چكيده
با علم به اين كه محدوديت در منابع مواد اوليه و شرايط زيست محيطي عواملي هستند كه امروزه همه اختراعات و پيشرفتها را تحت تاثير قرار مي دهند ولي در كنار اين عوامل، رفاه بيشتر هميشه مدنظر بوده است.

گيربكس‌هاي اتوماتيك كه از اواخر دهه ۴۰ ميلادي در اتومبيلهاي آمريكايي عرضه شدند تاكنون سير تكاملي بسيار طولاني را پيموده‌اند. راحتي استفاده از اين گيربكس‌ها و نيز استهلاك كمتر گيربكس و مجموعه هاي مرتبط با آن، بسياري رانندگان را به قبول هزينه بيشتر خريد و نگهداري آنها ترغيب مي‌كند. هدف اين پروژه معرفي و بررسي ساختار و عملكرد قسمتهاي اصلي گيربكس اتوماتيك خودروهاي سبك است. براي يك بررسي اجمالي ، گيربكس‌ اتوماتيك درسه جزء اصلي در نظر گرفته شده است:
۱-مبدل گشتاور
۲-مجموعه چرخدنده هاي سياره‌اي و عملكرد آنها
۳-ساير ابزارها و وسيله‌هاي به كار رفته در ارتباط با اجزاي قبلي، و در فصل آخر محاسبات طراحي يك گيربكس نمونه، به طور محدود انجام شده است.

مقدمه
اگر حركت خودروها فقط با سرعت زياد صورت مي‌گرفت و نيز حركت فقط در جاده‌هاي مسطح انجام مي‌شد در اين صورت اگر قدرت توليدي موتور مستقيما به چرخها منتقل مي‌شد، موتور قادر بود تا اتومبيل را به حركت درآورد اما وقتي كه خودرو مي‌خواهد از حال سكون شروع به حركت نمايد و يا هنگامي كه در سربالائي تند در حركت است موتور قادر به تامين گشتاور مورد نياز براي به حركت در آوردن چرخها، نخواهد بود در اين جاست كه نياز به يك سيستم افزايش دهنده گشتاور احساس مي‌شود همين احساس نياز باعث شده است تا وسيله‌اي بنام گيربكس ابداع شود و همانند يك اهرم مكانيكي عمل مي‌كند و با افزايش گشتاور، سرعت را كاهش مي‌دهد و برعكس.

وقتي مسير انتقال قدرت در خودرو را در نظر بگيريم مي‌بنييم كه گيربكس در اين مسر نقش يك عضو واسطه را دارد، يعني نه توليد كننده توان است و نه مصرف كننده آن.
مسير انتقال قدرت، شامل اجزاء محرك بين فلايويل موتور و چرخهاي محرك مي‌باشد. كه شامل كلاچ، گيربكس،‌ كاردان ، قفل كاردان،‌ديفرانسيل و اكسل عقب مي‌باشد. در اين مسير قدرت، نسبت دنده‌هاي گيربكس و ديفرانسيل به كار برده شده تا دور موتور را كنترل نموده و گشتاور لازم را توليد نمايد.
گيربكس يك تغيير دهنده گشتاور است و متناسب با بار وسيله نقليه،‌گشتاور و دور خروجي از موتور را تغيير مي‌دهد.

منظوراز گشتاور عبارت است از نيروي پيچشي كه براي چرخاندن محور بر آن وارد مي‌شود. (اشكال الف و ب)
شكل الف: براي حركت اتومبيل به گشتاور نياز است.
گشتاور عبارتست از نيروي پيچش وار به محور كه
در شكل با دست نشان داده شده است.
شكل ب: براي به حركت درآوردن اتومبيل در
سربالايي گشتاور موتور كافي نيست و بايد

آن را با يك وسيله مبدل گشتاور افزايش داد. در
اين شكل نيروي پيچش دست از طريق دنده
افزايش حاصل نموده است.
به طور كلي گيربكس اعم از دستي يا اتوماتيك نقش عمده‌اي در عملكرد (performance) اتومبيل دارد منظور از عملكرد آن دسته از خصوصيات اتومبيل است كه به صورت كمي قابل بيان هستند مانند سرعت و شتاب، خصوصيات ديناميكي نظير قابليت هدايت و كنترل (Handling) يا كيفيت سواري (Ride) كه به صورت كيفي ارزيابي مي‌شوند جزو عملكرد اتومبيل منظور نمي‌شوند. به همين ترتيب وقتي صحبت از عملكرد موتور اتومبيل مي‌شود كمياتي چون قدرت (Power) و گشتاور (Torque) توليد شده توسط موتور مورد نظر است و كيفياتي چون نرمي و يا خشن بودن كاركرد موتور جزو عملكرد آن در نظر گرفته نمي‌شود.

گيربكس اتوماتيك تمام وظايف گيربكس دستي را به نحو احسن انجام مي‌دهد و علاوه بر آن داراي مزاياي است كه بارزترين آن راحتي رانندگي با اتومبيلهاي داراي گيربكس اتوماتيك است و اين براي انسان رفاه طلب امروزي،‌مطلوب‌تر است. ديگر مزيت گيربكس اتوماتيك در اينست كه چون ارتباط بين موتور و گيربكس از طريق ناز بالشي به نام مبدل گشتاور صورت مي‌گيرد و هيچ ارتباط صلب و مكانيكي بين اين دو وجود ندارد به همين دليل ضربه‌ها و ارتعاشات چه از جانب موتور و چه از جانب چرخها وقتي به مبدل مي‌رسند، خنثي شده و از بين مي‌روند. اين خصيصه باعث مي‌شود تا استهلاك اجزاي گيربكس و مجموعه هاي مرتبط با آن بسيار كاهش پيدا كند.

گيربكس‌هاي اتوماتيك با اين خصيصه‌هاي ارزشمند روز به روز مسير تكامل و پيشرفت را در صنعت خودروسازي طي كرده‌اند و از مدلهاي اوليه كه داراي اهرم تعيين وضعيت دنده بودند به مدلهاي پيشرفته امروزي رسيده‌اند كه ميني كامپيوترها، همه تصميم گيريهاي لازم براي انتخاب دنده را انجام مي‌دهند و اين كنترل دقيق و هوشيار سبب مي‌شود تا موتور و گيربكس در مناسب‌ترين وضعيت قرار گرفته و از اتلاف سوخت و يا وارد شدن فشار بر موتور جلوگيري شود و باعث بهبود اقتصاد سوخت و كاهش آلايندگي موتور مي‌شود.

بر شمردن اين محاسن كه همگي مهم و با ارزشند شايد اهميت كار و تحقيق بر روي گيربكس اتوماتيك و وظيفه صنعت خودروسازي را به عنوان صنعت پايه كشور، در اين زمينه و در اين مقوله، تا حدي روشن و آشكار گرداند. در اين پروژه قسمتهاي مختلف گيربكس اتوماتيك هم از حيث ساختار و هم از حيث عملكرد مورد بررسي و تجزيه تحليل قرار گرفته است. براي كسي كه مي‌خواهد به صورت علمي بداند گيربكس اتوماتيك چيست و چگونه كار مي‌كند مطالعه اين مطالب مفيد خواهد بود.

فصل اول
۱-۱-تاريخچه پيدايش گيربكس اتوماتيك
گيربكس اتوماتيك يك پديده پيشرفته جديد به شمار نمي‌آيد. درست است كه گيربكس‌هاي اتوماتيك امروزي از آخرين تكنولوژي روز بهره مي‌گيرند ولي ابتداي پيدايش آنها به دهه‌هاي اوليه قرن بيستم مي‌رسد.

اتومبيل‌هاي آمريكايي در طول ۳۰ تا ۴۰ سال اول اختراعشان با استفاده از جعبه دنده‌هاي نسبتا ساده و خوب طراحي گرديدند و در آنها جعبه دنده‌هاي معمولي لغزشي ۳ يا ۴ سرعته به كار برده مي‌شد. مطابق شكل (۱-۱) كه مجهز به كلاچ اصطكاكي مي‌باشند و عمل قطع و وصل آن هنگام تعويض دنده‌ها به صورت مكانيكي انجام مي‌گردد.

در همان زمان طرح جعبه دنده‌هاي معمولي سياره‌اي (مجموعه خورشيدي) مدنظر قرار گرفته بود كه يك نمونه آن در اتومبيل كاديلاك مدل ۱۹۰۴ به كار برده شده و همچنين بيشتر در مدلهاي قديمي اتومبيل فورد از جعبه دنده‌هاي معمولي دو سرعته با مجموعه خورشيدي استفاده مي‌شد كه سالهاي متمادي شهرت داشت و بالاخره در سال ۱۹۲۸ از رده خارج گرديد. علي‌رغم آن مهندسين موفق شدند كه درباره جعبه دنده‌هاي ايده‌آل تحقيق كنند به طوري كه وظيفه راننده را تسهيل نمايد و يك جابجايي يا تعويض دنده آرام و بدون سر و صدا با نسبت دنده‌هاي متغير را فراهم آورد و بازده موتور را افزايش دهد. تكامل جعبه دنده‌هاي اتوماتيك مراحلي را گذرانده است تا به صورت مدرن امروزي در آمده است و ذيلا به شرح سير تكاملي آنها مي‌پردازيم.

-در سال ۱۹۲۸ كاديلاك جعبه دنده‌هاي سنكرونيزه را توليد نمود.
-در سال ۱۹۳۳ (Reo) جعبه دنده‌هاي نيمه اتوماتيك را عرضه نمود كه در آن از دنده‌هاي سياره‌اي با وزنه‌هاي گريز از مركز جهت كنترل آنها استفاده شده بود و اجازه مي‌داد كه تعويض دنده‌ها به طور خودكار از سرعت پائين به سرعت بالا انجام مي‌پذيرد و حركت اتومبيل را عملي مي‌ساخت. با وجود اين در آن از يك كلاچ اصطكاكي نيز هنوز استفاده مي‌شد.

-در سال ۱۹۳۴ كرايسلر جعبه دنده‌هاي فوق سرعت (اوردايو) را توليد نمود.
-در سال ۱۹۳۷ اولدزموبيل يك نوع ديگر جعبه دنده‌هاي نيمه اتوماتيك را طراحي نمود كه در آن از دنده‌هاي سياره‌اي و كنترل كننده‌هايي كه به طور هيدروليكي و مكانيكي عمل مي‌كردند استفاده شده بود و به منظور درگيري دنده عقب آن از دنده‌هاي معمولي استفاده مي‌گرديد و همچنين در آن يك كلاچ اصطكاكي به كار گرفته شده بود.

-در سال ۱۹۳۸ كرايسلر كلاچ هيدروليكي را توليد نمود كه با وجود آن در حالي كه جعبه دنده مي‌توانست در وضعيت درگيري باشد موتور با دور آرام به كار خود ادامه مي‌داد و با اين طرح گام موفقيت آميزي در ابداع جعبه دنده‌هاي نيمه اتوماتيك برداشته شد و بدين لحاظ كرايسلر مشهور گرديد. جعبه دنده‌هاي نيمه اتوماتيكي كه طراحي گرديد بنامهاي مختلف در تجارت شناخته شد مانند Gyromatic , Tip – Teo shift, Prestomatic و در طراحي هاي بعد به جاي كلاچ هيدروليكي،‌مبدل گشتاور هيدروليكي جايگزين شد و به نامهاي كرايسلر تورك – درايو (Chrysler torque – Drive) و پلي موث هيدرايو (Playmouth Hydrive) ناميده شد.

-در سال ۱۹۴۰ كارخانه جنرال موتورز (GM) جعبه دنده هيدراماتيك (Hydra – matic) را براي اولين بار در اتومبيل اولدزموبيل (oldsmobile) بكار برد اين طراحي اولين كاربرد كلاچهاي هيدروليكي را در تركيب جعبه دنده ۴ سرعته خورشيدي مشخص كرد.
-در سال ۱۹۴۸ بيوك جعبه دنده داينافلو (Dynaflow) را ارائه دارد و اولين اتومبيلي بود كه در آن موفق شده بودند جعبه دنده اتوماتيك را با مبدل گشتاور هيدروليكي به كار برد.

مي توان گفت تا سال ۱۹۵۵ طراحي جعبه دنده‌هاي اتوماتيك كامل گرديد و از آن تاريخ به بعد با اتخاذ تصميم مشترك و استاندارد، اكثر كارخانجات آن را به كار بردند به طوري كه امروزه بيش از ۹۰ درصد اتومبيلهاي امروزي آمريكايي مجهز به گيربكس اتوماتيك هستند. در جدول (۱-۱) تعدادي از گيربكس‌هاي اتوماتيك به كار برده شده توسط كمپاني مختلف آورده شده است.

۱-۲-۱- انواع گيربكس
يك تقسيم بندي ساده در مورد گيربكس‌ها اين طور خواهد بود كه ما گيربكس‌ها را در سه نوع دستي، نيمه اتوماتيك و تمام اتوماتيك خلاصه كنيم.
در مورد گيربكس‌هاي دستي لازم است اشاره شود كه گيربكس‌هاي دستي را نيز مي‌توان به دو گروه تقسيم نمود گيربكس‌هاي تماس مستقيم و گيربكس‌هاي سنكرونيزه، گيربكس‌هاي تماس مستقيم به خاطر اين كه در آنها چرخدنده‌ها مستقيما با هم درگير مي‌شوند به اين خوانده مي‌شوند و در مقابل در گيربكس‌هاي سنكرونيزه تماس مستقيم چرخدنده‌هاي اصلي اتفاق نمي‌افتد بلكه وجود سنكرونايزرها يا هماهنگ كننده‌ها تماس و انتقال دور را ممكن مي‌سازند. در مورد گيربكس‌هاي تماس مستقيم بايد اشاره كرد كه اين گيربكس‌ها تقريبا از رده خارج شده‌اند و به جز موارد بسيار نادر كاربرد چنداني ندارند در حالي كه گيربكس‌هاي سنكرونيزه در روي اكثر خودروها به خصوص خودروهاي سبك كاربرد فراوان دارند.

 

 

از گيربكس‌هاي نيمه اتوماتيك گيربكس‌هاي خودروهاي سنگين را مي‌توان نام برد كه عملكرد قسمتي از آن پنوماتيكي بوده و با فشار هوا كار مي‌كنند.
و اما گيربكس‌ اتوماتيك كه مفصلا در اين مورد صحبت خواهد شد. در يك تقسيم بندي ديگر، مي توان دو نوع گيربكس را نام برد يكي همين گيربكس‌هاي متداول كه در كتب فني كلمه (trasmission) در اين مورد به كار برده شده است كه اين نوع گيربكس در خودروهاي (RWD) ديفرانسيل عقب كاربرد دارد. (REAR – WHEEL DRIVE) در مقابل به كمله (transasle) بر مي‌خوريم كه اشاره به گيربكس خودروهاي (FWD) دارد (FRONT – WHEEL DRIVE) كه معادلي كه مي‌توان براي آن در نظر گرفته شايد گيربكس اكسلي باشد كه همان وظايف گيربكس معمولي را دارد. تفاوتي كه گيربكس‌هاي اكسي با بقيه دارند اينست كه ديفرانسيل و چرخدنده‌هاي متحرك نهايي در داخل پوسته گيربكس قرار دارد.

 

شكل (۲-۱) موقعيت گيربكس در خودورهاي ديفرانسيل جلو و ديفرانسيل عقب نشان داده شده است. در حالت ديفرانسيل جلو ،‌گيربكس را ترانس اكسل يا گيربكس اكسلي مي‌نامند.
توضيح اين نكته لازم است كه در سراسر اين مطالب كه در پي مي‌آيد منظور از گيربكس ، گيربكس‌هاي معمولي است نه اكسلي مگر در مواردي كه مشخصا اشاره شود.

 

۲-۲-۱- اورداريو چيست؟
و بالاخره يك اصطلاح ديگر كه در مورد گيربكس ها به كار برده مي‌شود گيربكس‌هاي فوق سرعت است . كه كلمه اوردرايو (Over Drive) در اين مورد به كار رفته است. وقتي گيربكس‌هاي معمولي را در بالاترين دنده قرار مي‌دهيم نسبت بين دوران ميل لنگ و محور خروجي گيربكس يك به يك است. در جاده‌هاي سرازيري يا مسطح در صورتي كه موتور اتومبيل قدرت كافي را داشته و سرعت نيز در حد معقولي باشد، موتور قادر خواهد بود كه اتومبيل را با نسبت تبديل كمتر از واحد نيز به حركت در آورد.

براي اين منظور در بعضي از اتومبيل‌ها وسيله‌اي به نام گيربكس اوردرايو پيش‌بيني شده است. گيربكس اوردرايو يا فوق سرعت يك سيستم مكانيكي است كه به انتهاب گيربكس معمولي بسته مي‌شود. محور خروجي گيربكس ، محور ورودي اوردرايو را به حركت در مي‌آورد. در گيربكس اوردرايو چند قسمت از جمله يك مجموعه دنده سياره‌اي وجود دارند كه با آنها مي‌توان نسبت تبديل (نسبت دنده) پائين مثل ۷/۰ يا ۱ را بدست آورد.
شكل (۳-۱) گوياي اين مطلب است.

 

۳-۲-۱- ارزش يك اوردرايو
يكي از مزاياي مهم اوردرايو آن است كه با استفاده از آن مي‌توان با ثابت نگهداشتن سرعت اتومبيل دوران موتور آن را تا حدود ۳۰ درصد كاهش داد طبعا كاهش دوران موتور، مصرف سوخت را پائين آورده و عمر موتور را افزايش مي‌دهد.

البته با اين توضيحات مختصر بحث در مورد اوردرايو را پايان مي‌دهيم. اوردرايو با در نظر گرفتن شرايط زير كاركرد رضايت بخشي خواهد داشت:
۱-موتور اتومبيل قدرت كافي را داشته باشد
۲-سرعت اتومبيل در حد حد مطلوبي باشد.
۳-جاده مسطح يا سرازير باشد.

 

۱-۳-۱- گيربكس اتوماتيك
هنگام رانندگي را خودروهايي كه گيربكس دستي بر روي آنها نصب شده است براي انتخاب دور و گشتاور دلخواه بايد پدال كلاچ را فشار داد و اهرم دسته دنده را در وضعيت معين دنده دلخواه قرار داد كه به اين مراحل، تعويض دنده گفته مي‌شود و داشتن مهارت كافي در اين كار شرط لازم براي يك رانندگي خوب است در حالي كه گيربكس اتوماتيك اين مراحل را حذف كرده است و تنها دو پدال گازو ترمز جلو پاي راننده قرار دارد در برخي مدلها تنها دكمه‌هايي براي انتخاب دنده دلخواه موجود است و برخي ديگر حتي اين صفحه كليد بسيار كوچك را نيز حذف كرده و به جرات مي‌توان گفت رانندگي را بسيار آسان‌تر كرده است.

عنوان اتوماتيك بر روي اين گيربكس‌ها به اين خاطر است كه تعويض دنده بر عهده گيربكس است و خود گيربكس با توجه به وروديهاي خاص الكترونيكي يا مكانيكي در خروجي خود دور و گشتاور مناسب را ارائه مي‌دهد. كه در اين مورد مفصلا صحبت خواهد شد.