انواع جعبه دنده یا گیربکس در خودرو

همانطور که در مبانی سیستم‌های خودرو بیان شد. سیستم انتقال قدرت از دو دیدگاه قابل بررسی است. یک دیدگاه از نظر چیدمان اجزا سیستم انتقال قدرت است که در مقاله دسته‌بندی از نظر چرخ‌های متحرک در مورد آن مطالبی بیان شده است.

وظیفه جعبه دنده یا گیربکس خودرو

اجزا بسیاری در مسیر انتقال قدرت از موتور به چرخ‌ها وجود دارند؛ اما بیشتر آنها فقط یک نسبت ثابت بین سمت محرک و متحرک ایجاد می‌کنند. قطعاتی مانند دیفرانسیل یا حتی قطر چرخ همواره فقط و فقط یک نسبت انتقال را ایجاد می‌کنند. اما در هنگام رانندگی شرایط مختلفی اتفاق می‌افتد، حرکت با سرعت ثابت در جاده کفی، حرکت در سربالایی، حرکت در سرازیری، شتاب ناگهانی، ترمز ناگهانی و بسیاری شرایط دیگر.
در هرکدام از این شرایط باید نسبت دور و گشتاور مناسبی به چرخ‌ها انتقال پیدا کند در غیر این صورت کیفیت رانندگی دچار مشکل خواهد شد. تنها عضوی که می‌تواند تغییرات مختلف در نسبت گشتاور دور چرخ‌ها نسبت به موتور ایجاد کند جعبه دنده یا همان گیربکس است (Gearbox).
به عبارت ساده وظیفه جعبه‌دنده تبدیل گشتاور  دور موتور به نیاز مطلوب راننده برای حرکت خودرو است.

انواع گیربکس در خودرو

به روش‌های مختلف می‌توان جعبه‌دنده‌ها را در خودروها دسته‌بندی کرد. یکی از معروف‌ترین روش‌های دسته‌بندی، تقسیم به دودسته گیربکس معمولی و گیربکس‌اتوماتیک است. شکل 1 این نوع دسته‌بندی و انواع گیربکس در خودروها را نشان می‌دهد.

شکل 1- دسته‌بندی انواع جعبه‌دنده‌های مورداستفاده در خودرو

همانطور که در شکل 1 نیز نشان‌داده‌شده است انطباق گشتاور / دور موتور با شرایط رانندگی به 2 صورت اتفاق می‌افتد این کار می‌تواند به روش دستی با انتخاب مستقیم راننده و یا روش اتوماتیک یعنی بررسی شرایط خودرو و انتخاب نسبت تبدیل مناسب گشتاور/ دور باشد.

جعبه دنده یا گیربکس کشویی ساده (Sliding-gear transmission)

قدیمی‌ترین جعبه‌دنده‌ها مورداستفاده در خودرو ها از نوع کشویی ساده بودند. شکل 2 نمونه این نوع جعبه‌دنده‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 2- نمونه گیربکس دستی از نوع کشویی ساده (سه دنده) ZF مدل K30 – 1930

به شکل 2 توجه کنید تمامی دنده‌ها در این نوع گیربکس از نوع دنده مستقیم است. دسته‌دنده با کمک اهرم‌بندی چرخ‌دنده‌ها حرکت داده می‌شوند. این نوع جعبه‌دنده‌ها با تعویض دنده بسیار دشوار بود و به مهارت نیاز داشت. چون هم دنده محرک و هم دنده متحرک هر دو مستقیم هستند؛ بنابراین در حرکت مستقیم احتمال درگیری دنده به دنده وجود داشت؛ بنابراین علاوه بر گرفتن مناسب کلاچ، راننده باید به‌صورت حسی دور موتور و سرعت خودرو را تطبیق دهد تا بتواند لحظه مناسب تعویض دنده با کمترین صدا و درگیری را تشخیص دهد. استفاده از این نوع جعبه‌دنده‌ها سال‌ها است که در خودرو ها منسوخ شده است.
نسل بعدی جعبه‌دنده‌های دستی، دنده‌های مورب جایگزین دنده‌های مستقیم شدند. مزیت این کارافزایش توان انتقال و کاهش صدای گیربکس بود؛ اما از طرف دیگر به دلیل مورب بودن دنده‌ها، باعث شد دیگر دنده‌ها را نتوانند به‌صورت مستقیم حرکت دهد. چون امکان درگیری دو چرخ‌دنده از نوع مورب به‌صورت مناسب در حال حرکت بسیار دشوار (تقریباً غیرممکن) است. به همین دلیل از مکانیزم‌های دیگری استفاده شد. اولین مکانیزم جایگزینی درگیری، Dog Clutch بود که اینجا به نام دنده چنگکی نیز شناخته می‌شود. (شکل 3)

شکل 3- جعبه دنده از نوع درگیری با دنده چنگکی-1940s-GM

عملکرد این سیستم بسیار بهتر از نسل قبلی بود. به همین دلیل گاهی این مدل را گیربکس نیمه سنکرونیزه نیز نامیده‌اند. امروزه این نوع جعبه‌دنده‌ها کارایی چندانی در خودرو ها ندارد؛ اما نظر به اهمیت عملکرد و مکانیزم آن در درک مفاهیم مربوط به انتقال قدرت و توان، در یک مقاله مجزا ساختار، اجزا و عملکرد این نوع گیربکس‌ها بررسی خواهد شد.

جعبه دنده یا گیربکس تمام سنکرونیزه (Synchronized manual transmission)

فرایند هماهنگ‌کردن دنده‌ها قبل و هنگام درگیری سبب کیفیت بهتر عملکرد جعبه دنده شد به همین دلیل آخرین نسل جعبه‌دنده‌ها متولد شدند. تمام جعبه‌دنده‌های معمولی در خودروهای امروزی از نوعی سیستم سنکرونیزه برای هماهنگ‌کردن استفاده می‌کنند. شکل 4 نمونه‌ای از این سیستم را نشان می‌دهد.

1- گلدانی جلو گیربکس 2- مجموعه سنکرونیزه 3- شفت خروجی 4- دنده زیر 5- شفت ورودی
شکل 4- نمونه‌ای از  جعبه دنده تمام سنکرونیزه

استفاده از ساختار سنکرونیزه سبب شد تعویض دنده بسیار بهتر از نسل‌های قبلی انجام شود. صدا در هنگام تعویض دنده بسیار کاهش‌یافته و اصطکاک و ساییدگی و خرابی‌های دنده‌ها نیز کاهش یافتند باتوجه‌به اهمیت این جعبه‌دنده‌ها، انواع و اجزا، علائم خرابی و روش‌های عیب‌یابی آن را در مقاله‌های مجزا بیان خواهد شد.

جعبه دنده یا گیربکس اتوماتیک

اگرچه راندمان گیربکس‌های دستی بسیار بالا است؛ اما ذات نیاز داشتن به سیستم کلاچ ساده برای این مدل جعبه‌دنده‌ها سبب می‌شود در برخی شرایط راننده در هنگام استفاده از آن‌ها دچار سختی می‌شود به‌عنوان‌مثال رانندگی در مناطق پر ترافیک که باید مرتباً کلاچ را درگیر و آزاد کرد و یا شرایط شروع حرکت در سربالایی‌ها که باید حالت نیم کلاچ انجام شود. برای افزایش آسایش در رانندگی جعبه‌دنده‌های اتوماتیک استفاده شد. اولین گیربکس‌اتوماتیک در خودرو توسط شرکت جنرال‌موتور در سال 1939 به دنیا معرفی شد. (شکل 5)

شکل 5- اولدزمبیل سری 60 تولید 1940

در سال 2015 فقط 43% خودرو های سواری تولیدی در دنیا از گیربکس دستی استفاده می‌کردند. بر اساس آمار از سال 2020 به بعد در امریکا فقط 2.4% خودروها تولیدی دارای جعبه دنده دستی بودند، یعنی تقریباً 98% خودرو های تولیدی از گیربکس‌اتوماتیک استفاده می‌کنند.

جعبه دنده اتوماتیک (Automatic Transmisstion)

نسل اول گیربکس‌های اتوماتیک به AT معروف هستند. اجزا مهم این گیربکس‌ها مبدل گشتاور (Tourqe Convertor) و مجموعه‌های دنده خورشیدی (Planery Gear system) و راه‌انداز هیدرولیکی آن بودند.

1- مبدل گشتاور 2-مجموعه باندهای ترمز 3- مجموعه خورشیدی 4- صفحه شیر هیدرولیکی 5- شفت خروجی
شکل 6- نمونه گیربکس اتومات با مبدل گشتاور

استفاده از مبدل گشتاور در این سیستم سبب شد که پدال کلاچ کاملاً حذف شود. اجزا و عملکرد این نوع گیربکس را در مقاله نحوه عملکرد گیربکس‌ اتوماتیک مشاهده کنید

جعبه دنده یا گیربکس CVT 

یکی از مشکلات جعبه‌دنده‌های اتوماتیک از نوع AT ، احساس تغییر دنده است. یکی مثلاً هنگامی که دنده از دو به سه به‌صورت اتوماتیک شیف پیدا می‌کند سرنشینان آن را (هر چند ناچیز) احساس می‌کنند. دلیل این حس آزادشدن یک مجموعه خورشیدی و درگیرشدن مجموعه دیگر است. در جعبه‌دنده‌ای CVT از ساختار خاصی برای تغییر نسبت گشتاور / دور استفاده شده است؛ بنابراین نسبت بدون اصطلاحاً تقه زدن و به‌صورت پیوسته تغییر می‌کند. به دلیل ساختار نسبتاً ساده این نوع گیربکس امروزه در بسیاری از خودرو ها مشاهده می‌شود. یکی از سیستم‌های متداول در گیربکس‌های CVT استفاده از دو مخروط و تسمه بین آن دو است شکل 7 این نمونه را نشان می‌دهد.

1- مخروط‌های ورودی و خروجی 2- تسمه فلزی 3- باند و کلاچ
شکل 7- گیربکس CVT از نوع دو مخروط متحرک با تسمه

اجزا و عملکرد گیربکس CVT از نوع تسمه‌ای را می‌توانید در مقاله جعبه‌دنده CVT مشاهده کنید.

جعبه دنده یا گیربکس AMT 

همانطور که اشاره شد گیربکس‌های AT نسبت به نوع دستی راندمان پایین‌تری دارند. از طرف دیگر رانندگی با جعبه‌دنده‌های دستی مشکلات خاص خودش را دارد، این موضوع گروهی را بر آن داشت تا ترکیبی از خواص هر دو گیربکس را ایجاد کند که هم راندمان خوبی داشته باشند هم راننده با آسایش بیشتری رانندگی کند جعبه‌دنده‌های AMT همانطور که از نام آن بر میاید (جعبه‌دنده‌های دستی با کنترل اتوماتیک) حاصل این کار است. گیربکس‌های AMT همان گیربکس‌های دستی هستند که واحد تعویض دنده آنها به‌صورت اتوماتیک عمل می‌کند. شکل 8 نمونه‌ای از این جعبه‌دنده‌ها را نشان می‌دهد.

1- کلاچ 2- پمپ کلاچ 3-عملگر الکتریکی کلاچ 4- پیستون 5- اهرم‌بندی تغییر دنده
6- موتور الکتریکی تغییر دنده 7- موتور الکتریکی محرک دنده
شکل 8- نمونه جعبه‌دنده AMT – اپل

جعبه‌دنده‌های AMT بیشتر در خودرو های نیمه‌سنگین تجاری استفاده می‌شد البته امروزه برخی از خودرو های سواری و گاهی موتورسیکلت‌ها نیز از این نوع سیستم کمکی برای تعویض دنده روی گیربکس‌ها استفاده می‌کنند. سیستم‌های تعویض سریع (Quick Shifter) و اتوماتیک کردن گیربکس‌ها نیز نمونه‌های ساده‌تر از این نسل جعبه دنده به شمار می‌رود. در یک مقاله مجزا به نحوه عملکرد و ساختار این سیستم‌ها پرداخته خواهد شد.

جعبه دنده یا گیربکس DCT

آخرین نسل گیربکس‌های موجود، معروف به گیربکس‌های دو کلاچه هستند. این گیربکس‌ها در واقع نوعی گیربکس دستی هستند که بجای استفاده از یک کلاچ برای قطع و وصل مسیر انتقال قدرت از دو کلاچ با کنترلرهای هیدروالکتریکی استفاده می‌کنند. (شکل 9)

1- مجموعه دو کلاچ 2- مجموعه جعبه دنده دستی
شکل 9 – جعبه‌دنده DCT – بنز

به‌صورت معمول جعبه‌دنده‌های دو کلاچه دارای دو شفت ورودی هستند که دنده‌های فرد روی یک شفت و دنده‌های زوج روی شفت دیگر قرار دادند که این کار تعویض دنده را بهتر و نرم‌تر خواهد کرد. عملکرد این نوع گیربکس‌ها نیز در یک مقاله مجزا بررسی خواهد شد.
جهت مشاهده انواع جعبه‌دنده‌های اتوماتیک موجود در بازار ایران می‌توانید به مقاله گیربکس‌های اتوماتیک در ایران مراجعه کنید.

نویسنده:مهندس بهروز خطیبی