دلباختگان مکانیک خودرو

انتقال قدرت پیوسته (CVT) که لئوناردو داوینچی 500 سال پیش اندیشه‌اش را در سر داشت، در حال حاضر جای انتقال قدرت اتوماتیک را در برخی خودروها گرفته است.از اولین CVT که در 1886 ثبت شد تاکنون، تکنولوژی آن بهبود بسیاری پیدا کرده و امروزه چندین خودروساز بزرگ از جمله جنرال‌موتورز، آئودی، هوندا و نیسان، در حال طراحی و توسعه CVT های خود هستند.

اگر درباره ساختار و طرز کار انتقال قدرت اتوماتیک اطلاعاتی داشته باشید، می‌دانید که وظیفه انتقال قدرت، تغییر دادن نسبت سرعت چرخ و موتور است. در واقع بدون یک جعبه دنده، خودرو فقط یک دنده خواهد داشت که به آن اجازه دهد تا با سرعت مناسب حرکت کند. لحظه‌ای تصور کنید در حال رانندگی با خودرویی هستید که فقط دنده یک یا دنده سه دارد. در حالت اول، خودرو با شتاب خوبی از حالت سکون حرکت می‌کند و می‌تواند از یک تپه با شیب تند بالا رود، اما بیشترین سرعت آن به چند کیلومتر در ساعت محدود می‌شود. در حالت دوم، خودرو با سرعت 100 کیلومتر در ساعت در یک بزرگراه حرکت خواهد کرد، اما هنگام شروع حرکت تقریباً شتابی نداشته و نمی‌تواند از تپه بالا برود.

 جعبه‌دنده، از تعدادی چرخ دنده استفاده می‌کند تا با تغییر شرایط رانندگی، از گشتاور موتور استفاده‌ای مؤثر و مناسب شود. دنده‌ها می‌توانند به‌طور دستی و یا اتوماتیک تغییر کنند.در جعبه‌دنده‌های اتوماتیک قدیمی، چرخ دنده‌ها وظیفه انتقال و تغییر گشتاور و حرکت دایره‌ای را برعهده داشتند. ترکیبی از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای، تمامی نسبت‌های دنده‌های مختلف مورد نیاز را به وجود می‌آورند. رایج‌ترین نوع گیربکس، دارای 4 دنده جلو و یک دنده، معکوس است. وقتی این نوع جعبه‌دنده اقدام به تعویض دنده می‌کند، ضربه ناشی از درگیری دنده‌ها با هم، احساس می‌شود.

اصول CVT

برخلاف سیستم انتقال قدرت اتوماتیک، در سیستم انتقال قدرت با قابلیت تغییر پیوسته، جعبه‌دنده‌ای با تعداد مشخص چرخ دنده وجود ندارد. یعنی در CVT، چرخ‌دنده‌های دندانه‌داری که با هم درگیر شوند وجود ندارد. متداولترین نوع CVT براساس سیستم «پولی» کار می‌کند که بی‌نهایت تغییر بین بالاترین و پایین‌ترین دنده را بدون گسستگی، ممکن می‌سازد.

 اگر از این نکته که هنوز هم درباره CVT از واژه دنده استفاده می‌شود، تعجب کرده‌اید، به خاطر بیاورید که منظور از دنده، نسبت سرعت موتور به سرعت محور چرخ‌هاست. گرچه CVT این نسبت را بدون استفاده از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای انجام می‌دهد، اما باز هم از واژه دنده برای آن استفاده می‌شود.

 CVTهای مبتنی‌بر پولی

اگر به جعبه‌دنده اتوماتیک توجه کنید، دنیایی پیچیده از چرخ‌دنده‌ها، ترمزها، کلاچ‌ها و دستگاه‌های کنترل را در آن خواهید دید. این در حالی است که CVT به سادگی قابل مطالعه است. بیشتر CVT ها فقط سه جزء اساسی دارند:

- یک تسمه محکم فلزی یا لاستیکی

- یک پولی متغیر محرک (ورودی)- یک پولی خروجی

گرچه CVT ها شامل انواع مختلفی از ریزپردازنده‌ها و حسگرها هستند، اما سه جزئی که در بالا نام برده شد، اجزای اصلی هستند که به این سیستم اجازه کار می‌دهند.

 پولی‌های دارای شعاع متغیر، قلب CVT تلقی می‌شوند. هر پولی، از دو مخروط با زاویه رأس 20 درجه که رو در روی یکدیگر قرار دارند، تشکیل شده است. تسمه‌ای در شیار بین دو مخروط قرار دارد. در صورت لاستیکی بودن تسمه‌ها، از تسمه‌های V شکل استفاده می‌شود. تسمه‌های V شکل، سطح مقطع V شکلی دارند که باعث افزایش اصطکاک تسمه با پولی می‌شود.

وقتی دو مخروط پولی از هم فاصله بگیرند، یعنی ضخامت پولی بیشتر شود، تسمه به شکاف پایین‌تر می‌رود و شعاع تسمه حلقه شده دور پولی کاهش می‌یابد. وقتی دو مخروط پولی به هم نزدیک می‌شوند، یعنی ضخامت پولی کاهش می‌یابد، تسمه به شکاف بالاتر رفته و شعاع تسمه حلقه شده دور پولی افزایش می‌یابد. CVT  می‌تواند از فشارهای هیدرولیکی، نیروی گریز از مرکز و یا کشش فنر به منظور تولید نیروی مورد نیاز برای تنظیم دو نیمه پولی استفاده کند.پولی‌های دارای قطر متغیر، همیشه به صورت زوجی به کار می‌روند. یکی از پولی‌ها که پولی محرک شناخته می‌شود، به میل‌لنگ موتور متصل است. پولی محرک، پولی ورودی هم نامیده می‌شود زیرا جایی قرار دارد که انرژی موتور وارد سیستم انتقال قدرت می‌شود. پولی دوم، پولی گردنده یا متحرک نامیده می‌شود زیرا پولی اول آن را می‌چرخاند. پولی گردنده به مثابه پولی خروجی، انرژی را به محور چرخ‌ها منتقل می‌کند.

وقتی یک پولی، در راستای محوری ضخامت خود را افزایش می‌دهد، دومی از ضخامت خود می‌کاهد تا تسمه در حالت کشیده باقی بماند. زمانی که دو پولی ضخامت خود را نسبت به یکدیگر تغییر می‌دهند، بی‌نهایت نسبت دنده از کم به زیاد و شامل همه نسبت‌های مابین به وجود می‌آید. مثلاً، وقتی شعاع تسمه در پولی محرک کم و در پولی خروجی زیاد باشد، سرعت دوران پولی خروجی کاهش می‌یابد و نسبت دنده پایین‌تری را ایجاد می‌کند. وقتی شعاع تسمه در پولی محرک زیاد و در پولی خروجی کم باشد، سرعت دوران پولی خروجی افزایش می‌یابد و نسبت دنده بالاتری را ایجاد می‌کند. بنابراین، یک CVT از لحاظ نظری شامل بی‌نهایت نسبت دنده می‌شود و می‌تواند در هر زمانی و با هر دور موتوری کار کند.طبیعت ساده و بدون گسستگی CVT ها، آنها را به سیستم انتقال قدرت ایده‌آلی برای تمام ماشین‌ها و دستگاه‌ها- نه صرفاً خودروها- تبدیل کرده است. CVT  ها سال‌های متمادی در ابزار قدرتی و مته‌ها به‌کار رفته‌اند. از آنها در وسایل نقلیه مختلفی اعم از تراکتورها و ماشین‌های برف رو گرفته تا اسکوترهای موتوری استفاده می‌شود. در تمام این کاربردها، از تسمه‌هایی با لاستیک فشرده در نوع سیستم انتقال قدرت استفاده می‌شود که ممکن است کشیده شده یا سر بخورد و در نتیجه، باعث هدر رفتن انرژی و کاهش کارایی شود.تولید و ساخت ماده‌های جدید،
 CVTها را مطمئن‌تر و کارامدتر از قبل کرده است. یکی از مهمترین پیشرفت‌ها، طراحی و توسعه تسمه‌های فلزی برای متصل کردن دو پولی بوده است. این تسمه‌ها انعطاف‌پذیر از چندین (عموماً 9 یا 12) نوار نازک فولادی که تکه‌های فلزی پاپیونی شکل بسیار مقاوم را کنار هم نگه می‌دارد، ساخته شده‌اند. تسمه‌های فلزی به این دلیل که سر نمی‌خورند و بسیار با دوامند اجازه انتقال گشتاور بیشتری را به CVT می‌دهند. در ضمن، این تسمه‌ها مناسب‌تر از تسمه‌های لاستیکی هستند.

دیگر انواع CVT

CVT مارپیچی

نوع دیگری از CVT است که در آن، تسمه و پولی‌ها با دیسک‌ها و غلطک‌ها جایگزین شده است.

 گرچه این سیستم بسیار متفاوت به نظر می‌رسد، اما تمامی اجزای آن قابل مقایسه با تسمه و پولی بوده و نتیجه‌ای یکسان دارد. ترتیب طرز کار این سیستم عبارت است از:-دیسکی به موتور متصل شده که معادل پولی محرک است.

- دیسک دیگری به میل گاردان متصل شده که معادل پولی مقاوم یا متحرک است.
- غلطک‌ها و یا چرخ‌ها، بین دو دیسک قرار داشته و همانند تسمه، نیرو را از دیسکی به دیسک دیگر منتقل می‌کنند.

چرخ‌ها می‌توانند در دو جهت، حول محور افقی و به سمت بالا و پایین، حرکت کنند. این حالت، به چرخ‌ها اجازه می‌دهد تا در وضعیت‌های مختلف، با دیسک تماس داشته باشند. وقتی چرخ‌ها با دیسک محرک در نزدیکی مرکز در تماس باشند، با دیسک مقاوم در نزدیکی لبه آن در تماس هستند. این امر باعث کاهش سرعت وافزایش گشتاور می‌شود (دنده سنگین). وقتی چرخ‌ها با دیسک محرک در لبه آن تماس داشته باشند، باید با دیسک مقاوم نزدیک مرکز در تماس باشند که این امر باعث افزایش سرعت و کاهش گشتاور می‌شود (دنده سبک). به این ترتیب، حرکت ساده چرخ‌ها نسبت دنده را به صورت لحظه‌ای و ملایم تغییر می‌دهد.

CVTهای هیدرواستاتیکی

هر دو نوع CVT پولی- تسمه‌ای و مارپیچی، از گروه CVTهای اصطکاکی هستند که با تغییر دادن شعاع نقطه بین تماس دو بخش چرخنده یا دوار، کار می‌کنند. نوع دیگر CVTها، هیدرواستاتیکی است که در آن، از پمپ‌های جابه‌جایی متغیر استفاده شده تا جریان مایع ورودی به موتور هیدرواستاتیکی را تغییر دهد. در این نوع انتقال قدرت، حرکت چرخشی موتور، یک پمپ هیدرواستاتیکی را در طرف محرک به کار می‌اندازد. پمپ، حرکت چرخشی را به جریان سیال تبدیل می‌کند. سپس، یک موتور هیدرواستاتیکی که در طرف مقاوم قرار دارد، جریان سیال را دوباره به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند.

انتقال قدرت هیدرواستاتیکی معمولاً با یک دسته دنده سیاره‌ای و کلاچ‌ها ترکیب می‌شود تا یک سیستم دوگانه به نام انتقال قدرت هیدرومکانیکی را تشکیل دهد. انتقال قدرت هیدرومکانیکی نیرو را به سه روش ذیل به چرخ‌ها منتقل می‌کند:

1. در سرعت‌های پایین به صورت هیدرولیکی

2. در سرعت‌های بالا به صورت مکانیکی

3. بین این دو حد، به صورت هیدرولیکی- مکانیکی

انتقال قدرت هیدرولیکی، برای کارهای سنگین مناسب است و به همین علت، معمولاً در تراکتورهای کشاورزی و وسایل نقلیه‌ای که روی هر سطحی حرکت می‌کنند، به کار می‌رود.

مزایای استفاده از CVT

- کاهش ذرات آلاینده

- کاهش مصرف سوخت

- کارکرد موتور در دما و دور موتور پایین‌تر

- افت توان کمتر و برخورداری از شتاب بیشتر

- مطابقت با انواع مکانیزم‌های رایج کلاچ

- یکنواختی حرکت و رانندگی آرام از توقف کامل تا سرعت‌های بالا

انتقال قدرت دستی چگونه کار می کند؟

چه ارتباطی بین حرکت H مانند دنده و چرخ دنده های درون جعبه دنده وجود دارد؟ وقتی دنده را عوض می کنید چه چیزی درون جعبه دنده جا به جا می شود؟        

? هنگام رانندگی با اتومبیل دنده دار ممکن است با چنین سوالاتی روبه رو شوید:

? چه ارتباطی بین حرکت H مانند دنده و چرخ دنده های درون جعبه دنده وجود دارد؟ وقتی دنده را عوض می کنید چه چیزی درون جعبه دنده جا به جا می شود؟

? وقتی راننده در عوض کردن دنده اشتباه می کند، صدای قیژقیژ شنیده می شود. واقعا چه اتفاقی می افتد؟

? اگرهنگامی که راننده در بزرگراه مشغول رانندگی با سرعت بالا است ، ناگهان دنده را به عقب بزند چه اتفاقی می افتد؟ آیا ممکن است کل جعبه دنده متلاشی شود؟

در این مقاله، با بررسی سیستم انتقال قدرت دستی به این سوالات و حتی سوالات بیشتری در این زمینه پاسخ داده می شود.اول از همه باید بدانید که ، اتومبیل ها به علت ساختار موتورهای بنزینی به جعبه دنده احتیاج دارند. هر موتوری یک خط قرمز دارد (ماکزیمم دور موتور که اگربیش از این مقدار دور داشته باشد متلاشی می شود)

در ضمن اگر قسمت " اسب بخار چگونه کار می کند؟ " را بخوانید ، می فهمید دور موتوری که در آن قدرت و گشتاور در ماکزیمم خود هستند دامنه ی محدودی دارد. برای مثال ، یک موتور ممکن است ماکزیمم توان خود را در ???? دور در دقیقه به دست آورد. سیستم انتقال قدرت این امکان را ایجاد می کند که با کم و زیاد شدن سرعت خودرو نسبت دنده بین موتور و چرخ های خودرو تغییر کند. در واقع شما دنده را عوض می کنید تا موتور زیر خط قرمز بماند در حالی که دور موتور نزدیک به دور آن در بهترین حالت عملکرد است.

به طور ایده آل ، جعبه دنده باید آنقدر در نسبت دنده ها قابلیت تغییر داشته باشد که موتور بتواند همیشه با تعداد دور مربوط به بهترین شرایط عملکرد خودش بچرخد. این ایده ی مربوط به CVT ها است.