همه‌چيز درباره گيربكس اتوماتيك يا جعبه دنده خودكار
اگر تاكنون پشت فرمان يك خودروي مجهز به جعبهدندهي خودكار نشسته باشيد، حتما متوجه دو تفاوت عمده ميان جعبه‌دنده‌هاي دستي و خودكار شده‌ايد:
جعبه‌دنده‌هاي خودكار (به همراه مبدل گشتاور) و جعبه‌دنده‌هاي دستي (به همراه كلاچ) هر دو يك نتيجه را حاصل مي‌كنند، اما اين كار را به دو روش كاملا متفاوت انجام مي‌دهند. در اين ميان نحوه ي عملكرد جعبه‌دنده‌هاي خودكار بسيار شگفت‌انگيز است.
در اين مقاله سعي داريم با جزئيات نحوه‌ي عملكرد جعبه‌دنده‌هاي خودكار آشنا شويم. به همين منظور كار خود را با آشنايي با مفهوم نسبت دنده و چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي آغاز مي‌كنيم، سپس به مطالعه نحوه‌ي كاركرد اجزا كنار هم مي‌پردازيم و ياد مي‌گيريم كه سيستم‌هاي كنترلي اين جعبه‌دنده‌ها چگونه عمل مي‌كنند و چه پيچيدگي‌هاي در كنترل يك جعبهدندهي خودكار وجود دارد.
نسبت دنده
در سيستم‌هاي مكانيكي از چرخ‌دنده‌ها براي تغيير سرعت يا جهت دوران شفت‌ها استفاده مي‌شود. براي اين منظور حداقل دو چرخ‌دنده كه دندانه‌هايشان با يكديگر درگيرند روي شفت‌هاي ورودي و خروجي نصب مي‌شوند. نسب دنده به‌طور ساده نسبت تعداد دور چرخش چرخدندهي محرك به تعداد دور چرخش چرخدندهي متحرك است.
هدف از ساخت جعبهدندهي خودكار
درست مانند جعبه‌دنده‌هاي دستي، وظيفه‌ي اصلي جعبه‌دنده‌هاي خودكار توليد بازه‌ي وسيعي از سرعت و گشتاور با وجود بازه‌ي كوچك سرعت و گشتاور توليدي توسط پيشرانه است. به بيان ديگر، هر پيشرانه بازه‌ي محدودي از سرعت و گشتاور را توليد مي‌كند كه جعبه‌دنده با كمك چرخ‌دنده‌ها يا سيستم‌هاي مشابه اين بازه را وسيع‌تر مي‌كند.
بدون سيستم جعبه‌دنده خودروها به يك نسبت دنده محدود مي‌شوند و اين نسبت دنده بايد به گونه‌اي باشد كه به خودرو اجازه دهد با حداكثر سرعت مورد انديشه متخصصين حركت كند. براي مثال، اگر قصد داريد حداكثر سرعت خودروي شما ۱۲۸ كيلومتر بر ساعت باشد، نسبت دنده بايد مشابه دنده‌ي ۳ در اكثر جعبه‌دنده‌هاي خودكار باشد.
شايد هيچ‌وقت تا به حال با يك خودروي مجهز به جعبهدندهي دستي، تنها با دنده‌ي ۳ رانندگي نكرده‌ايد. اگر اين كار را كرده باشيد بلافاصله متوجه شده‌ايد كه در آغاز حركت تقريبا هيچ شتابي نداريد و در حداكثر سرعت، پيشرانه‌ي شما در محدوده‌ي قرمز رنگ دور موتور در حال فرياد كشيدن است. خودرويي در اين شرايط به سرعت خراب شده و تقريبا غيرقابل استفاده خواهد شد.
بنابراين سيستم انتقال قدرت از چرخ‌دنده براي استفاده‌ي هرچه مفيدتر از گشتاور پيشرانه و حفظ سرعت آن در يك بازه‌ي مناسب استفاده مي‌كند. در هنگام كشيدن يا حمل بارهاي سنگين، سيستم انتقال قدرت خودرو مي‌تواند به‌حدي جديد شود كه به راحتي روغن جعبه‌دنده را بسوزاند. براي جلوگيري از اين اشكال راننده‌هايي كه شغلشان كشيدن يا حمل‌ونقل بارهاي سنگين است بايد از خودروهاي مجهز به خنك‌كننده‌ي سيستم انتقال قدرت استفاده كنند.
تفاوت كليدي جعبه‌دنده‌هاي دستي و خودكار در اين است كه در جعبهدندهي دستي براي دستيابي به نسبت دنده‌هاي مختلف، مجموعه‌ي چرخ‌دنده‌هاي متفاوتي به محور خروجي پيشرانه قفل مي‌شوند. اين در حالي است كه در جعبهدندهي خودكار تمام نسبت دنده‌هاي مختلف تنها با مجموعه‌اي از چرخ‌دنده‌ها حاصل مي‌شود. اين كار با استفاده از مجموعه‌ي چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي امكان‌پذير شده است.
چرخدندهي سياره‌اي
تصور كنيد مي‌خواهيد نسبت دنده‌ي ۶:۱ را در شفت خروجي توليد كنيد و اين شفت هم جهت با شفت ورودي دوران كند. يك راه‌حل استفاده از مجموعه‌ي چرخ‌دنده‌اي سه‌تايي است كه تصوير آن در زير نشان داده شده است. در اين تصوير قطر چرخدندهي آبي ۶ برابر قطر چرخدندهي زرد رنگ است و در نتيجه نسبت دنده‌ي ۶:۱ را ايجاد مي‌كند. اندازه‌ي چرخدندهي قرمز اهميتي ندارد چراكه اين قطعه تنها وظيفه‌ي معكوس كردن جهت دوران را بر عهده دارد و در نتيجه چرخ‌دنده‌هاي آبي و زرد در يك جهت چرخش مي‌كنند. با اينكه تمام نيازهاي مسئله رفع شده است، اما همان‌طور كه در تصوير مشخص است، شفت‌هاي چرخ‌دنده‌هاي آبي و زرد هم‌محور نيستند و در عوض موازي يكديگرند. حال سؤال اين است كه اگر لازم باشد شفت ورودي و خروجي هم‌محور باشند، در اين حالت از چه سيستمي براي پاسخ‌گويي به شرايط مسئله استفاده كنيم؟ پاسخ استفاده از چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي است.
در تصوير بالا، چرخدندهي زرد رنگ (چرخدندهي خورشيدي) به‌طور هم‌زمان با سه چرخدندهي قرمز رنگ (چرخ‌دنده‌هاي سياره) درگير است و اين چرخ‌دنده‌ها به يك صفحه به نام حامل چسبيده‌اند. چرخ‌دنده‌هاي سياره به بخش داخلي قسمت آبي رنگ (چرخدندهي داخلي يا رينگي) تماس دارند. به دليل وجود اين حالت خاص از چيدمان چرخ‌دنده‌ها، اين مجموعه به‌شدت سفت است. شفت خروجي به چرخدندهي داخلي آبي رنگ (رينگي) متصل است و صفحه‌ي حامل در حال سكون باقي مي‌ماند و در نهايت نسبت دنده‌ي ۶:۱ در اين حالت نيز به‌دست مي‌آيد.
نكته‌ي جالب توجه ديگر درباره‌ي مجموعه‌ي چرخدندهي سياره‌اي اين است كه اين مجموعه با تغيير چرخدندهي ورودي و خروجي و ساكن مي‌تواند نسبت دنده‌هاي متفاوتي ايجاد كند. براي مثال، اگر چرخدندهي خورشيدي به‌عنوان ورودي و شفت خروجي به حامل متصل شود و چرخدندهي رينگي ساكن بماند، نسبت دنده‌ي متفاوتي ايجاد مي‌شود. در يك جعبهدندهي خودكار براي درگير كردن و ساكن نگه‌داشتن چرخ‌دنده‌هاي مختلف در مجموعه‌ي سياره‌اي از كلاچ‌ها و تسمه‌هاي مهار اصطكاكي استفاده مي‌شود.
كاربرد مجموعه‌ي چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي در جعبهدندهي خودكار
هنگامي‌كه اجزاي يك جعبهدندهي خودكار را جدا كنيد، مجموعه‌اي عظيم از اجزاي مختلف را مي‌بينيد كه در فضايي تقريبا كوچك جاسازي شده‌اند. اصلي‌ترين اجزايي كه خواهيد ديد عبارت‌اند از:
كانون توجه ما به سيستم چرخدندهي سياره‌اي معطوف مي‌شود. اين قطعه كه تقريبا به اندازه‌ي يك طالبي است، تمام نسبت دنده‌هاي متفاوت را توليد مي‌كند. ساير اجزاي موجود در سيستم انتقال قدرت خودكار براي كمك به چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي است تا آن را قادر سازد وظيفه‌اش را به بهترين شكل به انجام برساند. يك سيستم انتقال قدرت خودكار از دو مجموعه‌ي چرخدندهي سياره‌اي تشكيل شده است كه با يكديگر يك قطعه را تشكيل مي‌دهند.
هر چرخدندهي سياره‌اي از سه جز اصلي تشكيل شده است:
۱. چرخدندهي خورشيدي
۲. چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي و صفحه‌ي حامل آن‌ها
۳. چرخدندهي داخلي (رينگي)
هر يك از اين چرخ‌دنده‌ها مي‌تواند به‌عنوان محرك، متحرك يا ثابت عمل كند. اينكه كدام چرخ‌دنده چه نقشي را بر عهده بگيرد اساس توليد نسبت دنده‌هاي متفاوت است. براي درك بهتر به يك مجموعه‌ي چرخدندهي سياره‌اي نگاه مي‌اندازيم.
نسبت دنده در چرخدندهي سياره‌اي
چرخدندهي رينگي يك مجموعه‌ي سياره‌اي ۷۲ دندانه و چرخدندهي خورشيدي آن ۳۰ دندانه دارد. مي‌توانيم از اين مجموعه نسبت دنده‌هاي متفاوتي توليد كنيم.
نسبت دنده | محاسبه | ثابت | خروجي | ورودي | |
|---|---|---|---|---|---|
3.4:1 | 1+R/S | Ring ( R ) | Planet Carrier ( C ) | Sun ( S ) | A |
0.71:1 | 1/(1+S/R) | Sun ( S ) | Ring ( R ) | Planet Carrier ( C ) | B |
2.4:1- | -R/S | Planet Carrier ( C ) | Ring ( R ) | Sun ( S ) | C |
همچنين، قفل كردن هم‌زمان هر يك از دو چرخ‌دنده باعث توليد نسبت دنده‌ي ۱:۱ مي‌شود. توجه داشته باشيد كه اولين نسبت دنده در جدول بالا يك نسبت كاهنده است، به اين معني كه سرعت خروجي از سرعت ورودي كم‌تر است. نسبت دوم نسبت فزاينده است به اين معني كه سرعت خروجي از سرعت ورودي بيشتر است. آخرين نسبت يك نسبت كاهنده در خلاف جهت چرخش شفت ورودي است. چندين نسبت دنده‌ي ديگر نيز مي‌توان با استفاده از اين چرخدندهي سياره‌اي نمونه به دست آورد، اما اين نسبت‌ها براي جعبهدندهي خودكار ما كافي است.
با كنار هم قرار دادن دو مجموعه‌ي چرخدندهي سياره‌اي مي‌توان چهار دنده‌ي جلو و يك دنده‌ي عقب مورد نياز براي يك جعبهدندهي معمول را ايجاد كرد.
چرخدندهي سياره‌اي مركب
در يك جعبهدندهي خودكار استاندارد به‌طور معمول دو مجموعه‌ي چرخدندهي سياره‌اي تعبيه شده است كه به كل اين مجموعه، چرخدندهي سياره‌اي مركب مي‌گويند. نحوه‌ي عملكرد چرخدندهي سياره‌اي مركب درست شبيه چرخدندهي سياره‌اي ساده است و تنها تفاوت در تعداد چرخ‌دنده‌هاي تعبيه شده است. چرخدندهي سياره‌اي مركب از يك چرخدندهي داخلي (رينگي) كه هميشه به‌عنوان خروجي عمل مي‌كند، دو چرخدندهي خورشيدي و دو سري چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي تشكيل شده است.
تصوير زير مجموعه‌اي از چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي درون حامل را نشان مي‌دهد. توجه داشته باشيد كه چرخدندهي سياره‌اي سمت راست پايين‌تر از چرخدندهي سياره‌اي سمت چپ قرار مي‌گيرد. چرخدندهي سمت راست با چرخدندهي داخلي درگير نمي‌شود و تنها با چرخدندهي سياره‌اي ديگر درگير است. چرخدندهي سياره‌اي سمت چپ با چرخدندهي داخلي درگير است.
در تصوير بعد مي‌توانيد درون حامل را مشاهده كنيد. چرخ‌دنده‌هاي كوچك‌تر تنها با چرخدندهي خورشيدي كوچك درگيرند. چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي بزرگ با چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر و سياره‌هاي كوچك‌تر درگيرند.
دنده‌ي يك
در دنده‌ي يك، چرخدندهي خورشيدي كوچك‌تر توسط توربين موجود در مبدل گشتاور به‌صورت ساعت‌گرد مي‌چرخد. صفحه‌ي حامل سعي مي‌كند به‌صورت پادساعت‌گرد بچرخد، اما توسط كلاچ يك‌طرفه (كه تنها اجازه‌ي چرخش به‌صورت ساعت‌گرد را مي‌دهد) در حالت سكون باقي مي‌ماند و چرخدندهي داخلي (رينگي) خروجي را منتقل مي‌كند. چرخدندهي كوچك ۳۰ دندانه و چرخدندهي داخلي ۷۲ دندانه دارد، بنابراين نسبت دنده برابر است با:
نسبت دنده = -R/S = -72/30 = -2.4:1
بنابراين جهت چرخش معكوس ورودي است، اما در حقيقت جهت چرخش خروجي با جهت چرخش ورودي يكسان است و دليل آن در استفاده از چرخدندهي سياره‌اي مركب نهفته است. چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي اول با چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي دوم درگير هستند كه سري دوم چرخدندهي داخلي را مي‌چرخاند. اين تركيب سبب معكوس شدن جهت حركت مي‌شود. همچنين مي‌توانيد ببينيد كه اين امر مي‌تواند سبب گردش چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر شود، اما به اين دليل كه كلاچ تعبيه شده براي اين بخش آزاد است، چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر مي‌تواند آزادانه در خلاف جهت چرخش توربين بچرخد.
دنده‌ي دو
اين جعبهدندهي نمونه براي رسيدن به نسبت دنده‌ي مورد نياز در دنده‌ي دوم عملكرد شگفت‌انگيزي دارد. براي دستيابي به اين نسبت دنده دو مجموعه‌ي چرخدندهي سياره‌اي توسط يك صفحه‌ي حامل معمولي به يكديگر متصل مي‌شوند.
اولين مرحله از حامل در حقيقت از چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر به‌عنوان چرخدندهي داخلي استفاده مي‌كند. بنابراين مرحله‌ي اول شامل چرخدندهي خورشيدي (چرخدندهي خورشيدي كوچك‌تر)، صفحه‌ي حامل و چرخدندهي داخلي (چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر) خواهد بود.
چرخدندهي محرك چرخدندهي خورشيدي كوچك‌تر است، چرخدندهي داخلي (چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر) توسط تسمه‌ي مهار در حالت سكون نگه داشته مي‌شود و صفحه‌ي حامل به‌عنوان چرخدندهي متحرك عمل مي‌كند. در اين مرحله فرمول محاسبه‌ي نسبت دنده به‌صورت زير درمي‌آيد:
1+ R/S = 1 + 36/30 = 2.2:1
اين نتيجه به آن معنا است كه صفحه‌ي حامل به ازاي هر دور چرخش چرخدندهي خورشيدي كوچك ۲.۲ دور مي‌زند. در مرحله‌ي دوم صفحه‌ي حامل به‌عنوان محرك براي مجموعه‌ي چرخدندهي سياره‌اي دوم عمل مي‌كند. چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر كه در حالت سكون نگه داشته مي‌شود به‌عنوان چرخدندهي خورشيدي و چرخدندهي داخلي به‌عنوان چرخدندهي متحرك عمل مي‌كند. در اين مرحله خواهيم داشت:
1 / (1+ S/R) = 1 / (1+ 36/72) = 0.67:1
در نهايت براي به‌دست آوردن نسبت دنده‌ي نهايي بايد نسبت دنده‌ي مرحله‌ي دوم را در نسبت دنده‌ي مرحله‌ي اول ضرب كنيم كه حاصل برابر 1.47:1 خواهد شد.
دنده‌ي سه
بيشتر جعبه‌دنده‌هاي خودكار در دنده‌ي سون نسبت دنده‌ي 1:1 توليد مي‌كنند. همان‌طور كه قبل‌تر اشاره شد، براي به‌دست آوردن نسبت 1:1 كافي است دو چرخ‌دنده از سه چرخدندهي سيستم سياره‌اي را به يكديگر قفل كنيم. در جعبه‌دنده‌هاي خودكار تنها كافي است كلاچ‌هايي كه چرخ‌دنده‌هاي خورشيدي را به توربين قفل مي‌كنند درگير كنيم.
اگر هر دو چرخدندهي خورشيدي به يك سمت بچرخند، چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي قفل مي‌شوند چراكه آن‌ها تنها مي‌توانند در خلاف جهت يكديگر بچرخند. اين كار باعث مي‌شود چرخدندهي داخلي به چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي قفل شود و كل مجموعه با هم شروع به چرخش كند و نسبت دنده‌ي 1:1 توليد شود.
آخرين دنده (Overdrive)
اوردرايو به اين معني است كه سرعت چرخش شفت خروجي از سرعت چرخش شفت ورودي بيشتر است. در اين سيستم انتقال قدرت، رسيدن به اوردرايو دستيابي به دو هدف به‌صورت هم‌زمان است. در بعضي خودروها براي افزايش بازدهي مكانيزمي دارند كه مبدل گشتاور را قفل مي‌كند و تمام قدرت خروجي پيشرانه به‌صورت مستقيم به جعبه‌دنده منتقل مي‌شود.
در اين سيستم انتقال قدرت، هنگامي كه اوردرايو درگير مي‌شود، يك شفت كه به پوسته‌ي مبدل گشتاور متصل است (و پوسته به فلايويل پيشرانه پيچ شده است) توسط كلاچ به صفحه‌ي حامل متصل مي‌شود. چرخدندهي خورشيدي كوچك هرز مي‌چرخد و چرخدندهي خورشيدي بزرگ توسط تسمه‌ي مهار در حالت سكون نگه داشته مي‌شود. در اين دنده تمام سرعت شفت خروجي از پيشرانه به جعبه‌دنده منتقل مي‌شود. در اين حالت صفحه‌ي حامل محرك، چرخدندهي خورشيدي ثابت و چرخدندهي داخلي متحرك است. بنابراين در اين حالت نسبت دنده برابر است با:
1 / (1+ S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1
در نتيجه به ازاي هر دو سوم چرخش پيشرانه شفت خروجي يك دور مي‌زند. اگر پيشرانه در ۲۰۰۰ دور در دقيقه كار كند، سرعت شفت خروجي در اين حالت برابر ۳۰۰۰ دور در دقيقه است. در اين حالت خودرو مي‌تواند با سرعت مجاز آزادراه‌ها بدون آن‌كه سرعت پيشرانه افزايش يابد، حركت كند.
دنده عقب
عملكرد دنده عقب بسيار شبيه عملكرد دنده‌ي اول است و تنها تفاوت اين است كه در دنده‌ي عقب به‌جاي آن‌كه چرخدندهي خورشيدي كوچك توسط توربين مبدل گشتاور به حركت در آيد، چرخدندهي خورشيدي بزرگ‌تر به حركت در مي‌آيد و چرخدندهي خورشيدي كوچك‌تر به‌صورت هرزگرد در خلاف جهت مي‌چرخد. صفحه‌ي حامل توسط تسمه‌ي مهار به پوسته ثابت مي‌شود. نسبت دنده در دنده عقب اندكي كم‌تر از نسبت دنده در دنده‌ي يك است.
نسبت دنده‌ها
جدول زير براي يك جعبهدندهي ۵ سرعته ترسيم شده است:
دنده | محرك | متحرك | ثابت | نسبت دنده |
|---|---|---|---|---|
يك | خورشيدي ۳۰ دندانه | داخلي ۷۲ دندانه | حامل | ۲.۴:۱ |
دو | خورشيدي ۳۰ دندانه | حامل | داخلي ۳۶ دندانه | ۲.۲:۱ |
حامل | داخلي ۷۲ دندانه | خورشيدي ۳۶ دندانه | ۰.۶۷:۱ | |
تمام مجموعه | ۱.۴۷:۱ | |||
سه | خورشيدي ۳۰ و ۳۶ دندانه | داخلي ۷۲ دندانه | ۱:۱ | |
اوردرايو | حامل | داخلي ۷۲ دندانه | خورشيدي ۳۶ دندانه | ۰.۶۷:۱ |
عقب | خورشيدي ۳۶ دندانه | داخلي ۷۲ دندانه | حامل | -۲:۱ |
در ادامه به مطالعه نحوه‌ي تعويض محرك‌ها از طريق كلاچ‌ها و بندها مي‌پردازيم.
كلاچ‌ها و تسمه‌هاي مهار در يك جعبهدندهي خودكار
در بخش قبل در مورد نحوه‌ي دستيابي به نسبت دنده‌هاي مختلف در يك جعبهدندهي خودكار مباحثه كرديم. در اين بخش در مورد نحوه‌ي تعويض دنده‌ها صحبت خواهيم كرد.
در يك جعبهدندهي خودكار براي تعويض دنده بسياري از اجزا بايد از طريق كلاچ‌ها و تسمه‌هاي مهار به يكديگر وصل يا از يكديگر جدا شوند. صفحه‌ي حامل از طريق يك كلاچ به پوسته‌ي مبدل گشتاور وصل مي‌شود. چرخدندهي خورشيدي كوچك توسط يك كلاچ از توربين جدا مي‌شود و مي‌تواند به‌طور هرزگرد بچرخد. چرخدندهي خورشيدي بزرگ توسط يك تسمه‌ي مهار به پوسته مي‌چسبد و ساكن مي‌شود. هر تعويض دنده يك سري از اين عمليات را صورت مي‌دهد.
تسمه‌هاي مهار
در جعبهدندهي تصوير زير دو تسمه‌ي مهار وجود دارد. در يك جعبه‌دنده تسمه‌هاي مهار در حقيقت بندهايي فولادي هستند كه دور محفظه‌ي چرخ‌دنده‌ها قرار گرفته و به پوسته متصل‌اند. اين تسمه‌ها توسط سيلندرهاي هيدروليكي موجود در جعبه‌دنده فعال شده و عمل مي‌كنند.
در تصوير بالا مي‌توانيد يكي از تسمه‌هاي مهار موجود در جعبه‌دنده را مشاهده كنيد كه توسط يك سيلندر هيدروليكي عمل مي‌كند.
در تصوير بالا نماي دو پيستون هيدروليكي كه تسمه‌هاي مهار را فعال مي‌كنند قابل مشاهده است. روغن تحت فشار از طريق شيرهايي درون سيلندرها جريان مي‌يابد و پيستون‌ها را به تسمه‌ها فشار مي‌دهد و در نتيجه تسمه‌هاي مهار قطعات درون جعبه‌دنده را به پوسته قفل مي‌كنند و مانع حركت آن‌ها مي‌شوند.
كلاچ‌ها در سيستم انتقال قدرت اندكي پيچيده‌تر هستند. در اين جعبهدندهي نمونه چهار كلاچ وجود دارد. هر كلاچ توسط روغن تحت فشار كه درون پيستون تعبيه شده در كلاچ وارد مي‌شود، فعال مي‌شود. فنرهاي موجود در كلاچ سبب مي‌شوند با كاهش فشار هيدروليك در پيستون كلاچ، كلاچ به حالت اوليه‌ي خود بازگردد. در تصوير زير مي‌توانيد پيستون و درام كلاچ را مشاهده كنيد. واشر پلاستيكي كلاچ در هر تعمير جعبه‌دنده بايد تعويض شود.
در تصوير بعدي لايه‌هاي اصطكاكي موجود در كلاچ و صفحات فولادي به تصوير كشيده شده‌اند. صفحات اصطكاكي به صورتي قرار گرفته‌اند كه سطح با اصطكاك بالاي آن‌ها با چرخ‌دنده‌ها تماس داشته باشد. صفحه‌ي فولادي از قسمت خارجي به پوسته‌ي كلاچ متصل است. اين صفحات نيز هنگام تعمير جعبه‌دنده بايد تعويض شوند.
روغن از طريق شيارهاي موجود روي شفت‌ها به كلاچ‌ها راه مي‌يابد. سيستم هيدروليكي كنترل مي‌كند كه در هر لحظه كدام كلاچ و تسمه‌ي مهار فعال شود.
حالت پارك
شايد پارك كردن و مانع چرخش جعبه‌دنده شدن عملي ساده به‌انديشه متخصصين برسد، اما در حقيقت مكانيزم‌هاي پيچيده‌اي براي قرار دادن جعبه‌دنده در حالت پارك مورد نياز است. در ابتدا، بايد بتوانيد در هنگامي‌كه خودرو در شيب قرار گرفته به‌سادگي دنده را از حالت پارك درآوريد چراكه در اين حالت وزن خودرو روي اين مكانيزم قرار مي‌گيرد. دوم، بايد بتوانيد در حالتي كه دسته دنده با چرخ‌دنده‌ها هم راستا نيست اين مكانيزم را فعال كنيد. سوم، هنگامي‌كه دنده در حالت پارك قرار گرفت بايد چيزي مانع از بيرون پريدن دسته دنده و غيرفعال شدن حالت پارك شود. مكانيزمي كه اين سه كار را به خوبي انجام دهد بسيار ظريف و دقيق است. براي درك بهتر اين حالت ابتدا نگاهي به اجزاي درگير در اين مكانيزم مي‌اندازيم.
مكانيزم ترمز در هنگام پارك دندانه‌ها را روي شفت خروجي درگير مي‌كند تا خودرو را در حالت سكون نگه دارد. اين بخش از جعبه‌دنده به شفت خروجي متصل است در نتيجه اگر اين شفت نتواند بچرخد خودرو نمي‌تواند حركت كند.
در تصوير بالا مي‌توانيد مكانيزم پارك را كه از پوسته بيرون زده است مشاهده كنيد. اين مكانيزم لبه‌هاي مخروطي شكل دارد كه سبب سهولت خارج شدن از حالت پارك در سراشيبي‌ها مي‌شود (به دليل زاويه‌ي خاص لبه‌هاي مخروطي وزن خودرو به بيرون كشيدن زبانه‌ي ترمز پارك كمك مي‌كند).
مكانيزم پارك از طريق يك ميله كه به دسته دنده متصل است فعال مي‌شود. هنگامي كه دنده در حالت پارك قرار مي‌گيرد، ميله فنر را به بوشينگ مخروطي فشار مي‌دهد. اگر دندانه‌ي روي شفت خروجي با بوشينگ هم راستا باشد، مكانيزم پارك درون دندانه‌ي شفت خروجي فشرده مي‌شود و خودرو در حالت سكون قرار مي‌گيرد، اما در حالتي كه مكانيزم پارك با دندانه شفت خروجي هم‌راستا نباشد، بوشينگ مكانيزم را فشار مي‌دهد، اما خودرو بايد اندكي حركت كند تا دندانه‌ها به‌درستي درون هم قرار گيرند. به همين دليل است كه گاهي اوقات پس از آن‌كه دنده را در حالت پارك قرار مي‌دهيد خودرو اندكي حركت مي‌كند تا دندانه‌ها درون هم چفت شوند.
زماني‌كه خودرو در امنيت كامل در حالت پارك قرار گرفت، بوشينگ اهرم را پايين نگه مي‌دارد و مانع از بيرون پريدن مكانيزم پارك در حالتي كه در سراشيبي پارك كرده‌ايد، مي‌شود.
هيدروليك، پمپ و گاورنر
جعبهدندهي خودكار خودروها بايد وظايف بي‌شماري انجام دهند و شايد شما متوجه نشويد كه چگونه تمام اين كارها را انجام مي‌دهند. براي مثال، حالت زير را در انديشه متخصصين بگيريد:
احتمالا تاكنون با حالات بالا مواجه شده‌ايد. تمامي اين كنترل‌ها توسط سيستم كنترلي جعبهدندهي خودكار ميسر مي‌شود. براي برقراري جريان روغن ميان اجزاي مختلف از شيارهاي تعبيه شده روي قطعات مختلف سيستم انتقال قدرت استفاده مي‌شود. اين شيارها به روش قالب‌گيري فلزات ايجاد شده‌اند و بدون وجود آن‌ها بايد تعداد زيادي لوله در ميان اجزاي مختلف متصل مي‌شد تا عمل روغن‌كاري را انجام دهد. ابتدا به توضيح اجزاي مختلف سيستم هيدروليك مي‌پردازيم و در ادامه در مورد نحوه‌ي عملكرد آن‌ها مباحثه مي‌كنيم.
پمپ
جعبه‌دنده‌هاي خودكار به يك پمپ دنده‌اي مجهزند. اين پمپ معمولا درون محفظه‌ي جعبه‌دنده قرار مي‌گيرد. وظيفه‌ي اين قطعه اين است كه روغن را از سيني تعبيه شده در زير جعبه‌دنده مكش كرده و به سيستم هيدروليك جعبه‌دنده تزريق كند. علاوه‌براين، اين پمپ وظيفه دارد روغن را به خنك‌كننده‌ي جعبه‌دنده و مبدل گشتاور هم پمپ كند.
چرخدندهي داخلي پمپ به پوسته‌ي مبدل گشتاور متصل است، در نتيجه اين چرخ‌دنده با سرعت شفت خروجي پيشرانه مي‌چرخد و با چرخش آن روغن از محفظه مكش شده و با فشار به سيستم هيدروليك جعبه‌دنده پمپ مي‌شود.
گاورنر
گاورنر در حقيقت يك شير هوشمند است كه به جعبه‌دنده اطلاع مي‌دهد خودرو چقدر سريع در حال حركت است. وظيفه‌ي اصلي گاورنر در جعبهدندهي خودكار ارسال سيگنال به پردازنده براي تشخيص ميزان فشار هيدروليك براي تعويض دنده‌ها است. اين قطعه به شفت خروجي متصل است بنابراين هرچه خودرو سريع‌تر حركت كند، گاورنر هم با سرعت بيش‌تري مي‌چرخد. درون گاورنر يك شير فنري قرار دارد كه با توجه به ميزان سرعت چرخش گاورنر باز مي‌شود و روغن تحت فشار وارد آن مي‌شود. هرچه سرعت چرخش گاورنر بيشتر باشد، شير درون آن بيشتر باز شده و فشار روغن بالاتر مي‌رود.
شيرها و تعديل كننده‌ها
براي تعويض هرچه بهتر دنده، جعبهدندهي خودكار به طريقي بايد از ميزان تحت فشار بودن پيشرانه آگاه باشد. اين امر به دو روش در بعضي خودروها يك اتصال سيمي ساده به دريچه‌ي كنترل متصل است. هرچه ميزان فشار بر پدال گاز بيشتر باشد، فشار بيش‌تري بر دريچه‌ي كنترل وارد مي‌شود. در بعضي ديگر از خودروها از يك تعديل كننده‌ي خلا براي اعمال فشار بر دريچه‌ي كنترل استفاده مي‌شود. اين تعديل كننده، فشار مانيفولد را حس مي‌كند و زماني‌كه پيشرانه زير بار بيش‌تري باشد، فشار مانيفولد بزرگ‌تر است.
شيردستي
اهرم دنده به يك شير دستي متصل است. بسته به اينكه چه دنده‌اي انتخاب شده باشد، شير دستي با تغذيه‌ي هيدروليكي جلوي حركت بعضي دنده‌ها را مي‌گيرد. براي مثال، اگر ميله دنده در دنده‌ي ۳ قرار داشته باشد، شير دستي مسير هيدروليكي‌اي را تغذيه مي‌كند كه مانع از درگير شدن دنده‌ي اوردرايو مي‌شود.
شير تعويض دنده
شيرهاي تعويض دنده فشار هيدروليكي مورد نياز براي درگير كردن كلاچ‌ها و تسمه‌هاي مهار را تأمين مي‌كنند. در هر جعبه‌دنده چندين شير تعويض دنده تعبيه شده است. شير تعويض دنده مشخص مي‌كند كه چه زماني از يك دنده به دنده‌ي ديگر تعويض انجام شود. براي نمونه، شير تعويض دنده از ۱ به ۲ زمان تعويض دنده از ۱ به ۲ را مشخص مي‌كند. اين شير از يك سو توسط فشار هيدروليكي تأمين شده توسط گاورنر تحت فشار قرار مي‌گيرد و از سوي ديگر توسط دريچه‌ي كنترل.
شير تعويض دنده در صورتي‌كه خودرو با شتاب بالا در حال سرعت گرفتن باشد، تعويض دنده را به تعويق مي‌اندازد. اگر خودرو به نرمي در حال سرعت‌گيري باشد، تعويض دنده در سرعت پايين‌تري صورت مي‌پذيرد.
با افزايش سرعت خوردو، فشار روغن درون گاورنر افزايش مي‌يابد. اين موضوع باعث مي‌شود كه شير تعويض دنده تحت فشار قرار بگيرد و با حركت اين شير مسير هيدروليك دنده‌ي ۱ بسته و مسير هيدروليك دنده‌ي ۲ باز مي‌شود. از آنجا كه خودرو به آرامي در حال سرعت‌گيري است، دريچه كنترل فشار زيادي بر شير تعويض دنده وارد نمي‌كند.
در هنگام شتاب‌گيري سريع، دريچه كنترل فشار بيش‌تري بر دريچه تعويض دنده وارد مي‌كند. اين بدان معنا است كه براي تعويض دنده فشار هيدروليك گاورنر بايد افزايش يابد (بنابراين خودرو بايد با سرعت بيش‌تري حركت كند) قبل از آن‌كه شير تعويض دنده جابه‌جا شود و مسير هيدروليك دنده‌ي ۲ باز شود. هر شير تعويض دنده به بازه‌ي فشار هيدروليكي خاصي حساس است.
جعبه‌دنده‌هاي خودكار مجهز به كنترل الكترونيكي
جعبه‌دنده‌هاي خودكار مجهز به كنترل‌كننده‌ي الكترونيكي كه در خودروهاي جديدتر به چشم مي‌خورند، همچنان از سيستم‌هاي هيدروليكي براي فعال كردن كلاچ‌ها و مهارها استفاده مي‌كنند، اما هر مدار هيدروليكي توسط يك شير سلونوئيد الكتريكي كنترل مي‌شود. استفاده از اين سيستم باعث مي‌شود لوله‌كشي‌ها ساده‌تر شده و كنترل سيستم ساده‌تر شود.
در بخش پيشين با استراتژي‌هاي كنترل مكانيكي جعبه‌دنده‌هاي خودكار آشنا شديم. در جعبه‌دنده‌هاي مجهز به كنترل‌كننده‌ي الكترونيكي پارامترهاي كنترلي جزئيات بيش‌تري را شامل مي‌شوند. در اين سيستم‌ها علاوه‌بر كنترل سرعت خودرو و ميزان باز يا بسته بودن دريچه‌ي گاز، سرعت گردش شفت خروجي پيشرانه در حالتي كه پدال ترمز فشرده مي‌شود و حتي سيستم ترمز ضد قفل هم تحت كنترل قرار دارند.
با استفاده از اين اطلاعات و به‌كارگيري يك استراتژي كنترل پيشرفته‌ي مبتني بر منطق فازي (روش برنامه‌نويسي سيستم‌هاي كنترلي با استفاده از استدلال شبه انساني) جعبه‌دنده‌هاي مجهز به كنترل‌هاي الكترونيكي قادر هستند:
تصور كنيد در حال رانندگي در سربالايي يك جاده‌ي كوهستاني هستيد. هنگامي‌كه در مسير مستقيم حركت مي‌كنيد، جعبه‌دنده با تعويض دنده به دنده‌ي ۲ قدرت و شتاب مورد نياز شما را تأمين مي‌كند. وقتي به يك پيچ مي‌رسيد سرعت خود را كاهش مي‌دهيد، با برداشتن پاي خود از روي پدال گاز يا حتي فشردن پدال ترمز. اكثر جعبه‌دنده‌هاي خودكار در اين حالت دنده را به دنده‌ي بالاتر (۳ يا ۴) تعويض مي‌كنند و پس از عبور از پيچ و فشردن مجدد پدال گاز با تعويض يك دنده معكوس دوباره شتاب مورد نياز را تأمين مي‌كنند. اما اگر در حال رانندگي با يك خودروي مجهز به جعبهدندهي دستي باشيد، احتمالا دنده را تعويض نمي‌كنيد. بعضي از جعبه‌دنده‌هاي خودكار مجهز به سيستم‌هاي كنترلي پيشرفته مي‌توانند اين شرايط را تشخيص دهند و با عبور از چند پيچ، ياد مي‌گيرند كه دنده را به دنده‌ي بالاتر تعويض نكنند.
سيستم‌هاي پيشرفته‌ي انتقال قدرت
در سال ۱۴۹۰ ميلادي لئوناردو داوينچي طرحي اوليه از نخستين جعبهدندهي CVT را كشيده است. در آن زمان و تا ۵۰۰ سال بعد هيچ‌كس تصور نمي‌كرد كه اين طرح روزي به يك انقلاب در دنياي خودروسازي منجر شود.
جعبه‌دنده‌هاي CVT يا ضريب دنده متغير پيوسته نسخه‌اي پيشرفته از جعبه‌دنده‌هاي خودكار هستند. درست مانند يك خودروي مجهز به جعبهدندهي خودكار معمولي، خودروي داراي جعبهدندهي CVT نيز تنها داراي دو پدال ترمز و گاز است و حالات P-R-N-D-L روي دنده‌ي آن وجود دارد. با وجود اين تشابهات، اما تفاوت عمده‌ي جعبهدندهي CVT با يك جعبهدندهي خودكار معمولي در نسبت دنده‌ي آن‌ها است. در جعبه‌دنده‌هاي خودكار به‌طور معمول چند نسبت دنده‌ي خاص (به تعداد دنده‌هاي جعبه‌دنده) وجود دارد. اين در حالي است كه در جعبهدندهي CVT ضريب دنده به‌طور پيوسته با توجه به سرعت پيشرانه و سرعت خودرو تغيير مي‌كند. در هنگام رانندگي با يك خودروي مجهز به جعبهدندهي CVT هرگز صداي تعويض دنده را نشنيده و حس نمي‌كنيد. اين جعبه‌دنده تنها در مواقع لاخبار تخصصي سرعت چرخش گشتاور خروجي پيشرانه را كاهش يا افزايش مي‌دهد. براي مثال در هنگام افزايش شتاب سرعت پيشرانه را افزايش داده و در حالتي كه خودرو با سرعت ثابت در حركت است، براي كاهش مصرف سوخت، دور موتور را كاهش مي‌دهد.
برخلاف جعبه‌دنده‌هاي خودكار، سيستم‌هاي انتقال قدرت CVT از چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي و چرخ‌دنده‌هاي با ضريب دنده‌ي ثابت استفاده نمي‌كنند. نقش كليدي جعبه‌دنده در خودرو تغيير نسبت سرعت شفت خروجي پيشرانه و سرعت چرخش چرخ‌ها است. در غياب جعبه‌دنده، خودرو تنها يك دنده خواهد شد. چنين خودرويي گشتاور زيادي براي شروع حركت ايجاد خواهد كرد و در شروع حركت از حالت سكون به خوبي عمل مي‌كند، اما در ادامه‌ي حركت براي رسيدن به سرعت بالاتر و شتاب‌گيري با اشكال مواجه خواهد شد. از سوي ديگر، اگر خودرويي تنها به دنده‌ي ۳ مجهز باشد، در شروع حركت از حالت سكون به‌طور حتم با اشكال مواجه است، اما در رسيدن به سرعت‌هاي بالاتر پس از شروع حركت عملكرد قابل قبولي خواهد داشت.
سيستم‌هاي انتقال قدرت از چرخ‌دنده‌هاي مختلف براي استفاده‌ي بهينه از گشتاور توليدي پيشرانه در شرايط مختلف رانندگي استفاده مي‌كنند. اين چرخ‌دنده‌ها مي‌توانند به‌صورت خودكار يا دستي درگير شوند.
در يك جعبهدندهي خودكار سنتي، چرخ‌دنده‌ها اجزايي دندانه‌دار هستند كه در يگديگر چفت شده و وظيفه‌شان انتقال و تغيير گشتاور حركت دوراني است. تركيبي از اين چرخ‌دنده‌ها مي‌تواند چندين نسبت دنده‌ي مختلف توليد كند كه معمولا چهار دنده براي حركت به سمت جلو و يك دنده براي حركت به سمت عقب است. در يك جعبهدندهي خودكار معمولي با هر تغيير دنده سرنشينان مي‌توانند شوك ناشي از اين تغيير چرخ‌دنده را حس كنند.
اساس عملكرد جعبهدندهي CVT
برخلاف جعبه‌دنده‌هاي خودكار معمول، جعبه‌دنده‌هاي CVT هيچ چرخ‌دنده‌اي ندارند. اگرچه انواع مختلفي از جعبه‌دنده‌هاي CVT وجود دارد، اما در بيشتر آن‌ها دو پولي (قرقره) با قطر متغير به شكل مخروط‌هايي روبه‌روي هم وجود دارد كه توسط يك تسمه‌ي فلزي يا زنجير به يكديگر متصل شده‌اند. يكي از اين پولي‌ها به شفت خروجي پيشرانه (محرك) و ديگري به شفت مرتبط با چرخ‌ها (متحرك) متصل است. هر نيمه از هر پولي متحرك است، با نزديك شدن نيمه‌ي دو پولي به يكديگر، تسمه‌ي متصل كننده بايد در فاصله‌ي بيش‌تري قرار بگيرد. با تغيير قطر پولي‌ها نسبت دنده تغيير مي‌كند. براي مثال با كوچك كردن قطر پولي متصل به پيشرانه و بزرگ كردن قطر پولي متصل به شفت خروجي نسبت دنده‌ي پايين توليد مي‌شود. به اين معنا كه با هر دور چرخش شفت خروجي پيشرانه، چرخ‌ها كم‌تر از يك دور مي‌چرخند (اين نسبت براي آغاز حركت از حالت سكون مورد استفاده قرار مي‌گيرد). با شتاب گرفتن خودرو و افزايش سرعت، قطر پولي‌ها به گونه‌اي تغيير مي‌كند كه سرعت چرخش شفت خروجي پيشرانه كاهش يابد. اين همان اتفاقي است كه در جعبه‌دنده‌هاي خودكار و دستي معمولي نيز رخ مي‌دهد. تفاوت عمده‌ي جعبهدندهي CVT با جعبهدندهي خودكار معمولي اين است كه يك جعبهدندهي معمولي با تعويض دنده سعي در تغيير نسبت دنده دارد درحالي‌كه در جعبهدندهي CVT نسبت دنده به‌طور پيوسته با تغيير قطر پولي‌ها در حال تغيير است.
جعبه‌دنده‌هاي CVT مصرف سوخت خودرو را كاهش مي‌دهند چراكه پيشرانه را قادر مي‌سازند در هر لحظه در بهينه‌ترين دور موتور عمل كند. در تئوري جعبهدندهي CVT به پيشرانه اجازه مي‌دهد همواره در نزديك‌ترين نقطه به حداكثر توان توليدي كار كند، در نتيجه خودرو بالاترين بازده را خواهد داشت.
در جدول زير مزاياي جعبهدندهي CVT نشان داده شده است:
مزيت | خصوصيت |
|---|---|
حذف شوك ناشي از تعويض دنده، سواري نرم‌تر | شتاب ثابت و خطي از حالت سكون تا رسيدن به حداكثر سرعت |
بهبود مصرف سوخت | حفظ قدرت خودرو در ناحيه‌ي عملكرد بهينه بدون توجه به سرعت |
ازبين‌بردن ريپ زدن خودرو در شرايط كاهش شتاب به‌خصوص هنگام بالا رفتن از سربالايي | عكس‌العمل بهتر نسبت به تغيير ناگهاني شرايط نظير فشردن پدال گاز و تغيير سرعت |
شتاب‌گيري بهتر | اتلاف قدرت كم‌تر نسبت به يك جعبهدندهي خودكار معمولي |
كنترل بهتر بر ميزان انتشار آلودگي‌ها | كنترل بهتر بر ميزان مصرف سوخت در سرعت‌هاي مختلف |
جايگزين كردن اين سيستم با مبدل‌هاي گشتاور مبتني بر سيال | امكان استفاده از نسخه‌هاي خودكار كلاچ‌هاي مكانيكي در آن‌ها |
هم انديشي ها