای گروهش، هنگامی که اتومبیل تمام برقی خود را طراحی می‌کردند، نگران این مسئله بودند. نمونه یا نسخه‌ی اولیه‌ی آن‌ها، حیات خود را به عنوان یک وسیله نقلیه‌ی خارج از جاده شروع کرد (مانند بسیاری از خود رو هایی که نظامیان و شکارچیان استفاده می‌کنند).
مهندسان، موتور، دنده و دیفرانسیلِ اتومبیل خود را حذف نمودند. سپس در هر چرخ یک موتور و یک کامپیوتر نصب کردند. خود روی نهایی با باتری‌های فوق ‌العاده سنگین، مقادیری در حدود 800 کیلوگرم (کمی بیش از 1750 پوند) را هدایت می‌کند. این نمونه تقریباً مانند وسیله نقلیه‌ی اصلی است. اگر یک خود رو با سایز واقعی را با این روش تغییر دهیم، وزن ذخایر حتی بیشتر هم خواهد شد.
ونگ متذکر می‌شود که در مطالعاتِ پیش از این، بعضی از دانشمندان سعی کردند با استفاده از دوربین یا میکروفون‌ (مثلاً، با گوش کردن به صدای سر خوردن)، سرعت چرخ‌ها را بسنجند. تیمِ ونگ با روش جدیدی با مسائل برخورد کردند. آن‌ها، هنگامی که خود رو به اطراف می‌چرخد، نیروهای وارد بر چرخ‌های اتومبیل را برآورد می‌کنند.
کامپیوترِ کنترل کننده‌ی چرخ، دستورات خود را از فرمان، پدالِ گاز و ترمزها دریافت می‌کند. خود رو، دستورات خود را تقریباً 100 بار در ثانیه به روز می‌کند. کامپیوتر هم چنین، اطلاعاتی از شتاب ‌سنج (حسگری که تغییرات نرخ حرکت را اندازه ‌گیری می‌کند) و سایر حسگرها نیز می‌گیرد. به عنوان مثال، یکی از این حسگرها به کامپیوتر این امکان را می دهد که بداند آیا اتومبیل به اطراف سر می‌خورد یا خیر.
در نهایت، داده‌های به‌دست آمده از یک دستگاهِ سیستم تعیین موقعیتِ جهانی (GPS)، سرعت اتومبیل را در دست رس قرار می‌دهد. (معمولاً سرعت یک خود رو توسط دستگاهی اندازه‌گیری می‌شود که میزان سرعت دنده اتومبیل هنگام روشن شدن را می‌سنجد. اما به خاطر داشته باشید که خودروی ونگ فاقد این دنده است.)
با هر دسته‌ی جدید از داده‌ها، کامپیوتر میزان سرعت لازم برای هر چرخ را جهت این که یک خود رو ایمن بوده و به راحتی حرکت نماید، محاسبه می‌کند. سپس باتری‌ها را هدایت می‌کند تا میزان نیروی مناسب را به هر چرخ ارسال کند. پس از آن، کامپیوتر، چگونگی پاسخ گویی هر چرخ را بررسی می‌کند. اگر هر چرخ با سرعت مناسب نچرخد، کامپیوتر آن را تنظیم خواهد کرد. گروهِ ونگ، جزئیات کنترل کامپیوتری چرخ‌های اتومبیل خود را با موضوع تمرین مهندسی کنترل در ژانویه 2013 به اشتراک گذاشتند.
ونگ توضیح می‌دهد که "کامپیوتر و حسگرها یک دیفرانسیل مجازی می‌سازند." او متذکر می‌شود که اگر وسیله‌ی نقلیه، یک دیفرانسیل واقعی مبتنی بر دنده نداشته باشد، بعضی از انواع کنترل‌های کامپیوتری مجازی خواهد بود. با تمام این موارد «اگر چرخ‌های اتومبیل با سرعت مناسب نچرخند، باعث می‌شود وسیله‌ی نقلیه در مسیر اشتباه هدایت شده یا بلغزد، معلق و یا واژگون شود."
پیر سیزکارد می‌گوید: نتایج این تیم "بسیار جالب توجه است". او مهندس برق در دانشگاه کِبِک سه رودخانه‌ی کانادا است. او متذکر می‌شود که مشاهده‌ی سرعت چرخ برای جلو گیری از لغزیدن اتومبیل یا گیر کردن ترمزها مفید است.
او می‌افزاید؛ بررسی سرعت چرخ می‌تواند به روش‌های دیگر نیز کمک‌کننده باشد. به عنوان مثال، هنگامی که وسایل نقلیه‌ی الکتریکی ترمز می‌کنند؛ می‌توانند انرژی خود را به دست آورند. (سیزکارد به این مطلب اشاره می‌کند که در بسیاری از خود روهای امروزی، ترمز کردن باعث تبدیلِ انرژی جنبشی به انرژی گرمایی می‌شود که خود رو از دست داده است. اما با تجهیزات مناسب، انرژی جنبشیِ حرکتِ یک اتومبیل می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. این انرژی می‌تواند به باتری‌ها برگشته و برای مصارف بعدی ذخیره شود.) یکی از چالش‌های بزرگ مهندسان خود ور، افزایش کارایی انرژی است که تمام اتومبیل‌ها در آینده با آن مواجه خواهند شد.
به زودی وسایل نقلیه‌ی الکتریکی بیشتر و بیشتری وارد جاده‌ها می‌شود. بی‌شک تحقیقات تیمِ جانمین ونگ و سایرین در ساختِ ماشین‌های سبک‌تر، ایمن تر و کارآتر از لحاظ مصرفِ انرژی کمک خواهند کرد.