سیستم انتقال دستی (دنده) چگونه کار می کند؟

آیا تا به حال پشت فرمان اتومبیل نشسته اید؟ کنار دست راننده چطور؟

همیشه اولین سوالی که در این موقعیت پیش می آید، این است که چرا راننده مجبور است مدام دنده عوض کند؟ چرا نمی شود فقط با بیشتر گاز دادن، تندتر رفت؟

اگر کمی درباره دنده بدانید، سوال هایتان هم کمی پیشرفته تر می شود. ممکن است از خودتان بپرسید وقتی در دنده عوض کردن اشتباه می کنید، آیا ممکن است دنده ها خرد شوند یا اینکه وقتی کلاچ را زود رها می کنید یا دیر کلاچ می گیرید، سر و صدایی که می شنوید، از کجا می آید. آیا ممکن است در اثر رانندگی اشتباه، دنده ها خراب شوند؟

در این مقاله شما می توانید پاسخ همه این سوال ها را پیدا کنید و با سیستم انتقال دستی (گیربکس) آشنا شوید.

همانطور که در مقاله اختصاصی «موتور اتومبیل چگونه کار می کند؟» بیان شد با احتراق سوخت در سیلندر، پیستون ها بالا و پایین می روند. این حرکت خطی توسط شاتون ها به حرکت چرخشی میل لنگ حول محور خود تبدیل می شود. در انتهای میل لنگ هم فلایویل قرار دارد. صفحه کلاچ در تماس با صفحه فلایویل، نیرو را با کمک میله (شفت) به چرخ دنده ها (گیربکس) منتقل می کند. چرخ دنده ها بوسیله مکانیزمی، سرعت چرخش چرخ ها را بر اساس خواست راننده (تعویض دنده) تنظیم می کند. در آن سوی جعبه دنده، میله ای به نام میل گاردان، توسط چهار شاخ نیرو را به عقب اتومبیل منتقل می نماید. در آنجا دیفرانسیل، چرخش میل گاردان را عمود بر محور میل گاردان به چرخ های عقب منتقل کرده و باعث چرخیدن آنها می شود.

سیستم انتقال قدرت این امکان را ایجاد می کند که با کم و زیاد شدن سرعت خودرو، نسبت دنده بین موتور و چرخ های خودرو تغییر کند. بطور ایده آل، جعبه دنده باید آنقدر در نسبت دنده ها قابلیت تغییر داشته باشد که موتور بتواند همیشه با تعداد دور مناسب در بهترین شرایط عملکردی موتور بچرخد.

دنده چه کار می کند؟

برای اینکه دور موتور از حد معین بالاتر نرود، موتور نیاز به دنده دارد. اگر دقت کرده باشید در کنار سرعت سنج ماشین ها عقربه دیگری وجود دارد که دور موتور را نشان می دهد. در قسمت انتهایی این عقربه ناحیه ای وجود دارد که با رنگ قرمز مشخص شده است. اگر موتور ماشین مدتی در این محدوده کار کند، احتمال دارد صدمه دیده و از کار بیافتد. اگر سرعت کار موتور از حد معینی تجاوز کند حتی ممکن است باعث انفجار آن شود.

علاوه بر این، بیشترین توان و گشتاور موتور در یک محدوده خاص از دور موتور بدست می آید و هرچه از این محدوده دور شویم، توان موتور افت می کند. کاری که دنده می کند، این است که بدون تغییر دور موتور، امکان رسیدن به سرعت های مختلف را فراهم می نماید. با دنده عوض کردن، موتور را در بهترین وضعیت خود حفظ می کنید، اما در عین حال می توانید در سرعت های مختلف برانید.

دنده از یک طرف با کلاچ به موتور وصل می شود و از طرف دیگر با یک محور به دیفرانسیل متصل است. حرکت از موتور می آید، سرعت و قدرت آن در دنده تنظیم می شود و توسط محور و دیفرانسیل به چرخ ها منتقل می گردد. در یک ماشین پنج دنده معمولی، پنج جفت چرخ دنده با نسبت های مختلف وجود دارد که پنج سرعت مختلف را در خروجی ایجاد می کنند. در جدول زیر تعدادی از این نسبت ها برای مثال آورده شده است.

در جدول فوق فرض شده است که دور موتور در 3000 دور در دقیقه ثابت باقی بماند.

جعبه دنده ها معمولاً از طریق کلاچ به موتور وصل می شوند. بنابراین محور ورودی جعبه دنده، همان محور خروجی کلاچ است که دقیقاً با دورهای میل لنگ موتور می چرخد. یک جعبه دنده 5 سرعته یکی از 5 نسبت دنده را برای محور ورودی بکار می گیرد تا تعداد دورهای متفاوتی در محور خروجی ایجاد کند.

برای اینکه با نحوه کار دنده ماشین آشنا شوید، در شکل زیر، جعبه دنده یک ماشین فرضی نشان داده شده است. ما در این تصویر فرض کرده ایم که دنده ماشین خلاص است، یعنی هیچ نیرویی از موتور به چرخ ها منتقل نمی شود. بیایید با هم نگاهی به قسمت های مختلف شکل بیندازیم تا وظیفه هر یک را برای شما شرح دهیم:

محور سبز رنگ به کلاچ متصل است. این محور و چرخ دنده با هم کار می کنند. کلاچ ابزاری است که انتقال نیروی موتور به جعبه دنده را کنترل می کند. وقتی پایتان را روی کلاچ فشار می دهید، ارتباط موتور و جعبه دنده قطع می شود؛ پس موتور می تواند کار کند در حالی که ماشین ثابت است. اگر پدال را رها کنید، محور به موتور متصل می شود و چرخ دنده با همان سرعت موتور شروع به چرخش می کند.

محور زیرین (قرمز رنگ) و چرخ دنده های سوار بر آن، محور کمکی نامیده می شوند. کل این مجموعه به هم متصل است، پس تمام چرخ دنده های روی آن با هم حرکت می کنند.

محور سمت راست (زرد رنگ) و محور زیرین توسط دو چرخ دنده مستقیماً به هم متصل هستند و اگر محور متصل به کلاچ حرکت کند، محور کمکی زیرین نیز می چرخد. به این ترتیب هر وقت که پای شما روی کلاچ نباشد، قدرت از موتور به محور کمکی می رسد. محور بالایی یک محور دندانه دار است که محور محرک نامیده می شود. محور محرک نیز از طریق دیفرانسیل به چرخ های ماشین متصل می شود و آنها را به حرکت در می آورد. هر زمان که چرخ های ماشین بچرخند، محور محرک هم در حال چرخش است.

چرخ دنده های این محور روی بلبرینگ قرار گرفته اند، پس می توانند مستقل از محور محرک بچرخند. اگر موتور خاموش باشد، ولی ماشین حرکت کند، محور محرک می تواند در درون این چرخ دنده ها بچرخد، در حالی که چرخ دنده های آن و نیز محور کمکی بی حرکت باشند. وظیفه حلقه ی دندانه دار این است که یکی از چرخ دنده های بالایی را به محور محرک متصل کند. این حلقه به محور متصل است و همراه آن می چرخد.

حلقه دندانه دار همچنین به کمک دسته دنده می تواند به چپ و راست حرکت کند تا با یکی از چرخ دنده ها درگیر شود. روی حلقه برآمدگی هایی است که با سوراخ هایی که روی چرخ دنده های بالایی تعبیه شده است، چفت می شود. اگر حلقه بین دو دنده باشد، می گوییم دنده خلاص است. در این حالت همه چرخ دنده های فوقانی روی بلبرینگ های خود می چرخند، اما محور محرک آنها ثابت است.

حالا که نحوه کار هر یک از این قسمت ها را فهمیدید، فرض می کنیم که ماشین با دنده یک حرکت کند. همانطور که در شکل زیر می بینید، وقتی دنده را جا می زنید، حلقه دندانه دار به چرخ دنده شماره 1 می چسبد. در این حالت، نیز محور سمت چپ که به موتور متصل است، محور کمکی را می چرخاند. هر سه چرخ دنده بالایی همراه محور کمکی به حرکت در می آیند، اما چون حلقه دندانه دار فقط به چرخ دنده سمت راستی متصل است، محور محرک فقط با سرعتی برابر آن حرکت می کند. چرخ دنده های سمت چپ هم روی بلبرینگ خود، هرز می چرخند.

همگام ساز

اگر بخواهید از این دنده در یک ماشین واقعی استفاده کنید، برای دنده عوض کردن باید دو بار کلاچ بگیرید. تمام ماشین های قدیمی همین طور بودند، هنوز هم تعدادی از ماشین های مسابقه ای با این سیستم کار می کنند.

فکر می کنید چرا باید دو بار کلاچ بگیرید؟ بار اول که کلاچ می گیرید، ارتباط موتور با جعبه دنده قطع می شود. پس فشار از روی برآمدگی های روی حلقه برداشته می شود تا شما بتوانید حلقه را به حالت خلاص منتقل کنید. بعد کلاچ را رها می کنید و موتور را به سرعت مناسب می رسانید. منظور از سرعت مناسب، دور موتوری است که با دنده بعدی تناسب دارد؛ یعنی کاری می کنید که برآمدگی های روی حلقه و چرخ دنده ای که مربوط به دنده بعدی است با سرعت یکسانی بچرخند تا برآمدگی های روی حلقه بتوانند در چرخ دنده چفت شوند. حالا مجبور هستید یکبار دیگر کلاچ را فشار دهید تا حلقه و دنده جدید با هم درگیر شوند. برای حل این مشکل، روی ماشین های جدید از سینکرونایزر (Synchronizers) یا همگام ساز استفاده می شود.

همگام ساز این امکان را ایجاد می کند که حلقه و دنده، قبل از چفت شدن برآمدگی های روی حلقه، با هم تماس برقرار کنند. بنابراین حلقه و دنده می توانند قبل از اینکه چرخ دنده با برآمدگی های روی حلقه درگیر شود، سرعت شان را با هم وفق دهند.

به شکل زیر دقت کنید. مخروط روی چرخ دنده در حفره مخروطی حلقه قرار می گیرد و اصطکاک آن با حلقه باعث همگام شدن حرکت حلقه و دنده می شود. سپس بخش بیرونی حلقه طوری می لغزد که برآمدگی های روی حلقه بتواند با دنده درگیر شود.

دنده عقب

برای دنده عقب، یک چرخ دنده کوچک اضافه شده است. این چرخ دنده نقش خاصی ندارد و فقط جهت حرکت را عوض می کند. این چرخ دنده را چرخ دلاله می نامند. دنده عقب همیشه در جهت مخالف بقیه چرخ دنده ها می چرخد. بنابراین وقتی ماشین در حال حرکت رو به جلو است، نمی توانید ناگهان با دنده عقب حرکت کنید، چون برآمدگی های روی حلقه دندانه دار با سوراخ های روی چرخ دنده، درگیر نخواهند شد.

دنده عقب به خاطر جهت چرخش معکوس خود، باید با یک چرخ دنده میانی دیگر درگیر باشد. دندانه های چرخ دنده های عقب از نوع ساده هستند. ساده بودن این چرخ دنده باعث ایجاد مقداری سر و صدا و نیز افزایش تنش روی دندانه ها می شود. صدایی که شما در هنگام تعویض دنده عقب می شنوید، صدای برخورد و درگیری دنده های ساده عقب با یکدیگر است.

حالا چند نکته به شما می گوییم که به احتمال زیاد جواب سوال هایی است که پیش از خواندن این مطلب در ذهن شما وجود داشت:

• وقتی در تعویض دنده اشتباه می کنید، سر و صدای عجیبی که می شنوید صدای خرد شدن چرخ دنده های جعبه دنده نیست. همانطور که در تمام شکل های قبلی دیدید، تمام چرخ دنده های جعبه دنده همیشه در حال چرخش هستند. صدا، مربوط به برآمدگی های روی حلقه است که می خواهند درون سوراخ های چرخ دنده ها قرار گیرند، اما به دلیل بی دقتی شما نمی توانند این کار را انجام دهند. حالا می توانید بفهمید که چطور یک حرکت خطی کوچک دسته دنده باعث تعویض دنده می شود. دسته دنده، میله ای را جابجا می کند که به اهرم متصل است. اهرم نیز حلقه روی محور محرک را جابجا می کند تا آن را به یکی از دو چرخ دنده بچسباند.

• چرا راننده ها با دنده یک شروع به حرکت می کنند؟
  برای شروع حرکت، اتومبیل به نیروی زیاد نیاز دارد. انتقال نیروی زیاد با شتاب کم به چرخ به کمک دنده یک انجام می شود. با حرکت اتومبیل و با رسیدن به سرعت کافی، دنده شماره بالاتر را انتخاب می کنند تا سرعت و شتاب اتومبیل هم بیشتر شود. اگر راننده بخواهد با دنده بالا مثل 3 یا 4 شروع به حرکت کند، چون این دنده ها نیروی کافی برای شروع حرکت را انتقال نمی دهند، اتومبیل نخواهد توانست حرکت کند و بنابراین خاموش می شود. همچنین در سربالایی ها چون نیروی زیادی برای بالا کشیدن اتومبیل نیاز هست، راننده ها از دنده های سنگین 1 یا 2 استفاده می کنند.
• چرا نباید با دنده خلاص در سرپایینی ها حرکت کرد؟
  دنده، خود نوعی ترمز محسوب می گردد و مانع از شتاب گرفتن بیش از حد اتومبیل می شود. اگر در سرپایینی دنده را خلاص کنید، اتومبیل به خاطر نیروی وزن خود شتاب می گیرد و مدام بر سرعت آن افزوده می شود. به این ترتیب، کنترل اتومبیل پس از چند ثانیه مشکل خواهد شد. به همین دلیل رانندگان با تجربه توصیه می کنند با همان دنده ای که از سربالایی بالا رفته اید، از سرپایینی پایین بیایید. خاموش کردن موتور در حین پایین آمدن در شیب ها نیز بسیار خطرناک است. چون علاوه بر شتاب اتومبیل، بوستر کمکی ترمز هم عمل نمی کند. در این صورت پدال ترمز سفت می شود و شما نمی توانید اتومبیل را به راحتی متوقف کنید.

دیفرانسیل

دیفرانسیل وسیله ای است که گشتاور انتقالی از موتور را دو قسمت می کند تا هر قسمت جداگانه چرخی را به گردش در آورد. وظیفه دیگر دیفرانسیل، تنظیم سرعت چرخش چرخ ها به هنگام دور زدن ماشین است. وقتی که اتومبیل روی جاده در خط مستقیم حرکت می کند، چرخ ها با سرعت های برابر می چرخند، اما وقتی که اتومبیل می پیچد، چرخ ها باید با سرعت های متفاوت بچرخند.

چرخ دنده های محفظه دیفرانسیل طوری طراحی شده اند که امکان چرخش چرخ ها با سرعت های متفاوت، فراهم شده است. به هنگام دور زدن ماشین، چرخ داخلی نسبت به محفظه با سرعت کمتری می چرخد، در حالی که چرخ بیرونی سریع تر می چرخد.

انیمیشن زیر عملکرد داخلی سیستم انتقال دستی چهار دنده ای به همراه دنده عقب را نشان می دهد.

هر سازنده خودرویی از ایده های مختلف استفاده می کند، اما موارد بیان شده، ایده ای کلی و پایه ای هستند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «سیستم انتقال دستی (دنده) چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.