گیربکس E-CVT چیست؟ ساختار، عملکرد و نقش آن در خودروهای هیبرید

گیربکس E-CVT (ای سی وی تی) یک سیستم انتقال قدرت مخصوص خودروهای هیبرید است که به‌جای تسمه و پولی، از یک مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای به‌همراه دو موتور الکتریکی برای ایجاد ضرایب دنده استفاده می‌کند. در این گیربکس هیچ تعویض دنده فیزیکی رخ نمی‌دهد و ضریب انتقال قدرت با کنترل دور موتورهای الکتریکی و به صورت کاملاً پیوسته تغییر می‌کند. به همین دلیل E-CVT برخلاف نامش، هیچ شباهت ساختاری با گیربکس‌های CVT معمولی ندارد و تنها به دلیل پیوسته بودن ضرایب، این نام روی آن گذاشته شده است.

امروزه عموم جامعه از خودروهای اقتصادی استقبال ویژه‌ای می‌کنند. یکی از راه‌های بهینه کردن مصرف سوخت و کاهش استهلاک خودروهای بنزینی، استفاده از گیربکس‌های CVT یا همان ضریب متغیر است. اما پس از رواج یافتن این گیربکس‌ها، نقاط ضعفی نیز در آن‌ها نمایان شد که در مقاله گیربکس CVT چیست به تفصیل بررسی شده است.

با رشد حضور خودروهای هیبرید تویوتا و لکسوس در بازار ایران، شناخت ساختار این گیربکس از یک بحث صرفاً فنی به یک نیاز واقعی بازار کار تبدیل شده است؛ چرا که کار روی این سیستم علاوه بر دانش مکانیکی، تسلط بر مدارهای ولتاژ بالا و موتورهای برقی را نیز می‌طلبد. دوره گیربکس تویوتا ایمگ این مباحث را به صورت عملی و روی گیربکس واقعی در دانشگاه صنعتی شریف آموزش می‌دهد.

گیربکس E-CVT چیست؟

در پی کاهش نقاط ضعف گیربکس CVT و استفاده بهینه‌تر از آن، نوآوری‌های ارزشمندی شکل گرفت که یکی از موفق‌ترین آن‌ها گیربکس E-CVT یا Electronic Continuously Variable Transmission است که توسط شرکت تویوتا ابداع و تولید شد. مهم‌ترین معایبی که این نوآوری‌ها در پی رفع آن بودند عبارت بود از شتاب‌گیری ضعیف خودرو، استهلاک زودهنگام در فشارهای زیاد، نیاز به تعمیرات در بازه‌های زمانی کوتاه‌تر و عدم امکان استفاده در خودروهای پرتوان.

چرا E-CVT با وجود نامش یک گیربکس CVT نیست؟

از نام این گیربکس چنین به نظر می‌رسد که سازوکاری همچون گیربکس‌های CVT دارد، در صورتی که هیچ شباهت ساختاری با انواع قبلی گیربکس‌های CVT ندارد. دلیل این نام‌گذاری صرفاً به وجود آوردن ضرایب دنده مختلف به صورت پیوسته است. در گیربکس CVT معمولی، تغییر ضریب از طریق تغییر قطر موثر پولی‌ها و جابه‌جایی تسمه فلزی انجام می‌شود، اما در E-CVT خبری از تسمه و پولی نیست و تغییر ضریب با کنترل الکترونیکی دور موتورهای الکتریکی صورت می‌گیرد.

گیربکس E-CVT روی چه خودروهایی نصب شده است؟

کاربرد اصلی این گیربکس در خودروهای هیبرید شرکت تویوتا است. نمونه‌هایی از این خودروها مانند Corolla، Camry و Corolla Cross در بازار ایران نیز عرضه شده‌اند و به دلیل کارایی بالایی که دارند، مورد استقبال طیف وسیعی از مصرف‌کنندگان قرار گرفته‌اند.

در خودروهای هیبرید تویوتا و لکسوس، از یک موتور بنزینی و دو موتور/ژنراتور استفاده شده است و این سه عامل تولید قدرت به شکل هوشمندانه‌ای با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. گفتنی است که موتورهای الکتریکی تحت شرایط مختلف می‌توانند به عنوان ژنراتور برای شارژ کردن باتری ولتاژ بالا نیز عمل کنند؛ از این رو به آن‌ها موتور/ژنراتور یا MG گفته می‌شود.

چرخ‌دنده سیاره‌ای چیست و چگونه کار می‌کند؟

مجموعه دنده سیاره‌ای ساده شامل سه عضو اصلی با نام‌های خورشیدی، قفسه و رینگی است. برای انتقال قدرت از یک عضو به عضو دیگر، نیاز داریم تا عضو سوم ثابت باشد و حرکت آزادانه نداشته باشد؛ در این صورت انتقال قدرت کامل و پایدار بین دو عضو اول انجام می‌شود. اگر عضو ثابتی در مجموعه وجود نداشته باشد، انتقال قدرت به صورت صحیح انجام نمی‌شود و عضوی که مقاومت کمتری دارد به چرخش در می‌آید. از همین اصل در گیربکس‌های اتوماتیک AT برای به وجود آوردن ضریب دنده‌های متفاوت استفاده می‌شود.

مجموعه Power Split در گیربکس E-CVT چه نقشی دارد؟

قسمت اصلی گیربکس E-CVT یک مجموعه سیاره‌ای است که در مرکز گیربکس قرار گرفته و وظیفه به وجود آوردن ضرایب دنده مختلف، انتقال قدرت موتورها به چرخ‌ها و شارژ باتری ولتاژ بالا را بر عهده دارد. به این مجموعه Power Split نیز گفته می‌شود. نحوه اتصال اجزا به اعضای این مجموعه در جدول زیر آمده است.

ساختار مجموعه Power Split و اتصال سه منبع قدرت به اعضای مجموعه سیاره‌ای

وظایف موتور الکتریکی اول (MG1) چیست؟

با توجه به اصول کارکرد چرخ‌دنده سیاره‌ای، برای انتقال قدرت بین موتور بنزینی و خروجی یعنی قفسه و رینگی، لازم است خورشیدی ثابت شود تا انتقال پایدار و مناسبی داشته باشیم. اما نکته اصلی این گیربکس در همین‌جا نهفته است؛ به‌جای ثابت کردن این عضو، خورشیدی به موتور الکتریکی اول یا همان MG1 متصل می‌شود و از گردش آزادانه آن جلوگیری می‌گردد. با این حال این موتور الکتریکی همواره ثابت نیست و امکان دوران به طرفین را به صورت کنترل‌شده دارد، و همین حرکت کنترل‌شده منجر به ایجاد ضرایب دنده متفاوت می‌شود.

علاوه بر ایجاد ضرایب دنده، MG1 دو وظیفه مهم دیگر نیز بر عهده دارد. نخست اینکه در لحظه روشن شدن خودرو، عملکردی مشابه استارتر دارد و موتور بنزینی را به حرکت درمی‌آورد. دوم اینکه در شرایط مناسب به عنوان ژنراتور عمل کرده و باتری ولتاژ بالا را شارژ می‌کند. در سمت دیگر مجموعه، موتور الکتریکی دوم یا MG2 مستقیماً به رینگی متصل می‌شود و این اتصال به منزله ارتباط مستقیم این موتور الکتریکی با چرخ‌هاست.

گیربکس E-CVT در حالت‌های مختلف چگونه کار می‌کند؟

با توجه به نحوه ارتباط موتورها با یکدیگر، این سیستم در شرایط مختلف کاری با روش‌های زیر خودرو را کنترل می‌کند.

شروع حرکت رو به جلو

در این حالت موتور بنزینی خاموش است که به منزله ثابت بودن قفسه محسوب می‌شود. نیروی مورد نیاز برای حرکت خودرو توسط موتور الکتریکی دوم یا همان MG2 تأمین می‌شود که مستقیماً به چرخ‌ها انتقال پیدا می‌کند. با توجه به اصول حرکتی چرخ‌دنده سیاره‌ای و به دلیل ثابت بودن قفسه، رینگی زمانی می‌تواند حرکت داشته باشد که خورشیدی در حالت آزاد باشد؛ در غیر این صورت کل مجموعه با هم یکپارچه و قفل می‌شوند. از این رو در زمان شروع حرکت خودرو، موتور الکتریکی اول به صورت آزادانه دوران می‌کند.

در شروع حرکت، موتور بنزینی خاموش است و MG2 نیروی لازم را تأمین می‌کند

استارت و شروع به کار موتور بنزینی

در این حالت موتور الکتریکی اول با دریافت جریان الکتریکی از باتری ولتاژ بالا، در جهت چرخش موتور بنزینی شروع به دوران می‌کند. به دلیل ثابت بودن خودرو و عضو رینگی، نیروی وارد شده از سمت MG1 به قفسه منتقل می‌شود و با چرخش قفسه، موتور بنزینی به حرکت در می‌آید و روشن می‌شود. این حالت در زمان حرکت خودرو نیز ممکن است رخ دهد.

MG1 با چرخاندن قفسه، موتور بنزینی را روشن می‌کند

حرکت در حالت نرمال

در این حالت موتور بنزینی روشن می‌شود و نیروی مورد نیاز برای حرکت خودرو را تأمین می‌کند. با توجه به شرایط رانندگی و بار وارده به خودرو، ضریب انتقال مناسب توسط موتور الکتریکی اول که به خورشیدی متصل است ایجاد می‌شود. همچنین در صورت نیاز به توان بیشتر در شرایط مختلف، MG2 نیز با تولید نیرو به موتور بنزینی کمک می‌کند.

دور MG1 ضریب انتقال متناسب با شرایط رانندگی را ایجاد می‌کند

حرکت در دنده عقب

برای حرکت در جهت عقب، تنها کافی است موتور الکتریکی دوم در جهت معکوس شروع به چرخش کند تا نیروی آن به چرخ‌ خودرو منتقل شود و خودرو در جهت عقب حرکت کند. در این حالت موتور بنزینی خاموش است و موتور الکتریکی اول به صورت آزاد دوران می‌کند تا از قفل شدن مجموعه سیاره‌ای جلوگیری شود.

در دنده عقب تنها MG2 در جهت معکوس می‌چرخد و MG1 آزاد است

شارژ باتری توسط موتور بنزینی

در زمان متوقف بودن خودرو و روشن بودن موتور بنزینی، به دلیل ثابت بودن رینگی در مجموعه سیاره‌ای، نیروی وارده از سمت قفسه ناگزیر به خورشیدی انتقال پیدا می‌کند که به منزله به حرکت درآمدن موتور الکتریکی اول با دور بالا است و از این طریق باتری ولتاژ بالا شروع به شارژگیری می‌کند. این حالت در زمان حرکت خودرو نیز امکان‌پذیر است.

در توقف خودرو، نیروی قفسه به خورشیدی منتقل و MG1 به ژنراتور تبدیل می‌شود

شارژ باتری هنگام ترمزگیری

در زمان ترمزگیری و شتاب منفی، نیرویی که از سمت چرخ‌ها به سیستم انتقال قدرت وارد می‌شود به موتورهای الکتریکی منتقل می‌گردد تا از این نیرو در جهت شارژ کردن باتری ولتاژ بالا استفاده شود. در این زمان چرخش چرخ‌ها به منزله چرخش رینگی و موتور الکتریکی دوم است؛ در نتیجه با تبدیل شدن MG2 به ژنراتور، باتری شروع به شارژگیری می‌کند.

هنگام ترمزگیری، MG2 نقش ژنراتور را ایفا می‌کند

دور MG1 چگونه ضریب دنده را تغییر می‌دهد؟

مهم‌ترین نکته در درک عملکرد گیربکس E-CVT این است که بسته به سرعت و جهت حرکت موتور الکتریکی اول که به خورشیدی متصل است، ضرایب انتقال متفاوتی ایجاد می‌شود. جدول زیر این رابطه را به صورت خلاصه نشان می‌دهد.

برای درک ساده‌تر این رابطه می‌توان گفت اگر موتور الکتریکی اول ثابت باشد، خورشیدی عضو ثابت مجموعه می‌شود و گشتاور از قفسه به رینگی انتقال پیدا می‌کند. اگر این موتور هم‌جهت با موتور بنزینی دوران کند، مقداری از دور موتور بنزینی را خنثی می‌کند و مقدار باقی‌مانده به رینگی منتقل می‌شود. و اگر در خلاف جهت موتور بنزینی بچرخد، تأثیر مثبت روی دور قفسه دارد و باعث افزایش دور رینگی می‌شود.

تفاوت گیربکس CVT، D-CVT و E-CVT در یک نگاه

سه گیربکس CVT، D-CVT و E-CVT هر سه ضرایب پیوسته ایجاد می‌کنند، اما از نظر ساختار و کاربرد تفاوت‌های اساسی دارند. برای آشنایی کامل با نسل میانی این خانواده می‌توانید مقاله گیربکس D-CVT را مطالعه کنید.

تعمیر گیربکس E-CVT چه تفاوتی با گیربکس‌های معمولی دارد؟

برخلاف گیربکس‌های معمول، این گیربکس فقط سیستمی برای انتقال قدرت نیست؛ بلکه با دربر داشتن دو موتور الکتریکی و کنترل‌کننده‌های پیشرفته، سیستمی برای مدیریت توان و انرژی است که پیچیدگی آن را دوچندان و تعمیرات آن را تخصصی می‌کند. از این رو برای تعمیر این نوع گیربکس، تنها مسلط بودن به علم مکانیک کلاسیک کافی نیست و مستلزم تسلط بر سیستم‌های الکترونیکی و نکات تعمیراتی اختصاصی این گیربکس است.

در عمل، عیب‌یابی این گیربکس در نقطه تلاقی دو تخصص قرار می‌گیرد. شناخت رفتار مجموعه سیاره‌ای و نحوه توزیع گشتاور میان اعضای آن، دانش مکانیکی می‌طلبد؛ در حالی که تحلیل عملکرد موتور/ژنراتورها، باتری ولتاژ بالا و واحدهای کنترلی، نیازمند تسلط بر برق و الکترونیک خودروست. اگر می‌خواهید این مهارت‌ها را به صورت عملی یاد بگیرید، دوره آموزش گیربکس اتوماتیک و دوره آموزش برق خودرو ایمگ در کارگاه دانشگاه صنعتی شریف این مباحث را روی خودروها و قطعات واقعی آموزش می‌دهند.

جمع‌بندی

گیربکس E-CVT را می‌توان یکی از متفاوت‌ترین نوآوری‌ها در زمینه سیستم‌های انتقال قدرت خودرو دانست که با ترکیب هوشمندانه موتور بنزینی و موتورهای الکتریکی، روشی متفاوت برای بهینه‌سازی سوخت و مدیریت توان ارائه می‌دهد. برخلاف CVT‌های معمول، در این سیستم خبری از تسمه و پولی برای ایجاد ضرایب انتقال نیست و تغییر رفتار مجموعه توسط موتورهای الکتریکی و به‌خصوص MG1 انجام می‌شود.

با استفاده از استراتژی‌های کنترلی که در این مقاله بررسی شد، مصرف سوخت خودرو به صورت قابل توجهی بهینه می‌شود و همزمان افزایش توان خودرو را نیز به همراه دارد. نحوه عملکرد این سیستم نشان می‌دهد که E-CVT تنها یک گیربکس نیست، بلکه بخشی از یک سیستم پیچیده برای مدیریت همزمان توان و انرژی در خودروهای هیبریدی است.

سوالات متداول درباره گیربکس E-CVT

گیربکس E-CVT چیست؟

گیربکس E-CVT یک سیستم انتقال قدرت مخصوص خودروهای هیبرید است که با یک مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای و دو موتور الکتریکی، ضرایب دنده را به صورت پیوسته و بدون تعویض دنده فیزیکی ایجاد می‌کند.

تفاوت گیربکس E-CVT با CVT معمولی چیست؟

در CVT معمولی تغییر ضریب از طریق تغییر قطر پولی‌ها و جابه‌جایی تسمه انجام می‌شود، اما در E-CVT هیچ تسمه و پولی وجود ندارد و ضریب انتقال با کنترل دور موتورهای الکتریکی روی مجموعه سیاره‌ای تعیین می‌شود.

آیا گیربکس E-CVT تسمه دارد؟

خیر. این گیربکس فاقد تسمه و پولی است و انتقال قدرت در آن تنها از طریق چرخ‌دنده انجام می‌شود. نام CVT صرفاً به دلیل پیوسته بودن ضرایب دنده روی آن گذاشته شده است.

MG1 و MG2 چه تفاوتی با هم دارند؟

موتور الکتریکی اول یا MG1 به خورشیدی متصل است و وظیفه ایجاد ضرایب دنده، استارت موتور بنزینی و شارژ باتری را بر عهده دارد. موتور الکتریکی دوم یا MG2 به رینگی متصل است و ارتباط مستقیم با چرخ‌ها دارد و نیروی محرکه خودرو را تأمین می‌کند.

آیا تعمیر گیربکس E-CVT تخصص جداگانه‌ای می‌خواهد؟

بله. این گیربکس علاوه بر بخش مکانیکی، شامل دو موتور الکتریکی، باتری ولتاژ بالا و واحدهای کنترلی پیشرفته است. به همین دلیل تعمیر آن نیازمند تسلط همزمان بر مکانیک و برق خودرو است.

نویسنده : مهندس ابوالفضل مهدی زاده