همه چیز در ارتباط با جعبه دنده

گشتاور توليدي توسط موتور پس از انتقال توسط کلاچ به جعبه دنده مي رسد. وظيفه جعبه دنده انتقال دور موتور با نسبتهاي گوناگون و رساندن آن به خطوط انتقال و ميل گاردان در خودروهاي ديفرانسيل عقب يا مستقيماً به ديفرانسيل در خودروهاي ديفرانسيل جلو است.

سيستم جعبه دنده اي انتقال قدرت را مي توان به دو گروه جعبه دنده اي دستي و جعبه دنده اي اتوماتيک تقسيم بندي کرد. سيستم انتقال قدرت دستي در حالت انتقال مستقيم بازدهي در حدود 98% ولي در دنده هاي با نسبت انتقال پايين تر بازده به حدود 90% مي رسد. چون بيشترين زمان استفاده از اتومبيل، جعبه دنده در حالت انتقال مستقيم قدرت است، بنابراين با توجه به اين مورد و هزينه اوليه به نسبت کمتر اين سيستم جعبه دنده اي، هنوز استفاده از آنها در اکثر اتومبيلها مورد توجه است. از سيستم انتقال اتوماتيک بيشتر در اتومبيلهاي گرانقيمت تر و کلاسهاي بالاتر استفاده مي شود چرا که با توجه به عملکرد ساده تر آن براي راننده، هزينه ساخت آن نيز بيشتر است. علاوه بر دو نوع فوق، امروزه استفاده از نسل جديدي از سيستم انتقال قدرت بنام سيستم انتقال قدرت پيوسته متغير (CVT) نيز مورد توجه طراحان خودروها قرار گرفته است.

سيستم انتقال قدرت دستي

در دسته بندي کلي از لحاظ نحوه کارکرد، جعبه دنده هاي دستي به سه گروه کلي تقسيم مي شوند:

-  Sliding mesh type Gearbox

-  Constant mesh type Gearbox

-  Synchromesh type Gearbox

 

Sliding Mesh Type Gearbox

اين جعبه دنده ها از قديميترين و ساده ترين انواع جعبه دنده ها هستند که درگيري دنده ها در آنها توسط جابجا کردن دنده ها ايجاد مي شود. اين جعبه دنده ها در واقع شامل دو رديف شفت مي باشند :  شفتي که از طرف کلاچ مي آيد و خود شامل دو قسمت است؛ يکي که کاملاً ثابت مي باشد و در واقع محور ورودي است بنام محور اصلي ( primary shaft ) و شفت ديگري که در امتداد آن اما بصورت جداگانه و متحرک قرار دارد و بنام splined mainshaft خوانده مي شود و عمل تعويض دنده نيز با جابجايي اين شفت صورت مي گيرد.

   شفتي پاييني که بنام محور ثانويه ( lay shaft )  خوانده مي شود و بسته به نوع جعبه دنده، تعدادي دنده بر روي آن قرار مي گيرد. اين شفت توسط درگيري بين دو دنده به طور دائم در ارتباط با محور اصلي است. (شکل2-1)

هنگامي که گشتاور از طريق درگيري يک جفت دنده از محور اصلي به محور ثانويه منتقل مي شود، با توجه به نسبت تعداد دنده ها يک کاهش دور در آن ايجاد مي شود. حاصلضرب اين کاهش دور در کاهش دور ناشي از درگيري دو چرخ دنده نهايي، نسبت کاهش دور اصلي ناشي از يک دنده خاص را به ما مي دهد.

   

شکل2-1 sliding mesh type Gearbox

نحوه درگيري دنده ها و همچنين محاسبه کاهش نسبت دور را براي دنده هاي مختلف در شکلهاي2-2 مشاهده مي کنيد :

 

  

شکل2-2 شکل شماتيک درگيري دنده ها در دنده هاي مختلف در sliding mesh type Gearbox

  

Constant Mesh Type Gearbox

در اين نوع از جعبه دنده ها بر خلاف حالت قبل همه دنده ها با هم درگير هستند، اين عمل باعث عملکرد آرام و بدون صداي اين دنده ها مي شود، چرا که عمده صدا در سيستم جعبه دنده اي قبلي ناشي از جازدن دنده ها بود. علاوه بر آن، در اين سيستم چون دنده ها هميشه با هم درگير هستند    مي توان از دنده هاي مارپيچي (هليکالي) استفاده نمود که اين خود نيز در کاهش صدا و عملکرد نرمتر جعبه دنده موثر است. در اين نوع از جعبه دنده ها محل و نحوه قرارگيري دنده ها بر روي محورهاي اصلي و ثانويه همانند حالت قبلي است، ولي در اينجا هر دنده روي محور اصلي با دنده متناظر روي محور ثانويه درگير است. بنابراين در اين حالت بدون توجه به اينکه اتومبيل در چه دنده اي قرار دارد، در هر حال تمام دنده ها در حال چرخش هستند، اما تنها يکي از اين دنده هاي در حال چرخش است که مي تواند به تناسب شماره دنده مورد نياز با محور اصلي کوپل شود و آنرا به حرکت درآورد. اولين دنده روي primary shaft  و نيز تمامي دنده هاي روي lay shaft با محور خود کاملاً فيکس هستند و امکان جابجايي نسبت به محور را ندارند. اما دنده هاي روي splined main shaft بر روي بلبرينگهايي سوار هستند و نسبت به محور خود در حال چرخشند و تنها يک دنده است که توسط مکانيزمي به محور کوپل مي شود. اين مکانيزم sliding dog clutch نام دارد که روي محور ثانويه هزارخار شده است. با انتخاب دنده مورد نظر زبانه هاي روي dog clutch مربوط به آن دنده خود را با دنده درگير مي کند و با اين عمل، دنده مورد نظر با محور خود قفل مي شود و در واقع نسبت انتقال دلخواه را براي ما فراهم مي گرداند. (شکلهاي2-3 و 2-4)

شکل2-3 Constant mesh type Gearbox 
 

در اين نوع از جعبه دنده ها براي درگيري بهتر زبانه  dog clutchو دنده لازم است که سرعت آنها با هم برابر باشند. براي تحقق نسبي اين امر در اين نوع سيستم جعبه دنده اي از double declutching استفاده مي شود. بدينگونه که بار اول که کلاچ گرفته مي شود، ارتباط موتور با جعبه دنده قطع مي شود. پس فشار از روي زبانه هاي dog clutch برداشته مي شود تا بتوان آن را به حالت خلاص منتقل کرد. بعد با رها کردن کلاچ، موتور را به سرعت مناسب مي رسانيم. منظور از سرعت مناسب، دور موتوري است که با دنده بعدي تناسب دارد. يعني کاري مي کنيم که زبانه هاي dog clutch و چرخ دنده اي که مربوط به دنده بعدي است با سرعت يکساني بچرخند تا زبانه ها بتوانند در چرخ دنده جفت شود. حالا مجبوريم  يک بار ديگر کلاچ را فشار دهيم تا اين زبانه ها و دنده جديد با هم درگير شوند. بنابراين در اين حالت براي تعويض دنده راننده ابتدا بايد دنده را خلاص کند و سپس با کلاچ گيري دوباره دنده بعدي را انتخاب نمايد.

   

شکل2-4 Dog clutch در حالت آزاد و درگير با دنده ها

 

Synchromesh Type Gearbox

 در اين نوع جعبه دنده نيز همانند حالت قبل دنده هاي روي شفت اصلي با دنده مربوطه روي شفت ثانويه در حالت درگيري دائم هستند. دنده هاي روي شفت ثانويه روي محور ثابت و دنده هاي روي شفت اصلي توانايي گردش آزادانه حول محور خود را دارند. از اين لحاظ نيز، اين نوع جعبه دنده همانند جعبه دنده هاي constant mesh هستند، اما نکته اي که در اينجا وجود دارد استفاده از سيستم همسرعت کننده (synchronizer) در اين نوع جعبه دنده ها مي باشد که در اين حالت لزوم جعبه دنده به double declutching را از ميان مي برد. با استفاده از اين سيستم همسرعت کننده در اين جعبه دنده ها، عمل تعويض دنده براحتي و بدون سروصداي ناشي از بهم خوردن دنده ها صورت خواهد گرفت. (شکل2-5)

  

شکل2-5 Synchromesh type gearbox  

 اگر جعبه دنده در وضعيت خلاص باشد توان انتقال نمي دهد. در اين حالت هيچ يک از چرخدنده هاي روي محور خروجي به آن قفل نمي شوند. در هنگام تعويض دنده، چرخدنده ها با عمل کشويي به محور قفل مي شوند. خود کشوييها نيز توسط هزار خار به محور خروجي متصلند و با آن مي چرخند. ماهک روي کشويي در شيارهاي غلاف کشويي جفت مي شود. وقتي راننده دسته دنده را جابجا مي کند، اين حرکت از طريق ميله بندي به ماهک روي کشويي منتقل مي شود. ماهک، غلاف کشويي را به حرکت در مي آورد و غلاف چرخدنده مورد نظر را روي محور قفل مي کند. به کمک کشويي مي توان کاري کرد که چرخدنده ها و غلافهاي کشويي در حوالي زماني که بايد با هم درگير شوند، با سرعت برابر بچرخند. وقتي اين سرعتها با هم برابر باشند، چرخدنده ها به نرمي درگير مي شوند. کشوييها، مخروطهاي هماهنگ کننده اي روي چرخدنده ها و نيز روي دنده برنجي دارد که در واقع کار يک کلاچ کوچک را انجام مي دهند. مغزي کشويي با هزار خار به محور خروجي جعبه دنده متصل است. غلاف کشويي روي مغزي کشويي جفت مي شود. (شکل2-6)

شکل2-6 شکل يک دنده بهمراه اجزاي همسرعت کننده مربوط به آن

عمل همسان سازي سرعت طي سه مرحله صورت مي گيرد:

وقتي دنده عوض مي کنيم، غلاف کشويي به طرف چرخدنده مورد نظر مي رود. اين غلاف روي خارهاي مغزي کشويي مي لغزد و خارهايي را با خود جابجا مي کند. اين خارها نيز به دنده برنجي نيرو وارد مي کنند و آن را  به طرف چرخدنده مورد نظر مي رانند، در نتيجه سطح مخروطي دنده برنجي با سطح مخروطي چرخدنده تماس پيدا مي کند. اصطکاک بين آنها سبب يکسان شدن سرعت و هماهنگي در چرخششان مي شود. وقتي دنده هاي خارجي دنده برنجي و چرخدنده با يک سرعت مي چرخند، غلاف کشويي روي آنها مي لغزد. درنتيجه چرخدنده به محور قفل و تعويض دنده انجام مي شود. توان از اين چرخدنده از طريق غلاف کشويي و مغزي کشويي به محور منتقل مي شود. (شکل2-7)

شکل2-7 عمل سيستم همسرعت کننده

 

سالها پيش جعبه دنده هاي دستي چهار دنده بودند و دسته دنده درکف اتاق قرار داشت؛ جاييکه راننده براحتي به آن دسترسي داشت. انتهاي جعبه دنده به مکانيسم تعويض دنده متصل مي شد. پس از آن دسته دنده را به لوله فرمان منتقل کردند؛ جاييکه بيشتر در دسترس راننده بود. بااين تغيير جاي پاها در صندلي جلو نيز وسيعتر شد. امروزه دسته دنده دوباره در کف اتاق نصب مي شود. درواقع اغلب اوقات دسته دنده بخشي از کنسول مياني است. براي اتصال دسته دنده به جعبه دنده از ميله بنديهاي با آرايش مختلف استفاده شده است. طرز کار تمام اين ميله بنديها اساساً يکي است. براي عوض کردن دنده بايد دو حرکت به دسته دنده اعمال کرد. در اولين حرکت ماهک روي کشويي و کشويي مربوط به چرخدنده مورد نظر انتخاب مي شود. حرکت دوم سبب مي شود که ماهک روي کشويي، غلاف کشويي را به حرکت در آورد. در نتيجه حرکت اخير، چرخدنده مورد نظر به محور اصلي قفل مي شود. (شکل2-8)

  

شکل2-8 مکانيسم تعويض دنده  

در شکل2-9 نمونه اي از ميله بندي تعويض دنده مربوط جعبه دنده طولي پنج و شش سرعته اتومبيل فورد را مشاهده مي کنيد.   

 

شکل2-9 ميله بندي تعويض دنده فورد     
 

دنده هاي کمکي ( splitter change & range change )

براي خودروهاي نسبتاً سبک با وزن حدود يک تن که نسبت قدرت به وزن بزرگي دارند، يک جعبه دنده 4 سرعته يا 5 سرعته معمولي جوابگوي اتومبيل در عملکرد صحيح خود مي باشد. اما براي خودروهاي سنگيني که بارهاي بزرگي را تحمل مي کنند و نسبت قدرت به وزن بسيار پاييني دارند، استفاده از اين جعبه دنده ها به تنهايي نمي تواند گزينه مناسبي باشد. تحت چنين شرايط عملکردي اگر فاصله نسبت انتقال دنده ها خيلي زياد باشد، در حين تعويض دنده دور موتور به شدت افت مي کند و بازيافت گشتاور دوباره موتور به کندي صورت مي گيرد؛ بنابراين براي کمتر کردن اثرات ناشي از اين افت دور در هنگام تعويض دنده به فاصله هاي کوچکتري از اختلاف افزايش نسبت دنده اي نياز است. با دو برابر کردن تعداد نسبت دنده ها اثرات افت دور موتور در حين تعويض دنده کاهش مي يابد.

جهت تحقق اين امر و افزايش تعداد نسبت انتقال مي توان از تعداد چرخدنده هاي بيشتر با نسبت انتقالهاي گوناگون در گيربکس استفاده کرد، اما استفاده از اين روش به بزرگ و سنگين شدن جعبه دنده مي انجامد. براي جلوگيري از اين امر يک جعبه دنده کوچک دو وضعيتي را به صورت سري با جعبه دنده معمولي 4 سرعته، 5 سرعته و … قرار مي دهند. استفاده از اين جعبه دنده کمکي به اين ترتيب تعداد نسبت انتقال را در جعبه دنده هاي معمولي دو برابر مي کند. در وضعيتهاي بسيار خاص مي توان از جعبه کمکي سه وضعيته استفاده کرد، در اين صورت تعداد دنده هاي جعبه دنده معمولي تا سه برابر افزايش مي يابد که در اينگونه کمکيها معمولاً يکي از نسبتهاي انتقال بسيار کم در نظر گرفته مي شود.

جعبه دنده هاي کمکي مي توانند به دو صورت قبل يا بعد از جعبه دنده اصلي قرار گيرند که طراح با توجه به شرايط مورد نظر خودرو آن را برمي گزيند :

Splitter gear change : در نوع جعبه دنده، جعبه دنده کمکي قبل از جعبه دنده اصلي قرار مي گيرد. در اين حالت جعبه دنده کمکي دو حالت دارد، حالت اول که نسبت انتقال مستقيم است و گشتاور ورودي از موتور بدون تغيير به جعبه دنده اصلي مي رسد و حالت دوم که نسبت انتقال ناشي از اين دنده تقريباً 1 : 4/1 – 2/1 است. (شکل2-10)

شکل2-10 جعبه دنده کمکي از نوعSplitter  و ترتيب تعويض دنده ها در اين نوع جعبه دنده

Range gear change : در اين نوع جعبه دنده، جعبه دنده کمکي بعد از جعبه دنده اصلي قرار مي گيرد. جهت تعويض دنده در اين نوع جعبه دنده ها ابتدا دنده کمکي را در حالت low قرار داده و دنده هاي اصلي را به ترتيب تغيير مي دهيم، سپس دنده کمکي را در حالت انتقال مستقيم يا high قرار داده و دوباره دنده هاي اصلي را به ترتيب عوض مي کنيم. (شکل2-11)

شکل2-11 جعبه دنده کمکي از نوعrange   و ترتيب تعويض دنده ها در اين نوع جعبه دنده

هر دو نوع جعبه دنده هاي splitter و change مي توانند به صورت چرخدنده هاي ساده يا خورشيدي باشند. همچنين برخي از جعبه دنده ها در صورت نياز مي توانند از جعبه دنده هاي splitter و change به صورت همزمان استفاده کنند.

 ) PTO (  Power take-off

PTO در واقع مکانيزمي است که تعدادي شفت محرک را براي بکار انداختن تجهيزات کمکي در برخي از خودروهاي خاص فراهم سازد. اين شفتها مي توانند نيروي محرک  خود را از موتور و توسط دنده هاي تايمينگ سر ميل لنگ بگيرند؛ اما معمولاً در اکثر سيستمها اين نيرو را از قسمتي از جعبه دنده مي گيرند. کابردهاي مرسوم PTO ها شامل موارد زير هستند؛ مانند : پمپهاي هيدروليکي، کمپرسورها، ژنراتورها، بالابرها، جرثقيل ها، چرخ لنگرهاي دوار، قرقره هاي شيلنگ آتش نشاني، دستگاههاي مخلوط کننده، تيغه هاي ماشين برف روب و ديگر مکانيزمهاي مکانيکي که به منبع جداگانه اي از قدرت محرکه نياز دارند.

قدرت محرک PTO  مي تواند توسط يکي از دنده هاي روي lay shaft  فراهم شود و يا اينکه شفت مربوطه مستقيماً به انتهاي lay shaft متصل شود و چرخش خود را يکسره از خود شفت بگيرد. (شکل2-12) PTO ها بسته به نوع استفاده مي توانند به صورت تک سرعته يا دو سرعته کار کنند. در واقع سيستمي مانند جعبه دنده هاي کمکي در اين مورد نيز مورد استفاده قرار مي گيرد که فراهم آورنده دو سرعت متفاوت مي باشد. جهت دستيابي به سرعت دلخواه شفت نسبت دنده ها در اين مورد نيز مي تواند به صورت دلخواه انتخاب شوند.

شکل2-12 جعبه دنده بهمراه PTO هايي که قدرت خود را از دنده ها مي گيرند.

 
اوردرايو (Over drive)

وقتي جعبه دنده هاي استاندارد را در دنده بالا قرار مي دهيم، نسبت انتقال يك به يك است. در جاده هاي سرازيري در صورتيكه موتور اتومبيل قدرت كافي را داشته باشد و سرعت نيز در حد معقولي باشد موتور قادر خواهد بود كه اتومبيل را با نسبت تبديل كمتر از واحد نيز به حركت در آورد. براي اين منظور در گيربکس بعضي از اتومبيل ها وسيله اي بنام اوردرايو پيش بيني شده است. اوردرايو يا فوق سرعت يك سيستم مكانيكي است كه به انتهاي جعبه دنده هاي معمولي بسته مي شود. محور خروجي جعبه دنده محور ورودي اوردرايو را به حركت در مي آورد. اوردرايو شامل يك مجموعه دنده سياره اي است که بوسيله آن مي توان نسبت تبديل پايين تر از يک را بدست آورد.

يكي از مزاياي مهم اوردرايو آن است كه با استفاده از آن مي توان با ثابت نگهداشتن سرعت اتومبيل، دوران موتور آنرا تا حدود 30 درصد تنزل داد. طبعاً استفاده از اوردرايو سبب کاهش مصرف سوخت در ماکزيمم سرعت مي شود. اوردرايو با توجه به صحت عوامل زير عمل رضايت بخشي را ارائه خواهد كرد :

1- موتور اتومبيل قدرت كافي را داشته باشد.

2- سرعت اتومبيل در حد كافي باشد.

3- جاده تقريباً مسطح يا سرازير باشد

شکل2-13 اثرات اوردرايو بر روي عملکرد موتور 

استفاده از اوردرايو به خودي خود موجب تضمين سرعت حداكثر نخواهد بود. با افزايش سرعت اتومبيل مقاومت باد به سرعت زياد مي شود. در سرعت هاي خيلي زياد اثرات مقاومت ناشي از باد را مي توان با اثر بازدارندگي در يك سربالايي شيب تند قابل قياس دانست. در اين موقع است كه ديگر نمي توان دنده بالا يا اوردرايو را يك امتياز محسوب آورد و بايستي براي كار صحيح موتور اتومبيل را به يك دنده پايين تر منتقل ساخت. در شکل 2-13 نمودار مربوط به اثرات اوردرايو بر روي عملکرد موتور مي توان مشاهده کرد. ملاحظه مي شود که از اثرات اوردرايو کاهش مصرف سوخت و همچنين افزايش گشتاور موتور در ماکزيمم سرعت مجاز است. براي فراهم کردن چنين شرايطي و اضافه کردن اوردرايو به جعبه دنده هاي معمولي معمولاً از ترکيبهاي چرخدنده هاي سياره اي استفاده مي کنند. يک مجموعه خوشيدي يا سياره اي شامل يک دنده خورشيدي يا دنده مرکزي است که با دنده هاي هرز گرد سياره اي يا پينيونها که روي محور نگهدارنده يا بازو قرار گرفته اند، احاطه شده است؛ حرکت دوراني مي کنند و بطور دائم درگير مي باشند. پينيونها نيز در داخل دنده داخلي يا رينگ (به اين دليل به اين نام خوانده مي شود که محيط دايره از داخل دندانه دار شده است) احاطه شده و بطور دائم با اين دنده هاي سياره اي در گير مي باشند. (شکل2-14)

شکل2-14 نمونه ساده اي از چرخ دنده سياره اي واجزاي آن    

اگر يک عضو از مجموعه چرخدنده سياره اي ثابت نگهداشته شود و عضو ديگر بچرخد، حاصل کار افزايش سرعت، کاهش سرعت يا چرخش معکوس خواهد بود. نتيجه کار بستگي به اين دارد که کدام عضو ثابت مانده و کدام عضو بچرخد.

در صورت عدم نياز به اوردرايو مي توان آنرا در وضع قفل شده قرار داد. وقتي دو قسمت از مجموعه دنده سياره اي بهم قفل شوند، مجموعه قادر به تغيير گشتاور يا دوران نبوده و همه آن به صورت يك واحد يكپارچه دوران خواهد كرد.

  سيستم انتقال قدرت اتوماتيک

چون دستيابي به يک سيستم انتقال نرم و بدون صدا با استفاده از جعبه دنده هاي دستي مرسوم که در بالا اشاره شد، امکان پذير نمي باشد، بنابراين در جعبه دنده هاي اتوماتيک نيز همانند آنچه قبلاً براي اوردرايو گفته شد از سيستم چرخدنده خورشيدي استفاده مي شود. علاوه بر آن، اين نوع سيستم جعبه دنده اي مزاياي زيادي دارد:

1- تمام اعضا مجموعه خورشيدي برروي يک محور اصلي قرار دارند و در نتيجه همه آنها در يک مجموعه قرار گرفته اند.

2- دنده هاي خورشيدي هميشه بطور ثابت با هم در گير مي باشند و امکان حذف دنده و يا شکستن و سرو صدا کمتر وجود دارد و هم چنين تعويض دنده، سريع و بطور خودکار و بدون افت قدرت انجام مي گردد.

3- دنده هاي خورشيدي نسبت به جعبه دنده هاي استاندارد مي توانند سخت تر و قويتر باشند و بارهاي گشتاوري را بطور سريع منتقل نمايند و داراي حجم کمتري باشند. به اين دليل که گشتاور از ميان دنده هاي سياره اي عبور مي نمايند و نيرو بين چند دنده سياره اي تقسيم مي گردد، قدرت انتقال افزايش مي يابد.

4- موقعيت اعضا مجموعه سياره اي براي نگهداشتن يا درگيري و قفل نمودن آنها با يکديگر براي تعويض دنده ها نسبت به هم رابطه ساده اي دارند.

در جعبه دنده هاي اتوماتيک حتماً بايد از کلاچ هيدروليکي و مبدل گشتاور بجاي کلاچ اصطکاکي استفاده کرد. ساختمان و نحوه عمل اين مبدلها در قسمت کلاچها توضيح داده شد.

اغلب اين جعبه دنده هاي خودکار سه يا چهار دنده براي حرکت رو به جلو دارند. اين جعبه دنده ها در وضعيتهاي پارک، خلاص و دنده عقب نيز قرار مي گيرند. در اين خودروها دنده چهار معمولاً اوردرايو است. در بعضي از جعبه دنده هاي خودکار که شش دنده اند، دنده پنج اوردرايو است. خودروهايي که جعبه دنده خودکار دارند، معمولاً با دنده يک به راه مي افتند. سپس جعبه دنده به دنده هاي دو، سه و چهار مي رود. تعويض دنده ها و قفل شدن مبدل گشتاور بدون کمک راننده انجام مي شود. با افزايش سرعت خودرو، دنده ها تعويض مي شود و بار موتور کاهش مي يابد. راننده براي کاهش سرعت خودرو و متوقف کردن آن پايش را از روي پدال گاز برمي دارد و در صورت نياز ترمز مي گيرد. در اين حالت جعبه دنده مبدل گشتاور را خلاص مي کند و به صورت خودکار دنده معکوس مي رود؛ هنگامي که خودرو متوقف مي شود، جعبه دنده در دنده يک است. در اين حالت به کلاچي که با پا بکار مي افتد نيازي نيست. بکسواد کردن مبدل گشتاور اين امکان را مي دهد که حتي حين درگيري جعبه دنده نيز موتور درجا کار کند.

شکل کلي نمونه اي از اين جعبه دنده ها را در پايين مشاهده مي کنيد. همانطور که ملاحظه       مي شود براي دستيابي به دنده مورد نظر بايد تعدادي از دنده هاي خورشيدي، پينيونها، بازوها يا رينگها ثابت يا بهم قفل شوند. براي بوجود آمدن اين شرايط، يکسري عملگر (مانند کلاچهاي يکطرفه، بستهاي قفل کننده و کلاچهاي چند صفحه اي) وجود دارد که با قفل شدن يا آزاد شدن هريک از آنها توسط سيستم کنترلي، تعدادي از دنده ها قفل شده و اتومبيل در دنده مورد نظر قرار مي گيرد.

در شکل2-15 نمونه اي از اين گيربکسهاي اتوماتيک بهمراه عملگرهاي آن را مشاهده مي کنيد. بعنوان مثال براي قرار گرفتن گيربکس در دنده يک، بايد کلاچهاي DC و FC و همچنين کلاچ يکطرفه OWC قفل شوند. براي ديگر دنده ها نيز به همين ترتيب عملگرهاي ديگر عمل مي کنند.  

One Way Clutch OWC	Brake (L+R)B	Brake ODB	Clutch FC	Brake 2GB	Clutch (H+R)C	ClutchDC
applied	-	-	applied	-	-	applied	First D
-	applied	-	applied	applied	-	applied	Second D
-	-	-	applied	-	applied	applied	Third D
-	-	applied	applied	-	applied	-	Fourth D
-	applied	-	-	-	applied	applied	Reverse R

  شکل2-15شکل شماتيکي ازگيربکسهاي اتوماتيک بهمراه عملگرهای آن

سيستم کنترل هيدروليکي جعبه دنده اتوماتيک

سيستم هيدروليکي، سيال تحت فشار لازم براي بکار انداختن جعبه دنده خودکار را تامين مي کند. کلاً سيستم هيدروليکي کارهاي زير را انجام مي دهد:

سيال را به مبدل گشتاور مي رساند.

سيال تحت فشار را بسوي پمپ بست قفل کننده و کلاچهاي چند صفحه اي هدايت مي کند.

قطعات داخلي را روغنکاري مي کند.

مبدل گشتاور و ساير قطعات را خنک مي کند.

همانطور که ديديم عمل تعويض دنده يا تغيير کارکرد عملگرها در اين نوع جعبه دنده ها به صورت خودکار و بدون دخالت راننده انجام مي پذيرد. جهت نيل به اين مقصود بايد اطلاعاتي از وضعيت حال حاضر خودرو در دسترس باشد، تا سيستم کنترلي بتواند بر اساس اين اطلاعات تصميم گيري نمايد. اين اطلاعات که در واقع زمان تعويض دنده را مشخص مي کنند از سه طريق بدست مي آيند :

 دور خروجي جعبه دنده

 دور موتور

 بار موتور (ميزان گشودگي دريچه گاز)

هر کدام از اين عوامل فشارهاي متغيري را در مسير هيدروليکي سيستم کنترلي ايجاد مي کنند که در نتيجه تاثير اين فشارها برروي شيرهاي هيدروليکي در سر راه و نهايتاً برروي بستهاي قفل کننده و کلاچهاي چند صفحه اي و تغيير وضعيت هر يک از آنها، مي تواند دنده خودرو عوض شود.

در شکل 2-16 شماي کلي از اين سيستم کنترل را بهمراه اجزاي عمل کننده آن مشاهده مي کنيد.

 

شکل2-16 اجزاي سيستم کنترل در ارتباط با يکديگر و نحوه عمل عملگرها

  بست قفل کننده (band brake)

بست قفل کننده در واقع کفشک ترمزي است که دور يک کاسه کلاچ فلزي مي پيچد. بست قفل کنده با ماده اي از جنس لنت ترمز پوشانيده مي شود. وقتي اين بست روي کاسه کلاچ فشرده مي شود، کاسه کلاچ و چرخدنده خورشيدي از چرخش باز مي ايستند و ثابت مي شوند. يک سر بست قفل کننده به پوسته جعبه دنده متصل است و سر ديگر آن با يک پمپ در ارتباط است. (شکل2-17) پمپ وسيله اي در سيستم هيدروليک است که فشار هيدروليکي را به حرکت مکانيکي تبديل مي کند. وقتي فشار هيدروليکي سيال تحت فشار به پشت پيستون پمپ هدايت مي شود، پيستون به حرکت در مي آيد. پيستون بر نيروي فنر پمپ غلبه کرده و به ضامن بست، فشار وارد مي آورد. در نتيجه بست قفل کننده به کار مي افتد. جهت آزاد کردن بست نيز فشار روغن از پشت پيستون برداشته مي شود.

شکل2-17 بست قفل کننده

کلاچ چند صفحه اي (multiple clutch)

اين کلاچ که شامل چند صفحه کلاچ مي باشد در داخل کاسه کلاچ قرار دارد. اين صفحه ها يک در ميان فولادي و اصطکاکي اند. صفحه هاي فولادي لختند اما هر دو طرف صفحه هاي اصطکاکي لنت کوبي شده اند. صفحه هاي فولادي با هزارخاربه کاسه کلاچ متصلند. صفحه هاي لنت کوبي شده با هزارخار به يک توپي در کلاچ متصلند تا مجموعه چرخدنده سياره اي را کنترل کند. (شکل2-18) براي درگير کردن کلاچ، فشار روغن به پشت پيستون کلاچ هدايت مي شود، در نتيجه پيستون به حرکت در مي آيد و صفحه ها را به هم مي فشارد. صفحه ها چرخدنده خورشيدي را به بازو قفل مي کنند. در اين حالت مجموعه چرخدنده سياره اي بصورت واحدي يکپارچه مي چرخد.

شکل2-18 کلاچ چند صفحه اي 

گاورنر

گاورنر وسيله اي حساس به سرعت است که فشار هيدروليکي را متناسب با سرعت محور خروجي تغيير مي دهد. فشار گاورنر تعويض دنده را متناسب با سرعت خودرو کنترل مي کند. گاورنر حرکت خود را از محور خروجي جعبه دنده مي گيرد. فشار لوله اصلي توسط پمپ به گاورنر مي رسد. وقتي محور خروجي آهسته مي چرخد، نيروي گريز از مرکز تاثير اندکي بر وزنه هاي گاورنر دارد. در اين حالت گاورنر فشار مختصري را به يکطرف شير راه دهنده وارد مي کند. با افزايش سرعت محور خروجي و خودرو، وزنه ها به طرف خارج متمايل مي شوند. در نتيجه شير گاورنر بيشتر باز شده و فشار گاورنر افزايش مي يابد.

 

سيستم انتقال قدرت پيوسته متغير (CVT)    (نویسنده و گردآورنده علی شمسی)

ايده استفاده از سيستمهاي انتقال قدرت پيوسته متغير از سالها قبل مطرح شده بود ولي تنها در چند سال اخير سازندگان اتومبيل به آن رو آورده اند. بر خلاف سيستم هاي انتقال متداول دستي يا اتوماتيک درCVT ، نسبت دنده هاي مجزا با نسبتهاي قابل تنظيم پيوسته جايگزين مي شود. سيستم CVT مي تواند به طور ثابت نسبت دنده خود را براي بهبود راندمان موتور و ايجاد يک منحني گشتاور- سرعت مناسب تغيير دهد. اين ويژگي باعث بهبود مصرف سوخت و نيز شتاب گيري در مقايسه با سيستم هاي انتقال قدرت متداول مي شود.

علي رغم اينکه يک دهه است که سيستم CVT در اتومبيلها استفاده مي شود، ولي محدود بودن گشتاور و پايين بودن قابليت اطمينان آنها بکارگيري اين سيستم را محدود کرده است.

 

انواع CVT

اصولاً CVT ها سه جز اساسي دارند :

يک تسمه لاستيکي يا فلزي با توان کششي بالا

يک قرقره متغير ورودي

يک قرقره متغير خروجي

CVT ها همچنين ريزپردازنده ها و سنسورهايي نيز دارند اما اجزاي اصلي و کليدي آنها همان سه مورد بالا مي باشد. امروزه تحقيقات زيادي بر روي انواع گوناگوني از سيستمهاي انتقال قدرت پيوسته متغير انجام شده که برخي از آنها عبارتند از : CVT نوع تسمه فشاري ، CVT نوعtoroidal  يا محرک کششي ،CVT نوع تسمه اي الاستومر با قطر متغير ، CVT با هندسه متغير و CVT نوع محرک کششي انحرافي و انواع ديگري که تحقيقات روي آنها ادامه دارد.

  CVT  نوع تسمه فشاري

در اين نوع که پر کاربردترين نوع از سيستمهاي CVT است، يک تسمه توان را بين دو قرقره مخروطي که يکي ثابت و ديگري متحرک است، منتقل مي کند. هر قرقره از دو مخروط با زوايايي حدود 20 درجه تشکيل مي شود که يک تسمه V شکل نيز روي شيار بين دو قرقره سوار مي شود. بسته به فاصله بين مخروطهاي هر قرقره مقدار دور تسمه روي هر قرقره مشخص مي شود. (شکل2-19) چنانچه دو مخروط به هم نزديک باشند، قطر حلقه تسمه روي آن قرقره زياد و اگر مخروطها از هم دور شوند، قطر حلقه کم مي شود. وقتي قطر يک قرقره افزايش مي يابد، قطر طرف ديگر کاهش مي يابد تا سفتي تسمه حفظ شود. جهت اعمال نيروي لازم براي تنظيم فاصله بين مخروطهاي هر قرقره مي توان از فشار هيدروليک، نيروي گريز از مرکز يا فنرهاي کششي استفاده کرد.

شکل2-19 CVT  نوع تسمه فشاري

 همانطور که ديديم به صورت تئوري و با استفاده از اين روش بينهايت نسبت انتقال مي توان ساخت. در واقع مي توان گفت شايد بهترين گزينه براي سيستم انتقال قدرت همين CVT باشد. اما بايد توجه داشت که تسمه مي تواند بلغزد يا کش بيايد که اين خود سبب افت راندمان مي گردد. اما با استفاده از مواد جديد در ساخت تسمه ها اين افت را حتي الامکان کاهش داده اند. يکي از مهمترين پيشرفتها در اين زمينه استفاده از تسمه هاي فولادي است. (شکل2-20) اين تسمه هاي انعطاف پذير از چندين نوار باريک فلزي (بين 9-12) که بصورت محکمي روي هم قرار گرفته اند تشکيل شده است. اين تسمه هاي فلزي نمي لغزند و دوام بالايي دارند و امکان انتقال گشتاورهاي بزرگتري با استفاده از آنها وجود دارد. اين تسمه ها همچنين کم سروصدا تر از تسمه هاي لاستيکي کار مي کنند.

شکل2-20 مدلي از تسمه هاي فولادي مورد استفاده در CVT  نوع تسمه فشاري  

در اين نوع CVT  يک سنسور، خروجي موتور را حس کرده و سپس يک مدار برقي فاصله بين قرقره ها و در نتيجه کشش تسمه را افزايش يا کاهش مي دهد. تغيير پيوسته فاصله بين قرقره ها مشابه عمل تعويض دنده مي باشد.

CVT نوعtoroidal   يا محرک کششي

در اين نوع ازCVT قرقره ها و تسمه ها توسط ديسکها و غلتکهاي انتقال قدرت جايگزين مي شوند. اگرچه اين سيستم کاملاً متفاوت از سيستم قبل بنظر مي آيد، ولي همه اجزا آن قابل مقايسه با CVT از نوع تسمه فشاري مي باشد. به اين صورت که :

يک ديسک به موتور متصل است که در واقع معادل قرقره محرک است.

ديسک ديگر به شفت متحرک متصل است که معادل قرقره متحرک است.

غلتکها نيز بين ديسکها عمل مي کنند، همانند تسمه که در شيار بين قرقره ها قرار دارد.

غلتکها در امتداد دو محور مي چرخند. آنها حول محور افقي گردش مي کنند و حول محور عمودي کج مي شوند که اين امر سبب مي شود که غلتکها با ديسک در سطوح مختلف تماس پيدا کنند و همين سبب ايجاد نسبتهاي انتقال گوناگون مي شود. مثلاً هنگاميکه يکي از لبه هاي غلتکها با نقطه با قطر کم ديسک محرک در تماس باشد، لبه ديگر غلتکها بايستي نقطه با قطر زياد ديسک متحرک را لمس مي کند؛ که نتيجه آن کاهش در سرعت و افزايش گشتاور است و برعکس. (شکل2-21)

شکل2-21 CVT نوعtoroidal   يا محرک کششي در حالتهای مختلف از انتقال قدرت

  CVT نوع تسمه اي الاستومر با قطر متغير

در اين نوع CVT ، از يک تسمه مسطح و انعطاف پذير که روي تکيه گاههاي متحرک قرار گرفته استفاده مي شود. اين تکيه گاهها مي توانند شعاع را تغيير داده و در نتيجه نسبت انتقال نيرو را عوض کنند. (شکل2-22) با اين وجود، در نسبتهاي دنده بالا تکيه گاهها جدا شده و يک مسير ناپيوسته دنده را ايجاد مي کنند که منجر به مشکلاتي نظير خزش و لغزش مي گردد.

شکل2-22 CVT نوع تسمه اي الاستومر با قطر متغير

انواع ديگر CVT

انواع ديگري از CVT نيز وجود دارد، ولي کاربرد آنها به اندازه نوع فشاري و Toroidal گسترش نيافته است. در نوع محرک کششي انحرافي از يک محور مخروطي و لولا براي تعويض دنده در CVT استفاده مي شود و يا برعکس. به اين ترتيب يک نسبت دنده پيوسته ايجاد مي شود.

در CVT با هندسه متغير از چرخ دنده هاي خورشيدي قابل تنظيم براي تغيير نسبت دنده ها استفاده مي گردد. اين نوع CVT بيشتر شبيه CVT هاي متداول و سيستم انتقال قدرت معمولي قابل انعطاف مي باشد.

مزاياي CVT

 رانندگان اغلب با تعويض نرم دنده مواجه نيستند، ولي در سيستم CVT عمل تغيير نسبت انتقال به نرمي صورت مي گيرد، بنحوي که راننده يا مسافران تنها شتاب گرفتن اتومبيل را احساس مي کنند. از نظر تئوري،CVT باعث خرابي کمتر موتور و انتقال مطمئن تر توان خواهد شد، در حاليکه تعويض سريع دنده و دنده هاي مجزا باعث مي شود که موتور در سرعتي غير از سرعت بهينه کار کند. علاوه بر اين سيستم CVT راندمان و عملکرد بهتري دارد. در شکل2-23 راندمان انتقال توان يک گيربکس پنج سرعته (درصد توان منتقل شده موتور توسط سيستم انتقال) آورده شده است. راندمان متوسط اين گيربکس 86 درصد و راندمان متوسط يک گيربکس دستي 97 درصد مي باشد. در شکل2-24 نيز محدوده راندمان چند نوع سيستم CVT جهت مقايسه با راندمان گيربکس آورده شده است.

شکل2-23

شکل2-24 محدوده راندمان چند نوع سيستم CVT

مشاهده مي شود که راندمان سيستم هاي CVT نسبت به گيربکسهاي اتوماتيک بهتر است. علاوه بر اين به دليل اينکه سيستمهاي CVT اين امکان را براي موتور فراهم مي کنند که بتوانند صرف نظر از سرعت خودرو در نقطه طراحي کار کنند، مصرف سوخت اتومبيل نيز کاهش يافته و در نقطه بهينه قرار مي گيرد. آزمايشات نشان مي دهد که مصرف سوخت با استفاده از CVT ، 10 درصد کمتر از مصرف سوخت با استفاده از يک گيربکس چهار سرعته اتوماتيک مي باشد.

 معايب CVT

 توسعه سيستم هاي CVT به دلايل مختلفي کند بوده است. از جمله اينکه به دليل عملکرد مطلوب گيربکسهاي دستي و اتوماتيک و کاهش مصرف سوخت با استفاده از آنها نيازي به سيستم هاي CVT احساس نمي شد. يکي از معايب اصلي مدلهاي اوليهCVT ، لغزش بين تسمه و غلتک آنها بود، زيرا فاقد دندانه بوده و نمي توانستند يک اتصال مکانيکي صلب را ايجاد کنند. محرکهاي اصطکاکي معمولاً در معرض لغزش هستند، مخصوصاً در گشتاورهاي بزرگ. در مدلهايي از CVT که در سالهاي 1950 و 1960 استفاده مي شد، موتورها براي جبران لغزش، در دورهاي بالاتري کار مي کردند، به خصوص هنگام شتاب گيري از حالت سکون و گشتاور ماکزيمم. يکي از راه حلهاي ساده براي اين مشکل، استفاده از CVT در اتومبيلهايي است که موتور آنها گشتاور کمي توليد مي کنند. شايد بيشتر از هر علتي، هزينه اين نوع سيستمها مانع از رشد و توسعه آنها شده است.  

References :

 -  ” Automobile Engineering “    by   Dr. KIRPAL SINGH

-   ” Automobile Engineering “   by    K.K.JAIN

-   ” Advanced  Vehicles Technology “     by    HEINZ HEISLER

-  ” The Motor Vehicle “    by   T.K. GARRETT

-   ” Automotive Mechanics “   by   WILLIAM  HARRY CRUISE

 -  www.howstuffworks.com

-  www.carbibles.com

-  www.cvt.org

-  www.swri.edu/3pubs/ttoday/summer00/cvt.htm