گیربکس D-CVT چیست؟ ساختار، نحوه عملکرد آن

گیربکس D-CVT یا Direct Shift CVT نسل جدیدی از گیربکس‌ های پیوسته (CVT) است که علاوه بر مجموعه پولی و تسمه، از یک مسیر چرخ‌دنده‌ای موازی نیز برای انتقال قدرت استفاده می‌کند. این مسیر چرخ‌ دنده‌ ای که به آن دنده لانچ گفته می‌شود، در لحظه شروع حرکت و در دنده عقب وارد مدار می‌شود و فشار وارد بر تسمه را به شدت کاهش می‌دهد. نتیجه این معماری، شتاب‌گیری اولیه بهتر، افزایش عمر تسمه و بهینه شدن ۶ درصدی مصرف سوخت نسبت به گیربکس‌های CVT معمولی است.

امروزه تعداد زیادی از خودروهای اقتصادی از گیربکس‌ های CVT برای انتقال قدرت از موتور به چرخ‌ها استفاده می‌کنند. پیش از این در مورد این نوع گیربکس و چگونگی انتقال توان در آن صحبت کرده‌ایم؛ برای آشنایی کامل با ساختار پایه این سیستم می‌توانید مقاله گیربکس CVT چیست را مطالعه کنید.

این گیربکس در محصولات پرفروش تویوتا مانند کرولا و راو۴ به کار رفته و به همین دلیل طی سال‌های اخیر به یکی از پرتقاضاترین گیربکس‌ها در تعمیرگاه‌های ایران تبدیل شده است. با این حال بسیاری از تعمیرکاران هنوز صرفاً با گیربکس‌های CVT تسمه‌ای متعارف آشنا هستند. اگر می‌خواهید عیب‌یابی و باز و بست این گیربکس را به صورت عملی یاد بگیرید، آموزش گیربکس تویوتا ایمگ در کارگاه اتومکانیک دانشگاه صنعتی شریف به صورت اختصاصی روی همین موضوع تمرکز دارد.

گیربکس D-CVT چیست و چه تفاوتی با CVT معمولی دارد؟

شرکت تویوتا در سال‌های گذشته ابداعات ارزشمندی برای رفع نواقص و محدودیت‌های گیربکس‌ های CVT داشته است. یکی از نتایج موثر این ابداعات، گیربکس D-CVT (یا Direct Shift CVT) است که تغییرات موثری در این سیستم انتقال قدرت ایجاد کرده و بخش زیادی از معایب این نوع گیربکس را برطرف کرده است. این گیربکس شکل جدیدی از گیربکس‌های CVT معمولی محسوب می‌شود، اما با معماری متفاوت و بازدهی بهتر. در نهایت این نوآوری باعث بهینه شدن ۶ درصدی مصرف سوخت نسبت به نوع معمولی CVT شده است.

تفاوت اصلی این گیربکس با CVT معمولی، استفاده از یک مسیر بین شفت ورودی و خروجی به صورت موازی با مسیر تسمه است که این‌بار توان را از طریق چرخ‌دنده‌های مکانیکی منتقل می‌کند. این مسیر چرخ‌دنده‌ای ضریب ثابت و مناسبی برای شروع به حرکت یا همان دنده یک ایجاد می‌کند و از این رو با نام چرخ‌دنده لانچ یا دنده شروع به حرکت نیز شناخته می‌شود.

گیربکس CVT معمولی چه معایب و محدودیت‌هایی دارد؟

گیربکس CVT مزایای شناخته‌ شده‌ ای دارد؛ از جمله حرکت بدون ضربه، تغییر ضریب پیوسته، توانایی انتخاب ضریب مناسب شرایط از میان بی‌نهایت ضریب، و تعویض دنده نرم. با این حال این گیربکس معایبی نیز به همراه دارد که مهم‌ترین آن‌ها محدودیت در توان‌های ورودی بالا، لغزش در شتاب‌ گیری‌ های ناگهانی، استهلاک بالای تسمه، شروع حرکت سخت به‌همراه فشار زیاد به تسمه در این شرایط، و محدودیت سرعت در دنده عقب به دلیل جهت‌ دار بودن تسمه است. دقیقاً همین فهرست معایب بود که مسیر توسعه گیربکس D-CVT را مشخص کرد.

دنده لانچ (Launch Gear) چیست و چه مشکلی را حل می‌کند؟

دنده لانچ یک مسیر چرخ‌دنده‌ای با ضریب ثابت است که موازی با مسیر تسمه قرار گرفته و وظیفه انتقال قدرت در سخت‌ترین شرایط کاری گیربکس یعنی لحظه شروع حرکت را بر عهده دارد. در گیربکس CVT معمولی، برای دستیابی به گشتاور بالا در شروع حرکت لازم است قطر موثر پولی محرک تا حد زیادی کاهش یابد. با کاهش قطر پولی محرک، سطح تماس این پولی با تسمه کم می‌شود و در پی آن اصطکاک بین تسمه و پولی کاهش پیدا می‌کند؛ نتیجه این اتفاق لغزش و از دست رفتن توان در شروع حرکت و همچنین مستهلک شدن بیش از حد تسمه است که تاثیر مستقیمی بر شتاب‌گیری اولیه دارد.

با وجود دنده لانچ، دیگر نیازی به کاهش زیاد قطر موثر پولی محرک نیست و رنج ضریب پولی‌ها از عدد بالاتری شروع می‌شود. به بیان دیگر، حداقل قطر پولی محرک در گیربکس D-CVT نسبت به CVT بیشتر است و همین موضوع مقدار زیادی از این ضعف می‌کاهد.

اجزای داخلی گیربکس D-CVT کدام‌اند؟

شناخت اجزای داخلی این گیربکس، پیش‌نیاز درک عملکرد آن در حالت‌های مختلف رانندگی است. جدول زیر نقش هر جزء را به صورت خلاصه نشان می‌دهد.

گیربکس D-CVT در شروع حرکت چگونه عمل می‌کند؟

در زمان شروع حرکت از حالت سکون، گیربکس دنده‌ های مربوط به لانچ را درگیر می‌کند و سیستم پولی و تسمه را از مسیر انتقال قدرت جدا می‌سازد تا در این شرایط فشاری به این سیستم وارد نشود و همچنین شتاب‌گیری بدون لغزش و با توان بیشتر انجام شود. این جابه‌جایی توسط کلاچ‌ های چند صفحه‌ای موجود در گیربکس انجام می‌شود.

در لحظه شروع حرکت، ست کلاچ چند صفحه‌ای اول درگیر می‌شود تا شفت ورودی و شفت اولیه گیربکس با یکدیگر یکپارچه شده و نیروی موتور به صورت مستقیم به شفت اولیه انتقال پیدا کند. بدین صورت کل مجموعه سیاره‌ای با سرعت برابر به گردش در می‌آید. با چرخش شفت اولیه، دنده محرک مجموعه Direct Shift نیز به گردش در می‌آید و نیرو را به شفت واسطه که سیستم قفل‌کننده و سنکرونیزه روی آن قرار دارد منتقل می‌کند. به صورت همزمان، سیستم سنکرونیزه این شفت در حالت قفل قرار می‌گیرد تا نیرو را به صورت مستقیم به شفت خروجی انتقال دهد.

در این حین، با غیرفعال‌سازی ست کلاچ دوم از درگیری سیستم CVT با شفت خروجی جلوگیری می‌شود تا این مجموعه آزادانه دوران کند و فشاری به تسمه وارد نشود. لازم به ذکر است که این سیستم همچنان با شفت اولیه اتصال دائم دارد و به صورت یکپارچه با آن دوران می‌کند، اما به دلیل متصل نبودن پولی متحرک به شفت خروجی، به صورت آزاد یا هرز می‌چرخد.

نکته قابل توجه دیگر این است که دور محور ورودی برای رسیدن به محور خروجی از دو جفت دنده با ضرایب Underdrive عبور می‌کند که در مجموع ضریب مناسبی برای دنده یک به وجود می‌آورد.

عملکرد گیربکس D-CVT در سرعت‌های بالا چگونه است؟

در زمان حرکت در سرعت‌های بالاتر، این گیربکس دنده‌های مربوط به لانچ را از مدار خارج می‌کند و سیستم پولی و تسمه را وارد مدار می‌کند تا با ایجاد ضریب مناسب، مصرف سوخت در سرعت‌های بالای ۳۰ کیلومتر در ساعت بهینه‌تر شود. این عملیات نیز توسط کلاچ‌های چند صفحه‌ای انجام می‌گیرد.

در حالت ادامه حرکت در سرعت‌های بالاتر، ست کلاچ چند صفحه‌ای اول همچنان درگیر می‌ماند تا شفت ورودی و شفت اولیه گیربکس با یکدیگر یکپارچه بمانند و نیروی موتور به صورت مستقیم به شفت اولیه انتقال پیدا کند. با چرخش شفت اولیه، دنده محرک مجموعه Direct Shift نیز به گردش در می‌آید و نیرو را به شفت واسطه منتقل می‌کند، اما به دلیل قفل نبودن سیستم سنکرونیزه این نیرو به چرخ‌دنده خروجی انتقال پیدا نمی‌کند.

در سمت دیگر، با فعال شدن ست کلاچ دوم، پولی متحرک و شفت خروجی با یکدیگر یکپارچه می‌شوند و نیرویی که پیش از این به سیستم پولی و تسمه وارد شده بود به شفت خروجی انتقال می‌یابد.

در این حالت، اصول کاری و ایجاد ضرایب دنده مختلف کاملاً مشابه گیربکس‌های CVT معمولی است.

گیربکس D-CVT در دنده عقب چگونه کار می‌کند؟

چرا دنده عقب نقطه ضعف گیربکس‌های CVT است؟

یکی از نقاط ضعف اصلی گیربکس‌های CVT حرکت در حالت دنده عقب است. تسمه این گیربکس‌ها به صورت جهت‌ دار طراحی شده تا تحمل نیروی بیشتری داشته باشد، اما زمانی که نیرو به صورت معکوس به آن وارد می‌شود، صفحات فلزی دچار فرسایش شدید می‌شوند و تحمل نیروی به مراتب کمتری نسبت به جهت موافق دارند. از این رو در این خودروها دور موتور و سرعت در حالت دنده عقب به صورت نرم‌افزاری محدود شده است تا ضربه‌ای به تسمه وارد نشود.

یکی از ویژگی‌های اصلی گیربکس D-CVT این است که در حالت حرکت رو به عقب از مسیر چرخ‌دنده‌ای استفاده می‌کند و مسیر تسمه متحمل هیچ باری نیست و آزادانه حرکت می‌کند، درست مانند زمان شروع به حرکت.

در دو حالت قبلی یعنی شروع به حرکت و حرکت در سرعت‌های بالا، با فعال شدن کلاچ اول و یکپارچه شدن قفسه و خورشیدی، کل اعضای مجموعه سیاره‌ای با دور یکسان به گردش در می‌آمدند و شفت خروجی در همان جهت شروع به چرخش می‌کرد. اما در دنده عقب، هر دو کلاچ چند صفحه‌ای آزاد می‌شوند و از این رو شفت ورودی و شفت اولیه گیربکس از یکدیگر مجزا شده و نیروی موتور به شفت اولیه انتقال پیدا نمی‌کند.

در همین زمان با فعال شدن ترمز باندی، عضو رینگی ثابت می‌شود و نیروی ورودی از سمت موتور که به قفسه وارد می‌شود، با عبور از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای در جهت معکوس به خورشیدی و ورودی گیربکس انتقال پیدا می‌کند.

با چرخش شفت اولیه، دنده محرک مجموعه Direct Shift نیز به گردش در می‌آید و نیرو را به شفت واسطه منتقل می‌کند و سیستم سنکرونیزه این شفت در حالت قفل قرار می‌گیرد تا نیرو مستقیماً به شفت خروجی برسد. همزمان با غیرفعال‌سازی ست کلاچ دوم، از درگیری سیستم CVT با شفت خروجی جلوگیری می‌شود تا آزادانه دوران کند و فشاری به تسمه وارد نشود.

مزایای گیربکس D-CVT نسبت به CVT معمولی چیست؟

با در نظر گرفتن مسیر دنده لانچ، این گیربکس در مجموع نسبت به گیربکس CVT معمولی محدوده بیشتری از ضرایب را پوشش می‌دهد. علاوه بر این، یکی دیگر از ویژگی‌های این گیربکس کاهش زاویه مخروطی بودن پولی‌هاست که باعث افزایش سرعت تعویض دنده می‌شود؛ این زاویه در گیربکس‌های CVT برابر با ۱۱ درجه بود که در گیربکس‌های D-CVT به ۹ درجه کاهش پیدا کرده است.

نگهداری و تعمیر گیربکس D-CVT چه نکاتی دارد؟

معماری این گیربکس ترکیبی از دو دنیای متفاوت است؛ از یک سو مجموعه پولی و تسمه با تمام حساسیت‌های شناخته‌شده گیربکس‌های CVT، و از سوی دیگر مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌ها، کلاچ‌های چند صفحه‌ای، ترمز باندی و سیستم سنکرونیزه که رفتارشان به گیربکس‌های اتوماتیک نزدیک‌تر است. همین ترکیب باعث می‌شود عیب‌یابی این گیربکس صرفاً با تکیه بر دانش تعمیر CVT معمولی ممکن نباشد.

نکته کلیدی در عیب‌یابی این است که هر ایراد باید ابتدا به یکی از دو مسیر انتقال قدرت نسبت داده شود. علائمی که تنها در شروع حرکت یا دنده عقب بروز می‌کنند، معمولاً به مسیر چرخ‌دنده‌ای و اجزای کنترل‌کننده آن مربوط‌اند، در حالی که علائم مربوط به سرعت‌های بالا بیشتر به مجموعه پولی و تسمه بازمی‌گردند. تشخیص درست این تفکیک، مسیر تعمیر را کوتاه می‌کند.

اگر می‌خواهید ساختار، عیب‌یابی و تعمیر گیربکس‌های اتوماتیک و پیوسته را به صورت عملی یاد بگیرید، دوره آموزش گیربکس اتوماتیک ایمگ در کارگاه دانشگاه صنعتی شریف این مباحث را روی گیربکس‌های واقعی آموزش می‌دهد.

جمع‌بندی

گیربکس D-CVT را می‌توان تلاشی موفق در جهت برطرف کردن مهم‌ترین محدودیت‌های CVT‌ های معمولی دانست. در این طراحی، با اضافه شدن یک مسیر انتقال قدرت موازی با مسیر موجود، شرایط شروع حرکت از حالت معمول CVT خارج می‌شود و گشتاور توسط چرخ‌دنده‌های لانچ منتقل می‌گردد. در نتیجه فشار وارد بر تسمه در این لحظه به شدت کاهش پیدا می‌کند که باعث افزایش چشمگیر عمر مفید تسمه می‌شود و همچنین امکان استفاده از پولی محرک با قطر بیشتر را فراهم می‌کند. پس از افزایش سرعت خودرو، گیربکس از مسیر چرخ‌ دنده‌ای به مسیر تسمه شیفت می‌کند و از آن پس کارکرد معمول CVT را شاهد هستیم.

این معماری در دنده عقب نیز همان مزیت را تکرار می‌کند و با خارج کردن کامل تسمه از مدار، یکی از دیرینه‌ترین نقاط ضعف گیربکس‌های پیوسته را برطرف می‌سازد. برای آشنایی با رویکردی کاملاً متفاوت در همین مسیر، می‌توانید مقاله گیربکس E-CVT را مطالعه کنید.

سوالات متداول درباره گیربکس D-CVT

گیربکس D-CVT چیست؟

گیربکس D-CVT یا Direct Shift CVT نسل جدیدی از گیربکس‌های پیوسته است که علاوه بر مجموعه پولی و تسمه، از یک مسیر چرخ‌دنده‌ای موازی به نام دنده لانچ برای انتقال قدرت در شروع حرکت و دنده عقب استفاده می‌کند.

تفاوت گیربکس D-CVT با CVT معمولی در چیست؟

تفاوت اصلی در وجود یک مسیر چرخ‌دنده‌ای موازی با مسیر تسمه است. در CVT معمولی تمام گشتاور در هر شرایطی از تسمه عبور می‌کند، اما در D-CVT در شروع حرکت و دنده عقب تسمه کاملاً از مدار خارج می‌شود.

دنده لانچ چه کاری انجام می‌دهد؟

دنده لانچ ضریب ثابتی مشابه دنده یک ایجاد می‌کند و گشتاور مورد نیاز شروع حرکت را از طریق چرخ‌دنده منتقل می‌کند. نتیجه آن شتاب‌گیری بدون لغزش و کاهش چشمگیر فشار وارد بر تسمه است.

آیا گیربکس D-CVT در دنده عقب هم از تسمه استفاده می‌کند؟

خیر. در حالت دنده عقب، انتقال قدرت از مسیر چرخ‌دنده‌ای انجام می‌شود و تسمه هیچ باری را تحمل نمی‌کند و آزادانه می‌چرخد. همین موضوع باعث کاهش قابل توجه فرسایش تسمه می‌شود.

آیا تعمیر گیربکس D-CVT با CVT معمولی فرق دارد؟

بله. این گیربکس علاوه بر مجموعه پولی و تسمه، دارای مجموعه سیاره‌ای، کلاچ‌های چند صفحه‌ای، ترمز باندی و سیستم سنکرونیزه است. به همین دلیل عیب‌یابی آن نیازمند شناخت هر دو مسیر انتقال قدرت و تجربه عملی بیشتری است.

نویسنده : مهندس ابوالفضل مهدی زاده