گیربکس منومتیک چیست و چگونه کار می کند ؟

گیربکس های اتوماتیک در گذشته با استفاده از دنده های کنار فرمان و میان کنسولی، عملکرد راننده را در پروسه تعویض دنده تنها به  D (حرکت)، N (خلاص)، R (عقب)و P (پارک) محدود می کردند،  اما گیربکس منومتیک با اهرم های تعویض دنده در پشت غربیلک فرمان (Paddle Shiftres) و دسته دنده های مخصوص این سیستم، همچنان فرصت کم و زیاد کردن دنده ها را برای راننده فراهم کرده است. "منومتیک" (manumatic) ترکیبی از دو کلمه دستی و اتوماتیک است و به گیربکس هایی اطلاق می شود که پروسه تعویض دنده را برای رانندگان بسیار راحت کرده است. 

شرکت های خودروسازی هرکدام نامی برای گیربکس منومتیک ابداعی خود انتخاب کرده اند، نام هایی مانند "تیپ ترونیک (Tiptronic)، گیرترونیک (Geartronic)، تاچ ترونیک (touchtronic)، اسپرت ترونیک (Sporttronic) و دستی بدون کلاچ (clutchless-manual). برخی از جعبه دنده های منومتیک و نیمه اتوماتیک اجازه کنترل تعویض دنده ها را کاملاً به راننده می دهند؛ در حالی که بیشتر آن ها با تعویض دنده  در دور موتور پایین یا دور موتور بالا و براساس مکان پدال گاز، در این پروسه مداخله می کنند و به صورت اتوماتیک دنده ها را عوض می کنند. جعبه دنده های منومتیک و بیشتر جعبه دنده های نیمه اتوماتیک می توانند همانند یک جعبه دنده اتوماتیک عمل کنند و اجازه دهند که سیستم کامپیوتری نسبت به تعویض دنده ها اقدام کند. در واقع باید اذعان داشت که با اختراع گیربکس های منومتیک، راننده ها دیگر نیازی به کسب مهارت برای کار با دو پدال گاز و کلاچ نخواهند داشت و درگیر پروسه تعویض دنده ها نمی شوند.

گیربکس دستی Constant Mesh و اصول عملکرد آن

در گیربکس دستی Constant Mesh بر خلاف گیربکس های Sliding mesh همه دنده ها با هم درگیر هستند، این روش باعث عملکرد آرام و بدون صدای این دنده ها می شود، چرا که عمده صدا در سیستم گیربکس قبلی ناشی از جازدن دنده ها بود. علاوه بر آن، در این سیستم چون دنده ها همیشه با هم درگیر هستند، می توان از دنده های مارپیچی (هلیکالی) استفاده نمود که این خود نیز در کاهش صدا و عملکردنرمتر گیربکس موثر است. در این نوع از گیربکسها محل و نحوه قرارگیری دنده ها بر روی محورهای اصلی و ثانویه همانند حالت قبلی است، ولی در اینجا هر دنده روی محور اصلی با دنده متناظر روی محور ثانویه درگیر است. بنابراین در این حالت بدون توجه به اینکه اتومبیل در چه دنده ای قرار دارد، در هر حال تمام دنده ها در حال چرخش هستند، اما تنها یکی از این دنده های در حال چرخش است که می تواند به تناسب شماره دنده مورد نیاز با محور اصلی کوپل شود و آنرا به حرکت درآورد. اولین دنده روی primary shaft  و نیز تمامی دنده های روی lay shaft با محور خود کاملاً فیکس هستند و امکان جابجایی نسبت به محور را ندارند.

در گیربکس دستی Constant Mesh برای درگیری بهتر زبانه dog clutchو دنده لازم است که سرعت آنها با هم برابر باشند. برای تحقق نسبی این  امر در این نوع سیستم گیربکسی از double declutching استفاده می شود. بدینگونه که بار اول که کلاچ گرفته می شود، ارتباط موتور با گیربکس قطع می شود. پس فشار از روی زبانه های dog clutch برداشته می شود تا بتوان آن را به حالت خلاص منتقل کرد. بعد با رها کردن کلاچ، موتور را به سرعت مناسب می رسانیم . منظور از سرعت مناسب، دور موتوری است که با دنده بعدی تناسب دارد. یعنی کاری می کنیم که زبانه های dog clutch و چرخ دنده ای که مربوط به دنده بعدی است با سرعت یکسانی بچرخند تا زبانه ها بتوانند در چرخ دنده جفت شود. حالا مجبوریم  یک بار دیگر کلاچ را فشار دهیم تا این زبانه ها و دنده جدید با هم درگیر شوند.بنابراین در این حالت برای تعویض دنده راننده ابتدا باید دنده را خلاص کند و سپس با کلاچ گیری دوباره دنده بعدی را انتخاب کند.

گیربکس دستی Sliding Mesh و اصول عملکرد آن

گیربکس دستی Sliding Mesh در واقع شامل دو ردیف شفت می باشند :  شفتی که از طرف کلاچ می آید و خود شامل دو قسمت است؛ یکی که کاملاً ثابت می باشد و در واقع محور ورودی است بنام محور اصلی ( primary shaft ) و شفت دیگری که در امتداد آن اما بصورت جداگانه و متحرک قرار دارد و بنام splined mainshaft خوانده می شود و عمل تعویض دنده نیز با جابجایی این شفت صورت می پذیرد.

می توان گفت: این نوع جعبه دنده ها ازقدیمی ترین و ساده ترین انواع گیربکس ها می باشند که درگیری دنده ها در آنها توسط جابجا کردن دنده ها می باشد.

 شفتی پایینی که بنام محور ثانویه (lay shaft) خوانده می شود و بسته به نوع گیربکس یا جعبه دنده، تعدادی دنده بر روی آن قرار می گیرد. این شفت توسط درگیری بین دو دنده به طور دائم در ارتباط با محور اصلی است.

هنگامی که گشتاور از طریق درگیری یک جفت دنده از محور اصلی به محور ثانویه منتقل می شود، با توجه به نسبت تعداد دنده ها یک کاهش دور در آن ایجاد می شود. حاصلضرب این کاهش دور در کاهش دور ناشی از درگیری دو چرخ دنده نهایی،نسبت کاهش دور اصلی ناشی از یک دنده خاص را به ما می دهد.

گیربکس دستی Synchromesh و اصول و نوع عملکرد آن

در گیربکس دستی Synchromesh نیز همانند حالت Constant Mesh دنده های روی شفت اصلی با دنده مربوطه روی شفت ثانویه در حالت درگیری دائم هستند. دنده های روی شفت ثانویه روی محور ثابت و دنده های روی شفت اصلی توانایی گردش آزادانه حول محور خود را دارند. از این لحاظ نیز، این نوع گیربکس همانند جعبه دنده های constant mesh هستند، اما نکته ای که در اینجا وجود دارد استفاده از سیستم  هم سرعت کننده (synchronizer) در گیربکس دستی Synchromesh می باشد که در این حالت لزوم گیربکس به double declutching را از میان می برد. با استفاده از این سیستم هم سرعت کننده در گیربکس دستی Synchromesh ، عمل تعویض دنده براحتی و بدون سروصدای ناشی از بهم خوردن دنده ها صورت خواهد گرفت. 

اگر گیربکس در وضعیت خلاص باشد توان انتقال نمی دهد. در این حالت هیچ یک از چرخدنده های روی محور خروجی به آن قفل نمی شوند. در هنگام تعویض دنده، چرخدنده ها با عمل کشویی به محور قفل می شوند. خود کشوییها نیز توسط هزار خار به محور خروجی متصلند و با آن می چرخند. ماهک روی کشویی در شیارهای غلاف کشویی جفت می شود. وقتی راننده دسته دنده را جابجا می کند، این حرکت از طریق میله بندی به ماهک روی کشویی منتقل می شود. ماهک، غلاف کشویی را به حرکت در می آورد و غلاف چرخدنده مورد نظر را روی محور قفل می کند. به کمک کشویی می توان کاری کرد که چرخدنده ها و غلافهای کشویی در حوالی زمانی که باید با هم درگیر شوند، با سرعت برابر بچرخند. وقتی این سرعتها با هم برابر باشند، چرخدنده ها به نرمی درگیر می شوند. کشوییها، مخروطهای هماهنگ کننده ای روی چرخدنده ها و نیز روی دنده برنجی دارد که در واقع کار یک کلاچ کوچک را انجام می دهند. مغزی کشویی با هزار خار به محور خروجی جعبه دنده متصل است. غلاف کشویی روی مغزی کشویی جفت می شود.

شکل بالا شکل یک دنده به همراه اجزای هم سرعت کننده مربوط به آن را نشان می دهد. عمل همسان سازی سرعت طی سه مرحله صورت می گیرد: وقتی دنده عوض می کنیم، غلاف کشویی به طرف چرخدنده مورد نظر می رود. این غلاف روی خارهای مغزی کشویی می لغزد و خارهایی را با خود جابجا می کند. این خارها نیز به دنده برنجی نیرو وارد می کنند و آن را  به طرف چرخدنده مورد نظرمی رانند، در نتیجه سطح مخروطی دنده برنجی با سطح مخروطی چرخدنده تماس پیدا می کند. اصطکاک بین آنها سبب یکسان شدن سرعت و هماهنگی در چرخششان می شود. وقتی دنده های خارجی دنده برنجی و چرخدنده با یک سرعت می چرخند، غلاف کشویی روی آنها می لغزد. درنتیجه چرخدنده به محور قفل و تعویض دنده انجام می شود. توان از این چرخدنده از طریق غلاف کشویی و مغزی کشویی به محور منتقل می شود.

شکل بالا عمل سیستم همسرعت کننده را نشان می دهد. سالها پیش گیربکس های دستی چهار دنده بودند و دسته دنده درکف اتاق قرار داشت، جاییکه راننده براحتی به آن دسترسی داشت. انتهای گیربکس به مکانیسم تعویض دنده متصل می شد. پس از آن دسته دنده را به لوله فرمان منتقل کردند، جاییکه بیشتر در دسترس راننده بود. بااین تغییر جای پاها در صندلی جلو نیز وسیعتر شد. امروزه دسته دنده دوباره درکف اتاق نصب می شود.درواقع اغلب اوقات دسته دنده بخشی از کنسول میانی است.برای اتصال دسته دنده به گیربکس از میله بندیهای با آرایش مختلف استفاده شده است. طرز کار تمام این میله بندیها اساساً یکی است. برای عوض کردن دنده باید دو حرکت به دسته دنده اعمال کرد. در اولین حرکت ماهک روی کشویی و کشویی مربوط به چرخدنده مورد نظر انتخاب می شود. حرکت دوم سبب می شود که ماهک رویکشویی، غلاف کشویی را به حرکت در آورد. در نتیجه حرکت اخیر، چرخدنده مورد نظر به محور اصلی قفل می شود.

الکتروموتور و تغذیه و کنترل آن

تغذیه الکتروموتور

الکتروموتور DC معمولا از طریق کموتاتور رینگ لغزشی تغذیه می‌شود. کموتاسیون الکتروموتور AC می‌تواند به صورت کموتاتور رینگ لغزشی یا کموتاتور خارجی و یا از نوع کنترل سرعت ثابت (fixed-speed)، کنترل سرعت متغیر (variable-speed control) و می‌تواند از نوع سنکرون (synchronous) یا آسنکرون (asynchronous) باشد. موتورهای یونیورسال (universal motors)  به هر دو صورت DCیا ACکار می کنند.                                               

کنترل الکتروموتور

الکتروموتورهای AC با کنترل سرعت ثابت دارای استارترهای مستقیم آن‌لاین (direct-on-line) یا استارت نرم (soft-start) هستند. الکتروموتورهای AC با کنترل سرعت متغیر دارای انواع مختلفی از تکنولوژی‌های اینورتر توان (power inverter)، درایو فرکانس متغیر (variable-frequency drive) و یا کموتاتور الکترونیکی (electronic commutator) هستند. عبارت کموتاتور الکترونیکی معمولا مربوط به کاربردهای الکتروموتورهای DC بدون جاروبک (brushless DC motor) با کموتاسیون داخلی و موتورهای رلوکتانسی سویچی (switched reluctance motor) می‌شود.

گیربکس و چرخ دنده های مارپیچ موجود در آن

در هنگام چرخش یکی از چرخ دنده ها در گیربکس ، ابتدا نوک دندانه ها با هم تماس پیدا می کنند، سپس به تدریج دو دندانه با هم درگیر می شوند، این درگیری تدریجی باعث کاهش سرو صدا می شود. دندانه های این نوع چرخ دنده  مورب هستند و با محور چرخ دنده در حالت زاویه داری قرار گرفته اند. همچنین مکانیزم چرخ دنده ،نرم کار می کند، سطح تماس پروفیل دنده ها نیز نسبت به چرخ دنده ساده بیشتر است و انتقال قدرت بزرگی انجام می شود.  این گونه چرخ دنده ها در صنعت خودرو سازی کاربرد زیادی دارند.

وقتی دو دنده بر روی گیربکس و چرخ دنده های مارپیچ آن درگیر می شوند تماس از انتهای یکی از دنده ها شروع شده و بتدریج با چرخش چرخ دنده گسترش پیدا می کند تا زمانی که دودنده بطور کامل درگیر شوند.
درگیر شدن تدریجی گیربکس و چرخ دنده های مارپیچ موجود در آن را وادار می کند که آرامتر و ملایم تر از چرخ دنده های ساده عمل نمایند. به همین دلیل چرخ دنده های مارپیچی تقریبا" درگیربکس های همه اتومبیل ها مورد استفاده قرارمی گیرد.

به علت زاویه دنده ها در چرخ دنده های مارپیچ وقتی که دنده ها درگیر می شوند بار محوری بوجود می آورند. گیربکس ها و دستگاه هایی که از چرخ دنده های مارپیچ استفاده می کنند یاتاقان هایی دارند که می توانند این بار محوری را نگه دارند. یک نکته جالب در مورد چرخ دنده های مارپیچ این است که اگر زوایای دندانه های چرخ دنده صحیح باشند می توانند روی محور عمودی سوار شده زاویه چرخش را روی ۹۰ درجه تنظیم کنند.

گیربکس و چرخ دنده های خورشیدی موجود در آن

یک مجموعه گیربکس و چرخ دنده های خورشیدی در آن می تواند هر یک از 5 وظیفه زیر را انجام بدهد :

1. افزایش سرعت یا کاهش گشتاور (اورداریو)
2. معکوس کردن جهت چرخش
3. خلاص کردن
4. کاهش سرعت یا افزایش گشتاور (آندردرایو)
5. انتقال مستقیم( یک به یک )

جعبه دنده های اتوماتیک که در خودرو های امروزی استفاده می شوند، می توانند یک یا چند دنده خورشیدی داشته باشند . در گیربکس های متفاوت، خورشیدی دنده مستقیم، خورشیدی دنده عقب و گاهاً خورشیدی های 1،2،3 و عقب دیده می شود .

وقتی دو چرخ دنده در گیربکس با هم درگیر می شوند، در جهت مخالف یک دیگر می چرخند. برای این که دو چرخ دنده در یک جهت گردش کنند باید چرخ دنده سومی به نام چرخ دنده هرزگرد بین آنها قرار گیرد، این چرخ دنده کاری انجام نمی دهد فقط جهت دور را عکس می نماید.

با استفاده از یک چرخ دنده کوچک خارجی که درون یک چرخ دنده بزرگ داخلی در گیربکس قرار می گیرد می توان دو چرخ دنده دیگر را به گردش هم جهت وا داشت ، با قرار دادن چرخ دنده دیگری در وسط و درگیر کردن آن با چرخ دنده خارجی ،یک دست چرخ دنده ی خورشیدی یا سیاره ای ایجاد می شود.

گیربکس یا جعبه دنده چیست؟

گشتاور تولیدی توسط موتور پس از انتقال توسط کلاچ به گیربکس یا جعبه دنده می رسد. وظیفه گیربکس یا جعبه دنده انتقال دور موتور با نسبتهای گوناگون و رساندن آن به خطوط انتقال و میل گاردان در خودروهای دیفرانسیل عقب یا مستقیماً به دیفرانسیل در خودروهای دیفرانسیل جلو است. سیستم گیربکسی انتقال قدرت رامی توان به دو گروه گیربکس دستی و گیربکس اتوماتیک تقسیم بندی کرد.سیستم انتقال قدرت دستی در حالت انتقال مستقیم بازدهی در حدود 98% ولی در دنده های با نسبت انتقال پایین تر بازده به حدود 90% می رسد. چون بیشترین زمان استفاده از اتومبیل، گیربکس در حالت انتقال مستقیم قدرت است، بنابراین باتوجه به این مورد و هزینه اولیه به نسبت کمتر این سیستم گیربکسی، هنوز استفاده از آنها در اکثر اتومبیلها مورد توجه است. از سیستم انتقال اتوماتیک بیشتر در اتومبیلهای گران قیمت تر و با کلاس تر استفاده می شود چرا که با توجه به عملکرد ساده تر آن برای راننده، هزینه ساخت آن نیز بیشتر است. علاوه بر دو نوع فوق، امروزه استفاده از نسل جدیدی از سیستم انتقال قدرت بنام سیستم انتقال قدرت پیوسته متغیر (CVT) نیز مورد توجه طراحان خودروها قرار گرفته است.

گیربکس واریوماتیک و نوع و طریقه ی عملکرد آن

گیربکس واریوماتیک توسط شرکت خودرو سازی داف در سال ۱۹۵۸ ارائه شده است. گیربکس واریوماتیک ساده ترین دستگاه انتقال قدرت اتوماتیک بوده که اساس آن بر گریز از مرکز استوار می باشد.

در ابتدای کار دو قسمت چرخ تسمه متحرک به وسیله نیروی فنر کاملاً به هم نزدیک شده قطر موثر آن افزایش میابد. چون طول تسمه ثابت است وقتی قطر چرخ تسمه متحرک افزایش یابد قطر چرخ تسمه محرک کمتر می شود. بنابراین در ابتدای کار موتور با دور زیادو گشتاور نسبتاً زیاد محور متحرک را با دور کم و گشتاور نسبی زیاد به حرکت در می آورد. وقتی دور چرخ ها که متصل به چرخ تسمه متحرک می باشد افزایش یابد این افزایش دور عیناً به چرخ تسمه محرک و موتور تاثیر گذارده در نتیجه وزنه ها به خارج از مرکز پرتاب می شوند. در اثر پرتاب وزنه ها دو قسمت چرخ تسمه محرک به یک دیگر نزدیک شده قطر موثر آن افزایش میابد. با ثابت بودن طول تسمه قطر چرخ متحرک کاهش یافته دور محور خروجی متناسب با افزایش دور موتور اضافه می شود. از گیربکس واریوماتیک اخیراً برای سیستم انتقال قدرت موتورسیکلها نیز استفاده می شود.

گیربکس های ترتیبی و اصول و نوع کار کرد آن ها

اگر به نحوه عوض کردن دنده در موتور سیکلت ها نگاه کنید می بینید که با بالا و پایین بردن اهرم تعویض دنده ، دنده عوض می شود، که در این سیستم تعویض دنده به کمک یک Drum شیار دار به شکل زیر صورت می پذیرد و با نحوه تعویض دنده ها در ماشین ها فرق می کند که در این روش تعویض دنده سریع تر است و تعداد قطعات آن کمتر و مجموعه را جمع و جور تر می کند. همانطور که مشاهده می کنید روی درام شیارهای ماشین کاری شده وجود دارد . این شیار ها یکی از دو کار زیر را جهت تعویض دنده انجام می دهند.

1. اگر درام نزدیک به چرخ دنده ها باشد شیارها مستقیماً خود ماهک ها را کنترل می کند و دیگر نیازی به میل ماهک ها نیست.
2.  اگر درام دور از چرخ دنده های گیربکس های ترتیبی قرار گرفته باشد, شیارها میل ماهک ها را جهت تعویض دنده کنترل می کند.

اما در ماشین ها بیشتر از شیوه H-pattern برای تعویض دنده استفاده می شود. که در این شیوه ما دسته دنده را برای تعویض دنده تغییر حالت میدهیم که در این حالت ماهک ها روی میل ماهک عقب و جلو روی می شوند و دنده تعویض می شود. اما گیربکس ماشین های مسابقه نیز شبیه به گیربکس های ترتیبی (Sequential Gearbox) است اما با این تفاوت که در موتور سیکلت اهرم تعویض دنده بالا و پایین می شود اما در ماشین های مسابقه عقب و جلو می شود برای مثال برای تغییر دنده در ماشین مسابقه از 1 به 2 دسته دنده یک بار به جلو فشار می دهیم و برای کم کردن دنده عکس کار افزایش دنده را انجام می دهیم و تنها تفاوت در نحوه کنترل میل ماهک هستند اما در موتور سیکلت ها تغییر دنده از 1 به 2 اهرم تعویض دنده بالا یا پایین می شود.