عملکرد گیربکس اتوماتیک به زبان ساده (بخش اول)

مدتی است که با موج جدید فروش خودروهای مونتاژی و وارداتی مجهز به گیربکس اتوماتیک، دامنه و مطلوبیت استفاده از گیربکس های اتوماتیک در میان ایرانیان رواج یافته و تولیدات جدید داخلی هم نوید استفاده از محصولات مجهز به گیربکس های خودکار با ویژگی های به روز را میدهد.

اگرچه گیربکس های دستی هنوز به پایان عمر خود نرسیده اند اما با توجه به پیشرفت قابل توجه فن آوری گیربکس های اتوماتیک و همه گیر شدن آن، امروزه تنها خودروهای رده ابتدایی آنهم در کشورهای در حال توسعه به جهت کاهش قیمت تمام شده و نیز مدلهای خاصی از خودروهای اسپرت (جهت القا حس کلاسیک تعویض دنده ها به راننده) تنها از گیربکس با مکانیزم تعویض دستی استفاده میکنند.

از این رو بر آن شدیم تا جهت آشنایی هر چه بیشتر علاقمندان خودرو با انواع مختلف گیربکس اتوماتیک، در این مقاله به بررسی آنها به زبانی ساده بپردازیم. بدلیل پیچیدگی نسبی مطلب، سعی بر آن است تا کلیت کارکرد گیربکس بیان شده و از جزئیات بیش از حد پرهیز شود.

نگاهی به عملکرد گیربکس دستی

قبل از آنکه به سراغ توضیح انواع گیربکس های خودکار برویم بد نیست کمی در مورد عملکرد گیربکس دستی در خودرو توضیحاتی مختصر ارائه کنیم. همانطور که میدانید گیرباکس یا جعبه دنده بخشی از خودروست که واسط بین خروجی موتور خودرو (صفحه فلایویل) و ورودی سیستم دیفرانسیل متصل به چرخهای خودرو است. فلایویل صفحه ای دایره ای شکلی متصل به میل لنگ موتور است که وظیفه آن به نوعی انتقال نیروی دورانی ایجاد شده توسط موتور به گیربکس است.

میبایست مکانیزمی جهت کنترل میزان چرخش چرخهای محرک بر اساس دور موتور در سرعت های مختلف وجود داشته باشد تا با کمک آن نیروی تولیدی موتور در دوری که موتور به گشتاور تولیدی مناسبی میرسد، در سرعت‌های مختلف خودرو بصورت تقویت شده در دسترس باشد. لذا وجود سیستم انتقال قدرت با ضرایب متغیر، هم از جهت آسایش رانندگی و هم از جهت استهلاک و مصرف سوخت و هم از جهت کشش و توانایی‌های حرکتی خودرو اهمیت بسیار بالایی دارد.

مکانیزم گیربکس از دو بخش انتقال قدرت به گیربکس و تغییر ضریب نیرو تشکیل می‌شود.

این مکانیزم ابتدا نیروی موتور را از سر فلایویل به ورودی گیربکس منتقل کرده و سپس با کمک اتصال یک سری چرخ دنده با نسبت های از پیش تعیین شده به یکدیگر در داخل گیرباکس، نیروی انتقالی را با یک نسبت مشخص به ورودی دیفرانسیل تقویت و منتقل میسازد.

همانطور که احتمالا شنیده‎اید، گیربکس های رایج “دنده دستی” از مجموعه‌ای به عنوان دیسک و صفحه فشارنده (disk and pressure plate) به عنوان واسط انتقال نیرو بین موتور و گیربکس استفاده می‌کنند.

صفحه فشارنده که به عنوان کاوری برای دیسک عمل می‌کند از محور بیرونی دایره ای شکل خود روی فلایویل پیچ شده و دیسک کلاچ را در میان خود و فلایویل دارد. این صفحه همواره با سرعت فلایویل گردش کرده و با فشردن پدال کلاچ، دیسک را به فلایویل موتور متصل یا جدا می‌سازد.

همانطور که عنوان شد دیسک کلاچ بین صفحه فشارنده و فلایویل قرار داشته و به صورت دو طرفه تحت فشار است. محور دیسک به شفت ورودی گیربکس متصل بوده و امکان قطع و وصل انتقال نیرو به گیربکس توسط مکانیزم صفحه فشارنده ایجاد میشود.

فشردن پدال کلاچ باعث حرکت مجموعه محور کلاچ و فشرده شدن مرکز خورشیدی شکل صفحه فشارنده شده که خود باعث حرکت صفحه فشارنده به سمت عقب و جدا شدن دیسک از آن و در نتیجه از فلایویل خواهد شد. با رها شدن پدال کلاچ، فنرهای صفحه به حالت قبل برگشته و صفحه فشارنده، دیسک کلاچ را به فلایویول موتور فشرده و متصل نگه میدارد.

چرخنده‌های داخل گیربکس نیز با نسبت‌های از پیش تعیین شده بین شفت ورودی و خروجی، نسبت ضریب دنده های خروجی گیربکس به چرخ‌ها را مشخص می‌سازند. این ضریب از مقدار بیشتر (سایز بزرگتر چرخدنده) در دنده های پایینتر به مقدار کمتر در دنده های بالاتر (سایز کمتر چرخ‌دنده) تغییر میکند تا امکان شتاب گیری خودرو و افزایش سرعت همزمان با افزایش دور موتور در هر دنده ایجاد شود.

گیربکس اتوماتیک و انواع آن

 گیربکس اتوماتیک که در آن مکانیزم کلاچ گیری و انتخاب دنده مناسب بصورت خودکار در کسری از ثانیه توسط کنترلر الکتروهیدرولیکی داخل گیربکس صورت می‌گیرد، معمولا شامل یکی از موارد زیر است:

• نیمه اتوماتیک AMT
• اتوماتیک AT
• اتوماتیک دو کلاچه DCT
• اتوماتیک CVT

در بخش اول این مقاله گیربکسهای اتوماتیک AMT و AT و نحوه کارکرد آنها بصورت خلاصه توضیح داده شده است.

در بخش دوم مقاله گیربکس های DCT و CVT نیز مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

گیربکس نیمه اتوماتیک یا AMT

گیربکس “دستی خودکار شده” یا به عبارت بهتر “نیمه اتوماتیک” که اشاره به عبارت Automated Manual Transmission یا AMT دارد، در واقع نوعی گیربکس مشابه گیربکس دنده ای دستی است که تنها عمل تعویض دنده در آن بصورت خودکار انجام میشود. به عبارت بهتر تفاوت فنی این نوع گیربکس نسبت به گیربکس دستی تنها در مکانیزم درگیر کردن کلاچ و انتخاب دنده مناسب در خودروست که در آن بجای اینکه راننده این عمل را انجام دهد، کنترلر هوشمند گیربکس یا TCU با کمک اهرم های الکتروهیدرولیکی عملیات فشردن کلاچ و انتخاب دنده مناسب را بر اساس یک برنامه‎ از پیش تعیین شده بر عهده دارد.

در این نوع گیربکس امکان تعویض دستی دنده بصورت افزایش + یا کاهش – پله ای مشابه گیربکس های تمام اتوماتیک AT نیز وجود دارد و در مقابل بدلیل برخورداری از ساختار ساده تر گیربکس های دستی، مصرف سوخت و اتلاف گشتاور در آن نسبت به گیربکس های تمام خودکار کمتر است.

اما آنچه گیربکس های AMT را مطلوب میکند، هزینه تمام شده ساخت آن در ازای راحتی راننده است که بسیار کمتر از گیربکس های پیچیده تر تمام خودکار AT بوده و حتی در برخی از موارد به تولید کنندگان اجازه میدهد که جهت محدود ساختن هزینه ساخت خودرو در خودروهای شهری اقتصادی مانند رنو کوئید، اهرم تعویض دنده به یک کلید چرخشی P,N,R تقلیل داده شود.

از این نوع گیربکس بیشتر در تولیدات کشورهای در حال توسعه مثل هند (تولیدات ماروتی-سوزکی) و حتی برخی تولیدات چینی (محصول چری 110، برلیانس 230 یا ام جی 3) استفاده شده است.

در ایران نیز بر اساس اخبار رسیده، شرکت نیرومحرکه در حال کار روی نمونه 6 سرعته ای از این نوع گیربکس است تا پس از تولید، توسط شرکت ایرانخودرو روی خودروهای رانا و سمند بکار گرفته شود.

از آنجاییکه این گیربکس نسبت به گیربکس AT فن آوری ساده تر و ارزانتری را دارد، الگوی تعویض دنده ای نسبتا ثابتی هم ارائه میدهد که به اندازه گیربکس های AT، هوشمند و دقیق نیست. همچنین تعویض دنده ها خصوصا زمانیکه موتور و گیربکس تحت فشار قرار می گیرند، محسوس بوده و به نوعی حس نرم تعویض دنده و انتقال قدرت گیربکس های AT (بدلیل وجود سیستم مبدل گشتاور) در آن کمتر دیده میشود.

گیربکس تمام اتوماتیک یا AT

مکانیزم انتقال قدرت موتور به چرخهای محرک و تغییر ضرایب دنده در گیربکس های اتوماتیک AT، با گیربکس AMT که ساختار گیربکس دستی دارد بسیار متفاوت است. گیربکس های AT با کمک قطعه ای به نام مبدل گشتاور (Torque Converter) و یک سری چرخدنده های سیاره‎‎‏ ای و خورشیدی به همراه صفحات قفل کننده، عمل انتقال قدرت و نیز تغییر ضرایب دنده را انجام می‌دهند.

در گیربکس‌های اتوماتیک AT از آنجاییکه در بخش انتقال قدرت بجای مجموعه دیسک و صفحه، مجموعه ای به نام مبدل گشتاور مقابل گیربکس قرار دارد، فلایویل به صفحه ای پروانه ای شکل به نام impeller یا Pump متصل بوده و این صفحه با ایجاد نیروی گریز از مرکز و پرتاب روغن به محیط پیرامونی به سمت صفحه توربینی شکل مقابل خود، باعث ایجاد نیروی دورانی قدرتمند و گردش این صفحه توربینی متصل به گیربکس می‌گردد.

عنوان مبدل گشتاور نیز به همین دلیل به این قطعه داده شده است چرا که وظیفه آن یکسان کردن سرعت دورانی توربین گیربکس با سرعت فلایویل با کمک فشار روغن است. وجود یک قطعه میانی به نام Stator یا Reactor برای افزایش سرعت دوران روغن برگشتی به سمت صفحه Pump ضروریست چرا که بدون آن گشتاور انتقالی بسیار ضعیف خواهد بود.

نکته مهم در گیربکس‌های اتوماتیک این است که پس از اینکه سرعت صفحه توربینی به 90 درصد سرعت صفحه Pump رسید، صفحه توربین گیربکس با کمک یک کلاچ به صفحه Pump قفل شده و با سرعت آن به گردش درخواهد آمد تا از لغزش بیهوده این صفحات مقابل هم، اتلاف نیرو و افزایش دمای روغن گردش کننده میان این صفحات جلوگیری شود.

ازینرو با گردش دائمی فلایویل موتور و صفحه Pump، گردش روغن موجب ایجاد گشتاور دورانی در صفحه توربین گیربکس شده  و با رها کردن پدال ترمز در خودروهای دارای گیربکس اتوماتیک ، همین نیروی گشتاور در صفحه توربینی گیربکس بلافاصله باعث حرکت خودرو می‌گردد.

در ادامه نیروی منتقل شده به داخل شفت گیربکس از صفحه توربینی به مجموعه ای از چرخنده‌های خورشیدی و سیاره‌ای که در داخل یک چرخدنده حلقه ای قرار دارند، منتقل می‌شود. این نیرو بر حسب اینکه به چرخ‌دنده خورشیدی مرکزی و یا چرخ‌دنده حلقه ای بیرونی منتقل شود می‌تواند باعث ایجاد ضرایب متفاوتی در خروجی محور چرخ دنده‌های سیاره ای (شفت خروجی) گردد.

اینکه چرخ‌دنده خورشیدی یا حلقه‌ای در چه وضعیتی (ثابت یا متحرک) باشد یا کل مجموعه یکسان گردش نماید، با فرمان کنترلر الکتروهیدرولیکی گیربکس و درگیر شدن یک سری کلاچ و باندهای ترمز تعیین میشود و نهایتا در شفت متصل به چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای ضرایب متفاوت از نیرو ایجاد می‌شود.

در ادامه می‌توان با ترکیب مجموعه های خورشیدی سیاره ای به یکدیگر به صورت مرکب، ضرایب بیشتر (دنده های بیشتر) ایجاد نموده و نیرو را با ضرایب متفاوت به چرخ‌ها منتقل نمود.

گیربکس‌های اتوماتیک  بر اساس کیفیت و پیچیدگی ساخت در انواع 4 و 5 و 6 سرعته در مدل های اقتصادی  و انواع 6 تا 9 سرعته  AT یا DCT در انواع پیشرفته تر علی الخصوص در خودروی های محرک عقب و چهارچرخ محرک پرقدرت استفاده می‌شوند.

مزایای گیربکس اتوماتیک انتقال نرم و بدون لرزش نیرو و نیز تعویض دنده های نامحسوس و یکنواخت و همچنین هوشمند تر آنهاست. از سوی دیگر هزینه ساخت و پیچیدگی این دسته از گیربکس ها بالاتر بوده و نیز اتلاف گشتاور تولیدی موتور بدلیل مسیر طولانی تر و پیچیده تر، بیشتر از گیربکس های دستی است. البته گیربکس های AT مدرن تا حد زیادی اتلاف گشتاور را با افزایش ضریب دنده های سنگین تر و کارایی مکانیزم انتقال نیرو بهبود داده اند.

در بخش بعدی به عملکرد به دو گیربکس DCT و CVT نیز خواهیم پرداخت.