كار چرخ دنده در خودرو

گشتاور توليدي توسط موتور پس از انتقال توسط كلاچ به جعبه دنده مي رسد. وظيفه جعبه دنده انتقال دور موتور با نسبتهاي گوناگون و رساندن آن به خطوط انتقال و ميل گاردان در خودروهاي ديفرانسيل عقب يا مستقيماً به ديفرانسيل در خودروهاي ديفرانسيل جلو است. سيستم جعبه دنده اي انتقال قدرت را مي توان به دو گروه جعبه دنده اي دستي و جعبه دنده اي اتوماتيك تقسيم بندي كرد. سيستم انتقال قدرت دستي در حالت انتقال مستقيم بازدهي در حدود 98% ولي در دنده هاي با نسبت انتقال پايين تر بازده به حدود 90% مي رسد. چون بيشترين زمان استفاده از اتومبيل، جعبه دنده در حالت انتقال مستقيم قدرت است، بنابراين با توجه به اين مورد و هزينه اوليه به نسبت كمتر اين سيستم جعبه دنده اي، هنوز استفاده از آنها در اكثر اتومبيلها مورد توجه است. از سيستم انتقال اتوماتيك بيشتر در اتومبيلهاي گرانقيمت تر و كلاسهاي بالاتر استفاده مي شود چرا كه با توجه به عملكرد ساده تر آن براي راننده، هزينه ساخت آن نيز بيشتر است. علاوه بر دو نوع فوق، امروزه استفاده از نسل جديدي از سيستم انتقال قدرت بنام سيستم انتقال قدرت پيوسته متغير (CVT) نيز مورد توجه طراحان خودروها قرار گرفته است.

سيستم انتقال قدرت دستي در دسته بندي كلي از لحاظ نحوه كاركرد، جعبه دنده هاي دستي به سه گروه كلي تقسيم مي شوند:

- Sliding mesh type Gearbox - Constant mesh type Gearbox - Synchromesh type Gearbox Sliding Mesh Type Gearbox اين جعبه دنده ها از قديميترين و ساده ترين انواع جعبه دنده ها هستند كه درگيري دنده ها در آنها توسط جابجا كردن دنده ها ايجاد مي شود. اين جعبه دنده ها در واقع شامل دو رديف شفت مي باشند : شفتي كه از طرف كلاچ مي آيد و خود شامل دو قسمت است؛ يكي كه كاملاً ثابت مي باشد و در واقع محور ورودي است بنام محور اصلي ( primary shaft ) و شفت ديگري كه در امتداد آن اما بصورت جداگانه و متحرك قرار دارد و بنام splined mainshaft خوانده مي شود و عمل تعويض دنده نيز با جابجايي اين شفت صورت مي گيرد. شفتي پاييني كه بنام محور ثانويه ( lay shaft ) خوانده مي شود و بسته به نوع جعبه دنده، تعدادي دنده بر روي آن قرار مي گيرد. اين شفت توسط درگيري بين دو دنده به طور دائم در ارتباط با محور اصلي است هنگامي كه گشتاور از طريق درگيري يك جفت دنده از محور اصلي به محور ثانويه منتقل مي شود، با توجه به نسبت تعداد دنده ها يك كاهش دور در آن ايجاد مي شود. حاصلضرب اين كاهش دور در كاهش دور ناشي از درگيري دو چرخ دنده نهايي، نسبت كاهش دور اصلي ناشي از يك دنده خاص را به ما مي دهد. نحوه درگيري دنده ها و همچنين محاسبه كاهش نسبت دور را براي دنده هاي مختلف در شكلهاي2-2 مشاهده مي كنيد Constant Mesh Type Gearbox در اين نوع از جعبه دنده ها بر خلاف حالت قبل همه دنده ها با هم درگير هستند، اين عمل باعث عملكرد آرام و بدون صداي اين دنده ها مي شود، چرا كه عمده صدا در سيستم جعبه دنده اي قبلي ناشي از جازدن دنده ها بود. علاوه بر آن، در اين سيستم چون دنده ها هميشه با هم درگير هستند مي توان از دنده هاي مارپيچي (هليكالي) استفاده نمود كه اين خود نيز در كاهش صدا و عملكرد نرمتر جعبه دنده موثر است. در اين نوع از جعبه دنده ها محل و نحوه قرارگيري دنده ها بر روي محورهاي اصلي و ثانويه همانند حالت قبلي است، ولي در اينجا هر دنده روي محور اصلي با دنده متناظر روي محور ثانويه درگير است. بنابراين در اين حالت بدون توجه به اينكه اتومبيل در چه دنده اي قرار دارد، در هر حال تمام دنده ها در حال چرخش هستند، اما تنها يكي از اين دنده هاي در حال چرخش است كه مي تواند به تناسب شماره دنده مورد نياز با محور اصلي كوپل شود و آنرا به حركت درآورد. اولين دنده روي primary shaft و نيز تمامي دنده هاي روي lay shaft با محور خود كاملاً فيكس هستند و امكان جابجايي نسبت به محور را ندارند. اما دنده هاي روي splined main shaft بر روي بلبرينگهايي سوار هستند و نسبت به محور خود در حال چرخشند و تنها يك دنده است كه توسط مكانيزمي به محور كوپل مي شود. اين مكانيزم sliding dog clutch نام دارد كه روي محور ثانويه هزارخار شده است. با انتخاب دنده مورد نظر زبانه هاي روي dog clutch مربوط به آن دنده خود را با دنده درگير مي كند و با اين عمل، دنده مورد نظر با محور خود قفل مي شود و در واقع نسبت انتقال دلخواه را براي ما فراهم مي گرداند شكل2-3 Constant mesh type Gearbox در اين نوع از جعبه دنده ها براي درگيري بهتر زبانه dog clutchو دنده لازم است كه سرعت آنها با هم برابر باشند. براي تحقق نسبي اين امر در اين نوع سيستم جعبه دنده اي از double declutching استفاده مي شود. بدينگونه كه بار اول كه كلاچ گرفته مي شود، ارتباط موتور با جعبه دنده قطع مي شود. پس فشار از روي زبانه هاي dog clutch برداشته مي شود تا بتوان آن را به حالت خلاص منتقل كرد. بعد با رها كردن كلاچ، موتور را به سرعت مناسب مي رسانيم. منظور از سرعت مناسب، دور موتوري است كه با دنده بعدي تناسب دارد. يعني كاري مي كنيم كه زبانه هاي dog clutch و چرخ دنده اي كه مربوط به دنده بعدي است با سرعت يكساني بچرخند تا زبانه ها بتوانند در چرخ دنده جفت شود. حالا مجبوريم يك بار ديگر كلاچ را فشار دهيم تا اين زبانه ها و دنده جديد با هم درگير شوند. بنابراين در اين حالت براي تعويض دنده راننده ابتدا بايد دنده را خلاص كند و سپس با كلاچ گيري دوباره دنده بعدي را انتخاب نمايد. شكل2-4 Dog clutch در حالت آزاد و درگير با دنده ها   Synchromesh Type Gearbox در اين نوع جعبه دنده نيز همانند حالت قبل دنده هاي روي شفت اصلي با دنده مربوطه روي شفت ثانويه در حالت درگيري دائم هستند. دنده هاي روي شفت ثنويه روي محور ثابت و دنده هاي روي شفت اصلي توانايي گردش آزادانه حول محور خود را دارند. از اين لحاظ نيز، اين نوع جعبه دنده همانند جعبه دنده هاي constant mesh هستند، اما نكته اي كه در اينجا وجود دارد استفاده از سيستم هم سرعت كننده (synchronizer) در اين نوع جعبه دنده ها مي باشد كه در اين حالت لزوم جعبه دنده به double declutching را از ميان مي برد. با استفاده از اين سيستم همسرعت كننده در اين جعبه دنده ها، عمل تعويض دنده براحتي و بدون سروصداي ناشي از بهم خوردن دنده ها صورت خواهد گرفت. شكل2-5 شكل2-5 Synchromesh type gearbox اگر جعبه دنده در وضعيت خلاص باشد توان انتقال نمي دهد. در اين حالت هيچ يك از چرخدنده هاي روي محور خروجي به آن قفل نمي شوند. در هنگام تعويض دنده، چرخدنده ها با عمل كشويي به محور قفل مي شوند. خود كشوييها نيز توسط هزار خار به محور خروجي متصلند و با آن مي چرخند. ماهك روي كشويي در شيارهاي غلاف كشويي جفت مي شود. وقتي راننده دسته دنده را جابجا مي كند، اين حركت از طريق ميله بندي به ماهك روي كشويي منتقل مي شود. ماهك، غلاف كشويي را به حركت در مي آورد و غلاف چرخدنده مورد نظر را روي محور قفل مي كند. به كمك كشويي مي توان كاري كرد كه چرخدنده ها و غلافهاي كشويي در حوالي زماني كه بايد با هم درگير شوند، با سرعت برابر بچرخند. وقتي اين سرعتها با هم برابر باشند، چرخدنده ها به نرمي درگير مي شوند. كشوييها، مخروطهاي هماهنگ كننده اي روي چرخدنده ها و نيز روي دنده برنجي دارد كه در واقع كار يك كلاچ كوچك را انجام مي دهند. مغزي كشويي با هزار خار به محور خروجي جعبه دنده متصل است. غلاف كشويي روي مغزي كشويي جفت مي شود. (شكل2-6 شكل2-6 شكل يك دنده بهمراه اجزاي هم سرعت كننده مربوط به آن عمل همسان سازي سرعت طي سه مرحله صورت مي گيرد: وقتي دنده عوض مي كنيم، غلاف كشويي به طرف چرخدنده مورد نظر مي رود. اين غلاف روي خارهاي مغزي كشويي مي لغزد و خارهايي را با خود جابجا مي كند. اين خارها نيز به دنده برنجي نيرو وارد مي كنند و آن را به طرف چرخدنده مورد نظر مي رانند، در نتيجه سطح مخروطي دنده برنجي با سطح مخروطي چرخدنده تماس پيدا مي كند. اصطكاك بين آنها سبب يكسان شدن سرعت و هماهنگي در چرخششان مي شود. وقتي دنده هاي خارجي دنده برنجي و چرخدنده با يك سرعت مي چرخند، غلاف كشويي روي آنها مي لغزد. درنتيجه چرخدنده به محور قفل و تعويض دنده انجام مي شود. توان از اين چرخدنده از طريق غلاف كشويي و مغزي كشويي به محور منتقل مي شود. شكل2-7 شك2-7 عمل سيستم همسرعت كننده سالها پيش جعبه دنده هاي دستي چهار دنده بودند و دسته دنده دركف اتاق قرار داشت؛ جاييكه راننده براحتي به آن دسترسي داشت. انتهاي جعبه دنده به مكانيسم تعويض دنده متصل مي شد. پس از آن دسته دنده را به لوله فرمان منتقل كردند؛ جاييكه بيشتر در دسترس راننده بود. بااين تغيير جاي پاها در صندلي جلو نيز وسيعتر شد. امروزه دسته دنده دوباره در كف اتاق نصب مي شود. درواقع اغلب اوقات دسته دنده بخشي از كنسول مياني است. براي اتصال دسته دنده به جعبه دنده از ميله بنديهاي با آرايش مختلف استفاده شده است. طرز كار تمام اين ميله بنديها اساساً يكي است. براي عوض كردن دنده بايد دو حركت به دسته دنده اعمال كرد. در اولين حركت ماهك روي كشويي و كشويي مربوط به چرخدنده مورد نظر انتخاب مي شود. حركت دوم سبب مي شود كه ماهك روي كشويي، غلاف كشويي را به حركت در آورد. در نتيجه حركت اخير، چرخدنده مورد نظر به محور اصلي قفل مي شود. شكل2-8 شكل2-8 مكانيسم تعويض دنده در شكل2-9 نمونه اي از ميله بندي تعويض دنده مربوط جعبه دنده طولي پنج و شش سرعته اتومبيل فورد را مشاهده مي كنيد شكل2-9 ميله بندي تعويض دنده فورد

دنده هاي كمكي splitter change & range change

براي خودروهاي نسبتاً سبك با وزن حدود يك تن كه نسبت قدرت به وزن بزرگي دارند، يك جعبه دنده 4 سرعته يا 5 سرعته معمولي جوابگوي اتومبيل در عملكرد صحيح خود مي باشد. اما براي خودروهاي سنگيني كه بارهاي بزرگي را تحمل مي كنند و نسبت قدرت به وزن بسيار پاييني دارند، استفاده از اين جعبه دنده ها به تنهايي نمي تواند گزينه مناسبي باشد. تحت چنين شرايط عملكردي اگر فاصله نسبت انتقال دنده ها خيلي زياد باشد، در حين تعويض دنده دور موتور به شدت افت مي كند و بازيافت گشتاور دوباره موتور به كندي صورت مي گيرد؛ بنابراين براي كمتر كردن اثرات ناشي از اين افت دور در هنگام تعويض دنده به فاصله هاي كوچكتري از اختلاف افزايش نسبت دنده اي نياز است. با دو برابر كردن تعداد نسبت دنده ها اثرات افت دور موتور در حين تعويض دنده كاهش مي يابد.جهت تحقق اين امر و افزايش تعداد نسبت انتقال مي توان از تعداد چرخدنده هاي بيشتر با نسبت انتقالهاي گوناگون در گيربكس استفاده كرد، اما استفاده از اين روش به بزرگ و سنگين شدن جعبه دنده مي انجامد. براي جلوگيري از اين امر يك جعبه دنده كوچك دو وضعيتي را به صورت سري با جعبه دنده معمولي 4 سرعته، 5 سرعته و ... قرار مي دهند. استفاده از اين جعبه دنده كمكي به اين ترتيب تعداد نسبت انتقال را در جعبه دنده هاي معمولي دو برابر مي كند. در وضعيتهاي بسيار خاص مي توان از جعبه كمكي سه وضعيته استفاده كرد، در اين صورت تعداد دنده هاي جعبه دنده معمولي تا سه برابر افزايش مي يابد كه در اينگونه كمكيها معمولاً يكي از نسبتهاي انتقال بسيار كم در نظر گرفته مي شود. جعبه دنده هاي كمكي مي توانند به دو صورت قبل يا بعد از جعبه دنده اصلي قرار گيرند كه طراح با توجه به شرايط مورد نظر خودرو آن را برمي گزيند : Splitter gear change : در نوع جعبه دنده، جعبه دنده كمكي قبل از جعبه دنده اصلي قرار مي گيرد. در اين حالت جعبه دنده كمكي دو حالت دارد، حالت اول كه نسبت انتقال مستقيم است و گشتاور ورودي از موتور بدون تغيير به جعبه دنده اصلي مي رسد و حالت دوم كه نسبت انتقال ناشي از اين دنده تقريباً 1 : 4/1 – 2/1 است. شكل2-10 شكل2-10 جعبه دنده كمكي از نوعSplitter و ترتيب تعويض دنده ها در اين نوع جعبه دنده Range gear change : در اين نوع جعبه دنده، جعبه دنده كمكي بعد از جعبه دنده اصلي قرار مي گيرد. جهت تعويض دنده در اين نوع جعبه دنده ها ابتدا دنده كمكي را در حالت low قرار داده و دنده هاي اصلي را به ترتيب تغيير مي دهيم، سپس دنده كمكي را در حالت انتقال مستقيم يا high قرار داده و دوباره دنده هاي اصلي را به ترتيب عوض مي كنيم. شكل2-11 شكل2-11 جعبه دنده كمكي از نوعrange و ترتيب تعويض دنده ها در اين نوع جعبه دنده هر دو نوع جعبه دنده هاي splitter و change مي توانند به صورت چرخدنده هاي ساده يا خورشيدي باشند. همچنين برخي از جعبه دنده ها در صورت نياز مي توانند از جعبه دنده هاي splitter و change به صورت همزمان استفاده كنند. ( PTO ) Power take-off PTO در واقع مكانيزمي است كه تعدادي شفت محرك را براي بكار انداختن تجهيزات كمكي در برخي از خودروهاي خاص فراهم سازد. اين شفتها مي توانند نيروي محرك خود را از موتور و توسط دنده هاي تايمينگ سر ميل لنگ بگيرند؛ اما معمولاً در اكثر سيستمها اين نيرو را از قسمتي از جعبه دنده مي گيرند. كابردهاي مرسوم PTO ها شامل موارد زير هستند؛ مانند : پمپهاي هيدروليكي، كمپرسورها، ژنراتورها، بالابرها، جرثقيل ها، چرخ لنگرهاي دوار، قرقره هاي شيلنگ آتش نشاني، دستگاههاي مخلوط كننده، تيغه هاي ماشين برف روب و ديگر مكانيزمهاي مكانيكي كه به منبع جداگانه اي از قدرت محركه نياز دارند. قدرت محرك PTO مي تواند توسط يكي از دنده هاي روي lay shaft فراهم شود و يا اينكه شفت مربوطه مستقيماً به انتهاي lay shaft متصل شود و چرخش خود را يكسره از خود شفت بگيرد. (شكل2-12( PTO ها بسته به نوع استفاده مي توانند به صورت تك سرعته يا دو سرعته كار كنند. در واقع سيستمي مانند جعبه دنده هاي كمكي در اين مورد نيز مورد استفاده قرار مي گيرد كه فراهم آورنده دو سرعت متفاوت مي باشد. جهت دستيابي به سرعت دلخواه شفت نسبت دنده ها در اين مورد نيز مي تواند به صورت دلخواه انتخاب شوند. شكل2-12 جعبه دنده بهمراه PTO هايي كه قدرت خود را از دنده ها مي گيرند. اوردرايو (Over drive) وقتي جعبه دنده هاي استاندارد را در دنده بالا قرار مي دهيم، نسبت انتقال يك به يك است. در جاده هاي سرازيري در صورتيكه موتور اتومبيل قدرت كافي را داشته باشد و سرعت نيز در حد معقولي باشد موتور قادر خواهد بود كه اتومبيل را با نسبت تبديل كمتر از واحد نيز به حركت در آورد. براي اين منظور در گيربكس بعضي از اتومبيل ها وسيله اي بنام اوردرايو پيش بيني شده است. اوردرايو يا فوق سرعت يك سيستم مكانيكي است كه به انتهاي جعبه دنده هاي معمولي بسته مي شود. محور خروجي جعبه دنده محور ورودي اوردرايو را به حركت در مي آورد. اوردرايو شامل يك مجموعه دنده سياره اي است كه بوسيله آن مي توان نسبت تبديل پايين تر از يك را بدست آورد. يكي از مزاياي مهم اوردرايو آن است كه با استفاده از آن مي توان با ثابت نگهداشتن سرعت اتومبيل، دوران موتور آنرا تا حدود 30 درصد تنزل داد. طبعاً استفاده از اوردرايو سبب كاهش مصرف سوخت در ماكزيمم سرعت مي شود. اوردرايو با توجه به صحت عوامل زير عمل رضايت بخشي را ارائه خواهد كرد : 1- موتور اتومبيل قدرت كافي را داشته باشد. 2- سرعت اتومبيل در حد كافي باشد. 3- جاده تقريباً مسطح يا سرازير باشد شكل2-13 اثرات اوردرايو بر روي عملكرد موتور استفاده از اوردرايو به خودي خود موجب تضمين سرعت حداكثر نخواهد بود. با افزايش سرعت اتومبيل مقاومت باد به سرعت زياد مي شود. در سرعت هاي خيلي زياد اثرات مقاومت ناشي از باد را مي توان با اثر بازدارندگي در يك سربالايي شيب تند قابل قياس دانست. در اين موقع است كه ديگر نمي توان دنده بالا يا اوردرايو را يك امتياز محسوب آورد و بايستي براي كار صحيح موتور اتومبيل را به يك دنده پايين تر منتقل ساخت. در شكل 2-13 نمودار مربوط به اثرات اوردرايو بر روي عملكرد موتور مي توان مشاهده كرد. ملاحظه مي شود كه از اثرات اوردرايو كاهش مصرف سوخت و همچنين افزايش گشتاور موتور در ماكزيمم سرعت مجاز است. براي فراهم كردن چنين شرايطي و اضافه كردن اوردرايو به جعبه دنده هاي معمولي معمولاً از تركيبهاي چرخدنده هاي سياره اي استفاده مي كنند. يك مجموعه خوشيدي يا سياره اي شامل يك دنده خورشيدي يا دنده مركزي است كه با دنده هاي هرز گرد سياره اي يا پينيونها كه روي محور نگهدارنده يا بازو قرار گرفته اند، احاطه شده است؛ حركت دوراني مي كنند و بطور دائم درگير مي باشند. پينيونها نيز در داخل دنده داخلي يا رينگ (به اين دليل به اين نام خوانده مي شود كه محيط دايره از داخل دندانه دار شده است) احاطه شده و بطور دائم با اين دنده هاي سياره اي در گير مي باشند. شكل2-14

شكل2-14 نمونه ساده اي از چرخ دنده سياره اي واجزاي آن اگر يك عضو از مجموعه چرخدنده سياره اي ثابت نگهداشته شود و عضو ديگر بچرخد، حاصل كار افزايش سرعت، كاهش سرعت يا چرخش معكوس خواهد بود. نتيجه كار بستگي به اين دارد كه كدام عضو ثابت مانده و كدام عضو بچرخد.مكانيك خودرو در صورت عدم نياز به اوردرايو مي توان آنرا در وضع قفل شده قرار داد. وقتي دو قسمت از مجموعه دنده سياره اي بهم قفل شوند، مجموعه قادر به تغيير گشتاور يا دوران نبوده و همه آن به صورت يك واحد يكپارچه دوران خواهد كرد