همه چيز درباره گيربكس غير اتوماتيك و جعبه دنده دستي
آيا تا به حال فكر كرده‌ايد؛ دسته دنده به چه چيزي متصل است و با حركت دسته دنده چه اتفاقي درون جعبه‌دنده رخ مي‌دهد؟ چرا گاهي هنگام تعويض دنده، صدايي عجيب شبيه خرد شدن قطعات به گوش مي‌رسد؟ چرا نمي‌توان هنگام حركت به‌سمت جلو، خودرو را در وضعيت دنده‌ي عقب قرار داد؟ آيا با اينكار، قطعات داخل جعبه‌دنده خرد مي‌شوند؟ اين‌ها تنها بخشي از سؤالات احتمالي كسي است كه حداقل يك‌بار پشت فرمان خودرو نشسته باشد؛ در اين مقاله به‌همين سؤالات پاسخ مي‌دهيم و با اساس عملكرد جعبه‌دنده‌هاي دستي آشنا مي‌شويم.
اصول فيزيكي
قبل از معرفي قطعات و نحوه‌ي عملكرد جعبه‌دنده‌ي دستي، ابتدا بايد با‌يكي از ابتدايي‌ترين و اساسي‌ترين قطعات مكانيكي موجود در جعبه‌دنده‌ها؛ چرخ‌دنده، آشنا شويم. چرخ‌دنده‌ها قطعاتي دندانه‌دار هستند كه داخل آن‌ها سوراخي به اندازه‌ي قطر محور وجود دارد و چرخ‌دنده روي آن محور سوار مي‌شود. هنگامي‌كه بخواهيم ارتباطي بين دو محور برقرار كنيم، بايد روي هر دوي آن‌ها، چرخ‌دنده قرار دهيم. در حقيقت چرخ‌دنده مي‌تواند گشتاور را با تغيير جهت منتقل كند كه با استفاده از آن‌ها، گشتاور و سرعت دوراني كنترل مي‌شود. اندازه‌ي دنده‌هاي چرخ دنده‌هاي درگير بايد يكسان باشد ولي قطر آن‌ها مي‌تواند متفاوت باشد؛ اگر قطر چرخ‌دنده‌ها با يكديگر برابر باشد، سرعت آن دو محوري كه چرخ‌دنده‌ها روي آن‌ها سوار است، يكسان خواهد بود، اما اگر قطر آن‌ها برابر نباشد، چرخ‌دنده‌اي كه قطر كم‌تري دارد، (كوچك‌تر است) تعداد دور بيش‌تري مي‌زند و در نتيجه سرعت بيش‌تري دارد.
همان‌طور كه در شكل زير مشاهده مي‌كنيد، چرخ‌دنده‌ي كوچك‌تر با ۲۵ دندانه بايد سه برابر سرعت چرخ‌دنده‌ي بزرگ‌تر با ۷۵ دندانه بچرخد، يعني هرگاه چرخ‌دنده‌ي بزرگ يك دور بزند، چرخ‌دنده‌ي كوچك سه دور زده است. نيرو، قدرت و گشتاور، هميشه از يك محور يا يك چرخ‌دنده به محور يا چرخ‌دنده‌ي ديگر انتقال پيدا مي‌كند. براي مثال، در خودرو اگر يك محور به چرخ‌ها وصل باشد و محور ديگر به پيشرانه‌ي خودرو، محور متصل به پيشرانه، محور محرك و محور متصل به چرخ خودرو محور متحرك ناميده مي‌شود.
براي بيان رابطه‌ي گشتاور و سرعت دوراني ميان دو چرخ‌دنده‌ي درگير از رابطه‌اي فيزيكي به نام نسبت انتقال (ضريب دنده) استفاده و به‌صورت N1/N2=T2/T1 بيان مي‌شود. در اين رابطه N بيانگر سرعت دوراني و T تعداد دندانه‌هاي چرخ‌دنده است. در مثال بالا، از آن‌جا كه سرعت يك چرخ‌دنده سه برابر ديگري است، نسبت انتقال مي‌تواند ۳ يا ۱/۳ باشد. اگر محور محرك چرخ‌دنده‌ي كوچك و محور متحرك چرخ‌دنده‌ي بزرگ باشد، نسبت انتقال با تقسيم تعداد دندانه چرخ متحرك (۷۵ دندانه) بر تعداد دندانه‌هاي چرخ محرك (۲۵ دندانه) به‌دست مي‌آيد كه برابر ۳ خواهد بود و اگر محور محرك چرخ‌دنده‌ي بزرگ و محور متحرك چرخ‌دنده‌ي كوچك باشد، نسبت انتقال ۱/۳ خواهد بود.
فرض كنيد در اين مكانيزم، چرخ‌دنده‌ي كوچك محرك و چرخ‌دنده‌ي بزرگ متحرك باشد. در اين حالت سرعت خروجي (از محور متحرك) نسبت به سرعت ورودي (از محور محرك) كاهش پيدا كرده و مقدار اين كاهش سرعت دقيقا ۱/۳ است. يعني اگر پيشرانه‌ي خودرو به چرخ‌دنده‌ي كوچك و چرخ‌هاي خودرو به چرخ‌دنده‌ي بزرگ وصل باشد، سرعت چرخ‌هاي خودرو ۱/۳ سرعت پيشرانه است؛ در اين حالت نسبت انتقال نيز برابر عدد ۳ خواهد بود. درواقع، مكانيزم سرعت خروجي را نسبت به سرعت ورودي به ميزان ۳ برابر، كاهش داده است.
از سوي ديگر، رابطه‌ي فيزيكي ميان گشتاور، سرعت دوراني و قدرت توليدي پيشرانه به‌صورت P=T×S بيان مي‌شود كه در آن P قدرت، S سرعت دوراني و T گشتاور است. با ثابت در انديشه متخصصين گرفتن قدرت توليدي پيشرانه، كاهش سرعت در مثال بالا تمام ماجرا نخواهد بود بلكه، كاهش سه برابري سرعت، با افزايش سه برابري گشتاور همراه خواهد بود؛ يعني در اين مثال اگرچه سرعت خروجي ۱/۳ بود (سه برابر كاهش پيدا كرد) ولي گشتاور خروجي نيز سه برابر شد (سه برابر افزايش پيدا كرد) كه اين ماهيت كلي نسبت انتقال است.
جعبه‌دنده و متعلقات
جعبه‌دنده پس از كلاچ، دومين عنصر سيستم انتقال قدرت در خودروها بوده و از تعدادي چرخ‌دنده و محور (شفت) تشكيل شده است كه همگي درون يك محفظه قرار گرفته‌اند. وظيفه‌ي جعبه‌دنده تغيير گشتاور توليدي توسط پيشرانه و تنظيم سرعت دوراني چرخ‌ها است. همه‌ي خودروهاي مجهز به پيشرانه‌ي درون‌سوز داراي محدوديتي در دور موتور هستند كه اغلب محدوده‌ي خطرناك آن با رنگ قرمز روي صفحه‌ي مدرج تعبيه شده در پشت فرمان مشخص است. هدف از اين درجه‌بندي، اطلاع راننده از نحوه‌ي عملكرد پيشرانه و ميزان بازدهي آن است. همه‌ي پيشرانه‌ها در دور موتوري خاص حداكثر توان خود را توليد مي‌كنند و هدف اين است كه با استفاده از جعبه‌دنده و انتخاب دنده‌ي صحيح، راننده بتواند همواره پيشرانه را در ايده‌آل‌ترين حالت به‌كار گيرد. اين ايده در نهايت منجر به اختراع جعبه‌دنده‌هاي CVT يا دور متغير شد كه همواره پيشرانه را در شرايط ايده‌آل (يا نزديك به آن) به كار مي‌گيرد.
در جعبه‌دنده‌هاي دستي ساده، عموما سه محور وجود دارد. محور اول كه از طريق كلاچ به پيشرانه متصل است، محور محرك نام دارد. محور دوم محور متحرك نام دارد كه از طريق محور سوم، موسوم به محور واسط، به محور محرك متصل است؛ براي درك بهتر، به‌تصوير زير دقت كنيد.
در شكل بالا، يك جعبه‌دنده‌ي ۶ سرعته به تصوير كشيده شده است. محور سبز رنگ محور محرك بوده (متصل به پيشرانه) كه روي آن چرخ‌دنده‌اي به‌صورت يكپارچه با محور تعبيه شده است و با سرعتي مشابه سرعت محور و پيشرانه مي‌چرخد. محور قرمز رنگ محور واسط است كه وظيفه‌ي انتقال گشتاور از محور محرك به محور متحرك را بر عهده دارد. روي اين محور نيز تعدادي چرخ‌دنده‌ي يكپارچه با محور قرار گرفته است كه با سرعتي مشابه سرعت گردش محور محرك مي‌چرخند. محور سوم كه با رنگ زرد مشخص شده، محور متحرك است. روي اين محور چرخ‌دنده‌هايي با قطرهاي متفاوت قرار گرفته است كه برخلاف شفت‌هاي ديگر، اين چرخ‌دنده‌ها با محور متحرك يكپارچه نيستند، بلكه روي ياتاقان‌هايي نصب شده‌اند تا بدون به‌حركت درآوردن محور متحرك، چرخش پيدا كنند. اما چگونه با حركت دادن دسته‌دنده، چرخ‌دنده‌هاي تعبيه شده در جعبه‌دنده جابه‌جا مي‌شوند؟ براي پاسخ به اين سؤال، ابتدا بايد با اجزاي درگير در عمل تعويض دنده آشنا شويم.
دسته دنده
ميله‌اي فلزي كه راننده با حركت آن در يك الگوي H شكل عمل تعويض دنده را انجام مي‌دهد.
ميل ماهك
ميله‌اي فلزي كه، از يك سر به دسته دنده و از سر ديگر به ماهك متصل است. راننده با حركت دسته دنده در حقيقت ميل ماهك را حركت مي‌دهد.
ماهك
قطعه‌اي به شكل نيم دايره كه به‌انتهاي ميل ماهك متصل است و نيروي دست راننده را به كشويي منتقل مي‌كند؛ با اين حركت، كشويي دنده با چرخ‌دنده درگير مي‌شود.
كشويي دنده
همان‌طور كه پيش‌تر گفته شد، چرخ‌دنده‌هاي تعبيه شده بر محور سوم جعبه‌دنده روي ياتاقان نصب شده‌اند و مي‌توانند آزادانه و بدون وارد كردن نيرو به محور بچرخند. كشويي دنده وظيفه‌ي ثابت كردن چرخ‌دنده روي محور را از طريق چفت شدن دندانه‌ها با چرخ‌دنده‌ي هماهنگ كننده بر عهده دارد، تا از اين طريق بتوان گشتاور توليدي توسط پيشرانه را به چرخ‌ها منتقل كرد.
چرخ‌دنده‌ي هماهنگ كننده
سطح خارجي ياتاقان‌هاي چرخ‌دنده‌ها به‌صورت دندانه‌دار ساخته شده است. ياتاقان‌ها به‌طور كامل به محور سوم چسبيده‌اند و با سرعت دوراني يكساني با محور به حركت درمي‌آيند. هنگام عمل تعويض دنده ماهك بر كشويي دنده نيرو وارد مي‌كند و آن را به سمت چرخ‌دنده‌ي هماهنگ كننده هدايت مي‌كند تا با چفت شدن دندانه‌ها درون يكديگر، محور شماره‌ي سوم با سرعت دنده‌ي درگير شروع به چرخيدن كند.
دنده برنجي
با توجه به اين‌كه سرعت دوراني ياتاقان‌ها با سرعت دوراني دنده‌ها برابر نيست، احتمال چفت نشدن دندانه‌هاي كشويي و ياتاقان‌ها بسيار بالا است؛ چراكه دندانه‌هاي اين دو قطعه لاخبار تخصصياً در هر لحظه روبه‌روي يكديگر قرار ندارند. براي حل اين اشكال و انجام هرچه سريع‌تر و نرم‌تر عمل تعويض دنده، يك قطعه‌ي دندانه‌دار موسوم به دنده‌برنجي بين اين دو قطعه قرار مي‌گيرد. با حركت ماهك، كشويي دنده بر دنده‌برنجي نيرو وارد و آن را به دندانه‌هاي ياتاقان نزديك مي‌كند. به دليل اصطكاك بالاي دنده‌برنجي و ياتاقان، سرعت گردش اين دو قطعه در كسري از ثانيه با يكديگر برابر مي‌شود و در نتيجه دندانه‌هاي كشويي دنده به راحتي با دندانه‌هاي ياتاقان چفت مي‌شود. در حقيقت، صداي گوش خراش شبيه خرد شدن قطعات در هنگام تعويض دنده، مربوط به عدم برابري سرعت كشويي و ياتاقان است كه به سبب برخورد دندانه‌هاي اين دو قطعه با يكديگر به گوش مي‌رسد.
تعويض دنده
به‌طور خلاصه، راننده با فشردن پدال كلاچ سبب قطع شدن ارتباط محور يك (محرك) با پيشرانه مي‌شود. سپس با حركت دادن دسته دنده، سبب حركت ميل ماهك و در نتيجه‌ي آن ماهك مي‌شود. ماهك دنده با فشردن كشويي متناظر با دنده‌ي مورد انديشه متخصصين راننده به دنده‌برنجي نيرو وارد مي‌كند و در در زمان كمي، باعث برابري سرعت دوران دنده‌برنجي و ياتاقان دنده مي‌شود. در نهايت دندانه‌هاي كشويي دنده با ياتاقان چفت مي‌شود و سبب چرخش محور سوم با سرعتي متناظر دنده مي‌شود.
دنده عقب
دنده‌ي عقب از تركيب سه چرخ‌دنده تشكيل شده است. در دنده‌ي عقب يك چرخ‌دنده‌ي هرزگرد، كه وظيفه‌ي آن تغيير جهت دوران دنده‌ي عقب است، وجود دارد. دنده‌ي عقب همواره در خلاف جهت ساير دنده‌ها در حال چرخش بوده كه نكته‌ي جالب، عدم وجود مكانيزم هماهنگ كننده براي آن است. به‌همين دليل، براي قرار دادن خودرو در حالت دنده‌ي عقب خودرو بايد به‌طور كامل متوقف شود؛ تلاش براي قرار دادن خودروي در حال حركت در وضعيت دنده‌ي عقب بي‌فايده است و تنها حاصل آن، توليد صداهاي ناهنجار و گوش‌خراش خواهد بود.
هم انديشي ها