جعبه دنده خودرو چطور کار می کند؟

گشتاور تولیدی توسط موتور پس از انتقال توسط کلاچ به گیربکس یا جعبه دنده می رسد. وظیفه گیربکس یا جعبه دنده انتقال دور موتور با نسبتهای گوناگون و رساندن آن به خطوط انتقال و میل گاردان در خودروهای دیفرانسیل عقب یا مستقیماً به دیفرانسیل در خودروهای دیفرانسیل جلو است.

به گزارش خودروتک، قبل از معرفی قطعات و نحوه‌ی عملکرد جعبه‌دنده‌ی دستی، ابتدا باید با‌یکی از ابتدایی‌ترین و اساسی‌ترین قطعات مکانیکی موجود در جعبه‌دنده‌ها؛ چرخ‌دنده، آشنا شویم. چرخ‌دنده‌ها قطعاتی دندانه‌دار هستند که داخل آن‌ها سوراخی به اندازه‌ی قطر محور وجود دارد و چرخ‌دنده روی آن محور سوار می‌شود. هنگامی‌که بخواهیم ارتباطی بین دو محور برقرار کنیم، باید روی هر دوی آن‌ها، چرخ‌دنده قرار دهیم. در حقیقت چرخ‌دنده می‌تواند گشتاور را با تغییر جهت منتقل کند که با استفاده از آن‌ها، گشتاور و سرعت دورانی کنترل می‌شود.

اندازه‌ی دنده‌های چرخ دنده‌های درگیر باید یکسان باشد ولی قطر آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد؛ اگر قطر چرخ‌دنده‌ها با یکدیگر برابر باشد، سرعت آن دو محوری که چرخ‌دنده‌ها روی آن‌ها سوار است، یکسان خواهد بود، اما اگر قطر آن‌ها برابر نباشد، چرخ‌دنده‌ای که قطر کم‌تری دارد، (کوچک‌تر است) تعداد دور بیش‌تری می‌زند و در نتیجه سرعت بیش‌تری دارد.

جعبه دنده از تعدادی چرخ دنده تشکیل شده است ، به طوریکه همواره با ثابت بودن توان ورودی آن ،می توان دور و گشتاور خروجی را تغییر داد ، به نحوی که توان خروجی نیز ثابت و برابر با توان ورودی به جعبه دنده می باشد .

با توجه به رابطة (1-2) ، چنانچه تعداد دندانه های چرخ دنده های متحرک را به تعداد دندانه های چرخ دنده های محرک موجود در مسیر انتقال قدرت ،تقسیم گردد ، عددی بدست می آید که به آن نسبت دنده یا نسبت انتقال گفته می شود .

چنانچه i >1 باشد ، دور خروجی کمتر از دور ورودی و گشتاور خروجی بیشتر از گشتاور ورودی خواهد بود. به این حالت ، وضعیت کم دورانی (Under Drive ) گفته می شود و معمولاً در دنده های عقب ،1 ،2 و بعضاً 3 مورد استفاده قرار می گیرد .

چنانچه  i=1 باشد ، دور و گشتاور ورودی با دور و گشتاور خروجی برابر بوده و به این حالت ، وضعیت مستقیم (Direct Drive ) گفته می شود که معمولا در دنده های 3 یا 4 مورد استفاده قرار می گیرد .

اگر 1 >i باشد ، دور خروجی بیشتر از دور ورودی و گشتاور خروجی کمتر از گشتاور ورودی خواهد بود . به این حالت ، وضعیت  بیش دورانی (Over Drive) گفته می شود که در دندة 5 و بعضاً 4 مورد استفاده قرار می گیرد .

از طرفی باید توجه داشت که ، چنانچه تعداد چرخ دنده های درگیر با یکدیگر زوج باشند ، جهت اولین و آخرین چرخ دنده  برعکس هم می باشد در حالیکه اگر تعداد چرخ دنده های درگیر با یکدیگر فرد باشند ، جهت اولین و آخرین چرخ دنده برعکس یکدیگر خواهد بود .

شکل (1) اجزای یک جعبه دندة چهار سرعته را نشان می دهد .

1- چرخ دندة دنده عقب 2- گلدانی یا پوستة عقب گیربکس 3- شفت خروجی گیربکس 4- چرخ دندة هرزگرد دنده عقب 5- چرخ دندة دنده دو 6- کشویی و توپی دندة یک و دو 7- چرخ دندة دنده یک 8- درپوش جلویی گیربکس 9- پوستة گیربکس 10- چرخ دندة دنده چهار و شفت ورودی گیربکس 11- کشویی و توپی دندة سه و چهار 12- چرخ دندة دنده سه 13- چرخ دنده های شفت زیر از کوچک به بزرگ به ترتیب مربوط به دنده های یک تا چهار 14- شفت زیر 15- چرخ دندة هرزگرد دنده عقب که با چرخ دندة شماره (4) یکپارچه می شود 16- ماهک 17- اهرم های محرک ماهک ها 18- دنده برنجی

شکل 1- اجزای یک گیربکس چهارسرعته مربوط به خودرو RD

 

توجه به نکات ذیل جهت بررسی عملکرد گیربکس حائز اهمیت می باشد :

1-تمامی چرخ دنده های موجود برروی شفت خروجی(3) ، (چرخ دنده های مربوط به دنده های یک تا سه با شماره های 7 ، 5 و 12)هیچگونه درگیری با شفت خروجی نداشته و همگی در حالت عادی ،  برروی شفت خروجی هرز می چرخند ، به عبارتی دیگر تمامی این چرخ دنده ها در حالت عادی حول محور شفت خروجی و بدون ارتباط با شفت خروجی دوران می کنند .

2-چرخ دندة دنده عقب (1) همواره به شفت خروجی وصل بوده و دوران آن با دوران شفت خروجی یکسان است .

-تمامی چرخ دنده های شفت زیر (13) با هم یکپارچه بوده ، قدرت را از محور ورودی و چرخ دندة دنده چهار (10) دریافت نموده و همواره دوران کرده و قدرت را به چرخ دنده های دنده های یک تا سه (7 ، 5 و 12) منتقل نموده و این چرخ دنده ها نیز در حالت عادی به صورت هرزگرد حول محور شفت خروجی (3) دوران می کنند .

4-چرخ دنده های هرز گرد دنده عقب (4) و (15) به یکدیگر وصل بوده و برروی شفت خود آزادانه دوران می کنند و فقط در دندة عقب مورد استفاده قرار گرفته و قدرت را منتقل می کنند  و در سایر حالت ها عمل خاصی انجام نمی دهند .

با توجه به مطالب فوق و شکل (2) ، ملاحظه می گردد که در حالت خلاص ، شفت ورودی تمامی چرخ دنده های شفت زیر را می چرخاند . از طرفی چرخ دنده های شفت زیر به تمامی چرخ دنده های واقع شده بر روی شفت خروجی و یکی از چرخ دنده های هرزگرد دندة عقب وصل می باشند و همة این چرخ دنده ها به صورت هرز دوران می کنند و چون هیچ کدام از چرخ دنده ها به شفت خروجی وصل نیستند ، قدرتی به شفت خروجی منتقل نمی شود.

شکل 2- شماتیک گیربکس چهار سرعته

 

دقت کنید که دو عدد چرخ دندة هرزگرد مربوط به دندة عقب در کنار چرخ دنده های شفت زیر قرار گرفته اند در حالیکه چرخ دنده های واقع شده بر روی شفت خروجی در قسمت بالای چرخ دنده های شفت زیر قرار گرفته اند .

وضعیت دنده یک :

شکل (3) وضعیت دندة یک را نشان می دهد .

شکل 3-وضعیت دنده یک

 

با توجه به شکل (3) ، با حرکت کشویی دندة یک و دو به سمت چرخ دندة دنده یک ، چرخ دندة دنده یک برروی شفت خروجی به شفت خروجی وصل شده در حالیکه بقیه چرخ دنده های روی شفت خروجی ، هرزگرد می باشند . بنابراین دور و گشتاور به ترتیب زیر منتقل می شود :

شفت ورودی – چرخ دندة دنده چهار روی شفت ورودی – چرخ دندة دنده چهار روی شفت زیر – چرخ دندة دنده یک روی شفت زیر – چرخ دندة دنده یک روی شفت خروجی – کشویی – توپی – محور یا شفت خروجی گیربکس

در این حالت دور خروجی جعبه دنده کاهش یافته در حالیکه گشتاور خروجی جعبه دنده افزایش می یابد و باید توجه نمود که توان ورودی به جعبه دنده با توان خروجی از جعبه دنده برابر خواهد بود .

وضعیت دنده دو :

شکل (4) وضعیت دندة دو را نشان می دهد .

شکل 4-وضعیت دنده دو

 

با توجه به شکل (4) ، با حرکت کشویی دندة یک و دو به سمت چرخ دندة دنده دو ، این چرخ دنده را به شفت خروجی وصل می کند . در این حالت ابتدا چرخ دندة دنده یک از درگیری خارج شده وگیربکس خلاص می شود ، سپس با درگیر شدن چرخ دندة دنده دو بر روی شفت خروجی ، وضعیت دنده دو مطابق شکل (4) ایجاد می شود  .

مسیر انتقال قدرت به شرح ذیل می باشد . ( بقیه چرخ دنده های موجود برروی شفت خروجی هرزگرد هستند ) :

شفت ورودی – چرخ دندة مربوط به دنده چهار روی شفت ورودی – چرخ دندة دنده چهار روی شفت زیر – چرخ دندة دنده دو روی شفت زیر – چرخ دندة دنده دو روی شفت خروجی – کشویی – توپی – محور یا شفت خروجی گیربکس

در این حالت نسبت به دنده یک دور خروجی بیشتر و گشتاور خروجی کمتر می شود و باز هم باید به یکسان بودن توان ورودی و خروجی جعبه دنده توجه نمود .

وضعیت دنده سه :

شکل (5) وضعیت دندة سه را نشان می دهد .

شکل 5- وضعیت دنده سه

 

با توجه به شکل (5) ، با قراردادن کشویی دنده های یک و دو در وسط ، گیربکس خلاص می شود از طرفی با حرکت کشویی دنده های سه و چهار به سمت چرخ دندة دنده سه برروی شفت خروجی ، این چرخ دنده به شفت خروجی جعبه دنده  وصل شده و بقیة چرخ دنده های موجود بر روی شفت خروجی به حالت هرزگردی در می آیند ، لذا وضعیت دنده سه ایجاد شده و مسیر انتقال قدرت به شرح ذیل می باشد :

شفت ورودی – چرخ دندة دنده چهار روی شفت ورودی- چرخ دندة دنده چهار روی شفت زیر – چرخ دندة دنده سه روی شفت زیر – چرخ دندة دنده سه روی شفت خروجی – کشویی – توپی – محور یا شفت خروجی گیربکس

در این حالت نسبت به دنده دو ، دور خروجی بیشتر و گشتاور خروجی کمتر می شود ، در حالیکه توان ورودی به گیربکس برابر با توان خروجی از گیربکس می باشد .

وضعیت دنده عقب :

شکل (6) وضعیت دندة چهار را نشان می دهد .

شکل 6- وضعیت دنده عقب

 

مطابق شکل (6) ، با قرار دادن کشویی های دنده های یک تا چهار در وضعیت وسط گیربکس خلاص می شود .

حال با متصل کردن چرخ دندة مربوط به دنده عقب برروی شفت خروجی (1) ، به چرخ دندة هرزگرد دنده عقب (4) ، وضعیت دنده عقب ایجاد می شود .

نحوة انتقال قدرت در دنده عقب به شرح ذیل می باشد :

شفت ورودی – چرخ دندة دنده چهار روش شفت ورودی – چرخ دندة دنده چهار روی شفت زیر – چرخ دندة دنده یک روی شفت زیر – چرخ دنده های هرزگرد دنده عقب –چرخ دندة دنده عقب روی شفت خروجی – شفت خروجی

بنابراین با استفاده از چرخ دنده های هرزگردی که بین چرخ دندة دنده یک روی شفت زیر و چرخ دندة دنده عقب روی شفت خروجی واقع شده اند ، جهت دور برعکس شده و وضعیت دنده عقب ایجاد می شود .

در این حالت دور و گشتاور خروجی به دور و گشتاور خروجی در وضعیت دنده یک نزدیک است .

شکل (7) وضعیت های مختلف درگیری یک گیربکس 5 سرعته ، مربوط به یک خودرو جلو محرک (FD) را نشان می دهد .

لازم به ذکر است که در این نوع جعبه دنده ها ، با توجه به هم جهت بودن دور میل لنگ و دور چرخ ها فقط از یک شفت ورودی و یک شفت خروجی استفاده شده است و شفت زیر حذف شده است .

شکل 7- وضعیت های مختلف گیربکس 5 سرعته جلو محرک

 

شکل (8) نیز وضعیت دنده عقب گیربکس مذکور را نشان می دهد .

شکل 8- وضعیت دنده عقب گیربکس 5 سرعته جلو متحرک

 

توجه کنید که در اکثر گیربکس ها دنده های مربوط به چرخ دنده های دنده عقب از نوع مستقیم هستند. به همین دلیل در این نوع خودروها به هنگام حرکت در دندة عقب تولید صدا می کنند ، ولی چون دنده های مربوط به چرخ دنده های سایر دنده ها ، مورب هستند ، در دنده های رو به جلو صدایی تولید نمی شود .

لازم به ذکر است که چرخ دنده های  با دندانه های مستقیم با حرکت محوری با هم درگیر شده و یا خلاص می شوند در حالیکه چرخ دنده های با دندانه های مورب را نمی توان با حرکت محوری به یکدیگر وصل نمود و یا خلاص کرد ، بلکه چرخ دنده های با دندانه های مورب همواره با هم درگیر هستند ، فقط باید در صورت نیاز به انتقال قدرت توسط چرخ دندة مورد نظر ، بوسیلة مکانیزم هماهنگ کنندة دور یا سنکرونیزه ، چرخ دندة مذکور را با محور یا شفت درگیر نمود یا خلاص کرد .

شکل (9) مجموعة سنکرونیزه را نشان می دهد .

1- کشویی 2- شیار حلقوی 3- دندة داخلی کشویی 4- دندة بیرونی توپی 5- توپی 6- دندانة دنده برنجی 7- قسمت مخروطی چرخ دنده (کلاچ مخروطی ) 8- چنگک یا کلاچ چنگکی چرخ دنده 9- چرخ دنده 10- خارموشکی 11- فنر 12- دنده برنجی

شکل9-ساختار مجموعة سنکرونیزه

 

در حالت واقعی با توجه به شکل (1) و (10) ، یک مجموعة سنکرونیزه بین دو چرخ دنده از دو دندة مختلف قرار می گیرد . مثلاً دنده های یک و دو ، دارای یک مجموعة سنکرونیزه و دنده های سه و چهار نیز دارای یک مجموعة سنکرونیزه دیگر می باشند .

1- چرخ دندة مربوط به دندة یک 2- چنگک یا کلاچ چنگکی 3- دنده برنجی 4- خارحلقوی 5- کلاچ مخروطی یا سطح مخروطی چرخ دنده و برنجی 6- یاتاقان سوزنی 7- خارتثبیت کنندة توپی 8- توپی 9- شفت خروجی گیربکس 10- خارموشکی 11- کشویی 12- محل قرار گیری ماهک 13- چرخ دندة مربوط به دنده یک

شکل 10- مجموعه سنکرونیزه در حالت خلاص

 

در شکل (11) برای بررسی نحوة عملکرد مجموعة سنکرونیزه ، از مجموعة سنکرونیزة دنده های یک و دو استفاده شده است . همانگونه که ملاحظه می شود هرچرخ دنده از سه قسمت تشکیل شده است :

–  قسمت مخروطی چرخ دنده که به همراه قسمت مخروطی دنده برنجی ، یک کلاچ مخروطی (5) را تشکیل می دهند ، به عبارتی اگر سطح مخروطی دنده برنجی به سطح مخروطی چرخ دنده بچسبد ، دور دنده برنجی و چرخ دنده یکسان می شود .

–  قسمت چنگکی چرخ دنده (2) که به همراه چنگک های دنده برنجی و دنده های داخلی کشویی (11) ، تشکیل کلاچ چنگکی می دهند . یعنی چنانچه دور چرخ دنده ، دنده برنجی ، و کشویی با یکدیگر برابر شود ، با حرکت کشویی به سمت چرخ دنده ، دنده های داخلی کشویی با چنگک های چرخ دنده ، درگیر شده و چرخ دنده به کشویی وصل می شود.

کشویی نیز که از سمت دیگر به توپی وصل بوده و توپی نیز به محور خروجی وصل می باشد . بنابراین توان از چرخ دنده به کشویی ، از کشویی به توپی و از توپی به محور خروجی گیربکس منتقل می شود .

–  قسمت دنده های خارجی چرخ دنده که با دنده های شفت زیر درگیر شده و وظیفة انتقال توان را برعهده دارند .

–  در هنگام تعویض دنده ، راننده با اعمال نیرو به اهرم تعویض دنده ، حرکت دست راننده از طریق اهرم تعویض دنده به میل ماهک (قطعة 16در شکل (7-2)) و از ماهک مطابق شکل (18-2)به کشویی منتقل می شود.

شکل 11-مجموعة سنکرونیزه در حال هم دور کردن اجزا

 

از آنجایی که درون کشویی شیاری حلقوی وجود دارد و در قسمت پشت خارموشکی نیز برآمدگی منطبق بر شیار درون کشویی ایجاد شده است ، با حرکت کشویی ، ابتدا کشویی خارموشکی را در راستای محوری حرکت می دهد و از آنجایی که لبه خارموشکی نیز در شیار دنده برنجی قرار گرفته است ، دنده برنجی نیز حرکت محوری انجام داده و به سمت چرخ دنده حرکت می کند . با رسیدن دنده برنجی به قسمت مخروطی چرخ دنده و اعمال نیروی بیشتری از طریق دست راننده ، اهرم تعویض دنده ، میل ماهک ، ماهک ، کشویی ، خارموشکی و دنده برنجی ، قسمت مخروطی دنده برنجی و چرخ دنده بر هم منطبق شده و نیروی اصطکاک بین دو سطح مخروطی باعث هم دور شدن چرخ دنده (که قبلا به صورت هرز برروی شفت خروجی در حال دوران بوده است) با دنده برنجی ، خارموشکی ، کشویی ، توپی و نهایتاً شفت خروجی می شود.

هنگامی که کشویی و چرخ دنده هم دور شدند ، با اعمال نیروی بیشتری ، چون دنده برنجی و خارموشکی امکان حرکت خطی بیشتر ندارند ، دندانه های داخل کشویی به برآمدگی خارموشکی نیرو اعمال کرده و خارموشکی ها که برروی خار حلقوی ((4)در شکل (10)) سوار شده اند ، خارحلقوی را کمی جمع کرده و خارهای موشکی به سمت داخل توپی حرکت می کنند و امکان حرکت خطی بیشتر کشویی ، مطابق شکل (12) فراهم می شود .

شکل 12- مجموعة سنکرونیزه بعد از انجام تعویض دنده

 

در این صورت کشویی تا انتها حرکت کرده و دندانه های داخلی کشویی با چنگک های چرخ دنده درگیر می شوند . از این رو قدرت از چرخ دنده و چنگک ها به کشویی ، از کشویی به توپی و از توپی به شفت خروجی منتقل شده و عمل تعویض دنده به نرمی و بدون سر و صدای ناشی از درگیری دنده های چرخ دنده ها با یکدیگر انجام می گیرد .

منبع: ایمگ