معرفی و نحوه عملکرد گیربکس اتومات

سیر تکامل و گسترش انواع گیربکس ها به صورت زیر بوده است.

۱-گیربکس های قدرتی بدون قابلیت تعویض دنده

۲-گیربکس های دستی با قابلیت تعویض دنده (که این دو مورد در مقاله های قبلی کاملا توضیح داده شده است)

۳-گیربکس های اتوماتیک با قابلیت تعویض دنده به صورت اتوماتیک

۴-گیربکس های مغناطیسی که در یک مقاله دیگر توضیح داده خواهد شد

۵- گیربکس های CVT که در یک مقاله دیگر به طور کامل توضیح داده خواهد شد.

تفاوت دو نوع آخر با سه نوع اول در این است:

فرض کنید در جاده در حال حرکت هستید برای افزایش سرعت مجبور به افزایش شماره دنده هستید برای این کار ابتدا کلاچ را گرفته و پدال گاز را رها میکنید این امر باعث کاهش دور موتور میشود تکرار مکرر این امر باعث افزایش اصطلاک در موتور شده و نیازمند تعمیرات مکرر موتور است اما این مشکل در گیربکس CVT و مغناطیسی برطرف شده است.

این امر در گیربکس های اتوماتیک و دستی کاملا مشهود است.

اما ماشینی را در نظر بگیرید که با فشردن پدال گاز و افزایش سرعت عقربه دور موتور به صورت پیوسته حرکت کند (همانند عقربه کیلو متر شمار) این امر از تغییرات ناگهانی دور موتور جلوگیری کرده و اصطلاک آن را به شدت پایین میاورد.

این امر در گیربکس های CVT و مغناطیسی کاملا مشهود است (گیربکس های مغناطیسی در انواع ماشین های الکتریکی مانند شرکت تسلا و CVT در یکی از مدل های ماشین های TOYOTA  استفاده میشود).

و اما تحلیل نحوه کارکرد گیربکس های اتوماتیک:

برای تحلیل گیربکس های اتوماتیک ابتدا بهتر است مجموعه چرخ دنده های منظومه ای (شکل ۱) را بررسی کرد , منظومه شمسی را در نظر بگیرید که دارای یک خورشید در وسط و سیاره های که به دور آنها میچرخند,همانند منظومه شمسی چرخ دنده های سیاره ای (PLANET GEAR ) به دور چرخ دنده های خورشیدی (SUN GEAR) میچرخند.

همان طور که در شکل ۱ مشخص است شفت ورودی را INPUT و شفت خروجی را OUTPUT مینامند.

برای تحلیل سرعت چرخ دنده ها روش های زیادی وجود دارد و روشی که اینجا استفاده میشود روش مرکز انی میباشد.

اما قبل از هر تحلیلی قواعد کلی برای چرخ دنده ها وجود دارد که به صورت زیر است:

فرض کنید دو چرخ دنده زیر روی دو شفت ثابت بر روی هم سوار شده اند:

اگر چرخ دنده سمت راست را چرخ دنده شماره ۲ و سمت راست را شماره ۱ در نظر بگیریم نقطه تماس بین این دو چرخ دنده با هم برابر است. پس با توجه به این موضوع داریم:

با توجه به این که گام دو چرخ دنده با هم برابر است پس داریم:

از تمام معادلات بالا نتیجه میشود:

این یعنی این که در چرخ دنده ها سرعت زاویه ای با تعداد دنده ها و شعاع دایره گام دو چرخ دنده رابطه عکس دارد.

اما تحلیل چرخ دنده های منظومه ای به روش مرکز آنی به صورت زیر است:

فرض کنید که موتور یک ورودی به شفت ورودی گیربکس میدهد و سرعت زاویه خروجی باشد. شفت های ورودی و خروجی در این مجموعه چرخ دنده مشخص شده است (شکل ۱).

میدانیم که چرخ دنده شماره ۱ با استفاده کلاچ ها نگه داشته شده است. و همان طور که از شکل ۱ مشخص است. سرعت زاویه ای ورودی یعنی  به چرخ دنده شماره ۴ وارد میشود و سرعت زاویه ای خروجی از طریق بازوی ۳ به چرخ ها منتقل میشود.

همان طور که از اسم مرکز آنی مشخص است میتوان فهمید که این نقطه, نقطه ایست که یک مکانیزم یا یک قطعه از مکانیزم در انی از زمان حول آن نقطه دوران میکند با توجه به شرایط چرخ دنده ۲ مرکز انی ان به صورت زیر مشخص میشود:

مرکز انی چرخ دنده ۴ مرکز این چرخ دنده میباشد چرا که این چرخ دنده حول این مرکز میچرخد ولی این حرف در مورد چرخ دنده ۲ درست نیست. چرخ دنده ۲ از یک طرف با چرخ دنده ۴ در ارتباط است و دارای سرعت v از این طرف میباشد و از طرف دیگر به ring gear  یا چرخ دنده شماره ۱ که سرعت ان صفر است درگیر است پس مرکز انی چرخ دنده ۲ محل اتصال ان به چرخ دنده ۲ میباشد. به صورت زیر:

با توجه به تعریف مرکز انی اگر اندازه یک نقطه از مکانیزم و اندازه ی فاصله ی ان از مرکز انی داشته باشیم میتوانیم اندازه سرعت زاویه ای ان قطعه را بدست آوریم. پس با توجه به مطالب بالا  ما اندازه سرعت یک نقطه از چرخ دنده ۲ (V= ) و فاصله ان از مرکز انی (۲ ) را داریم پس اندازه سرعت زاویه ای چرخ دنده ۲ برابر است با:

اما چیزی که برای ما اهمیت دارد سرعت زاویه ای خروجی ( ) یا سرعت زاویه ای بازوی ۳ که خروجی گیربکس است میباشد. این روند نیز دقیقا مانند قسمت قبل که برای چرخ دنده ۲ انجام شد میباشد. میدانیم که مرکز انی بازوی ۳ مرکز دوران ان یعنی قسمت هم محور با محور چرخ دنده ۴ است تنها چیزی که باقی میماند سرعت یک نقطه از آن و فاصله آن تا مرکز انی است برای این قضیه داریم:

اندازه را میتوان با استفاده از نسبت تشابه مثلثات بدست آورد:

میدانیم که اندازه فاصله سرعت  تا مرکز انی برابر با مجموع شعاع های دو چرخ دنده ۲ و ۴ میباشد:

پس با این حساب تمام موارد مورد نیاز برای بدست آوردن سرعت زاویه ای بازوی ۳ یا خروجی گیربکس را داریم:

پس با این حساب اندازه  یا سرعت زاویه ای خروجی برابر است با :(اگر اندازه شعاع چرخ دنده ها مشخص نبود میتوان از تعداد دندانه ها به جای شعاع استفاده کرد چرا که گام تمام چرخ دنده ها با هم برابر هستند).

از این رابطه میتوان نتیجه گرفت که با افزایش اندازه شعاع چرخ دنده خورشیدی(SUN GEAR) سرعت خروجی افزایش میابد یعنی گیربکس از حالت قدرتی به حالت سرعتی تبدیل میشود.

اگر گیربکس اتوماتیک یک ماشین ۴ دنده ای را باز کنید اولین چیزی که میبینید چهار عدد مجموعه چرخ دنده های منظومه ای میبینید که یکی دارای کوچکترین چرخ دنده خورشیدی میباشد (دنده ۱) و هرچه به سمت جلوتر گیربکس میروید اندازه این چرخ دنده بزرگتر شده و گیربکس از حالت قدرتی به حالت سرعتی حرکت میکند. دقیقا همان چیزی که در محاسبات اثبات کردیم.

اما در این بین به صفحات خاصی را مشاهده میکنید که به صورت لایه ای قرار دارند در واقع این صفحات همان صفحه کلاچ است که وظیفه آنها ثابت نگه داشتن چرخ دنده شماره ۱ یا RING GEAR است. تا زمانی که چرخ دنده شماره ۱ آزاد باشد هیچ نیرویی منتقل نمیشود و گیربکس در حالت خلاصی قرار دارد.

اما با یک مثال ساده میتوان محاسبه کرد که :

فرض کنید ماشینی در دور موتور ۲۰۰۰ دور بر دقیقه در دنده ۱ و در همین دور موتور در دنده چهار قرار دارد میخواهیم ببینیم تغییرات سرعت خروجی در دو دنده چقدر است. (فرض کنید در دنده ۱ اندازه شعاع چرخ دنده خورشیدی ۴ و سیاره ای ۱۳ سانتی متر باشد و در دنده ۲ اندازه شعاع چرخ دنده خورشیدی ۲۰ و سیاره ای ۵ سانتی متر باشد)

محاسبات:

همان طور که با افزایش شماره دنده اندازه چرخ دنده خورشیدی افزایش یافت و گیربکس از حالت قدرتی به حالت سرعتی منتقل میشود.