نویسنده: پوریا عباسی
در این مقاله به معرفی اجزا و انواع و نحوه‌ی عملکرد جعبه‌دنده‌های خودکار می‌پردازیم.
اگر تاکنون پشت فرمان یک خودروی مجهز به جعبهدندهی خودکار نشسته باشید، حتما متوجه دو تفاوت عمده میان جعبه‌دنده‌های دستی و خودکار شده‌اید:
- در خودروی مجهز به جعبهدندهی خودکار پدال کلاچ وجود ندارد.
- در جعبهدندهی خودکار تعویض دنده به‌صورت دستی معنا ندارد. همین‌که دنده را در حالت حرکت (Drive) قرار دهید، همه‌چیز به‌صورت خودکار انجام می‌شود.
جعبه‌دنده‌های خودکار (به همراه مبدل گشتاور) و جعبه‌دنده‌های دستی (به همراه کلاچ) هر دو یک نتیجه را حاصل می‌کنند، اما این کار را به دو روش کاملا متفاوت انجام می‌دهند. در این میان نحوه ی عملکرد جعبه‌دنده‌های خودکار بسیار شگفت‌انگیز است.
در این مقاله سعی داریم با جزئیات نحوه‌ی عملکرد جعبه‌دنده‌های خودکار آشنا شویم. به همین منظور کار خود را با آشنایی با مفهوم نسبت دنده و چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای آغاز می‌کنیم، سپس به بررسی نحوه‌ی کارکرد اجزا کنار هم می‌پردازیم و یاد می‌گیریم که سیستم‌های کنترلی این جعبه‌دنده‌ها چگونه عمل می‌کنند و چه پیچیدگی‌های در کنترل یک جعبهدندهی خودکار وجود دارد.
نسبت دنده
در سیستم‌های مکانیکی از چرخ‌دنده‌ها برای تغییر سرعت یا جهت دوران شفت‌ها استفاده می‌شود. برای این منظور حداقل دو چرخ‌دنده که دندانه‌هایشان با یکدیگر درگیرند روی شفت‌های ورودی و خروجی نصب می‌شوند. نسب دنده به‌طور ساده نسبت تعداد دور چرخش چرخدندهی محرک به تعداد دور چرخش چرخدندهی متحرک است.
هدف از ساخت جعبهدندهی خودکار
درست مانند جعبه‌دنده‌های دستی، وظیفه‌ی اصلی جعبه‌دنده‌های خودکار تولید بازه‌ی وسیعی از سرعت و گشتاور با وجود بازه‌ی کوچک سرعت و گشتاور تولیدی توسط پیشرانه است. به بیان دیگر، هر پیشرانه بازه‌ی محدودی از سرعت و گشتاور را تولید می‌کند که جعبه‌دنده با کمک چرخ‌دنده‌ها یا سیستم‌های مشابه این بازه را وسیع‌تر می‌کند.
بدون سیستم جعبه‌دنده خودروها به یک نسبت دنده محدود می‌شوند و این نسبت دنده باید به گونه‌ای باشد که به خودرو اجازه دهد با حداکثر سرعت مورد نظر حرکت کند. برای مثال، اگر قصد دارید حداکثر سرعت خودروی شما ۱۲۸ کیلومتر بر ساعت باشد، نسبت دنده باید مشابه دنده‌ی ۳ در اکثر جعبه‌دنده‌های خودکار باشد.
شاید هیچ‌وقت تا به حال با یک خودروی مجهز به جعبهدندهی دستی، تنها با دنده‌ی ۳ رانندگی نکرده‌اید. اگر این کار را کرده باشید بلافاصله متوجه شده‌اید که در آغاز حرکت تقریبا هیچ شتابی ندارید و در حداکثر سرعت، پیشرانه‌ی شما در محدوده‌ی قرمز رنگ دور موتور در حال فریاد کشیدن است. خودرویی در این شرایط به سرعت خراب شده و تقریبا غیرقابل استفاده خواهد شد.
بنابراین سیستم انتقال قدرت از چرخ‌دنده برای استفاده‌ی هرچه مفیدتر از گشتاور پیشرانه و حفظ سرعت آن در یک بازه‌ی مناسب استفاده می‌کند. در هنگام کشیدن یا حمل بارهای سنگین، سیستم انتقال قدرت خودرو می‌تواند به‌حدی داغ شود که به راحتی روغن جعبه‌دنده را بسوزاند. برای جلوگیری از این مشکل راننده‌هایی که شغلشان کشیدن یا حمل‌ونقل بارهای سنگین است باید از خودروهای مجهز به خنک‌کننده‌ی سیستم انتقال قدرت استفاده کنند.
تفاوت کلیدی جعبه‌دنده‌های دستی و خودکار در این است که در جعبهدندهی دستی برای دستیابی به نسبت دنده‌های مختلف، مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌های متفاوتی به محور خروجی پیشرانه قفل می‌شوند. این در حالی است که در جعبهدندهی خودکار تمام نسبت دنده‌های مختلف تنها با مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌ها حاصل می‌شود. این کار با استفاده از مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای امکان‌پذیر شده است.
چرخدندهی سیاره‌ای
تصور کنید می‌خواهید نسبت دنده‌ی ۶:۱ را در شفت خروجی تولید کنید و این شفت هم جهت با شفت ورودی دوران کند. یک راه‌حل استفاده از مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌ای سه‌تایی است که تصویر آن در زیر نشان داده شده است. در این تصویر قطر چرخدندهی آبی ۶ برابر قطر چرخدندهی زرد رنگ است و در نتیجه نسبت دنده‌ی ۶:۱ را ایجاد می‌کند. اندازه‌ی چرخدندهی قرمز اهمیتی ندارد چراکه این قطعه تنها وظیفه‌ی معکوس کردن جهت دوران را بر عهده دارد و در نتیجه چرخ‌دنده‌های آبی و زرد در یک جهت چرخش می‌کنند. با اینکه تمام نیازهای مسئله رفع شده است، اما همان‌طور که در تصویر مشخص است، شفت‌های چرخ‌دنده‌های آبی و زرد هم‌محور نیستند و در عوض موازی یکدیگرند. حال سؤال این است که اگر لازم باشد شفت ورودی و خروجی هم‌محور باشند، در این حالت از چه سیستمی برای پاسخ‌گویی به شرایط مسئله استفاده کنیم؟ پاسخ استفاده از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای است.
در تصویر بالا، چرخدندهی زرد رنگ (چرخدندهی خورشیدی) به‌طور هم‌زمان با سه چرخدندهی قرمز رنگ (چرخ‌دنده‌های سیاره) درگیر است و این چرخ‌دنده‌ها به یک صفحه به نام حامل چسبیده‌اند. چرخ‌دنده‌های سیاره به بخش داخلی قسمت آبی رنگ (چرخدندهی داخلی یا رینگی) تماس دارند. به دلیل وجود این حالت خاص از چیدمان چرخ‌دنده‌ها، این مجموعه به‌شدت سفت است. شفت خروجی به چرخدندهی داخلی آبی رنگ (رینگی) متصل است و صفحه‌ی حامل در حال سکون باقی می‌ماند و در نهایت نسبت دنده‌ی ۶:۱ در این حالت نیز به‌دست می‌آید.
نکته‌ی جالب توجه دیگر درباره‌ی مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای این است که این مجموعه با تغییر چرخدندهی ورودی و خروجی و ساکن می‌تواند نسبت دنده‌های متفاوتی ایجاد کند. برای مثال، اگر چرخدندهی خورشیدی به‌عنوان ورودی و شفت خروجی به حامل متصل شود و چرخدندهی رینگی ساکن بماند، نسبت دنده‌ی متفاوتی ایجاد می‌شود. در یک جعبهدندهی خودکار برای درگیر کردن و ساکن نگه‌داشتن چرخ‌دنده‌های مختلف در مجموعه‌ی سیاره‌ای از کلاچ‌ها و تسمه‌های مهار اصطکاکی استفاده می‌شود.
کاربرد مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای در جعبهدندهی خودکار
هنگامی‌که اجزای یک جعبهدندهی خودکار را جدا کنید، مجموعه‌ای عظیم از اجزای مختلف را می‌بینید که در فضایی تقریبا کوچک جاسازی شده‌اند. اصلی‌ترین اجزایی که خواهید دید عبارت‌اند از:
- مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای که به‌صورتی مبتکرانه طراحی شده‌اند
- یک جفت تسمه‌ی مهار که اجزای چرخدندهی سیاره‌ای را قفل می‌کند
- کلاچ‌های تر برای قفل کردن سایر اجزای چرخدندهی سیاره‌ای
- یک سیستم هیدرولیک شگفت‌انگیز که کلاچ‌ها و تسمه مهارها را کنترل می‌کند
- یک پمپ روغن بزرگ برای به حرکت درآوردن روغن درون سیستم انتقال قدرت
کانون توجه ما به سیستم چرخدندهی سیاره‌ای معطوف می‌شود. این قطعه که تقریبا به اندازه‌ی یک طالبی است، تمام نسبت دنده‌های متفاوت را تولید می‌کند. سایر اجزای موجود در سیستم انتقال قدرت خودکار برای کمک به چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای است تا آن را قادر سازد وظیفه‌اش را به بهترین شکل به انجام برساند. یک سیستم انتقال قدرت خودکار از دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای تشکیل شده است که با یکدیگر یک قطعه را تشکیل می‌دهند.
هر چرخدندهی سیاره‌ای از سه جز اصلی تشکیل شده است:
۱. چرخدندهی خورشیدی
۲. چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای و صفحه‌ی حامل آن‌ها
۳. چرخدندهی داخلی (رینگی)
هر یک از این چرخ‌دنده‌ها می‌تواند به‌عنوان محرک، متحرک یا ثابت عمل کند. اینکه کدام چرخ‌دنده چه نقشی را بر عهده بگیرد اساس تولید نسبت دنده‌های متفاوت است. برای درک بهتر به یک مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای نگاه می‌اندازیم.
نسبت دنده در چرخدندهی سیاره‌ای
چرخدندهی رینگی یک مجموعه‌ی سیاره‌ای ۷۲ دندانه و چرخدندهی خورشیدی آن ۳۰ دندانه دارد. می‌توانیم از این مجموعه نسبت دنده‌های متفاوتی تولید کنیم.
نسبت دنده محاسبه ثابت خروجی ورودی
| 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 |
همچنین، قفل کردن هم‌زمان هر یک از دو چرخ‌دنده باعث تولید نسبت دنده‌ی ۱:۱ می‌شود. توجه داشته باشید که اولین نسبت دنده در جدول بالا یک نسبت کاهنده است، به این معنی که سرعت خروجی از سرعت ورودی کم‌تر است. نسبت دوم نسبت فزاینده است به این معنی که سرعت خروجی از سرعت ورودی بیشتر است. آخرین نسبت یک نسبت کاهنده در خلاف جهت چرخش شفت ورودی است. چندین نسبت دنده‌ی دیگر نیز می‌توان با استفاده از این چرخدندهی سیاره‌ای نمونه به دست آورد، اما این نسبت‌ها برای جعبهدندهی خودکار ما کافی است.
با کنار هم قرار دادن دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای می‌توان چهار دنده‌ی جلو و یک دنده‌ی عقب مورد نیاز برای یک جعبهدندهی معمول را ایجاد کرد.
چرخدندهی سیاره‌ای مرکب
در یک جعبهدندهی خودکار استاندارد به‌طور معمول دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای تعبیه شده است که به کل این مجموعه، چرخدندهی سیاره‌ای مرکب می‌گویند. نحوه‌ی عملکرد چرخدندهی سیاره‌ای مرکب درست شبیه چرخدندهی سیاره‌ای ساده است و تنها تفاوت در تعداد چرخ‌دنده‌های تعبیه شده است. چرخدندهی سیاره‌ای مرکب از یک چرخدندهی داخلی (رینگی) که همیشه به‌عنوان خروجی عمل می‌کند، دو چرخدندهی خورشیدی و دو سری چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای تشکیل شده است.
720p/360p
تصویر زیر مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای درون حامل را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که چرخدندهی سیاره‌ای سمت راست پایین‌تر از چرخدندهی سیاره‌ای سمت چپ قرار می‌گیرد. چرخدندهی سمت راست با چرخدندهی داخلی درگیر نمی‌شود و تنها با چرخدندهی سیاره‌ای دیگر درگیر است. چرخدندهی سیاره‌ای سمت چپ با چرخدندهی داخلی درگیر است.
در تصویر بعد می‌توانید درون حامل را مشاهده کنید. چرخ‌دنده‌های کوچک‌تر تنها با چرخدندهی خورشیدی کوچک درگیرند. چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای بزرگ با چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر و سیاره‌های کوچک‌تر درگیرند.
دنده‌ی یک
در دنده‌ی یک، چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر توسط توربین موجود در مبدل گشتاور به‌صورت ساعت‌گرد می‌چرخد. صفحه‌ی حامل سعی می‌کند به‌صورت پادساعت‌گرد بچرخد، اما توسط کلاچ یک‌طرفه (که تنها اجازه‌ی چرخش به‌صورت ساعت‌گرد را می‌دهد) در حالت سکون باقی می‌ماند و چرخدندهی داخلی (رینگی) خروجی را منتقل می‌کند. چرخدندهی کوچک ۳۰ دندانه و چرخدندهی داخلی ۷۲ دندانه دارد، بنابراین نسبت دنده برابر است با:
نسبت دنده = -R/S = -72/30 = -2.4:1
بنابراین جهت چرخش معکوس ورودی است، اما در حقیقت جهت چرخش خروجی با جهت چرخش ورودی یکسان است و دلیل آن در استفاده از چرخدندهی سیاره‌ای مرکب نهفته است. چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای اول با چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای دوم درگیر هستند که سری دوم چرخدندهی داخلی را می‌چرخاند. این ترکیب سبب معکوس شدن جهت حرکت می‌شود. همچنین می‌توانید ببینید که این امر می‌تواند سبب گردش چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر شود، اما به این دلیل که کلاچ تعبیه شده برای این بخش آزاد است، چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر می‌تواند آزادانه در خلاف جهت چرخش توربین بچرخد.
دنده‌ی دو
این جعبهدندهی نمونه برای رسیدن به نسبت دنده‌ی مورد نیاز در دنده‌ی دوم عملکرد شگفت‌انگیزی دارد. برای دستیابی به این نسبت دنده دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای توسط یک صفحه‌ی حامل معمولی به یکدیگر متصل می‌شوند.
اولین مرحله از حامل در حقیقت از چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر به‌عنوان چرخدندهی داخلی استفاده می‌کند. بنابراین مرحله‌ی اول شامل چرخدندهی خورشیدی (چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر)، صفحه‌ی حامل و چرخدندهی داخلی (چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر) خواهد بود.
چرخدندهی محرک چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر است، چرخدندهی داخلی (چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر) توسط تسمه‌ی مهار در حالت سکون نگه داشته می‌شود و صفحه‌ی حامل به‌عنوان چرخدندهی متحرک عمل می‌کند. در این مرحله فرمول محاسبه‌ی نسبت دنده به‌صورت زیر درمی‌آید:
1+ R/S = 1 + 36/30 = 2.2:1
این نتیجه به آن معنا است که صفحه‌ی حامل به ازای هر دور چرخش چرخدندهی خورشیدی کوچک ۲.۲ دور می‌زند. در مرحله‌ی دوم صفحه‌ی حامل به‌عنوان محرک برای مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای دوم عمل می‌کند. چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر که در حالت سکون نگه داشته می‌شود به‌عنوان چرخدندهی خورشیدی و چرخدندهی داخلی به‌عنوان چرخدندهی متحرک عمل می‌کند. در این مرحله خواهیم داشت:
1 / (1+ S/R) = 1 / (1+ 36/72) = 0.67:1
در نهایت برای به‌دست آوردن نسبت دنده‌ی نهایی باید نسبت دنده‌ی مرحله‌ی دوم را در نسبت دنده‌ی مرحله‌ی اول ضرب کنیم که حاصل برابر 1.47:1 خواهد شد.
دنده‌ی سه
بیشتر جعبه‌دنده‌های خودکار در دنده‌ی سون نسبت دنده‌ی 1:1 تولید می‌کنند. همان‌طور که قبل‌تر اشاره شد، برای به‌دست آوردن نسبت 1:1 کافی است دو چرخ‌دنده از سه چرخدندهی سیستم سیاره‌ای را به یکدیگر قفل کنیم. در جعبه‌دنده‌های خودکار تنها کافی است کلاچ‌هایی که چرخ‌دنده‌های خورشیدی را به توربین قفل می‌کنند درگیر کنیم.
اگر هر دو چرخدندهی خورشیدی به یک سمت بچرخند، چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای قفل می‌شوند چراکه آن‌ها تنها می‌توانند در خلاف جهت یکدیگر بچرخند. این کار باعث می‌شود چرخدندهی داخلی به چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای قفل شود و کل مجموعه با هم شروع به چرخش کند و نسبت دنده‌ی 1:1 تولید شود.
آخرین دنده (Overdrive)
اوردرایو به این معنی است که سرعت چرخش شفت خروجی از سرعت چرخش شفت ورودی بیشتر است. در این سیستم انتقال قدرت، رسیدن به اوردرایو دستیابی به دو هدف به‌صورت هم‌زمان است. در بعضی خودروها برای افزایش بازدهی مکانیزمی دارند که مبدل گشتاور را قفل می‌کند و تمام قدرت خروجی پیشرانه به‌صورت مستقیم به جعبه‌دنده منتقل می‌شود.
در این سیستم انتقال قدرت، هنگامی که اوردرایو درگیر می‌شود، یک شفت که به پوسته‌ی مبدل گشتاور متصل است (و پوسته به فلایویل پیشرانه پیچ شده است) توسط کلاچ به صفحه‌ی حامل متصل می‌شود. چرخدندهی خورشیدی کوچک هرز می‌چرخد و چرخدندهی خورشیدی بزرگ توسط تسمه‌ی مهار در حالت سکون نگه داشته می‌شود. در این دنده تمام سرعت شفت خروجی از پیشرانه به جعبه‌دنده منتقل می‌شود. در این حالت صفحه‌ی حامل محرک، چرخدندهی خورشیدی ثابت و چرخدندهی داخلی متحرک است. بنابراین در این حالت نسبت دنده برابر است با:
1 / (1+ S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1
در نتیجه به ازای هر دو سوم چرخش پیشرانه شفت خروجی یک دور می‌زند. اگر پیشرانه در ۲۰۰۰ دور در دقیقه کار کند، سرعت شفت خروجی در این حالت برابر ۳۰۰۰ دور در دقیقه است. در این حالت خودرو می‌تواند با سرعت مجاز آزادراه‌ها بدون آن‌که سرعت پیشرانه افزایش یابد، حرکت کند.
دنده عقب
عملکرد دنده عقب بسیار شبیه عملکرد دنده‌ی اول است و تنها تفاوت این است که در دنده‌ی عقب به‌جای آن‌که چرخدندهی خورشیدی کوچک توسط توربین مبدل گشتاور به حرکت در آید، چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر به حرکت در می‌آید و چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر به‌صورت هرزگرد در خلاف جهت می‌چرخد. صفحه‌ی حامل توسط تسمه‌ی مهار به پوسته ثابت می‌شود. نسبت دنده در دنده عقب اندکی کم‌تر از نسبت دنده در دنده‌ی یک است.
720p/360p
نسبت دنده‌ها
جدول زیر برای یک جعبهدندهی ۵ سرعته ترسیم شده است:
دنده محرک متحرک ثابت نسبت دنده
| یک | خورشیدی ۳۰ دندانه | داخلی ۷۲ دندانه | حامل | ۲.۴:۱ |
| دو | خورشیدی ۳۰ دندانه | حامل | داخلی ۳۶ دندانه | ۲.۲:۱ |
| حامل | داخلی ۷۲ دندانه | خورشیدی ۳۶ دندانه | ۰.۶۷:۱ | |
| تمام مجموعه | ۱.۴۷:۱ | |||
| سه | خورشیدی ۳۰ و ۳۶ دندانه | داخلی ۷۲ دندانه | ۱:۱ | |
| اوردرایو | حامل | داخلی ۷۲ دندانه | خورشیدی ۳۶ دندانه | ۰.۶۷:۱ |
| عقب | خورشیدی ۳۶ دندانه | داخلی ۷۲ دندانه | حامل | -۲:۱ |
در ادامه به بررسی نحوه‌ی تعویض محرک‌ها از طریق کلاچ‌ها و بندها می‌پردازیم.
کلاچ‌ها و تسمه‌های مهار در یک جعبهدندهی خودکار
در بخش قبل در مورد نحوه‌ی دستیابی به نسبت دنده‌های مختلف در یک جعبهدندهی خودکار بحث کردیم. در این بخش در مورد نحوه‌ی تعویض دنده‌ها صحبت خواهیم کرد.
در یک جعبهدندهی خودکار برای تعویض دنده بسیاری از اجزا باید از طریق کلاچ‌ها و تسمه‌های مهار به یکدیگر وصل یا از یکدیگر جدا شوند. صفحه‌ی حامل از طریق یک کلاچ به پوسته‌ی مبدل گشتاور وصل می‌شود. چرخدندهی خورشیدی کوچک توسط یک کلاچ از توربین جدا می‌شود و می‌تواند به‌طور هرزگرد بچرخد. چرخدندهی خورشیدی بزرگ توسط یک تسمه‌ی مهار به پوسته می‌چسبد و ساکن می‌شود. هر تعویض دنده یک سری از این عملیات را صورت می‌دهد.
تسمه‌های مهار
در جعبهدندهی تصویر زیر دو تسمه‌ی مهار وجود دارد. در یک جعبه‌دنده تسمه‌های مهار در حقیقت بندهایی فولادی هستند که دور محفظه‌ی چرخ‌دنده‌ها قرار گرفته و به پوسته متصل‌اند. این تسمه‌ها توسط سیلندرهای هیدرولیکی موجود در جعبه‌دنده فعال شده و عمل می‌کنند.
در تصویر بالا می‌توانید یکی از تسمه‌های مهار موجود در جعبه‌دنده را مشاهده کنید که توسط یک سیلندر هیدرولیکی عمل می‌کند.
در تصویر بالا نمای دو پیستون هیدرولیکی که تسمه‌های مهار را فعال می‌کنند قابل مشاهده است. روغن تحت فشار از طریق شیرهایی درون سیلندرها جریان می‌یابد و پیستون‌ها را به تسمه‌ها فشار می‌دهد و در نتیجه تسمه‌های مهار قطعات درون جعبه‌دنده را به پوسته قفل می‌کنند و مانع حرکت آن‌ها می‌شوند.
کلاچ‌ها در سیستم انتقال قدرت اندکی پیچیده‌تر هستند. در این جعبهدندهی نمونه چهار کلاچ وجود دارد. هر کلاچ توسط روغن تحت فشار که درون پیستون تعبیه شده در کلاچ وارد می‌شود، فعال می‌شود. فنرهای موجود در کلاچ سبب می‌شوند با کاهش فشار هیدرولیک در پیستون کلاچ، کلاچ به حالت اولیه‌ی خود بازگردد. در تصویر زیر می‌توانید پیستون و درام کلاچ را مشاهده کنید. واشر پلاستیکی کلاچ در هر تعمیر جعبه‌دنده باید تعویض شود.
در تصویر بعدی لایه‌های اصطکاکی موجود در کلاچ و صفحات فولادی به تصویر کشیده شده‌اند. صفحات اصطکاکی به صورتی قرار گرفته‌اند که سطح با اصطکاک بالای آن‌ها با چرخ‌دنده‌ها تماس داشته باشد. صفحه‌ی فولادی از قسمت خارجی به پوسته‌ی کلاچ متصل است. این صفحات نیز هنگام تعمیر جعبه‌دنده باید تعویض شوند.
روغن از طریق شیارهای موجود روی شفت‌ها به کلاچ‌ها راه می‌یابد. سیستم هیدرولیکی کنترل می‌کند که در هر لحظه کدام کلاچ و تسمه‌ی مهار فعال شود.
حالت پارک
شاید پارک کردن و مانع چرخش جعبه‌دنده شدن عملی ساده به‌نظر برسد، اما در حقیقت مکانیزم‌های پیچیده‌ای برای قرار دادن جعبه‌دنده در حالت پارک مورد نیاز است. در ابتدا، باید بتوانید در هنگامی‌که خودرو در شیب قرار گرفته به‌سادگی دنده را از حالت پارک درآورید چراکه در این حالت وزن خودرو روی این مکانیزم قرار می‌گیرد. دوم، باید بتوانید در حالتی که دسته دنده با چرخ‌دنده‌ها هم راستا نیست این مکانیزم را فعال کنید. سوم، هنگامی‌که دنده در حالت پارک قرار گرفت باید چیزی مانع از بیرون پریدن دسته دنده و غیرفعال شدن حالت پارک شود. مکانیزمی که این سه کار را به خوبی انجام دهد بسیار ظریف و دقیق است. برای درک بهتر این حالت ابتدا نگاهی به اجزای درگیر در این مکانیزم می‌اندازیم.
مکانیزم ترمز در هنگام پارک دندانه‌ها را روی شفت خروجی درگیر می‌کند تا خودرو را در حالت سکون نگه دارد. این بخش از جعبه‌دنده به شفت خروجی متصل است در نتیجه اگر این شفت نتواند بچرخد خودرو نمی‌تواند حرکت کند.
در تصویر بالا می‌توانید مکانیزم پارک را که از پوسته بیرون زده است مشاهده کنید. این مکانیزم لبه‌های مخروطی شکل دارد که سبب سهولت خارج شدن از حالت پارک در سراشیبی‌ها می‌شود (به دلیل زاویه‌ی خاص لبه‌های مخروطی وزن خودرو به بیرون کشیدن زبانه‌ی ترمز پارک کمک می‌کند).
مکانیزم پارک از طریق یک میله که به دسته دنده متصل است فعال می‌شود. هنگامی که دنده در حالت پارک قرار می‌گیرد، میله فنر را به بوشینگ مخروطی فشار می‌دهد. اگر دندانه‌ی روی شفت خروجی با بوشینگ هم راستا باشد، مکانیزم پارک درون دندانه‌ی شفت خروجی فشرده می‌شود و خودرو در حالت سکون قرار می‌گیرد، اما در حالتی که مکانیزم پارک با دندانه شفت خروجی هم‌راستا نباشد، بوشینگ مکانیزم را فشار می‌دهد، اما خودرو باید اندکی حرکت کند تا دندانه‌ها به‌درستی درون هم قرار گیرند. به همین دلیل است که گاهی اوقات پس از آن‌که دنده را در حالت پارک قرار می‌دهید خودرو اندکی حرکت می‌کند تا دندانه‌ها درون هم چفت شوند.
زمانی‌که خودرو در امنیت کامل در حالت پارک قرار گرفت، بوشینگ اهرم را پایین نگه می‌دارد و مانع از بیرون پریدن مکانیزم پارک در حالتی که در سراشیبی پارک کرده‌اید، می‌شود.
هیدرولیک, پمپ و گاورنر
جعبهدندهی خودکار خودروها باید وظایف بی‌شماری انجام دهند و شاید شما متوجه نشوید که چگونه تمام این کارها را انجام می‌دهند. برای مثال، حالت زیر را در نظر بگیرید:
- اگر خودرو در دنده‌ی اوردرایو (دنده‌ی ۴ در یک جعبهدندهی ۵ سرعته) سیستم انتقال قدرت به‌طور خودکار براساس سرعت خودرو و میزان فشرده شدن پدال گاز دنده را انتخاب می‌کند.
- اگر به آرامی اقدام به سرعت‌گیری کنید، تعویض دنده در سرعت‌های پایین‌تر نسبت به حالتی که پدال گاز را تا انتها فشار دهید، انجام می‌شود.
- با فشردن ناگهانی پدال گاز تا انتها، جعبه‌دنده به‌طور خودکار یک مرحله دنده معکوس انجام می‌دهد.
- اگر به‌صورت دستی دنده را به یک دنده پایین‌تر انتقال دهید، در صورتی که خودرو با سرعت مجاز در محدوده‌ی آن دنده حرکت کند تعویض دنده انجام می‌شود. در صورتی‌که خودرو با سرعتی بیش از حد مجاز دنده‌ی انتخابی در حرکت باشد، تعویض دنده تا زمانی‌که سرعت کاهش یابد به تعویق می‌افتد.
- اگر جعبه‌دنده را در دنده دو قرار دهیم، تعویض به دنده‌ی بالاتر یا پایین‌تر انجام نخواهد شد مگر آن‌که به‌صورت دستی دسته‌دنده را حرکت دهید.
احتمالا تاکنون با حالات بالا مواجه شده‌اید. تمامی این کنترل‌ها توسط سیستم کنترلی جعبهدندهی خودکار میسر می‌شود. برای برقراری جریان روغن میان اجزای مختلف از شیارهای تعبیه شده روی قطعات مختلف سیستم انتقال قدرت استفاده می‌شود. این شیارها به روش قالب‌گیری فلزات ایجاد شده‌اند و بدون وجود آن‌ها باید تعداد زیادی لوله در میان اجزای مختلف متصل می‌شد تا عمل روغن‌کاری را انجام دهد. ابتدا به توضیح اجزای مختلف سیستم هیدرولیک می‌پردازیم و در ادامه در مورد نحوه‌ی عملکرد آن‌ها بحث می‌کنیم.
پمپ
جعبه‌دنده‌های خودکار به یک پمپ دنده‌ای مجهزند. این پمپ معمولا درون محفظه‌ی جعبه‌دنده قرار می‌گیرد. وظیفه‌ی این قطعه این است که روغن را از سینی تعبیه شده در زیر جعبه‌دنده مکش کرده و به سیستم هیدرولیک جعبه‌دنده تزریق کند. علاوه‌براین، این پمپ وظیفه دارد روغن را به خنک‌کننده‌ی جعبه‌دنده و مبدل گشتاور هم پمپ کند.
چرخدندهی داخلی پمپ به پوسته‌ی مبدل گشتاور متصل است، در نتیجه این چرخ‌دنده با سرعت شفت خروجی پیشرانه می‌چرخد و با چرخش آن روغن از محفظه مکش شده و با فشار به سیستم هیدرولیک جعبه‌دنده پمپ می‌شود.
گاورنر
گاورنر در حقیقت یک شیر هوشمند است که به جعبه‌دنده اطلاع می‌دهد خودرو چقدر سریع در حال حرکت است. وظیفه‌ی اصلی گاورنر در جعبهدندهی خودکار ارسال سیگنال به پردازنده برای تشخیص میزان فشار هیدرولیک برای تعویض دنده‌ها است. این قطعه به شفت خروجی متصل است بنابراین هرچه خودرو سریع‌تر حرکت کند، گاورنر هم با سرعت بیش‌تری می‌چرخد. درون گاورنر یک شیر فنری قرار دارد که با توجه به میزان سرعت چرخش گاورنر باز می‌شود و روغن تحت فشار وارد آن می‌شود. هرچه سرعت چرخش گاورنر بیشتر باشد، شیر درون آن بیشتر باز شده و فشار روغن بالاتر می‌رود.
شیرها و تعدیل کننده‌ها
برای تعویض هرچه بهتر دنده، جعبهدندهی خودکار به طریقی باید از میزان تحت فشار بودن پیشرانه آگاه باشد. این امر به دو روش انجام می‌شود. در بعضی خودروها یک اتصال سیمی ساده به دریچه‌ی کنترل متصل است. هرچه میزان فشار بر پدال گاز بیشتر باشد، فشار بیش‌تری بر دریچه‌ی کنترل وارد می‌شود. در بعضی دیگر از خودروها از یک تعدیل کننده‌ی خلا برای اعمال فشار بر دریچه‌ی کنترل استفاده می‌شود. این تعدیل کننده، فشار مانیفولد را حس می‌کند و زمانی‌که پیشرانه زیر بار بیش‌تری باشد، فشار مانیفولد بزرگ‌تر است.
شیردستی
اهرم دنده به یک شیر دستی متصل است. بسته به اینکه چه دنده‌ای انتخاب شده باشد، شیر دستی با تغذیه‌ی هیدرولیکی جلوی حرکت بعضی دنده‌ها را می‌گیرد. برای مثال، اگر میله دنده در دنده‌ی ۳ قرار داشته باشد، شیر دستی مسیر هیدرولیکی‌ای را تغذیه می‌کند که مانع از درگیر شدن دنده‌ی اوردرایو می‌شود.
شیر تعویض دنده
شیرهای تعویض دنده فشار هیدرولیکی مورد نیاز برای درگیر کردن کلاچ‌ها و تسمه‌های مهار را تأمین می‌کنند. در هر جعبه‌دنده چندین شیر تعویض دنده تعبیه شده است. شیر تعویض دنده مشخص می‌کند که چه زمانی از یک دنده به دنده‌ی دیگر تعویض انجام شود. برای نمونه، شیر تعویض دنده از ۱ به ۲ زمان تعویض دنده از ۱ به ۲ را مشخص می‌کند. این شیر از یک سو توسط فشار هیدرولیکی تأمین شده توسط گاورنر تحت فشار قرار می‌گیرد و از سوی دیگر توسط دریچه‌ی کنترل.
شیر تعویض دنده در صورتی‌که خودرو با شتاب بالا در حال سرعت گرفتن باشد، تعویض دنده را به تعویق می‌اندازد. اگر خودرو به نرمی در حال سرعت‌گیری باشد، تعویض دنده در سرعت پایین‌تری صورت می‌پذیرد.
با افزایش سرعت خوردو، فشار روغن درون گاورنر افزایش می‌یابد. این موضوع باعث می‌شود که شیر تعویض دنده تحت فشار قرار بگیرد و با حرکت این شیر مسیر هیدرولیک دنده‌ی ۱ بسته و مسیر هیدرولیک دنده‌ی ۲ باز می‌شود. از آنجا که خودرو به آرامی در حال سرعت‌گیری است، دریچه کنترل فشار زیادی بر شیر تعویض دنده وارد نمی‌کند.
در هنگام شتاب‌گیری سریع، دریچه کنترل فشار بیش‌تری بر دریچه تعویض دنده وارد می‌کند. این بدان معنا است که برای تعویض دنده فشار هیدرولیک گاورنر باید افزایش یابد (بنابراین خودرو باید با سرعت بیش‌تری حرکت کند) قبل از آن‌که شیر تعویض دنده جابه‌جا شود و مسیر هیدرولیک دنده‌ی ۲ باز شود. هر شیر تعویض دنده به بازه‌ی فشار هیدرولیکی خاصی حساس است.
جعبه‌دنده‌های خودکار مجهز به کنترل الکترونیکی
جعبه‌دنده‌های خودکار مجهز به کنترل‌کننده‌ی الکترونیکی که در خودروهای جدیدتر به چشم می‌خورند، همچنان از سیستم‌های هیدرولیکی برای فعال کردن کلاچ‌ها و مهارها استفاده می‌کنند، اما هر مدار هیدرولیکی توسط یک شیر سلونوئید الکتریکی کنترل می‌شود. استفاده از این سیستم باعث می‌شود لوله‌کشی‌ها ساده‌تر شده و کنترل سیستم ساده‌تر شود.
در بخش پیشین با استراتژی‌های کنترل مکانیکی جعبه‌دنده‌های خودکار آشنا شدیم. در جعبه‌دنده‌های مجهز به کنترل‌کننده‌ی الکترونیکی پارامترهای کنترلی جزئیات بیش‌تری را شامل می‌شوند. در این سیستم‌ها علاوه‌بر کنترل سرعت خودرو و میزان باز یا بسته بودن دریچه‌ی گاز، سرعت گردش شفت خروجی پیشرانه در حالتی که پدال ترمز فشرده می‌شود و حتی سیستم ترمز ضد قفل هم تحت کنترل قرار دارند.
با استفاده از این اطلاعات و به‌کارگیری یک استراتژی کنترل پیشرفته‌ی مبتنی بر منطق فازی (روش برنامه‌نویسی سیستم‌های کنترلی با استفاده از استدلال شبه انسانی) جعبه‌دنده‌های مجهز به کنترل‌های الکترونیکی قادر هستند:
- به‌طور خودکار در سراشیبی‌ها دنده‌ی سنگین را انتخاب می‌کنند تا سرعت را کنترل کرده و مانع از خوردگی ترمزها شوند
- در هنگام ترمزگیری در مکان‌های لغزنده دنده را افزایش می‌دهند تا گشتاور ترمزگیری اعمال شده توسط پیشرانه را کاهش دهند
- هنگام عبور از پیچ‌ها در سربالایی مانع از تعویض دنده به بالاتر می‌شوند
تصور کنید در حال رانندگی در سربالایی یک جاده‌ی کوهستانی هستید. هنگامی‌که در مسیر مستقیم حرکت می‌کنید، جعبه‌دنده با تعویض دنده به دنده‌ی ۲ قدرت و شتاب مورد نیاز شما را تأمین می‌کند. وقتی به یک پیچ می‌رسید سرعت خود را کاهش می‌دهید، با برداشتن پای خود از روی پدال گاز یا حتی فشردن پدال ترمز. اکثر جعبه‌دنده‌های خودکار در این حالت دنده را به دنده‌ی بالاتر (۳ یا ۴) تعویض می‌کنند و پس از عبور از پیچ و فشردن مجدد پدال گاز با تعویض یک دنده معکوس دوباره شتاب مورد نیاز را تأمین می‌کنند. اما اگر در حال رانندگی با یک خودروی مجهز به جعبهدندهی دستی باشید، احتمالا دنده را تعویض نمی‌کنید. بعضی از جعبه‌دنده‌های خودکار مجهز به سیستم‌های کنترلی پیشرفته می‌توانند این شرایط را تشخیص دهند و با عبور از چند پیچ، یاد می‌گیرند که دنده را به دنده‌ی بالاتر تعویض نکنند.
سیستم‌های پیشرفته‌ی انتقال قدرت
در سال ۱۴۹۰ میلادی لئوناردو داوینچی طرحی اولیه از نخستین جعبهدندهی CVT را کشیده است. در آن زمان و تا ۵۰۰ سال بعد هیچ‌کس تصور نمی‌کرد که این طرح روزی به یک انقلاب در دنیای خودروسازی منجر شود.
جعبه‌دنده‌های CVT یا ضریب دنده متغیر پیوسته نسخه‌ای پیشرفته از جعبه‌دنده‌های خودکار هستند. درست مانند یک خودروی مجهز به جعبهدندهی خودکار معمولی، خودروی دارای جعبهدندهی CVT نیز تنها دارای دو پدال ترمز و گاز است و حالات P-R-N-D-L روی دنده‌ی آن وجود دارد. با وجود این تشابهات، اما تفاوت عمده‌ی جعبهدندهی CVT با یک جعبهدندهی خودکار معمولی در نسبت دنده‌ی آن‌ها است. در جعبه‌دنده‌های خودکار به‌طور معمول چند نسبت دنده‌ی خاص (به تعداد دنده‌های جعبه‌دنده) وجود دارد. این در حالی است که در جعبهدندهی CVT ضریب دنده به‌طور پیوسته با توجه به سرعت پیشرانه و سرعت خودرو تغییر می‌کند. در هنگام رانندگی با یک خودروی مجهز به جعبهدندهی CVT هرگز صدای تعویض دنده را نشنیده و حس نمی‌کنید. این جعبه‌دنده تنها در مواقع لزوم سرعت چرخش گشتاور خروجی پیشرانه را کاهش یا افزایش می‌دهد. برای مثال در هنگام افزایش شتاب سرعت پیشرانه را افزایش داده و در حالتی که خودرو با سرعت ثابت در حرکت است، برای کاهش مصرف سوخت، دور موتور را کاهش می‌دهد.
برخلاف جعبه‌دنده‌های خودکار، سیستم‌های انتقال قدرت CVT از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای و چرخ‌دنده‌های با ضریب دنده‌ی ثابت استفاده نمی‌کنند. نقش کلیدی جعبه‌دنده در خودرو تغییر نسبت سرعت شفت خروجی پیشرانه و سرعت چرخش چرخ‌ها است. در غیاب جعبه‌دنده، خودرو تنها یک دنده خواهد شد. چنین خودرویی گشتاور زیادی برای شروع حرکت ایجاد خواهد کرد و در شروع حرکت از حالت سکون به خوبی عمل می‌کند، اما در ادامه‌ی حرکت برای رسیدن به سرعت بالاتر و شتاب‌گیری با مشکل مواجه خواهد شد. از سوی دیگر، اگر خودرویی تنها به دنده‌ی ۳ مجهز باشد، در شروع حرکت از حالت سکون به‌طور حتم با مشکل مواجه است، اما در رسیدن به سرعت‌های بالاتر پس از شروع حرکت عملکرد قابل قبولی خواهد داشت.
سیستم‌های انتقال قدرت از چرخ‌دنده‌های مختلف برای استفاده‌ی بهینه از گشتاور تولیدی پیشرانه در شرایط مختلف رانندگی استفاده می‌کنند. این چرخ‌دنده‌ها می‌توانند به‌صورت خودکار یا دستی درگیر شوند.
در یک جعبهدندهی خودکار سنتی، چرخ‌دنده‌ها اجزایی دندانه‌دار هستند که در یگدیگر چفت شده و وظیفه‌شان انتقال و تغییر گشتاور حرکت دورانی است. ترکیبی از این چرخ‌دنده‌ها می‌تواند چندین نسبت دنده‌ی مختلف تولید کند که معمولا چهار دنده برای حرکت به سمت جلو و یک دنده برای حرکت به سمت عقب است. در یک جعبهدندهی خودکار معمولی با هر تغییر دنده سرنشینان می‌توانند شوک ناشی از این تغییر چرخ‌دنده را حس کنند.
اساس عملکرد جعبهدندهی CVT
برخلاف جعبه‌دنده‌های خودکار معمول، جعبه‌دنده‌های CVT هیچ چرخ‌دنده‌ای ندارند. اگرچه انواع مختلفی از جعبه‌دنده‌های CVT وجود دارد، اما در بیشتر آن‌ها دو پولی (قرقره) با قطر متغیر به شکل مخروط‌هایی روبه‌روی هم وجود دارد که توسط یک تسمه‌ی فلزی یا زنجیر به یکدیگر متصل شده‌اند. یکی از این پولی‌ها به شفت خروجی پیشرانه (محرک) و دیگری به شفت مرتبط با چرخ‌ها (متحرک) متصل است. هر نیمه از هر پولی متحرک است، با نزدیک شدن نیمه‌ی دو پولی به یکدیگر، تسمه‌ی متصل کننده باید در فاصله‌ی بیش‌تری قرار بگیرد. با تغییر قطر پولی‌ها نسبت دنده تغییر می‌کند. برای مثال با کوچک کردن قطر پولی متصل به پیشرانه و بزرگ کردن قطر پولی متصل به شفت خروجی نسبت دنده‌ی پایین تولید می‌شود. به این معنا که با هر دور چرخش شفت خروجی پیشرانه، چرخ‌ها کم‌تر از یک دور می‌چرخند (این نسبت برای آغاز حرکت از حالت سکون مورد استفاده قرار می‌گیرد). با شتاب گرفتن خودرو و افزایش سرعت، قطر پولی‌ها به گونه‌ای تغییر می‌کند که سرعت چرخش شفت خروجی پیشرانه کاهش یابد. این همان اتفاقی است که در جعبه‌دنده‌های خودکار و دستی معمولی نیز رخ می‌دهد. تفاوت عمده‌ی جعبهدندهی CVT با جعبهدندهی خودکار معمولی این است که یک جعبهدندهی معمولی با تعویض دنده سعی در تغییر نسبت دنده دارد درحالی‌که در جعبهدندهی CVT نسبت دنده به‌طور پیوسته با تغییر قطر پولی‌ها در حال تغییر است.
جعبه‌دنده‌های CVT مصرف سوخت خودرو را کاهش می‌دهند چراکه پیشرانه را قادر می‌سازند در هر لحظه در بهینه‌ترین دور موتور عمل کند. در تئوری جعبهدندهی CVT به پیشرانه اجازه می‌دهد همواره در نزدیک‌ترین نقطه به حداکثر توان تولیدی کار کند، در نتیجه خودرو بالاترین بازده را خواهد داشت.