انتقال قدرت
انتقال قدرت دستی چگونه کار می کند؟
هنگام رانندگی با اتومبیل دنده دار ممکن است با چنین سوالاتی روبه رو شوید:
●چه ارتباطی بین حرکت H مانند دنده و چرخ دنده های درون جعبه دنده وجود دارد؟ وقتی دنده را عوض می کنید چه چیزی درون جعبه دنده جا به جا می شود؟
●وقتی راننده در عوض کردن دنده اشتباه می کند، صدای قیژقیژ شنیده می شود. واقعا چه اتفاقی می افتد؟
●اگرهنگامی که راننده در بزرگراه مشغول رانندگی با سرعت بالا است ، ناگهان دنده را به عقب بزند چه اتفاقی می افتد؟ آیا ممکن است کل جعبه دنده متلاشی شود؟
در این مقاله، با بررسی سیستم انتقال قدرت دستی به این سوالات و حتی سوالات بیشتری در این زمینه پاسخ داده می شود.
اول از همه باید بدانید که ، اتومبیل ها به علت ساختار موتورهای بنزینی به جعبه دنده احتیاج دارند. هر موتوری یک خط قرمز دارد (ماکزیمم دور موتور که اگربیش از این مقدار دور داشته باشد متلاشی می شود)
در ضمن اگر قسمت " اسب بخار چگونه کار می کند؟ " را بخوانید ، می فهمید دور موتوری که در آن قدرت و گشتاور در ماکزیمم خود هستند دامنه ی محدودی دارد. برای مثال ، یک موتور ممکن است ماکزیمم توان خود را در ۵۵۰۰ دور در دقیقه به دست آورد. سیستم انتقال قدرت این امکان را ایجاد می کند که با کم و زیاد شدن سرعت خودرو نسبت دنده بین موتور و چرخ های خودرو تغییر کند. در واقع شما دنده را عوض می کنید تا موتور زیر خط قرمز بماند در حالی که دور موتور نزدیک به دور آن در بهترین حالت عملکرد است.
به طور ایده آل ، جعبه دنده باید آنقدر در نسبت دنده ها قابلیت تغییر داشته باشد که موتور بتواند همیشه با تعداد دور مربوط به بهترین شرایط عملکرد خودش بچرخد. این ایده ی مربوط به CVT ها است.
یک CVT تقریبا دامنه ی نا محدودی از نسبت دنده ها دارد. در گذشته CVT ها در هزینه ، اندازه وقابلیت اطمینان توانایی رقابت با سیستم های 4 و5 سرعته را نداشتند در نتیجه به ندرت در خودرو های تولید شده مشاهده می شدند. امروزه ، پیشرفت در زمینه ی طراحی ، CVT ها را متداولتر کرده است. Toyota pruis یک خودروی هیبریدی است که در آن از CVT استفاده شده است.
جعبه دنده از طریق کلاچ به موتور وصل شده است. بنا براین محور ورودی جعبه دنده با همان تعداد دورهای موتور می چرخد.
یک جعبه دنده ی ۵ سرعته یکی از ۵ نسبت دنده را برای محور ورودی به کار می گیرد تا تعداد دور متفاوتی در محور خروجی ایجاد کند.
برای اطلاعات بیشتر قسمت CVT چگونه کار می کند را بخوانید.
حال به یک جعبه دنده ی ساده نگاه کنید:
برای فهمیدن ایده ی اصلی یک جعبه دنده ی استاندارد ، به دیاگرام زیر که مربوط به یک جعبه دنده ی دو سرعته و ساده در حالت خلاص است توجه کنید:
حال هر یک از اجزای دیاگرام را بررسی می کنیم:
●محور سبز رنگ از طریق کلاچ از موتور خارج شده است.چرخ دنده و محور سبز رنگ به هم متصلند و یک واحد مجزا را تشکیل می دهند.(کلاچ وسیله ایست که امکان اتصال و قطع اتصال موتور و جعبه دنده را ایجاد می کند.وقتی که پدال کلاچ را فشار می دهید، اتصال موتور و جعبه دنده قطع می شود در نتیجه موتور حتی در حالت خلاص کار می کند. با رها کردن پدال ، موتور و محور سبز مستقیمآ به هم وصل می شوند ، به این ترتیب چرخ دنده ومحور سبز با همان تعداد دور موتور می چرخند.)
●محور قرمز وچرخ دنده ها میل هرزگرد نام دارد. محور وچرخ دنده ها مانند قسمت قبل به هم متصل اند ویک واحد مجزا را ایجاد می کنند. در نتیجه همه ی چرخ دنده های روی هرزگرد و حتی خود میل مانند یک واحد می چرخند.محور سبز و قرمز رنگ از طریق چرخ دنده هایشان مستقیمآ به هم متصل اند در نتیجه با چرخش محور سبز ، محور قرمز هم شروع به حرکت می کند. بدین ترتیب میل هرزگرد ، قدرتش را با درگیر شدن کلاچ از موتور می گیرد.
●محور زرد رنگ یک محور هزارخار است که مستقیمآ بوسیله ی دیفرانسیل به میل گاردان وصل شده وسپس به چرخ های خودرو متصل است.اگر چرخ ها در حال حرکت باشند ، محور زرد هم متحرک خواهد بود.
●دنده های آبی رنگ روی یاتاقان سوارند و بر روی محور زرد رنگ می چرخند.اگر موتور خاموش باشد ولی اتومبیل با دنده ی خلاص در حال حرکت ، محور زرد می تواند داخل دنده ی آبی بچرخد با وجود اینکه دنده ی آبی و میل هرزگرد ساکن اند.
●حلقه ((collar یکی از دو دنده ی آبی را به میل گاردان زرد رنگ متصل می کند. حلقه بوسیله ی هزارخار مستقیمآ به محور زرد مرتبط است و با آن حرکت می کند.به علاوه میتواند برای درگیر کردن هر یک از دنده های آبی روی محور زرد به چپ و راست بلغزد. دندانه های روی حلقه(dog teeth) در سوراخ های روی دنده ی آبی قرار می گیرند و آنها را درگیر می کنند.
دنده یک:
تصویر زیر نشان می دهد که چگونه در دنده ی یک ، حلقه، چرخ دنده ی آبی سمت راست را درگیر می کند:
در این تصویر ، محور سبز موتور، میل هرزگرد را میچرخاند که خود دنده ی آبی سمت راست را می چرخاند.این دنده انرژی را از طریق حلقه به میل گاردان منتقل می کند.بدین ترتیب اگر دنده ی آبی سمت چپ در حال چرخش باشد اما روی یاتاقانش به حالت هرز بگردد ، هیچ تاثیری روی محور زرد ندارد.
وقتی حلقه بین دو دنده قرار دارد(حالت شکل اول) دنده خلاص است و هر دو دنده ی آبی روی محور زرد به حالت هرز، با سرعت های متفاوت ، بسته به نسبتشان با میل هرزگرد ، می گردند.
از این بحث نتایج زیر بدست می آید:
●وقتی دنده بد عوض می شود ، صدایی که به گوش میرسد ، صدای گیرافتادن دندانه های دنده ها نیست چون همانطور که در شکلها می بینید دندانه ها همیشه کاملآ درگیر هستند .در واقع صدایی که شنیده می شود نتیجه ی تلاش ناموفق دندانه های حلقه( (dog teeth برای گیر انداختن سوراخ های بدنه ی دنده ی آبی است.
●جعبه دنده ای که اینجا نشان داده شده سیستم "همگام ساز" (بعدا توزیح داده خواهد شد) ندارد.بنابراین باید دو کلاچه دنده عوض کنید.این روش دنده عوض کردن در خودرو های قدیمی تر معمول بوده هر چند الآن هم در بعضی ماشین های مسابقه استفاده می شود.در این روش اول پدال کلاچ را یک بار فشار می دهید تا اتصال جعبه دنده و موتور قطع شود، این کار فشار را از روی دندانه های حلقه( (dog teeth بر می دارد و می توانید حلقه را به حالت خلاص در آورید.بعد پدال را آزاد می کنید و دور موتور را بالا می برید تا به سرعت مناسب برسید.سرعت مناسب،تعداد دوری است که موتور باید در دنده ی بعدی بزند.روش کار به این ترتیب است که دنده ی آبی مربوط به دنده ی بعدی و حلقه با سرعت یکسان بچرخند تا دندانه های حلقه( (dog teeth درگیر شود.سپس پدال را برای بار دوم فشار می دهید و حلقه را در دنده ی جدید قفل می کنید.همانطور که از نام "دو کلاچه" پیداست برای هر بار عوض کردن دنده باید دوبار کلاچ را فشار داده و آزاد کنید.
●می توان دید که چگونه حرکت خطی کوچک دسته ی دنده باعث تعویض دنده می شود.دسته ی دنده میله ای را که به ماهک وصل است حرکت می دهد.ماهک حلقه را روی محور زرد حرکت می دهد تا یکی از دو دنده را درگیر کند.
امروزه دنده ی دستی ۵ سرعته تا حد خوبی برای خودرو ها استاندارد است. داخل این دنده چیزی شبیه شکل زیر است:
کلآ ٣ ماهک وجود دارد که با ٣ میله ی متصل به دسته دنده کنترل می شوند.اگر از بالا به میله های تعویض دنده نگاه کنیم در حالت های دنده عقب ، یک و دو به شکل زیر اند:
به یاد داشته باشید که دسته دنده در وسطش یک نقطه ی چرخش دارد.وقتی در حالت دنده یک ،دسته دنده را به جلو حرکت می دهید درواقع ماهک و میله ی دنده ی یک جا به عقب می کشید.
وقتی که به چپ و راست حرکت می دهید در واقع ماهک های مختلف(و درنتیجه حلقه های متفاوت)را در گیر می کنید.از طرفی جلو و عقب بردن دسته دنده حلقه را با یکی از دنده ها درگیر می کند.
دنده عقب به کمک یک دنده ی کوچک کمکی شکل می گیرد(بنفش).دنده ی آبی عقب در این شکل همیشه خلاف جهت سایر دنده های آبی حرکت می کند.در نتیجه عقب زدن دنده وقتی خودرو به جلو حرکت می کند ممکن نیست.در ضمن دندانه های حلقه( (dog teeth در این جریان اصلآ در گیر نمی شود اگرچه صدای زیادی ایجاد می کنند.
همگام سازها:
سیستم انتقال قدرت دستی در ماشین های مسافربری جدید برای رفع نیاز دو بار کلاچ گرفتن از همگامسازها کمک می گیرد.روش کار یک همگام ساز به این صورت است که باعث می شود دنده و حلقه قبل از اتصال دندانه های حلقه( (dog teeth تماس اصطکاکی داشته باشند.این باعث می شود تا سرعت دنده و حلقه انطباق زمانی پیدا کند قبل از اینکه دندانه ای در گیر شود.مانند شکل زیر:
مخروط روی چرخ دنده ی آبی در سوراخ مخروطی شکل حلقه قرار می گیرد و اصطکاک بین مخروط و حلقه ،چرخ دنده و حلقه را همگام می کند.سپس حلقه به گونه ای می لغزد که دندانه های حلقه( (dog teeth دنده را درگیر کند.
البته هر تولید کننده ی ابزارهای انتقال قدرت و همگام ساز را به روشهای متفاوتی تولید می کند اما ایده ی کلی همانطور است که شرح داده شد.
چرا در سيستم تعويض دنده دستي دنده عقب صداي متفاوتي ايجاد مى كند؟ (ترجمه: کاوه متمادی )
سيستم هاي انتقال قدرت دستي بيشتر از دنده هاي مارپيچ استفاده مى كنند. اما دنده عقب به دليل موقعيت خاص خود نياز به نوع ديگري از چرخ دنده ها دارد كه به چرخ دنده ساده معروف است.
دنده هايي كه نسبت دنده هاي جلو (مثبت) را ايجاد مى كنند همه مارپيچ هستند (دنده 1و2و3) . دندانه های چرخ دنده هاي مارپيچ به صورت مورب برش خورده اند.زماني كه 2 دنده در سيستم چرخ دنده مارپيچ با هم درگير مى شوند.تماس دندانه ها در پايان يك دندانه شروع مى شود و اين تماس به صورت تدريجي باعث چرخاندن 2 چرخدنده مى شود تا زماني كه دو دندانه به صورت كامل در حال درگيري هستند .اين درگيري تدريجي باعث مي شود كه چرخ دنده هاى مارپيچ ملايمتر و آرامتر از چرخ دنده هاى ساده عمل كنند.
به دليل وجود زاويه در دندانه هاي دنده هاي مارپيچ , بيش از يك دندانه در يك زمان در اين نوع چرخ دنده با هم درگير هستند كه اين نوع درگيري باعث مى شود كه اين نوع چرخ دنده ها قدرت بيشتري و تنش كمتري داشته باشند.
تنها مشكل در مورد چرخ دنده هاي مارپيچ اين است كه آنها به سختى در كنار هم و در خارج از درگيري به هم مى لغزند. در يك سيستم تعويض دنده دستي دنده اي جلو در حالت در گيري قرار دارند (در تمام زمانها) و حلقه ها توسط دكمه تعويض دنده كنترل شده و سرعت هاي متفاوتي را به محور خروجي منتقل مى كنند.
دنده عقب در سيستم تعويض دنده دستي به عنوان دنده هرزگرد مى چرخد(چرخدنده ساده بزرگ در سمت راست شكل زير) كه مى لغزد با دو چرخ دنده ساده ديگر در زماني كه نياز به تغيير جهت چرخش داشته باشيم.
بيشتر چرخ دنده هاي به كار رفته در سيستم هاي انتقال قدرت دستي از نوع مارپيچ هستند .3 چرخ دنده كه براي دنده عقب هستند از نوع دندانه هاي ساده هستند.چرخ دنده ساده بزرگ سمت راست در شكل فوق براي دنده عقب است.
دنده هاي ساده با دندانه هاي مستقيم لغزش بيشتري نسبت به هم در مقايسه با چرخ دنده هاي مارپيچ دارند. هر زماني كه دندانه هاي چرخ دنده درگير با يك چرخ دنده ساده است دندانه ها با هم تصادم مي كنند به جاي اينكه به آرامي لغزش داشته باشند .اين حقيقت باعث ايجاد مقداري سر و صدا و نيز افزايش تنش بر روي دندانه ها مى شود . وقتي شما صداي بلندتري نسبت به درگيري ساير دنده هايتان مي شنويد .آن صداي دنده عقبتان است .صدايي كه مي شنويد صداي برخورد و درگيري دنده هاي ساده عقب با يكديگر است.
سیستم انتقال قدرت دو کلاچه:
اکثر مردم این را می دانند که ماشین های موجود با دو سیستم انتقال قدرت متفاوت کار می کنند،یکی سیستم عادی که راننده با فشار دادن پدال کلاچ و با استفاده از دسته تعویض دنده ،دنده را تعویض می کند و دیگری سیستم اتوماتیک است که با استفاده از چند کلاچ و یک مبدل گشتاور و چرخدنده های سیاره ای همه کارهای تعویض دنده را برای راننده انجام می دهد.اما سیستم دیگری مابین این دو وجود دارد که ترکیبی از بهترین ویژگی های هر دو سیستم را فراهم می کند و آن سیستم انتقال قدرت دو کلاچه است که به آن ، سیستم انتقال قدرت شبه اتوماتیک ، سیستم دستی بدون کلاچ یا سیستم دستی انتقال قدرت اتوماتیک شده هم گفته می شود.
البته در زمینه ماشین های مسابقه سیستم های شبه اتوماتیک مانند گیربکس دستی متوالی همواره استفاده شده اند اما در ماشین های معمولی تکنولوژی نسبتا جدیدی است.
در این مقاله خواهیم آموخت که سیستم انتقال قدرت دو کلاچه چگونه کار می کند، و آن را با سیستم های دیگر مقایسه خواهیم کرد و بررسی خواهیم کرد که چرا بعضی آن را سیستم انتقال قدرت در آینده می دانند.
سیستم انتقال دو کلاچه کار دو گیربکس سیستم دستی را با هم انجام می دهد.برای درک بهتر این موضوع بهتر است طریقه کارکرد گیربکس دستی معمولی را مرور کنیم. وقتی که راننده می خواهد دنده را به وسیله دسته دنده عوض کند باید ابتدا پدال کلاچ را فشار دهد در این سیستم کلاچ رابطه بین موتور و گیربکس را قطع می کند و از انتقال قدرت به چرخها جلوگیری می کند سپس راننده با دست و به وسیله دسته دنده ،دنده جدیدی را انتخاب می کند در ضمن این کار حلقه دندانه دار شده ای از یک چرخدنده به چرخدنده با اندازه متفاوت حرکت می کند.وسایلی که همزمانساز (synchronizer) نامیده می شوند دنده ها را قبل از اینکه با هم درگیر شوند هم سرعت می کند تا از خرد شدن چرخدنده ها جلوگیری شود.وقتی که چرخدنده جدید درگیر شد راننده پدال کلاچ را رها می کند.با این کار دوباره موتور به گیربکس وصل می شود و نیرو دوباره به چرخها منتقل می شود.
پس در یک سیستم انتقال قدرت دستی معمولی جریان دایمی قدرت از موتور به چرخها وجود ندارد. قطع وصل شدن جریان قدرت پدیده ای را به نام shift shock یا torque interrupt به وجود می آورد. اگر راننده کار آزموده نباشد سرنشینان ماشین در ضمن تعویض دنده به جلو و سپس به عقب پرتاب می شوند.
یک گیربکس دو کلاچه از دو کلاچ استفاده می کند و در عین حال پدال کلاچ ندارد ،کنترل گرهای الکترونیکی و هیدرولیکی پیچیده ای کلاچ ها را کنترل می کنند در سیستم انتقال قدرت اتوماتیک هم اینگونه است.درDCT(سیستم انتقال قدرت دو کلاچه) کلاچ ها مستقل از هم عمل می کنند.یک کلاچ چرخدنده های فرد را کنترل می کند و دیگری چرخدنده های زوج را.با استفاده از این شیوه دنده بدون قطع جریان نیرو از موتور به چرخها عوض می شود.
رانندگان می توانند حالت اتوماتیک کامل را برای ماشین خود انتخاب کنند و تمام وظایف تعویض دنده را به کامپیوتر محول کنند.در این حالت رانندگی بسیار شبیه به رانندگی با ماشین مجهز به گیربکس اتوماتیک است چون DCT به ترتیب یک چرخدنده را خارج و دیگری را درگیر می کند شوک هنگام تعویض دنده (shift shock) کاهش می یابد و مهمتر از همه تعویض دنده تحت نیرو انجام می گیرد یعنی یک جریان قدرت ثابت و پایدار بین موتور و چرخ ها وجود خواهد داشت.
یک ساختار مبتکرانه متشکل از دو شفت با جدا کردن چرخدنده های فرد و زوج تمام موارد فوق را ممکن می سازند.در قسمت بعد مطالبی را در مورد این دو شفت خواهیم آموخت.
شفت های سیستم انتقال قدرت دو کلاچه: (ترجمه از کاوه مینایی )
یک شفت دو قسمتی در مرکز DCT قرار دارد.بر خلاف گیربکس های دستی معمولی که همه چرخدنده ها روی یک شفت ورودی قرار دارند ،DCT چرخدنده های زوج و فرد را به وسیله دو شفت ورودی از هم جدا می کند.این چگونه ممکن است؟ شفت خارجی به صورتی سوراخ شده که محفظه ای را برای شفت داخلی فراهم می کند و شفت داخلی در آن جا می گیرد.شفت خارجی به چرخدنده های دو و چهار وصل است و شفت داخلی به چرخدنده های اول ،سوم و پنجم متصل است.
تصویر زیر ترتیب قرار گیری اجزا را در یک سیستم پنج دنده DCT نشان می دهد.توجه کنید که یک کلاچ چرخدنده های دوم و چهارم را کنترل می کند و کلاچ دیگر به صورت مستقل چرخدنده های اول و سوم و پنجم را کنترل می کند.این همان چیزی است که تعویض برق آسای دنده ها را ممکن می کند و در عین حال قدرت همواره به صورت ثابت یه چرخ ها منتقل می شود. سیستم انتقال اتوماتیک استاندارد نمی تواند این نیاز را برطرف کند زیرا در این سیستم برای تمام چرخدنده ها از یک کلاچ استفاده می شود.
کلاچ های چند صفحه ای
از آنجایی که سیستم دو کلاچه شبیه سیستم اتوماتیک است شاید فکر کنید که این سیستم به مبدل گشتاور نیاز داشته باشد چیزی که در سیستم اتوماتیک مورد نیاز است تا قدرت به چرخ ها منتقل شود در حالی که DCT به مبدل گشتاور نیاز ندارد.به جای آن DCT هایی که هم اکنون در بازارند از کلاچ های چند صفحه ای خیس استفاده می کنند.کلاچ خیس کلاچی است که اجزای کلاچ را در مایعی شست و شو می دهد تا هم اصطکاک کم شود هم از گرمای تولید شده بکاهد.تولید کنندگان در حال توسعه DCT های با کلاچ خشک هستند درست مانند سیستم های دستی.اما ماشین هایی که مجهز به DCT هستند از کلاچ خیس استفاده می کنند. بسیاری از موتور سیکلت ها از یک کلاچ چند صفحه ای استفاده می کنند.
درست همانند مبدل گشتاور ،کلاچ چند صفحه ای از فشار هیدرولیکی برای به حرکت در آوردن چرخدنده ها استفاده می کند.مایع کار خود را در داخل پیستون کلاچ انجام می دهد_در شکل بالا مشخص است_وقتی که کلاچ درگیر می شود فشار هیدرولیکی داخل پیستون فنر های حلقه شده را تحت فشار قرار می دهد.با این کار یک دسته از صفحه های کلاچ و دیسکهای اصطکاکی به صفحه فشار که ثابت است فشرده می شوند.دیسکهای اصطکاکی دارای دندانه های داخلی هستند و به گونه ای طراحی شده اند که با دندانه های روی غلطکهای کلاچ درگیر شوند و این غلطکها هم به نوبه خود با چرخدنده هایی که نیرو را انتقال می دهند درگیر می شوند.سیستم انتقال قدرت دو کلاچه خشک آ او دی(Audi) ،هم یک فنر حلقه ای کوچک هم یک فنر بزرگ میانی دارد.
به منظور آزاد کردن کلاچ ،از فشار روغن درون پیستون کاسته می شود.با این کار فنر های پیستون که اعمال فشار روی مجموعه کلاچ و صفحات فشار را ممکن می کنند به حالت آزاد بر می گرد.
معایب و مضایای سیستم انتقال قدرت دو کلاچه :
خوشبختانه قبلا مشخص شد که چرا DCT ها را جزو سیستم های انتقال قدرت دستی اتوماتیک شده می دانند.در اصل DCT دقیقا مانند سیستم دستی کار می کند.این سیستم شامل شفت ورودی شفت جانبی در محفظه چرخدنده ها ،هماهنگ کننده ها و کلاچ است تنها چیزی که ندارد پدال کلاچ است چون سیستم های هیدرولیکی و سیم پیچ ها کار تعویض دنده را انجام می دهند. حتی در این حالت نیز راننده می تواند با استفاده از دکمه یا دسته تعویض دنده تعیین کند که سیستم چه موقع عمل کند.
با توجه به اینکه رفتن به دنده بالاتر ظرف 8 میلی ثانیه انجام می گیرد پس رانندگان در ضمن تعویض دنده یکی از چندین محاسن DCT ها را تجربه خواهند کرد و آن هم شتابگیری دینامیک و پیوسته آن است.تعویض دنده یکنواخت با حذف شوک- shift shock _که در سیستم دستی و بعضی از سیستم های اتوماتیک وجود دارد_ حاصل می شود.بهترین حسن DCT ها این است که به راننده این امکان را می دهد تا با توجه به راحتی خود انتخاب کند که خود عمل تعویض دنده را انجام دهد یا کامپیوتر همه کارها را انجام دهد.
Audi TT Roadster یکی از چندین مدل Audi که از سیستم انتقال دو کلاچه استفاده می کند.
شاید بزرگترین حسن DCT ها صرفه جویی در مصرف سوخت باشد .از آنجایی که در ضمن تعویض دنده انتقال قدرت از موتور به چرخ ها قطع نمی شود مصرف سوخت به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.بعضی از متخصصان می گویند یک سیستم 6 دنده DCT در مقایسه با یک سیستم اتوماتیک 5 دنده افزایش 10درصدی بازده نسبی سوخت را بدست می دهد.
بسیاری از تولید کنندگان اتومبیل به DCT ها علاقه مند شده اند این در حالی است که تولید کننده گان موتور ها از هزینه ای که باید صرف تغییراتی در خطوط تولید موتور شود نگرانند و این باعث افزایش قیمت ماشین هایی که مجهز به DCT هستند می شود و ممکن است خریداران آگاه را از خرید این ماشین ها منصرف کند.
به علاوه امروزه تولید کنندگان بیشتر در تکنولوژی های مربوط به سیستم های انتقال قدرت متناوب سرمایه گذاری می کنند.یکی از موارد مورد توجه سیستم تعویض دنده پیوسته است ( CVT ).CVT یکی از انواع سیستم های اتوماتیک است که از یک سیستم پولی و یک تسمه ویا یک زنجیر به منظور تنظیم نسبت چرخدنده ها استفاده می کند.CVT ها همچنین شوک هنگام تعویض دنده را هم کاهش می دهند و بازده سوخت را به میزان قابل ملاحظه ای افزایش می دهند اما CVT ها نمی توانند نسبت به گشتاورهای بالای مورد نیاز در ماشین های با توان بالا پاسخگو باشند.
DCT ها این مشکلات را ندارند و برای اتومبیل های با توان بالا ایدآل هستند.در اروپا ، جایی که سیستم دستی بیشتر به خاطر عملکرد خوب و بازده سوخت مناسب ترجیح داده می شود پیش بینی می شود که DCT ها 25% بازار را به خود اختصاص دهند و تنها یک درصد از محصولات اروپای غربی تا سال 2012 مجهز به CVT خواهند بود.
حال به تاریخچه و آینده DCT ها خواهیم پرداخت.
سیستم انتقال قدرت دو کلاچه،گذشته حال و آینده
فردی که گیربکس اتوماتیک را ابداع کرد یکی از پیشگامان مهندسی خودرو بود. آدولف کگرس(Adolphe Kégresse) بیشتر به خاطر ماشین های نظامی (half-track) معروف است.نوعی از ماشین هایی که مجهز به چرخهای خاصی هستند و امکان رانندگی در هر نوع ناهمواری زمین را فراهم می کنند.در سال 1939 کگرس طرح استفاده از سیستم دو کلاچه را مورد توجه قرار داد و امیدوار بود در خودرو افسانه ای مخصوص بکسل سیتروئن به کار رود اما متاسفانه شرایط ناسازگار تجاری مانع پیشرفت بیشتر در این زمینه شد.
هم Audi هم Porsche مفهوم دو کلاچه را در طرح های خود مد نظر قرار دادند هرچند که استفاده این شرکت ها از سیستم دو کلاچه تنها به ماشین های مسابقه محدود شد. Porsche Dual Klutch یا PDK شامل مدل های مسابقه ای 956 و 962 C بودند.در سال 1986 پورشه 962 در مسابقه 1000 کیلومتری مونزا (Monza) که بین خودروهای نمونه اولیه در سطح جهان برگزار می شود موفق به کسب مقام اول شد. اين اولين برد اتومبيل هاي مجهز به PDK نيمه اتوماتيك بود . اين مدل به وسيله پدال عمل تعويض دنده را انجام مي داد. Audi هم در سال 1985 تاريخ ساز شد ، زماني كه يك ماشين كواترو S1 مجهز به سيستم انتقال قدرت دو كلاچه در مسابقه بالا رفتن از تپه از يك كوه به ارتفاع 4300 متر بالا رفت و موفق به كسب مقام اول شد.
Porsche 962
تا سال هاي اخير ماشين هاي مجهز به سيستم دو كلاچه وارد بازار نشدند طبق اجازه نامه BorgWarner's DualTronic فلكس واگن از پيشگامان سيستم انتقال قدرت دو كلاچه است. ماشين هاي اروپايي که از اين سيستم استفاده كرده اند شامل مدل هاي زير است:
Volkswagen Beetle Golf Touran Jetta Audi TT A3
Toledo Leon Octavia Skoda Altea Seat
Volkswagon Jetta 2.0
فورد دومين توليد كننده سيستم هاي انتقال قدرت دوگانه است كه اين كار با همكاري فورد اروپا و سرمايه گذار 50/50 خود توليد كننده سيستم انتقال قدرت_جتراگ فورد (GETRAG_FORD) انجام مي پذيرد.اين شركت يك سيستم دو كلاچه شش دنده را تحت عنوان سيستم پاور شيفت (Powershift) در سال 2005 در نمايشگاه بين المللي فرانكفورت به نمايش گذاشت با اين وجود محصولات آنها دو سال بعد به اولين نسل پاور شيفت ها مجهز شدند.
سيستم انتقال قدرت پيوسته متغير (CVT)
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.
گیربکس اتوماتیک
اگر شما یک ماشین با گیربکس اتوماتیک رانده باشید ، دو تفاوت بزرگ بین گیربکس های اتوماتیک و گیربکس های دستی را می شناسید :
- خودرو های دارای گیربکس اتوماتیک پدال کلاچ ندارند .
- خودرو های دارای گیربکس اتوماتیک نیازبه تعویض دنده دستی ندارند . یک بار شما دنده را در حالت drive قرار می دهید ، همه چیز ها دیگر خودکار عمل می کند .
گیربکس اتوماتیک ( بعلاوه مبدل گشتاور ) و گیربکس دستی ( با کلاچ ) دقیقاً مانند هم عمل می کنند ، اما از راه های کاملاً متفاوت. روش گیربکس اتوماتیک برای تعویض دنده کاملاً شگفت انگیز است .
محل قرار گرفتن گیربکس اتوماتیک
ما در این مقاله طرز کار گیربکس اتوماتیک را خواهیم گفت . ابتدا با اساس کلی سیستم شروع می کنیم : دنده های سیاره ای .
سپس چگونگی درگیر کردن دنده ها را خواهیم دید ، و چگونگی کنترل کار آنرا خواهیم آموخت و در مورد ریزه کاریهای پیچده مربوط به کنترل گیربکس بحث خواهیم کرد .
درست مثل جعبه دنده های دستی ، کار اصلی گیربکس های اتوماتیک این است که به موتور (که دارای دامنه محدود سرعت است ) اجازه می دهد که سرعت خروجی با دامنه وسیعی داشته باشند .
نمونه برش خورده یک گیرکس اتوماتیک (Mercedes-Benz CLK)
خودرو ها بدون گیربکس محدود به یک نسبت انتقال دور می باشند ، این نسبت که قابل انتخاب است و به خودرو اجازه می دهد که با حداکثر سرعت مطلوب طی مسیر کند . اگر حداکثر سرعت 80 مایل می خواهید ، پس باید انتقال دور شما شبیه دنده سه گیربکس های دستی خودرو ها باشد .
شما احتمالاً در حین رانندگی با خودرو های دارای جعبه دنده دستی فقط از دنده سه استفاده نمی کنید و اگر هم این کار را بکنید شتاب مورد نظرتان را در هنگام شروع حرکت نخواهید داشت . و در سرعت های بالا نیز ، موتور زوزه ای شدید خواهد داشت ( اگر عقربه نشان دهنده دور موتور نزدیک خط قرمز شود ) در این حالت موتور خودرو به زودی فرسوده می شود و تقریباً غیر قابل رانندن است.
بنابراین دنده های گیربکس تاثیر بیشتر یر گشتاور موتور دارد و موتور کار خود را با سرعت مناسبی ادامه می دهد .
تفاوت اساسی بین گیربکس های اتوماتیک و دستی این است که گیربکس دستی با درگیر و آزاد کردن مجموعه دنده های مختلف به شفت خروجی نسبت انتقال دور های متفاوتی می دهد. در حالی که در گیربکس اتوماتیک با همان مجموعه از دنده ها همه نسبت انتقال دور های متفاوت را می دهد . مجموعه دنده های سیاره ای وسیله ای است که این کار ها را در گیربکس اتوماتیک مقدور می کند . اکنون چگونگی کار مجموعه دنده های سیاره ای را خواهیم دید .
مجموعه دنده های سیاره ای و نسبت انتقال دور:
وقتی جعبه دنده اتوماتیک را باز کرده و به داخل آن نگاه می کنیم ، مجموعه ای عظیم از اجزای مختلف را در فضای نسبتاً کوچکی می بینیم . از جمله چيزهاى ديگرکه شما مىبينيد:
- مجموعه مبتکرانه دنده های سیاره ای
- مجموعه ای از باند ها که اجزای مختلف مجموعه دنده ها را قفل می کند
- مجموعه ای متشکل از سه صفحه کلاچ تر که قسمت های دیگر از مجموعه دند ها را قفل می کند .
- یک سیستم هیدرولیک شگفت انگیز که کلاچ ها و باندها را کنترل می کند
- یک پمپ دنده ای بزرگ که روغن را در اطراف گیربکس به حرکت در می آورد .
مجموعه دنده های سیاره ای قلب گیربکس های اتوماتیک است . که اندازه ی آن به مانند یک طالبی است . این یک قسمت ، همه نسبت های انتقال دور را که در یک گیربکس اتوماتیک قابل تولید است به وجود می آورد . همه قسمت های دیگر که در آنجا هستند به مجموعه دنده های سیاره ای کمک می کنند که این کار ها را انجام بدهد .
از چپ به راست : دنده رینگی( کرانویل) ، حامل سیار ه ای و دو مجموعه دنده خورشیدی
هر مجموعه دنده های سیاره ای متشکل از سه قسمت اصلی است :
- دنده خورشیدی
- دنده های سیاره ای و حامل دنده های سیاره ای
- دنده رینگی
هر یک از این سه قسمت می توانند ورودی ، خروجی یا می توانند ثابت نگه داشته شوند . انتخاب هر قطعه نقشی را بازی می کند که نسبت انتقال دور برای مجموعه دنده ها را تعیین می کند . اجازه دهید به یک مجموعه دنده های سیاره ای نگاه کنیم .
یکی از مجموعه دنده های سیاره ای گیربکس ما یک دنده رینگی با 72 دندانه و یک دنده خورشیدی با 30 دندانه دارد . ما می توانیم نسبت های انتقال دور خیلی متفاوتی را از این مجموعه دنده ها داشته باشیم .
|
|
Input |
Output |
Stationary |
Calculation |
Gear Ratio |
|
A |
Sun (S) |
Planet Carrier (C) |
Ring (R) |
1 + R/S |
3.4:1 |
|
B |
Planet Carrier (C) |
Ring (R) |
Sun (S) |
1 / (1 + S/R) |
0.71:1 |
|
C |
Sun (S) |
Ring (R) |
Planet Carrier (C) |
-R/S |
-2.4:1 |
هم چنین با قفل شدن دو قسمت از سه قسمت ( دنده خورشیدی ، دنده رینگی و حامل سیاره ای) در یک دیگر ، تمام قسمت ها با کاهش دنده ای 1:1 قفل خواهد شد .
توجه کنید که اولین نسبت انتقال دور که در بالا لیست شده یک نسبت انتقال دور کاهشی است . یعنی سرعت شفت خروجی نسبت به سرعت شفت ورودی آرام تر است . دومی اوردرایو است یعنی سرعت شفت خروجی سریعتر از سرعت شفت ورودی است . آخری هم نسبت انتقال دور کاهشی است اما جهت شفت خروجی معکوس شده است . چندین نسبت دور دیگری نیز می تواند در این مجموعه دنده های سیاره ای تولید شود . نسبت انتقال دور های دیگری نیز وجود دارد که برای گیربکس اتوماتیک ما مناسب است .
انیمیشن نسبت انتقال دورهای متفاوت مربوط به گیربکس اوماتیک
روی دکمه سمت چپ شکل بالا کلیک کنید .
بنابراین یک مجموعه می تواند همه این نسبت های انتقال دور را تولید کند بدون این که از هر دنده دیگر ، درگیر یا خلاص شود . با دو عدد از این مجموعه دنده ها در یک راستا ،ما می توانیم چهار دنده جلو و یک دنده عقب ( معکوس) از گیربکس مان را داشته باشیم . ما در قسمت بعدی دو مجموعه دنده را باهم درگیر می کنیم .
اجزای مجموعه دنده های سیاره ای:
این گیربکس اتوماتیک از مجموعه دنده هایی استفاده می کند که ترکیب مجموعه دنده های سیاره ای نامیده می شود، آن شبیه یک مجموعه دنده سیاره ای منفرد است اما مانند دو مجموعه سیاره ای ترکیب شده(متحد) عمل می کند . آن یک دنده رینگی دارد که همیشه خروجی گیربکس است . اما آن دو دنده خورشیدی و دو مجموعه دنده سیاره ای دارد .
اجازه دهید به بعضی قسمت های آن نگاهی داشته باشیم :
چگونگی قرار گرفتن دنده ها در داخل یک دیگر
از چپ به راست : دنده رینگی ، حامل سیاره ای و دو دنده خورشیدی
شکل زیر نشان دهنده سیاره ای در حامل سیاره ای است . توجه کنید که سیاره ای سمت راست پایین تر از سیاره ای سمت چپ جای داده شده . سیاره ای سمت راست با دنده رینگی درگیر نیست ، آن با سیاره ای های دیگر درگیر است . تنها سیاره ای سمت چپ با دنده رینگی درگیر است .
حامل سیاره ای : توجه کنید به دو مجموعه از سیاره ای
در شکل بعدی شما داخل حامل سیاره ای را می توانید ببینید . دنده های کوچکتر ، تنها با دنده خورشیدی کوچکتر درگیر شده اند . سیاره ای های بزرگتر با دنده خورشیدی بزرگتر و سیاره ای کوچکتر درگیر شده است.
نمای درونی حامل سیاره ای : به دو مجموعه دنده سیاره ای توجه کنید .
دنده های گیربکس اتوماتیک:
دنده یک
در دنده یک ، دنده خورشیدی کوچک در جهت عقربه های ساعت توسط توربین تورک کونورتور چرخانده می شود. حامل سیاره ای سعی می کند در خلاف جهت عقربه های ساعت بچرخد ، اما آن توسط کلاچ یک طرفه( که تنها مجاز است در جهت عقربه های ساعت بچرخد ) نگه داشته می شود و دنده رینگی شفت خروجی را می چرخاند . دنده کوچک 30 دندانه دارد و دنده رینگی 72 دندانه دارد، بنابراین نسبت انتقال دو زیر را داریم :
Ratio = -R/S = - 72/30 = -2.4:1
بنابراین نسبت انتقال دور 2.4:1 یک انتقال دور منفی است ، یعنی این که جهت خروجی بر خلاف جهت ورودی است . اما در حقیقت جهت خروجی همان جهت ورودی است . مجموعه سیاره ای اول با مجموعه سیاره ای دوم درگیر می شوند و مجموعه دوم دنده رینگی را می چرخاند ؛این ترکیب جهت را عوض ( معکوس ) می کند . شما می توانید ببینید که هم چنین آن موجب چرخش دنده خورشیدی بزرگ می شود ؛ اما موجب آزاد شدن کلاچ می شود ، دنده خورشیدی بزرگ در خلاف جهت توربین آزادانه می چرخد (در خلاف جهت عقربه های ساعت ) .
دنده دو
این گیربکس بعضی قسمت ها را هماهنگ می کند تا این که نسبت مورد نیاز برای دنده دو را بدست بیاورد . آن شبیه دومجموعه دنده سیاره ای اند عمل می کند که با یک حامل سیاره ای مشترک به همدیگر وصل شده اند .
در مرحله اول حامل سیاره ای ، دنده خورشیدی بزرگ را به عنوان دنده رینگی به کار می گیرد . بنابراین مرحله اول شامل خورشیدی ( دنده خورشیدی کوچکتر ) حامل سیاره ای و دنده رینگی ( دنده خورشیدی بزرگتر ).
دنده خورشیدی کوچکتر ورودی ، دنده رینگی( دنده خورشیدی بزرگتر) ثابت ( توسط باندها نگه داشته شده ) و حامل سیاره ای خروجی است . در این مرحله دنده خورشیدی به عنوان ورودی ، حامل سیاره ای به عنوان خروجی و دنده رینگی ثابت ، این فرمول آن است :
1 + R/S = 1 + 36/30 = 2.2:1
برای هردور چرخش دنده خورشیدی کوچک ، حامل سیاره ای 2.2 بار می چرخد . در مرحله دوم حامل سیاره ای به عنوان ورودی برای مجموعه سیاره ای دوم عمل می کند . دنده خورشیدی بزرگ ( که ثابت نگه داشته شده ) به عنوان خورشیدی عمل می کند و دنده رینگی به عنوانخروجی عمل می کند ، بنابراین نسبت دور زیر به وجود می آید :
1 / (1 + S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1
برای کاهش دور دنده دوم ، ما مرحله اول را در مرحله دوم ضرب می کنیم 2.2 x 0.67 تا به نسبت دور کاهشی 1.47:1برسیم . آن ممکن است صدای ناراحت کننده ای ایجاد کند ،در حالی که کار می کند .
دنده سه
بیشتر گیربکس های اتوماتیک در دنده سه نسبت انتقال دور 1:1 دارند . شما از بخش های قبلی به یاد دارید برای ایجاد نسبت دور خروجی 1:1 باید دو قسمت از سه قسمت مجموعه دنده های سیاره ای قفل شوند . این ترتیب قرار گرفتن دنده ها ساده تر است . با درگیرشدن کلاچ دنده خورشیدی با توربین قفل می شود .
اگر هر دو دنده خورشیدی در یک جهت بچرجند ،حامل سیار ه ای قفل می شود . زیرا آنها می توانند تنها در جهت مخالف بچرخند . این دنده رینگی را با سیاره ای قفل می کند و موجب می شود مانند یک چیز واحد بچرخد و نسبت 1:1 تولید کند .
اوردرایو
با این تعریف ، اور درایو یعنی شفت خروجی سریع تر از شفت ورودی می چرخد . این یک افزایش سرعت است. در این گیر بکس به کاربردن اوردرایو دو چیز را در یک زمان انجام می دهد. اگر مقاله تورک کنورتور را خوانده باشید ، نحوه قفل شدن آن می آموزید . به منظور افزایش بازده ، بعضی خودرو ها مکانیزم قفل تورک کنورتور دارند برای این که خروجی موتور مستقیماً وارد گیربکس شود .
در این گیربکس موقعی که از اوردرایو استفاده می کنیم ، شفتی که به پوسته تورک کنورتور ( که به فلایویل موتور پیچ شده) متصل شده ، به وسیله کلاچ به حامل سیاره ای وصل می شود . دنده خورشیدی کوچک آزادانه می چرخد ( خلاص می چرخد ) ، دنده خورشیدی بزرگ توسط باند های اوردرایو نگه داشته می شود . چیزی به توربین متصل نیست ، تنها ورودی از پوسته کنورتور است . دوباره به جدول قبلی بر می گردیم . این بار حامل سیاره ای ورودی ، دنده خورشیدی ثابت و دنده رینگی خروجی است .
Ratio = 1 / (1 + S/R) = 1 / ( 1 + 36/72) = 0.67:1
بنابراین شفت خروجی گیربکس برای هر دو سوم چرخش میل لنگ ، یک دور می چرخد . اگر موتور 2000 دور در دقیقه بچرخد ، خروجی گیربکس با سرعت 3000 دور در دقیقه می چرخد . این به راننده خودرو اجازه می دهد که با سرعت بزرگ راه ( زیاد ) حرکت کند در حالیکه موتور با دور آرام تری کار می کند .
دنده عقب
دندهد عقب خیلی شبیه به دنده یک است ، با این تفاوت که به جای دنده خورشیدی کوچک که توسط توربین تورک کنورتور رانده می شود ، دنده خورشیدی بزرگ رانده می شود و دنده خورشیدی کوچک در جهت مخالف ، خلاص می چرخد . حامل سیاره ای توسط باند های دنده عقب نگه داشته می شود . بنابراین طبق تساوی ، ما از صفحه قبل داریم :
Ratio = -R/S = 72/36 = 2.0:1
بنابراین نسبت انتقال دور در دنده عقب اندکی کمتر از حالت دنده یک در این گیربکس است .
نسبت انتقال دور(نسبت دنده) :
این گیربکس چهار دنده جلو و یک دنده، عقب دارد . خلاصه ای از نسبت انتقال دور ها ، ورودی ها و خروجی ها :
|
Gear |
Input |
Output |
Fixed |
Gear Ratio |
|
1st |
30-tooth sun |
72-tooth ring |
Planet carrier |
2.4:1 |
|
2nd |
30-tooth sun |
Planet carrier |
36-tooth ring |
2.2:1 |
|
Planet carrier |
72-tooth ring |
36-tooth sun |
0.67:1 | |
|
|
|
Total 2nd |
1.47:1 | |
|
3rd |
30- and 36-tooth suns |
72-tooth ring |
|
1.0:1 |
|
OD |
Planet carrier |
72-tooth ring |
36-tooth sun |
0.67:1 |
|
Reverse |
36-tooth sun |
72-tooth ring |
Planet carrier |
-2.0 |
بعد از خواندن این بخش شما احتمالاً متعجب می شوید که چطور ورودی ها متفاوت قطع و وصل می شوند . این کار توسط یک سری از کلاچ ها و باندها در داخل گیربکس انجام می شود. در بخش بعدی نحوه کار آنها را خواهیم دید .
باندها و کلاچ ها:
شیر دستی ، سوپاپ دستی ،سوپاپ تعویض دنده دستی (Manual valve): شیر ماسوره ای در سیلندر پمپ یک جعبه دنده خودکار که راننده از طریق میله بندی ، با دست آن را به کار می اندازد
سوپاپ راه دهنده ، شیر راه دهنده (Shift valve) : در جعبه دنده خودکار ، شیری که امکان تعویض دنده و تغییر نسبت چرخ دنده را فراهم می آورد
سیلندر پمپ گیربکس ، محفظه سوپاپ ،جعبه سوپاپ (Valve body) : قطعه ریخته گری نصب شده در سینی زیر گیربکس که بیشتر شیر های جعبه دنده خودکار هیدرولیکی در آن قرار دارد .
موقعی که گیربکس را در حالت اوردرایو قرار می دهیم ، بسیاری از قسمت ها باید وصل و قطع شود. حامل سیاره ای به وسیله کلاچ به پوسته تورک کنورتور وصل می شود . دنده خورشیدی کوچک به وسیله یک کلاچ از توربین جدا می شود ( قطع می شود ) بنابراین آن می تواند خلاص بچرخد ، دنده خورشیدی بزرگ توسط باند نگه داشته می شود ( ثابت ) . بنابراین آن نمی تواند بچرخد. هر بار که دسته دنده را فشار می دهیم یک سری از اتفاقات با درگیر شدن و آزاد شدن کلاچ ها و باندها ی مختلف رخ می دهد .
بیاید نگاهی به باندها داشته باشیم .
باند ها :
در این گیربکس دو باند وجود دارد . باندها در یک گیربکس معمولاً فولادی هستند ، که به دور بخشی از دستگاه چرخ دنده های انتقال توان (دارم کلاچ ) پیچده می شوند ، و به پوسته متصل شده اند . آنها توسط سیلندر های هیدرولیک در داخل گیربکس به کار انداخته می شوند .
نمونه ای از باند
در شکل بالا ، شما می توانید یکی از باندها را در داخل پوسته گیربکس ببینید . دنده خارج شده اند . میله فلزی ( کار انداز ، تیغه فشاری) به پیستون وصل شده ، که باند ها را کار می اندازد .
شما می توانید پیستون های ، راه انداز باند ها را در شکل بالا مشاهد نمائید
در شکل بالا شما می توانید دو پیستون که باند ها را به کار می اندازند را ببینید . فشار هیدرولیکی که توسط مجموعه از سوپاپ به سیلندر وارد می شود ، عامل حرکت پیستون و وارد کردن فشار به باند است ، که قسمت های از دستگاه چرخ دنده ها را قفل می کند .
کلاچ در این گیربکس اندکی پیچیده تر هستند . در این گیربکس چهار کلاچ وجود دارد . برای درگیر کردن این کلاچ ، فشار روغن به پشت پیستون کلاچ هدایت می شود و در نتیجه پیستون به حرکت در می آید و صفحه ها را به هم می فشارد .
فنر ها اطمینان حاصل می کنند که وقتی فشار کاهش می یابد کلاچ ها آزاد شوند . شما در شکل زیر می توانید پیستون و درام کلاچ را ببینید . به واشر لاستیکی پیستون توجه کنید ، این یکی از قطعاتی است که در موقعی که شما گیربکس را تعمییر می کنید باید تعویض بشوند .
نمونه ای از درام کلاچ
در شکل بعدی لایه های متناوب از کلاچ ( صفحات با مواد اصطکاکی) و صفحات فولادی نشان داده شده است . مواد اصطکاکی ( صفحه کلاچ ها ) از درون هزار خار دارند ، جایی که آن یکی از دنده ها را قفل می کند ( درام کلاچ) و صفحات فولادی از بیرون هزار خار دارند که با قسمت داخلی بدنه گیربکس درگیر هستند . همچنین صفحات کلاچ موقعی که گیربکس تعمیر می شود باید تعویض شوند.
نمونه ای از صفحات کلاچ
فشار برای کلاچ ها از طریق گذرگاه ها که در میله قرار دارند تغذیه می شود . سیستم کنترل هیدرولیکی با هر گشتاور معینی ، کلاچ ها و باندها را دارای انرژی می کند .
وقتی که شما خودرو را در وضعیت پارک قرار می دهید :
آن ممکن است شبیه یک چیز ساده ای که گیربکس را قفل می کند باشد و آن را از چرخش باز دارد . اما واقعاً نیازمند یک سری مقرارت پیچیده برای این مکانیسم است .
· شما باید قادر باشید آن را آزاد کنید موقعی که ماشین بر روی تپه (سربالای) است .
· شما باید بتوانید این مکانیسم را درگیر کنید حتی اگر اهرم با دنده در یک راستا(تنظیم) نباشد .
· وقتی که درگیر است، تا اندازه ای مانع از پریدن اهرم و آزاد شدن آن می شود .
این مکانیسمی است که همه این موارد را نسبتاً مرتب انجام می دهد . اجازه دهید ابتدا به بعضی از قسمت های آن نگاهی داشته باشیم .
شفت خروجی گیربکس: شیارهای مربعی شکل توسط مکانیسم پارک قفل درگیر می شوند و مانع حرکت ماشین می شوند .
مکانیسم قفل دنده پارک ، دندانه های روی شفت خروجی را برای ثابت نگه داشتن خودرو، درگیر می کند . این بخشی از گیربکس است که به میل گاردان وصل شده است . بنابراین با نچرخیدن ( ثابت بودن ) این بخش مانع حرکت خودرو می شود .
در شکل بالا شما برآمدگی مکانیسم پارک قفل را درداخل پوسته می ببینید ، جایی که دنده ها در داخل آن قرار گرفته است . به سمت مخروطی شکل آن توجه کنید . آن به آزاد شدن قفل پارک ، موقعی که شما در سربالایی پارک کرده اید کمک می کند . نیروی حاصل از وزن خودرو به بیرون آمدن ( فشار وارد می کند تا مکانیسم پارک قفل آزاد شود ) مکانیسم پارک قفل کمک می کند . به دلیل زاویه دار بودن مخروطی شکل .
نمای از میله کار انداز مکانیسم پارک
این میله به یک کابل وصل شده که توسط دسته دنده در داخل خودرو شما به کار انداخته می شود .
نمایی از مکانیسم قفل دنده پارک
موقعی که دسته دنده در حالت پارک قرار دارد میله بر خلاف فنر بوش مخروطی کوچک را فشار می دهد . وقتی مکانیسم پارک قفل در یک راستا باشد ( تنظیم باشد ) به منظور این که آن بتواند یکی از شیار ها در بخش خروجی دنده متوقف شود . بوش مخروطی شکل ، مکانیسم را به سمت پایین فشار خواهد داد . اگر مکانیسم در یکی از نقاط مهم در خروجی در یک راستا (تنظیم ) باشد . بنابراین فنر بر روی بوش مخروطی فشرده خواهد شد ، اما اهرم در این حالت قفل نخواهد شد تا این که خودرو کمی حرکت کند و دندانه ها به درستی همراستا ( تنظیم ) شود . آن باید کمی حرکت کند تا این که دندانه ها همراستا بشوند تا جایی که مکانیسم قفل پارک بتواند در آن حالت متوقف شود .
به دلیل مذکور در برخی موقع وقتی که ما پایمان را از روی پدال ترمز بر می داریم خودرو اندکی حرکت می کند .
. سیستم هیدرولیک ، پمپ و گاورنر:
سیستم هیدرولیک
گیربکس اتوماتیک در خودرو شما چندین وظیفه دارد . شما ممکن است نفهمید که چطور آن از راههای بسیار متفاوت عمل می کند . برای نمونه برخی ویژگی های که یک گیربکس اتوماتیک دارد :
· اگر ماشین در حالت اورداریو (در گیربکس های چهار دنده)باشد.گیربکس دنده ای مبنی بر سرعت وسیله نقلیه و موقیت پدال گاز انتخاب میکند.
· اگر شما به آرامی شتاب بگیرید ، تغیر دنده با سرعت کمتری نسبت به موقعی است که شما با تمام گاز شتاب بگیرید.
· اگر پدال گاز را رها کنیم ،گیربکس به دنده بعدی پائینی تعویض می شود.
· اگر شما اهرم دنده رادر حالت دنده پائین تر قرار دهید ،گیر بکس تغیرمکان خواهد داد(تعویض خواهد شد)مگر اینکه سرعت خودرو سریعتر ازسرعت دنده انتخابی باشد.اگر سرعت خودرو خیلی زیاد باشدباید صبر کنید تا سرعت آن کم شود و بعد از آن دنده تعویض شود(به دنده پایین).
· اگر شما گیربکس را در حالت دنده 2 قرار دهید،افزایش و کاهش سرعت بیش از دنده 2 را نخواهیم داشت و هرگز به طور کامل نخواهد ایستاد مگر اینکه دسته دنده را تغیر دهیم.
شما احتمالا ً پیشتر برخی قسمت های شبیه به آن را دیده اید.این واقعا ً مغز گیربکس های اتوماتیک است. آن تمام وظایف را مدیریت می کند.گذرگاه های مسیر روغن را در قسمت های متفاوت گیربکس می توانید ببینید.گذر گاه ها در داخل فلز قالب ریزی شده اند که راه مناسبی برای افزایش بازده مسیر های روغن هستند.
بدون آنها شیلنگ های زیادی برای وصل کردن قسمت های مختلف گیربکس به همدیگر لازم است. ابتدا ما در مورد قسمت های اصلی سیستم هیدرولیک بحث خواهیم کرد و بعدا ً خواهیم دید که چطور آنها با یکدیگر کار می کنند.
پمپ
گیربکس های اتوماتیک یک پمپ جالبی دارند که پمپ دنده ای نامیده می شود. پمپ معمولا ً در درپوش گیر بکس قرار دارد. آن روغن را از مخزن (کارتر) پایین گیربکس می کشد و سیستم هیدرولیک را تغذیه می کند. آن هم چنین کولر گیربکس و تورک کنورتور را تغذیه می کند.
نمایی از پمپ دنده ای گیربکس اتوماتیک
دنده داخلی پمپ به پوسته تورک کنورتور متصل شده بنابراین آن با همان سرعت موتور می چرخد. دنده بیرونی توسط دنده داخلی چرخانده می شود و به عنوان دنده چرخان،روغن از مخزن(کارتر) از یک طرف هلالی به بالا کشیده می شود و با فشار بیشتر از سمت دیگر وارد سیستم هیدرولیک می شود.
گاورنر
گاورنر یک سوپاپ هوشمند است که به گیربکس در خودرو شما می گوید چقدر سریع برود. آن به شفت خروجی گیربکس وصل شده است ، بنابراین موقعی که خودرو سریعتر حرکت می کند، گاورنر سریعتر می چرخد.در داخل گاورنر یک سوپاپ با فنر بار گذاری شده است،که آن را متناسب با اینکه گاورنر چقدر تند می چرخد،باز می کند. بنابراین موقعی که گاورنر تند می چرخد، سوپاپ زیاد باز می شود.پمپ ، روغن برای گاورنر را از طریق شفت خروجی تغذیه می کند.
موقعی که خودرو سریع تر حرکت می کند سوپاپ گاورنر بیشتر باز می شودو به روغن اجازه می دهد که با فشار بیشتر از میان آن عبور کند.
سوپاپ ها و مدولاتور ها:
برای تغییر دنده به طور مناسب در گیربکس های اتوماتیک باید بدانید که موتور با چه قدرتی(گشتاوری) کار می کند. دو راه برای انجام آن وجود دارد.برخی خودرو ها یک کابل اتصال ساده دارند که به سوپاپ دریجه گاز در گیربکس وصل شده است. وقتی که پدال گاز بیشتر فشرده میشود ،فشار بیشتری به سوپاپ دریجه گاز اعمال می شود.در برخی خودرو های دیگر از خلاء مدولاتور برای وارد کردن فشار به سوپاپ دریچه گاز استفاده می شود. مدولاتور فشار منیفولد را حس می کند.(که وقتی موتور زیر بار بیشتری قرار دارد افت می کند)
شیر دستی(سوپاپ تعویض دنده دستی)چیزی است که دسته دنده وصل شده است. آن به دنده ای که انتخاب می شود بستگی دارد، سوپاپ دستی مدارات هیدرولیکی که مانع درگیری دنده های دیگر می شود را تغذیه می کند، برای نمونه، اگر دسته دنده را در دنده 3 قرار دهید،آن مدارات هیدرولیکی که مانع درگیری اور درایو می شود را تغذیه می کند.
سوپاپ راه دهنده (شیر راه دهنده) فشار هیدرولیکی لازم برای باند ها و کلاچ ها را برای در گیری هر دنده تهیه می کند.
سیلندر پمپ گیربکس (محفظه سوپاپ ، جعبه سوپاپ)در گیربکس شامل چند سوپاپ راه دهنده است. سوپاپ راه دهنده ، زمانی که یک دنده به دنده بعدی تغییر کند را معلوم می کند.برای نمونه از دنده 1 به 2 (سوپاپ راه دهنده، زمانی که دنده 1 به دنده 2 تغیر می یابد را معلوم می کند.) سوپاپ راه دهنده از یک طرف تحد فشار،روغنی که از سمت گاورنر می آید و از سمت دیگر تحت فشار سوپاپ دریچه گاز قرار دارد. آنها توسط روغنی که از پمپ فرستاده می شود و تاٌمین می شوند و وارد یکی از دو مدار برای کنترل دنده ای که خودرو با آن در حال حرکت است می شود .
مدار تعویض دنده
اگر خودرو به سرعت شتاب بگیرد ، سوپاپ تعویض (شیر راه دهنده )، تعویض دنده را به تاخیر خواهد انداخت . اگر خودرو به آرامی شتاب بگیرد ، تعویض دنده در سرعت پایین اتفاق می افتد . بیایید در مورد این که وقتی ماشین به آراممی شتاب می گیرد چه اتفاقی می افتد ،بحث کنیم .
بنابراین وقتی سرعت خودرو افزایش می یابد ،فشارهای از طرف گاورنر ایجاد می شود . فشار اعمالی به سوپاپ تعویض ( شیر راه دهنده ) زیاد می شود تا وقتی که مسیر دنده 1 بسته شود و مسیر دنده 2 باز شود . وقتی خودرو با گاز کم در حال سرعت گرفتن است سوپاپ دریچه گاز فشار زیادی را بر خلاف سوپاپ راه دهنده اعمال نمی کند .
وقتی خودرو به سرعت شتاب می گیرد سوپاپ دریچه گاز فشار بیشتری را بر خلاف شیر راه دهنده اعمال می کند . این به این معنی است فشاری که از گاونرمی آید باید بالا باشد ( بنابراین سرعت وسیله نقلیه باید بیشتر باشد ) قبل از این که سوپاپ راه دهنده به اندازه کافی حرکت کند تا دنده 2 را درگیر کند .
هر سوپاپ تعویض در دامنه مخصوصی از فشار عکس العمل نشان می دهد، بنابراین وقتی که ماشین با سرعت حرکت می کند ، سوپاپ دنده2 را به 3 تغییر می دهد ،زیرا فشاری که از طرف گاورنر اعمال می شود به اندازه کافی زیاد است که سوپاپ را فشار دهد . (حرکت دهد)
گیربکس های کنترل الکترونیکی
گیربکس های کنترل الکترونیکی که در بعضی از خودروهای جدید ظاهر شد ، هنوز از هیدرولیک برای به کار انداختن کلاچ و باندها استفاده می کند ، اما هر مدار هیدرولیک توسط یک سولونوئید الکتریکی کنترل می شود . که باعث ساده شدن لوله کشی در گیربکس می شود و به طرحهای کنترلی بسیار پیشرفته اجازه می دهد .
ما در بخش قبلی بعضی از استراتژی های کنترل را که به صورت مکانیکی فعالیت های گیربکس را کنترل می کنند را دیدیم . گیربکس های کنترل الکترونیکی طرحهای کنترلی بسیار پیچیده ای دارند . که علاو ه بر نشان دادن سرعت وسیله نقلیه و موقعیت دریچه گاز ،کنترل گر های گیربکس سرعت موتور را نیز نشان می دهد ، اگر پدال ترمز فشار داده شده باشد و حتی سیستم ترمز ضد قفل را هم نشان می دهد .
استفاده از این اطلاعات و یک استراتژی کنترل پیشرفته بر اساس یک منطق مبهم است . یعنی روش برنامه ریزی سیستم های کنترل بر مبنای استدلالات انسانی است .گیربکس های کنترل الکترونیکی کارهای مانند زیر را می توانند انجام دهند :
· تعویض دنده به طور اتوماتیک ( به دنده پایین ) در سراشیبی برای کنترل سرعت و کاهش سایش لنت های ترمز .
· تعویض دنده ( به سمت بالا و افزایش سرعت ) موقعی که در یک سطح لغزنده ترمز می کنید ، برای کاهش گشتاور ترمزی اعمال شده توسط موتور .
· جلو گیری از افزایش سرعت موقعی که در جاده های مارپیچ رانندگی می کنید .
بیاید در مورد ویژگی آخر بحث کنیم ، یعنی جلو گیری از افزایش سرعت موقعی که در یک جاده مارپیچی می پیچید . اجازه دهید بگوییم که شما در یک سر بالای که یک جاده کوهستانی مارپیچ است رانندگی می کنید . وقتی شما در قسمت راست جاده رانندگی می کنید گیربکس دنده را به 2 تعویض می کند که به شما شتاب کافی و قدرت بالا روی دهد . وقتی شما وارد یک جاده مارپیچ می شوید ، پدال گاز را رها می کنید و احتمالاً ترمز می کنید . بیشتر گیربکس ها دنده را به 3 تعویض خواهند کرد یا حتی اوردرایو ، موقعی که شما پایتان را از پدال گاز برداشته اید . سپس وقتی در مارپیچ شتابتان را کم می کنید ، آنها دوباره دنده را به سمت پایین تعویض می کنند . اما اگر شما با یک خودرو داری گیربکس دستی رانندگی کنید احتمالا به همان دنده به رانندگی خود ادامه می دهید . بعضی از گیربکس های اتوماتیک با سیستم کنترل پیشرفته می توانند این وضعیت را آشکار سازند ، بعد از این که شما دو تا از پیچ ها را بپیچید ، می فهمند که دنده را به دنده بالا تر تعویض نکند .