جعبه دنده

جعبه دنده یا گربکس یکی از اجزای بسیار مهم در ساختمان خودرو است که به زبان ساده، وظیفه انتقال نیروی موتور خودرو به چرخ ها را بر عهده دارد. جعبه دنده در دو نوع اصلی قابل شناسایی است: خودکار یا اتوماتیک و دستی. در این مقاله قصد داریم به معرفی گیربکس و کارکرد آن در خودرو بپردازیم. مرور کلی بر موضوعات:
کارکرد جعبه دنده در خودرو
انواع جعبه دنده
گیربکس خودکار و دستی
کنترل قدرت موتور

جعبه دنده چه کارکردی در خودرو دارد
موتور بنزینی باید در زمان روشن شدن و خلاصی از چرخ های محرک مجزا شود. این ویژگی وجود یک نوع دستگاه درگیر و خلاص کننده را که پس از استارت خودرو اجازه اعمال تدریجی بار بر موتور را بدهد، ضروری می سازد. گشتاور یا نیروی دورانی که موتور می تواند تولید کند، در سرعت های کم میل لنگ، اندک است و با افزایش به یک حداکثر به سرعت بالا و یا یک حداکثر گشتاور با میزان از قبل تعیین شده ای از اسب بخار می رسد.

بازده یک خودروی بنزینی وقتی که بار زیادی روی آن باشد، حداکثر است و در این زمان دریچه گاز تقریبا کاملا باز است. در سرعت های متوسط در جاده مسطح نیروی لازم برای به حرکت درآوردن خودرو فقط جزء کوچکی از این نیرو است. در شرایط معمول رانندگی و در سرعت متوسط آرام، کارکرد موتور ممکن است غیر اقتصادی و در یک شرایط بار سبک باشد مگر این که وسیله ای وجود داشته باشد که سرعت و نیروی خروجی آن را کاهش داده باشد.

جعبه دنده دستگاهی برای تغییر سرعت خودرو است. جعبه دنده که در زنجیره قدرت بین موتور و چرخ های محرک قرار گرفته به موتور اجازه میدهد در مواقعی که نیروی کامل مورد نیاز باشد در سرعتی بالاتر کار کند و مواقعی که نیروی کمتری مورد نیاز است در سرعت اقتصادی تر پایین کار کند. در بعضی شرایط مثل زمان استارت یک خودروی ایستاده یا در شیب های تند سربالایی، گشتاور موتور به حد کافی نیست و نیاز به تقویت دارد. اکثر دستگاه هایی که برای تغییر نسبت سرعت موتور به سرعت چرخ های محرک به کار گرفته میشوند با ضرب کردن گشتاور موتور به همان نسبت عمل میکنند.
جعبه دنده و انواع آن را بشناسیم
ساده ترین جعبه دنده خودرو نوع چرخ دندانه دار جابه جا شونده است که سه دنده یا بیشتر برای جلو و یک دنده برای عقب دارد. نسبت مناسب دنده با حرکت یک دسته دنده که چرخ دندانه دارها را به موقعیت مناسب دنده های مختلف جابجا میکند، انتخاب می شود. برای درگیر یا جدا کردن چرخ دنده ها در حین فرایند انتخاب دنده به یک کلاج نیاز است. با به وجود آمدن جعبه دنده های اتوماتیک نیاز به آموزش نحوه کار با کلاج مرتفع می گردد. اکثر جعبه دنده های اتوماتیک از یک مبدل گشتاور هیدرولیکی بهره می برند، دستگاهی که برای چند برابر کردن و انتقال گشتاور تولیدی موتور به کار گرفته می شود.
تفاوت جعبه دنده اتوماتیک و دستی
هر نوع از این جعبه دنده ها برای انتخاب دستی دنده معکوس و دورهای پایین تر یا افزایش اتوماتیک دنده جلوگیری می کنند و یا نسبت دنده پایین تری را از آنچه موتور در حال کار درآن است ارائه می کنند. از تمهیدات دنده با درجه عقب انداز نیز در بعضی از مواقع استفاده شده تا در شیب ها، یک ترموز موتور (خفه کن موتور) پویا را ایجاد نماید. دنده اتوماتیک نه فقط  در کارکرد به مهارت کمتری نیاز دارد بلکه عملکرد بهتری را نسبت به طراحی هایی با کاربرد کلاچ، امکان پذیر می سازد. در جعبه دنده هیدرولیک عمل تعویض دنده، به وسیله دستگاه تنظیم کننده ای که به سرعت حساسیت دارد و موقعیت سوپاپ های کنترلی جریان روغن هیدرولیک را تغییر می دهد، انجام می شود. سرعت هایی از خودرو که در یک دنده خاص ایجاد می شود، بستگی به موقعیت پدال گاز دارد و راننده می تواند تا سرعت گیری بیشتر که با فشار بر روی پدال اتفاق می افتد، بالا رفتن دنده را به تعویق بیندازد.
جعبه دنده چطور قدرت موتور را کنترل می‌کند
عمل کنترل در جعبه دنده از طریق باندهای درگیر شونده هیدرولیکی و دیسک های چندگانه کلاج که داخل روغن می چرخند صورت می گیرد که یا به وسیله حرکت دسته دنده توسط راننده (در جعبه دنده دستی) و یا توسط دستگاه کنترلی الکترونیکی حساس به سرعت و بار که در طراحی های جدید تر دیده می شود، انجام می گیرد. زنجیره چرخ دنده های ترکیبی سیاره ای با چرخ دنده های چندگان خورشیدی و پینیون های سیاره ای در ایجاد دنده سبک کم سرعت، دنده سرعت متوسط و دنده عقب و تمهیدات قفل کننده لازم برای حرکت مستقیم طراحی و ساخته شده اند. این واحد، با بهبودیابی های مختلفی که روی آن انجام شده تقریبا در کلیه مبدل های گشتاور جعبه دنده به کار گرفته شده است. کلیه واحدهای کنترلی جعبه دنده ها با سیستم های کنترل کننده گازهای خروجی که زمان بندی موتور و نسبت سوخت به هوا را برای کاهش گازهای خروجی تنظیم می کنند، متصل شده اند.
همانطور که در شکل نشان داده شده است، روغن درون محفظه با عکس العمل پره پروانه توربین پمپ به صورت یک حرکت دورانی در جهت خارج شتاب می گیرد و آن ها را می چرخاند سپس روغن از پره های استاتور عبور می کند که مسیر برگشت دوباره آن به پمپ می باشد. استاتور به عنوان عضو ایجاد کننده عکس العمل که گشتاور بیشتری از آنچه توسط پمپ اعمال شده را به توربین باز می گرداند. بنابراین گشتاور موتور را در یک ضریب 5/2 به یک ضرب می کند.

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.

به گزارش خودروتک، قبل از معرفی قطعات و نحوه‌ی عملکرد جعبه‌دنده‌ی دستی، ابتدا باید با‌یکی از ابتدایی‌ترین و اساسی‌ترین قطعات مکانیکی موجود در جعبه‌دنده‌ها؛ چرخ‌دنده، آشنا شویم. چرخ‌دنده‌ها قطعاتی دندانه‌دار هستند که داخل آن‌ها سوراخی به اندازه‌ی قطر محور وجود دارد و چرخ‌دنده روی آن محور سوار می‌شود. هنگامی‌که بخواهیم ارتباطی بین دو محور برقرار کنیم، باید روی هر دوی آن‌ها، چرخ‌دنده قرار دهیم. در حقیقت چرخ‌دنده می‌تواند گشتاور را با تغییر جهت منتقل کند که با استفاده از آن‌ها، گشتاور و سرعت دورانی کنترل می‌شود.

اندازه‌ی دنده‌های چرخ دنده‌های درگیر باید یکسان باشد ولی قطر آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد؛ اگر قطر چرخ‌دنده‌ها با یکدیگر برابر باشد، سرعت آن دو محوری که چرخ‌دنده‌ها روی آن‌ها سوار است، یکسان خواهد بود، اما اگر قطر آن‌ها برابر نباشد، چرخ‌دنده‌ای که قطر کم‌تری دارد، (کوچک‌تر است) تعداد دور بیش‌تری می‌زند و در نتیجه سرعت بیش‌تری دارد.
جعبه دنده از تعدادی چرخ دنده تشکیل شده است ، به طوریکه همواره با ثابت بودن توان ورودی آن ،می توان دور و گشتاور خروجی را تغییر داد ، به نحوی که توان خروجی نیز ثابت و برابر با توان ورودی به جعبه دنده می باشد .

با توجه به رابطة (1-2) ، چنانچه تعداد دندانه های چرخ دنده های متحرک را به تعداد دندانه های چرخ دنده های محرک موجود در مسیر انتقال قدرت ،تقسیم گردد ، عددی بدست می آید که به آن نسبت دنده یا نسبت انتقال گفته می شود .

چنانچه i >1 باشد ، دور خروجی کمتر از دور ورودی و گشتاور خروجی بیشتر از گشتاور ورودی خواهد بود. به این حالت ، وضعیت کم دورانی (Under Drive ) گفته می شود و معمولاً در دنده های عقب ،1 ،2 و بعضاً 3 مورد استفاده قرار می گیرد .
چنانچه  i=1 باشد ، دور و گشتاور ورودی با دور و گشتاور خروجی برابر بوده و به این حالت ، وضعیت مستقیم (Direct Drive ) گفته می شود که معمولا در دنده های 3 یا 4 مورد استفاده قرار می گیرد .
اگر 1 >i باشد ، دور خروجی بیشتر از دور ورودی و گشتاور خروجی کمتر از گشتاور ورودی خواهد بود . به این حالت ، وضعیت  بیش دورانی (Over Drive) گفته می شود که در دندة 5 و بعضاً 4 مورد استفاده قرار می گیرد .
از طرفی باید توجه داشت که ، چنانچه تعداد چرخ دنده های درگیر با یکدیگر زوج باشند ، جهت اولین و آخرین چرخ دنده  برعکس هم می باشد در حالیکه اگر تعداد چرخ دنده های درگیر با یکدیگر فرد باشند ، جهت اولین و آخرین چرخ دنده برعکس یکدیگر خواهد بود .
شکل (1) اجزای یک جعبه دندة چهار سرعته را نشان می دهد .

1- چرخ دندة دنده عقب 2- گلدانی یا پوستة عقب گیربکس 3- شفت خروجی گیربکس 4- چرخ دندة هرزگرد دنده عقب 5- چرخ دندة دنده دو 6- کشویی و توپی دندة یک و دو 7- چرخ دندة دنده یک 8- درپوش جلویی گیربکس 9- پوستة گیربکس 10- چرخ دندة دنده چهار و شفت ورودی گیربکس 11- کشویی و توپی دندة سه و چهار 12- چرخ دندة دنده سه 13- چرخ دنده های شفت زیر از کوچک به بزرگ به ترتیب مربوط به دنده های یک تا چهار 14- شفت زیر 15- چرخ دندة هرزگرد دنده عقب که با چرخ دندة شماره (4) یکپارچه می شود 16- ماهک 17- اهرم های محرک ماهک ها 18- دنده برنجی
توجه به نکات ذیل جهت بررسی عملکرد گیربکس حائز اهمیت می باشد :

1-تمامی چرخ دنده های موجود برروی شفت خروجی(3) ، (چرخ دنده های مربوط به دنده های یک تا سه با شماره های 7 ، 5 و 12)هیچگونه درگیری با شفت خروجی نداشته و همگی در حالت عادی ،  برروی شفت خروجی هرز می چرخند ، به عبارتی دیگر تمامی این چرخ دنده ها در حالت عادی حول محور شفت خروجی و بدون ارتباط با شفت خروجی دوران می کنند .

2-چرخ دندة دنده عقب (1) همواره به شفت خروجی وصل بوده و دوران آن با دوران شفت خروجی یکسان است .

-تمامی چرخ دنده های شفت زیر (13) با هم یکپارچه بوده ، قدرت را از محور ورودی و چرخ دندة دنده چهار (10) دریافت نموده و همواره دوران کرده و قدرت را به چرخ دنده های دنده های یک تا سه (7 ، 5 و 12) منتقل نموده و این چرخ دنده ها نیز در حالت عادی به صورت هرزگرد حول محور شفت خروجی (3) دوران می کنند .

4-چرخ دنده های هرز گرد دنده عقب (4) و (15) به یکدیگر وصل بوده و برروی شفت خود آزادانه دوران می کنند و فقط در دندة عقب مورد استفاده قرار گرفته و قدرت را منتقل می کنند  و در سایر حالت ها عمل خاصی انجام نمی دهند .
با توجه به مطالب فوق و شکل (2) ، ملاحظه می گردد که در حالت خلاص ، شفت ورودی تمامی چرخ دنده های شفت زیر را می چرخاند . از طرفی چرخ دنده های شفت زیر به تمامی چرخ دنده های واقع شده بر روی شفت خروجی و یکی از چرخ دنده های هرزگرد دندة عقب وصل می باشند و همة این چرخ دنده ها به صورت هرز دوران می کنند و چون هیچ کدام از چرخ دنده ها به شفت خروجی وصل نیستند ، قدرتی به شفت خروجی منتقل نمی شود.

شکل 2- شماتیک گیربکس چهار سرعته

دقت کنید که دو عدد چرخ دندة هرزگرد مربوط به دندة عقب در کنار چرخ دنده های شفت زیر قرار گرفته اند در حالیکه چرخ دنده های واقع شده بر روی شفت خروجی در قسمت بالای چرخ دنده های شفت زیر قرار گرفته اند .