هنگام مطالعه اصول هيدروليك در بخش دوم چند نوع از سوپاپ‌هاي تنظيم فشار و سوپاپ‌هاي سويچينگ را بررسي كرديم. در اين بخش ياد خواهيم گرفت كه اين سوپاپ‌ها در درون گيربكس اتوماتيك چگونه عمل مي كنند. همچنين پمپ‌هايي كه با سه نوع فشار هيدروليكي مختلف گيربكس اتوماتيك را آماده كار مي‌كنند، بررسي مي كنيم. سپس اين فشارها را در درون مجراها و سوپاپ‌ها دنبال مي كنيم و ياد مي گيريم كه چگونه اين فشارها با هم براي كنترل تعويض مستقيم و معكوس دنده عمل مي‌كنند.
فشارهاي موجود در گيربكس اتوماتيك
قبل از شروع بررسي جزئيات پمپ ها و سوپاپ‌هاي گيربكس، لازم است بطور خلاصه نگاهي به سه فشار اصلي موجود در گيربكس اتوماتيك بياندازيم:
1ـ فشار خط اصلي Main Line Pressure
2ـ فشار گاز Throttle Pressure
3ـ فشار گاورنر Gorernor pressure
به خاطر داريد كه براي ايجاد فشار هيدروليك بايستي يك چشمه جريان سيال و مقاومتي در برابر آن جريان وجود داشته باشد. درگيربكس هاي اتوماتيك، پمپ همان ايجاد كنندة جريان است و سوپاپ‌ها و گذرگاههاي مختلف بكار رفته باعث ايجاد فشار مي شوند.
1ـ فشار خط اصلي: Main Line Pressure
اين فشار به وسيلة پمپ (ايجاد جريان ) بوجود مي‌آيد و بوسيلة سوپاپ رگلاتور فشار، در خروجي پمپ كنترل مي شود. فشار خط اصلي براي راه اندازي كلاچها و سروها، كه عضوهاي مختلفِ مجموعة دنده سياره‌اي را ترمز مي‌كنند به كار مي‌رود و از اين طريق نسبت دنده هاي مختلف و تعويض اتوماتيك دنده فراهم مي شود. فشار اصلي به جز اين منشاء تمام فشارهاي ديگر گيربكس نيز مي‌باشد.
2ـ فشار گاز : Throttle pressure
يك فشار هيدروليكي است كه اندازة آن با زياد شدن بار موتور يا مقدار باز بودن دريچة گاز افزايش مي يابد. فشار گاز از فشار خط اصلي بوجود مي‌آيد.
3ـ فشار گاورنر : Gorernor pressure
يك فشار هيدروليكي است كه مقدار آن با زياد شدن سرعت خودرو افزايش مي يابد. اين فشار از خط اصلي بوجود مي آيد و در يك سوپاپ كه به صورت گريز از مركز كار مي‌كند و توسط شافت خروجي گيربكس مي‌چرخد، كنترل مي شود. فشار گاونر در تعامل با فشار گاز براي كنترل نقاط تعويض دنده به كار مي رود.
پمپ‌هاي هيدروليك گيربكس هاي اتوماتيك:
تمام فشارهاي هيدروليكي كه در گيربكس اتوماتيك عمل مي كنند، از جريان خروجي يك پمپ روغن استفاده مي كنند.اين پمپ از طريق يك فيلتر، روغنِ مخزن را مي‌كشد .
درگير بكس هاي امروزي سه نوع پمپ بكار مي رود:
ـ ـ دنده‌اي Gear Pump
ـ ـ روتوري Rotor pump
ـ ـ پره اي. Vane Pump
پمپ دنده‌اي و روتوري، پمپ با جابجايي مثبت يا جابه جايي ثابت ناميده مي شود. زيرا حجم سيالي كه در هر بار گردش پمپ زياد مي شود حجم سيال جابه جا شده توسط آن در هر دقيقه بيشتر مي‌شود، با اين حال حجم روغن پمپ شده به ازاي يك دور گردش ثابت مي ماند.
امّا پمپ هاي پره اي كه در گيربكس هاي مدرن بكار مي روند، پمپ با جابجايي متغير ناميده مي شوند زيرا مقدار روغن پمپ شده به ازاي هر دور گردش مي تواند تغيير كند. خروجي پمپ بطور اتوماتيك براساس نياز گيربكس به روغن تنظيم مي شود و هيچگونه بستگي مستقيم بين سرعت پمپ و مقدار جريان سيال وجود ندارد.
پمپ گيربكس هاي اتوماتيك در قسمت جلو بدنة گيربكس نصب شده و توسط تورك كنورتور به حركت در مي‌آيد. در خودروهاي محرك جلو نيز پمپ ممكن است توسط تورك كنورتور و يا يك شافت مجزا به حركت در آيد. بيشتر گيربكس هاي قديمي يك پمپ ثانويه داشتند كه در ناحية عقب بدنة گيربكس نصب مي‌شود و بوسيلة شافت خروجي به حركت در مي‌آمد. پمپ عقب در گيربكس‌هاي ساخت آمريكا از اواخر دهة 60 به بعد حذف شد.
فشار خط اصلي
همانطور كه مي دانيم براي ايجاد فشار بايستي در مقابل خروجي پمپ مانعي ايجاد شود. چنانچه هيچ مانعي وجود نداشته باشد، دبي پمپ قابل اندازه گيري است؛ امّا فشار صفر است. در وا قع در سيستم هيدروليك گيربكس هاي اتوماتيك موانع زيادي براي ايجاد فشارهاي مختلف وجود دارد. مجراي خروجي پمپ يك مانع نسبي در برابر جريان روغن محسوب مي شود و به همين دليل معابر و خطوط روغن نيز موانعي در برابر جريان هستند.
اولين مانع اساسي در سيستم كه براي كنترل فشار اصلي بكار مي رود، سوپاپ تنظيم (رگلاتور) فشار است. ساير سوپاپ ها از قبيل سوپاپ هاي تقويت كننده، سوپاپ كنترل دستي و سوپاپ‌هاي تعويض از طريق اعمال فشار اصلي بر روي آنها عمل مي كنند. البته فشار اصلي تنها موجود در سيستم هيدروليك ايجاد مي شود. امّا تمام آنها وابسته به فشار اصلي هستند و توسط سوپاپ‌هايي با كاربرد تنظيم فشار كار مي كنند. از قبيل سوپاپ گاز و سوپاپ گاورنر كه طرز ايجاد اين فشارها را بررسي مي‌كنيم.
سوپاپ تنظيم فشار (رگلاتور(
از آنجا كه حجم ارسال پمپ با افزايش سرعت زياد مي شود اگر در برابر جريان روغن مانعي ساده و ثابت مانند يك اريفيس وجود داشته باشد، فشار نيز با زياد شدن سرعت پمپ افزايش مي يابد. در چنين سيستمي فشار به سرعت به حدّي كه بتواند به قطعات مختلف گيربكس آسيب برساند خواهد رسيد. بنابراين لازم است فشار تنظيم شود. اين كار بوسيلة سوپاپ رگلاتور فشار كه در مقابل جريان روغن ايجاد يك مانع متغير مي كند ايجاد مي شود.
يك مانع متغير عبارتست از يك مجرا كه اندازة آن به منظور تغيير در فشار ايجاد شده توسط مانع مي‌تواند تغيير كند. سوپاپ رگلاتور فشار حد بالا و حد پائين فشار روغن خط اصلي را براي پاسخگويي به شرايط مختلف گيربكس كنترل مي‌كند. فشار خط اصلي عملاً از رگلاتور فشار به بعد آغاز مي شود. امّا در نقشه هاي هيدروليكي اغلب مستقيماً از پمپ منشعب مي شود. فشار بين پمپ و سوپاپ تقريباً برابر با فشاري است كه روغن هنگام ترك سوپاپ و ورود به مدار خط اصلي دارد. واين در نتيجه اثر توازن در سوپاپ است.
هنگامي كه موتور روشن مي شود روغن از پمپ وارد سوپاپ مي‌شود. در ابتدا روغن مستقيماً براي پر كردن مبدل گشتاور و خط اصلي از ميان سوپاپ عبور مي‌كند به محض آنكه اين فضاها از هوا تخليه شوند فشار در مدار هيدروليك ايجاد مي شود. اين فشار بر سطح انتهايي سوپاپ عمل كرده و آن را بر خلاف نيروي فنر حركت مي دهد. مادامي كه فشار روغن بر نيروي فنر غلبه نكند تمام خروجي پمپ در اختيار مدارات اصلي گيربكس قرار مي‌گيرد. اگر دور موتور زياد شود حجم روغن ارسالي توسط پمپ به سوپاپ هم افزايش مي يابد.در نتيجه فشار روغن اعمال شده بر سوپاپ هم افزايش مي يابد. در نتيجه فشار روغن اعمال شده بر سوپاپ هم افزايش مي‌يابد و سوپاپ مخالف نيروي فنر، آنقدر حركت مي كند تا مجراي خروجي را باز كند
در گيربكسي كه پمپ آن از نوع دنده‌ايي يا روتوري است فشار اضافي با جاري شدن روغن از مجراي خروجي و بازگشت آن به سمت مكش پمپ آزاد مي شود امّا در يك گيربكس مجهز به پمپ با جابجايي متغير بخشي از فشار اضافي به ناحيه پشت كمربند لغزان براي كاهش جابجايي پمپ و در نتيجة آن كاهش جريان روغن هدايت مي شود و در هر صورت گيربكس از آسيب احسالي ناشي از فشار زياد حفاظت مي شود.
در بيشتر گيربكس‌ها فشار از پمپ مستقيماً به سمت سوپاپ كنترل دستي و ساير سوپاپ هاي سيستم هيدروليك هدايت مي شود. اين امر عملي است زيرا تمام روغن قبل از رفتن به سمت ساير سوپاپ‌ها مجبور نيستند كه از ميان رگلاتور فشار عبور كنند. همانطور كه در بخش دوم ملاحظه كرديد، فشار در داخل يك سيستم بسته هيدروليك در هر جايي از مدار يكسان است. لذا مي توانيد مدار فشار خط اصلي را به عنوان يك مدار بسته منفرد تصور كنيد. در اين صورت اهميتي ندارد كه سوپاپ رگلاتور فشار در چه قسمتي از مدار نصب شود، چون به هر حال فشار در تمام نقاط مدار را تنظيم خواهد كرد.
سوپاپ هاي تعويض
سوپاپ تعويض يك سوپاپ قطع و وصل (سويچينگ ) يا جهت دهنده است كه از فشار گاورنر و فشار گاز براي تعيين زمان تعويض و اجراي تعويض در يك گيربكس استفاده مي كند. به همين دليل سوپاپ تعويض سوپاپ تايمينگ نيز ناميده مي شود. سوپاپ تعويض قادر است با اندازه گيري گشتاور موتور( به وسيلة فشار گاز ) و سرعت خودرو ( به وسيلة گاورنر ) تحت هر شرايطي از رانندگي تعويض به دندة بالاتر (مستقيم ) و به دنده پائين تر (معكوس) را به طرز صحيحي زمان بندي و اجرا كند.
اغلب گيربكس ها چندين سوپاپ تعويض دارند كه تعويض دنده‌هاي مورد نياز را كنترل مي‌كنند هنگامي كه فشار گاورنر بر فشار گاز و فشار فنر غلبه كند تعويض به دنده بالاتر توسط سوپاپ تعويض انجام مي‌شود.
فشار گاورنر به سمت راست سوپاپ تعويض و فشار گاز به سمت چپ آن اعمال مي شود. يك فنر مارپيچي نيز در طرف چپ سوپاپ قرار گرفته است. فشار خط اصلي به سوپاپ تعويض هدايت شده امّا يكي از پيستون ها مسير روغن را مسدود كرده است. اگر سرعت خودرو افزايش يابد، فشار گاورنر نيز زياد مي شود. در لحظه‌ايي كه فشار گاورنر بر فشار گاز و فشار فنر غلبه كند سوپاپ را به طرف چپ هدايت مي كند.
در نتيجه حركت سوپاپ تعويض فشار خط اصلي مي تواند از بين قرقره ها به طرف يك مدار كارانداز (باند ياكلاچ) خارج شود. البته هنگامي كه يك سوپاپ تعويض حركت مي كند بايد حركت آن سريع و تقريباً ناگهاني باشد و اجازه نيابد به جلو و عقب حركت كند قبل از اينكه به اين موضوع بپردازيم ابتدا مي خواهيم بدانمي فشار گاز و فشار گاورنر چگونه ايجاد مي شوند و هدف از ايجاد آنها چيست؟
فشار گاز
همانطور كه قبلاً تشريح شد فشار گاز يكي از فشارهاي مورد استفاده در كنترل نقاط تعويض به دنده بالاتر (UP Shift ) و به دنده پائينتر (Down Shist )در يك گيربكس اتوماتيك است.
فشار گاز اين وظيفه را متناسب با بار موتور يا گشتاور خروجي كه در هر لحظه مستقيماً وابسته به شرايط رانندگي است، به انجام مي رساند.
در بيشتر گيربكس ها از فشار گاز براي كمك به تنظيم فشار خط اصلي استفاده مي شود. زماني كه گشتاور خروجي موتور زياد است در گيربكس ها درگيري محكم‌تر كلاچها و ب اندها براي جلوگيري از لغزش ضروري است. براي دستيابي به فشار بيشتر در خط اصلي، فشار گاز ( يا شكل تغيير يافته‌اش) از طريق كانالهايي به سمت سوپاپ تقويت كننده واقع در يك طرف رگلاتور فشار هدايت مي شود.
كاربرد هيدروليك
سيستم هاي هيدروليك گيربكس‌هاي اتوماتيك مدرن تعويض هاي مستقيم و معكوس دنده‌ها را براي هماهنگ كردن سرعت خودرو و گشتاور موتور به منظور دستيابي به عملكرد موثر و روان فراهم مي‌كنند.امّا كاربرد سيستم هيدروليك تنها راه براي اجراي تعويض اتوماتيك در يك گيربكس نيست. بعضي از سازندگان خودرو در گيربكس هاي اتوماتيك اوليه از سيستم‌هاي اكركي و خلايي براي كنترل تعويض بهره مي گرفتند.
سبيمپلي ماتيك كرايسلر مدل سال 1940 چهار سرعته از نوع دنده كشوئي و متصل به يك كوپلينگ هيدروليكي بود. اهرم تعويض دنده بوسيله سرووهاي خلايي كه خلاء آن بوسيلة سيستم الكتريكي بالا كنترل مي شد بكار مي افتاد.
كمپاني كرايسلر، مدلهاي گوناگون اين گيربكس را تحت نام هاي تجاري مختلف تا سال 1953 يعني هنگامي كه اولين گيربكس تمام اتوماتيك خود را معرفي كرد مورد استفاده قرار داد.
سوپاپ گاز مكانيكي
Mechanically Operated Throttle Valve
براي درك طرز كار سوپاپ گاز به شكل يك سوپاپ گاز مكانيكي ساده نگاه مي‌كنيم.
اين سوپاپ گاز شامل يك سوپاپ قرقره اي يك فنر و يك پالانچر است كه همة آنها در يك محفظه قرار گرفته اند. يك اهرم از سوپاپ گاز خارج شده و به دريچه گاز كاربراتور موتور وصل است. هنگامي كه موتور خاموش است و سوپاپ بسته است. پيستون سمت چپ سوپاپ دريچه ورود فشار خط اصلي را مسدود مي كند. چنانچه در حالت روشن بودن موتور دريچه گاز باز شود يك اهرم مكانيكي قرقره سوپاپ را به سمت چپ حركت مي دهد. در نتيجه مجراي ورود روغن باز شده و فشار خط اصلي به داخل سوپاپ جاري مي شود در اين نقطه فشار خط اصلي به فشار گاز تبديل مي شود.
سوپاپ تعويض معكوس Down Shift Valve
قبل از خاتمه اين بحث بايد اطلاعاتي درباره سوپاپ‌هاي كه هنگام باز شدن كامل دريچه گاز باعث افزايش فشار گاز مي‌شوند و موجب اجراي تعويض به دنده سنگين تر مي شود داشته باشيد. اين سوپاپ‌ها را ممكن است با اسامي 1ـ سوپاپ تعويض معكوس Dawnshift 2ـ سوپاپ پرش به عقب (kickdown ) و يا سوپاپ بازدارنده Detent بنامند.
در هر صورت هنگامي كه دريچه گاز باز مي شود سوپاپ تعويض معكوس فشار سوپاپ گاز را تقويت مي كند و يا يك فشار كمكي براي اجراي تعويض معكوس ايجاد مي كند اين فشار براي غلبه بر فشار گاورنر بر سوپاپ تعويض مورد نظر اعمال شده و تعويض به دنده سنگين‌تر اجرا مي شود.
فشار گاورنر
فشار گاورنر در جهت عكس فشار گاز براي كنترل نقاط تعويض مستقيم (UP Shift ) و معكوس (DOWN Shift ) متناسب با سرعت جاده ايي خودرو به سوپاپ تعويض اعمال مي‌شود. فشار گاورنر از فشار خط اصلي به وجود مي آيد و به وسيلة سوپاپ گاورنر كنترل مي شود. سوپاپ گاورنر به وسيلة شافت خروجي گيربكس به حركت در مي‌آيد و سرعتش با افزايش سرعت خودرو زياد مي‌شود. اگر سرعت شافت خروجي زياد شود فشار گاورنر نيز زياد مي‌شود وقتي كه سرعت شافت خروجي ثابت بماند فشار گاورنر نيز در يك حدّ معين براي آن سرعت متعادل مي شود.
در مدارات هيدروليك گيربكس هاي ساخت آمريكا سه نوع گاورنر به كار رفته است.
1ـ گاورنر با محرك دنده‌ايي و سوپاپ قرقره‌ايي
2ـ گاورنر با محرك دنده‌ايي و سوپاپ‌هاي ساچمه‌اي مانع
3ـ گاورنر نصب شده روي شافت خروجي با سوپاپ قرقره‌اي
تنظيم زمان بندي تعويض
هر دو نوع سوپاپ گاز خلايي و مكانيكي را مي توان جهت تنظيم دقيق، زمان بندي تعويض كه در نتيجه سرعت كمتر و بيشتر خودرو اتفاق مي‌افتد آماده نمود.
اين عمل بوسيلة افزايش و يا كاهش نيرويي كه اهرم مكانيكي و يا مدولاتور خلايي بر سوپاپ گار اعمال مي‌كند انجام مي شود. هنگامي كه نيروي اعمال شده بر سوپاپ گاز زياد مي شود فشار گاز افزايش مي يابد بنابراين در سوپاپ تعويض فشار گاورنر بيشتري براي غلبه بر فشار گاز مورد نياز است و تعويض در سرعت هاي بالاتر انجام مي شود. وقتي كه فشار اعمال شده بر سوپاپ گاز كاهش ي‌يابد، فشار گاز نيز كاهش مي‌يابد. بنابراين در سوپاپ تعويض ب فشار گا كمتري احتياج است و تعويض در سرعت هاي كمتر انجام مي شود.
براي تنظيم سوپاپ گاز مكانيكي طول اهرم ها كوتاه و بلند مي شوند . در سوپاپ گاز خلايي براي تنظيم، كپسول را بيشتر يا كمتر در داخل بدنة گيربكس پبيچ مي‌كنند و يا يك پيچ در طرف لوله خلايي براي تغيير كشش فنر در درون كپسول پيچانده مي شود.
سازندگان خودرو مشخصاتي براي اهرم بندي و يا مدلاتور خلايي سوپاپ گاز ارائه مي‌كنند تا خودروهايشان در بهترين محدوده عملكرد موتور تعويض‌ها را انجام دهند
منبع : انجمن علمي مهندسي مكانيك دانشگاه شهركرد