بررسی کلی مکانیزم گیربکس اتوماتیک

به گزارش پایگاه خبری «عصرخودرو»،  با ورود به ترافیک پایان‌ناپذیر کلانشهرها، کم‌کم لذت کار با گیربکس دستی به یک عذاب بی‌پایان تبدیل می‌شود! برای راحتی بیشتر ما، یک گیربکس اتوماتیک فرآیند پیچیده‌ای را طی می‌کند. در این نوشتار می‌خواهیم نگاهی به اساس کار گیربکس‌های اتوماتیک داشته باشیم.

لذت یک رانندگی بی‌دغدغه
همانطور که می‌دانیم، پیشرانه‌های درون‌سوز به صورت پیوسته کار می‌کنند و نیازمند یک سرعت دوران پایه یا حداقل (دور آرام) برای تداوم کار هستند. این مسئله موجب می‌شود که نتوان پیشرانه درون‌سوز را به صورت مستقیم به واحد انتقال قدرت متصل کرد چرا‌که وسیله نقلیه باید قادر به توقف و حرکت باشد. نحوه ارائه گشتاور توسط یک پیشرانه درون‌سوز و وجود شرایط متنوع محیطی نیز ما را وادار می‌کند تا از مجموعه انتقال  قدرتی مجهز به چند ضریب قابل انتخاب استفاده کنیم. برای رفع این مسائل در گیربکس دستی از کلاچ و اهرم دنده استفاده شده است. کلاچ به ما امکان قطع و وصل ارتباط پیشرانه با گیربکس و لغزش این دو نسبت به هم برای شروع حرکتی نرم را می‌دهد و اهرم دنده نیز راننده را قادر می‌کند تا ضریب دنده دلخواه خود را انتخاب و درگیر کند. تا این قسمت، سیستم انتقال قدرت دستی، راه‌حلی مطلوب به نظر می‌رسد اما یک ایراد وجود دارد؛ قلق کلاچ‌گیری.
در گذشته که گیربکس‌ها سنکرونیزه نبودند (فاقد دنده‌های یکسان‌ساز سرعت بودند) تعویض دنده‌ها نیز کاری مشکل بود و باید با قلق خاصی خود راننده در لحظه مناسبی دنده را جا می‌انداخت. در گیربکس‌های دستی امروزی این معضل وجود ندارد اما مشکل کلاچ‌گیری همچنان پابرجاست. همه ما به خوبی می‌دانیم که برای شروع حرکت خودرو، باید به مرز مناسبی از لغزش پیشرانه نسبت به گیربکس برسیم؛ مرزی که آن را نیم‌کلاچ می‌نامیم. در طول حرکت که نیازی نیست خودرو بر اینرسی خود غلبه کند، مسئله نیم‌کلاچ چندان آزار‌دهنده نیست اما هنگامی که گرفتار ترافیک سنگینی می‌شویم، عمل نیم‌کلاچ‌گیری کم‌کم خسته‌کننده و عذاب‌آور می‌شود.
برای رفع موارد فوق، طراحان به سراغ گیربکس اتوماتیک رفتند؛ گیربکسی که خود در لحظه مناسب دنده مناسب را انتخاب کرده و ارتباط پیشرانه و نسبت لغزش مناسب آنها را تعیین می‌کند.

انتقال قدرت هوشمندانه
گیربکس‌های اتوماتیک انواع متنوعی دارند که پیش از این در نوشتارهای مختلف بسیار به آن پرداختیم. اما حال قصد داریم مکانیزم متداول‌ترین نوع گیربکس اتوماتیک را زیر ذره‌بین قرار دهیم؛ گیربکس اتوماتیک دنده سیاره‌ای.
در عموم خودروهای اتوماتیک، از مکانیزم دنده سیاره‌ای برای انتقال قدرت استفاده می‌شود. در این گیربکس‌ها برخلاف گیربکس‌های دستی، به جای درگیر‌کردن چرخ‌دنده‌های مجزا برای تغییر ضریب، از دنده‌های سیاره‌ای برای ایجاد ضرایب مختلف انتقال استفاده می‌شود.

قفسی از چرخ‌دنده‌ها
دنده‌های سیاره‌ای، مجموعه دنده‌هایی هستند که به صورت دائم با هم درگیرند. مجموعه کامل این دنده‌ها، یک قفسه سیاره‌ای نامیده می‌شود. هر قفسه سیاره شامل یک دنده مرکزی (دنده خورشیدی) و یک دنده خارجی (دنده رینگی) است. ارتباط بین دنده خورشیدی با دنده رینگی توسط چرخ‌دنده‌هایی به نام دنده سیاره برقرار می‌شود که ‌روی پوسته سیاره‌ای سوار شده‌اند تا فاصله ثابتی نسبت به هم داشته باشند. فرم کلی این مجموعه را می‌توان به منظومه‌ای تشبیه کرد که در آن سیارات به دور یک ستاره مرکزی می‌چرخند. ورودی قفسه سیاره، دنده خورشیدی است و خروجی آن، دنده رینگی. نسبت سرعت دوران دنده خورشیدی نسبت به دنده رینگی، نسبت انتقال کلی قفسه سیاره را تعیین می‌کند.
سیستم قفسه سیاره‌ای یک ویژگی بسیار مهم دارد و این ویژگی، امکان تغییر ضریب انتقال آن است بدون آنکه نیازی به قطع ارتباط و درگیری مجدد چرخ‌دنده‌های مجموعه باشد. در واقع به صورت پیوسته می‌توان نسبت انتقال قدرت کلی قفسه را با ساکن‌کردن پوسته (رینگی)، دنده خورشیدی و یا سیاره‌ها تغییر داد. کل اساس کار گیربکس اتوماتیک را همین ویژگی قفسه سیاره‌ای تشکیل می‌دهد. یک گیربکس اتوماتیک مجموعه‌ای از چند قفسه سیاره‌ای در کنار هم است که سیستم با قفل‌کردن و رها‌کردن دنده‌های خورشیدی، سیاره‌ها و رینگی‌ها، می‌تواند چندین نسبت دنده مختلف به وجود آورد. گیربکس اتوماتیک برای اجرای این پروسه، چندین بخش دارد که در ادامه به تک‌تک این بخش‌ها می‌پردازیم.

تورک کانورتور
تورک کانورتور یا مبدل گشتاور، ورودی اصلی گیربکس است و وظیفه‌ای که کلاچ برعهده داشت را در گیربکس اتوماتیک برعهده گرفته است. طبیعتا وقتی گیربکسی داریم که خود تصمیم‌گیری می‌کند، نمی‌توانیم کنترل کلاچ را برعهده راننده بگذاریم. تورک کانورتور یک کوپلینگ هیدرولیک قفسه‌ای متشکل از توربین‌هاست که امکان لغزش و قطع و وصل ارتباط با پیشرانه را کنترل می‌کند. بهترین روش برای توصیف نحوه کارکرد تورک کانورتور، مثال معروف پنکه‌هاست. اگر دو پنکه را در مقابل هم قرار دهیم و یکی را روشن کنیم، پروانه پنکه روشن با جریان گردابی که در هوا به وجود می‌آورد، پروانه پنکه خاموش را وادار به دوران در جهت خود می‌کند. در تورک کانورتور 3 توربین اصلی وجود دارد که یکی تیغه پمپ، یکی تیغه توربین و دیگری تیغه استاتور نامیده می‌شود. تیغه پمپ، تیغه اولیه بوده و با پوسته تورک کانورتور یکپارچه است. با دوران میل‌لنگ و فلایویل، پوسته تورک کانورتور نیز که به فلایویل پیچ شده به همراه آن می‌چرخد. در نتیجه تیغه پمپ چرخیده و یک جریان گردابی درون روغن هیدرولیک داخل پوسته ایجاد می‌کند. تیغه پمپ، یک تیغه سانتریفیوژ است؛ یعنی روغن را از پره‌های نزدیک به مرکز خود مکش کرده و به سمت بیرون از مرکز خود پرتاب می‌کند. خلأ به وجود آمده موجب تداوم مکش می‌شود. این جریان پرتاب شده تیغه توربین را به گردش درآورده و شفت اصلی گیربکس را نیز با خود می‌چرخاند. تیغه توربین دقیقا وارون پمپ است و جریان پرت شده را دریافت و از مرکز خود خارج می‌کند. در نهایت استاتور که به شکل یک مغزی میان دو تیغه قرار گرفته، به وسیله کلاچ یک جهته خود تنها در یک جهت چرخیده و مانع برخورد شدید روغن خروجی توربین به ورودی پمپ می‌شود چرا‌که زاویه پره‌های خروجی توربین ناچارا همواره وارون زاویه پره‌های ورودی پمپ است. استاتور در واقع جهت جریان را تصحیح می‌کند، این موضوع بازده تورک کانورتور را بسیار افزایش می‌دهد. تورک کانورتور همواره شفت اصلی گیربکس را می‌چرخاند، اما بسته به موقعیت سلکتور دنده ممکن است شفت اصلی خلاص و یا درگیر باشد. اگر در حالت درگیر بودن شفت اصلی توقف کنیم (توقف در هر شرایطی به‌جز N و P)، عملا تیغه پمپ قادر به چرخاندن توربین نخواهد بود و تنها استاتور را وارون خود می‌چرخاند. در این حالت خودرو ساکن بوده اما نسبت به توقف مقاومت نسبی دارد که موجب بالا رفتن دمای روغن خواهد شد.
در تورک کانورتور اصولا پمپ سریع‌تر از توربین می‌چرخد و یک افزایش گشتاور چند‌برابری داریم. ‌در سرعت‌های بالا، سرعت توربین و پمپ یکسان می‌شود. عموم گیربکس‌های امروزی یک صفحه کلاچ در تورک کانورتور خود دارند که در چنین شرایطی، توربین را به پمپ قفل می‌کند.

شفت اصلی
شفت اصلی گیربکس اتوماتیک، محوری توخالی بوده که توسط تورک کانورتور می‌چرخد و پمپ روغن، مجموعه دنده‌های سیاره‌ای و کلاچ‌ها روی آن سوار شده‌اند. شفت اصلی به عنوان محور اصلی چرخ‌دنده‌ها، خط اصلی سیستم هیدرولیک نیز محسوب می‌شود که بخش‌های مختلف را تغذیه و روغن‌کاری می‌کند.

پمپ روغن و خنک‌کن
پمپ روغن، قلب گیربکس اتوماتیک است. این پمپ را نباید با تیغه پمپ تورک کانورتور اشتباه گرفت. پمپ روغن، نخستین عضو درگیر با محور اصلی گیربکس است که درون پوسته یا در ابتدای گیربکس و یا در انتهای آن نصب می‌شود. پمپ، روغن را از کارتر گیربکس و از درون فیلتر مکش کرده و فشار خط اصلی (شفت) را بالا می‌برد. فشار آن همواره توسط سوپاپ رگلاتور ثابت حفظ می‌شود. خط اصلی نیز تورک کانورتور را پر‌کرده و از آنجا روغن را تحویل خنک‌کن (رادیاتور) می‌دهد تا پس از خنک‌کاری، تحویل واحد کنترلی شود. یک شیر برقی و یا ترموستات مکانیکی، خروجی خنک‌کن را کنترل می‌کند. پمپ روغن عموم گیربکس‌ها از نوع چرخ‌دنده‌ای است.

واحد کنترل
مغز گیربکس، واحد کنترل است. واحد کنترل، می‌تواند از نوع مکانیکی و یا کنترل الکترونیکی باشد.
واحد کنترل مکانیکی متشکل از بلوک هیدرولیک، سوپاپ گاز، گاورنر و سوپاپ‌های تعویض است. این واحد بر اساس موقعیت سلکتور شروع به کار می‌کند. فشار خط اصلی تحویل بلوک هیدرولیک شده و بر سوپاپ‌های تعویض اعمال می‌شود تا بدین ترتیب با باز‌شدن هر سوپاپ، فشار خط اصلی بر کلاچ‌ها و باندهای ترمزی اعمال شود. در حالت عادی فشار از سوپاپ‌های تعویض عبور نمی‌کند چرا که در دوسوی سوپاپ تعویض فشار گاورنر و فشار گاز اعمال می‌شود. فشار گاز، فشار روغنی است که سوپاپ متصل به سیم‌گاز (و یا خلأ منیفولد) آن‌را تعیین می‌کند. فشار گاورنر نیز فشاری است که توسط سوپاپ گاورنر مقدار آن تنظیم می‌شود. گاورنر، یک حسگر مکانیکی گریز از مرکزی است که بر اساس سرعت دوران شفت گیربکس، فشار سوپاپ خود را تغییر می‌دهد. گاورنر و سوپاپ گاز هر دو از خط اصلی تغذیه شده و فشار تنظیم شده خود را بر دو سوی سوپاپ‌های تعویض اعمال می‌کنند. در هنگام حرکت اگر فشار گاورنر بر گاز غلبه کند، سوپاپ‌های تعویض در کنترل گاورنر افتاده و بر اساس فشار آن دنده‌ها را سبک و سنگین می‌کنند. هرچقدر راننده بیشتر گاز بدهد، فشار روغن گاز بالاتر رفته تا جایی که بر فشار گاورنر غلبه کند و دنده‌ها در دورهای بالاتری تعویض شوند. با رسیدن به دور بحرانی (نزدیک ردلاین) مجددا فشار گاورنر بر فشار گاز غلبه می‌کند تا دنده سبک شود. برای معکوس ناگهانی، یک سوپاپ کیک داون نیز در مجموعه تعبیه می‌شود.
در گیربکس‌های امروزی کنترل کل این پروسه بر عهده ECU و شیرهای برقی است.

مجموعه کلاچ‌ها و باندهای ترمزی
کلاچ‌ها و باندهای ترمزی، وظیفه قفل و رها‌کردن اعضای قفسه‌های سیاره‌ای را برعهده دارند. کلاچ‌ها قادرند دنده خورشیدی و یا پوسته سیاره‌ای را قفل کنند و باندهای ترمزی نیز دنده‌های رینگی را قفل می‌کند. نتیجه این قفل شدن دنده‌های مختلف، به وجود آمدن نسبت دنده‌های متفاوت است. عملکرد هر کدام از این‌ کلاچ‌ و باندها وابسته به سیلندر و سرووهایی است که فشار خط اصلی را در لحظه مناسب از سوپاپ‌های تعویض یا شیرهای برقی دریافت کنند.

یک مجموعه دنده سیاره‌ای

مجموعه تودرتوی قفسه‌های سیاره‌ای یک گیربکس

اجزای تفکیک شده تورک کانورتور

نحوه چرخش جریان در مجموعه تیغه‌های تورک کانورتور

گاورنر

نحوه عملکرد گاورنر

پمپ روغن چرخ‌دنده‌ای

نویسنده:‌ عارف منظری