آشنایی با گیربکس cvt و چگونگی عملکرد آن

ستاره | سرویس خودرو – در حالت کلی می‌توان گفت که گیربکس cvt قادر است دور موتور خودرو را برای حالت شتاب گیری و یا آماده شدن به منظور مصرف سوخت متعادل، به خوبی مدیریت کند. در واقع یکی از تفاوت‌های مهم موجود میان گیربکس cvt با آن دسته از سیستم‌های انتقال نیرویی که پیش از این مقبولیت داشتند و تعداد دنده‌های ثابتی را در اختیار راننده قرار می‌دادند، در آن است که این سیستم جدید در هر زمان ممکن به محور خروجی این اجازه را دهد تا سرعت مناسب و نسبت دنده‌ی مناسب را بدون هیچ گونه محدودیت خاصی، باتوجه به شرایط موجود، انتخاب و حفظ نماید.

 

در مجموع اگر به اختصار بخواهیم در رابطه با گیربکس cvt و سیستم منحصر به فردی که از وجود آن بهره می‌برد چند کلمه‌ای توضیح دهیم، این گونه باید گفت که سیستم مذکور با استفاده از دو محور یا قرقره (پولی) که یکی از آنها به موتور و دیگری به چرخ‌های خودرو متصل می‌شود به کار می‌افتد و به شکل ملایمی انتقال نسبت دنده میان دنده‌های سبک و سنگین خودرو را به انجام می‌رساند.

 

 

نگاهی گذرا به تاریخچه گیربکس cvt

اگر بخواهیم خواستگاه اصلی گیربکس cvt (مخفف عبارت Transmission Variable Continuously) را بیابیم باید به حدود ۵ قرن قبل باز گردیم. به دورانی که هنرمند، مبتکر و مخترع نام آشنا یعنی لئوناردو داوینچی قصد داشت سیستم انتقال قدرت پیوسته را طراحی کند. امری که در نهایت موفق به انجام آن شد. با این حال سیستمی که او پایه گذار طراحی آن بود تا قرن‌ها بعد چندان مورد استفاده قرار نگرفت و کسی به سراغ آن نرفت.

با این حال پس از طراحی نخستین خودروهای سواری در عصر جدید، استفاده از سیستم انتقال قدرت پیوسته نیز رفته رفته رواج یافت. به طور دقیق در سال ۱۸۸۶ میلادی، فعالان عرصه‌ی خودرو سازی شاهد اختراع و به ثبت رسیدن رسمی نخستین گیربکس cvt بودند. پس از آن نیز برخی از خودرو سازان فعال و شناخته شده در صنعت تولید اتومبیل نظیر شرکت‌های خودروسازی آلمانی، تا حد قابل توجهی از این سیستم استفاده می‌کردند. امری که البته در دهه‌ی ۵۰ میلادی رو به افول نهاد و در سال‌های پایانی این دهه رفته رفته به فراموشی سپرده شد.

 

 

دلیل اصلی آن هم محدودیت‌های مختلف و ضعف‌های فنی خاص و متعددی بود که در سیستم انتقال قدرت پیوسته وجود داشت. ضعف‌ها و کاستی‌های گوناگونی که به وسایل نقلیه‌ی ریز و درشت مبتنی بر این سیستم اجازه‌ی انتقال قدرت به میزان بالاتر از رقم ۱۰۰ اسب بخار را نمی‌داد.

با این حال طی سال‌های اخیر، شاهد پیشرفت قابل توجه تکنولوژی‌های به کار رفته در سیستم انتقال قدرت پیوسته و جعبه دنده‌های مبتنی بر این سیستم بوده‌ایم. به گونه‌ای که استفاده از گیربکس cvt در تولید خودروهای جدید با رشد چشمگیری همراه بوده است. مسلما سردمدار این قضیه را باید شرکت ژاپنی نیسان قلمداد کرد که در ابتدای بهار سال ۱۹۹۲ میلادی موفق به عرضه‌ی نخستین نمونه‌ی مدرن از گیربکس cvt شد. البته فرآیند تحقیق و توسعه در زمینه‌ی طراحی و تولید این جعبه دهنده‌های جدید و همچنین به خرج دادن ابتکار در رابطه با پیشرفت تکنولوژی‌های به کار رفته در دل آنها، از ابتدای دهه‌ی هفتاد میلادی بود که توسط مهندسان شرکت نیسان آغاز شد. 

پس از آن نیز شرکت‌های خودرو سازی دیگری نظیر هوندا، جنرال موتورز و آئودی با نیسان همراه شدند و اقدام به طراحی خودروهای مبتنی بر گیربکس cvt نمودند. تا جایی که این روزها شاهد طراحی و تولید خودروهای بیشتری با بهره‌مندی از این تکنولوژی پوست انداخته و سیستم انتقال قدرت پیوسته هستیم.

 

 

نحوه کارایی گیربکس cvt

گیربکس cvt این امکان را در اختیار مکانیزم کلی خودرو قرار می‌دهد تا بتوان دنده را با نسبت دنده نامحدود مابین بالاترین و پایین‌ترین دنده‌ی موجود، آن هم بدون مواجه شدن با مشکل یا گسستگی خاصی تغییر داد و آن را تعویض نمود. در این میان عمده‌ترین تفاوت موجود میان گیربکس cvt و جعبه دنده‌ی خودکار یا اتوماتیک در سادگی آن نمود می‌یابد. به بیان دقیق‌تر در ساختار گیربکس cvt برخلاف جعبه دنده‌ی اتوماتیک معمولی، کلکسیون بی‌شماری از کلاچ، چرخ دنده‌، ترمز یا سایر قطعات و ابزارهای کنترل کننده‌ی مشابه مشاهده نمی‌شود. در عوض و به جای این همه پیچیدگی، در شکل دادن این نوع متفاوت و نسبتا ساده از گیربکس‌ها، تنها سه بخش اصلی به چشم می‌خورد.

این بخش‌ها عبارتند از یک قرقره (پولی) خروجی متحرک، یک تسمه محکم فلزی که البته گاهی از جنس لاستیک ساخته می‌شود و همچنین یک قرقره متغییر ورودی محرک که در تلفیق و ترکیب با یکدیگر ساختار اصلی یک گیربکس سی وی تی را تشکیل می‌دهند. البته گاه در تکمیل سه بخشی که به آنها اشاره شد، تعدادی حسگر و ریزپردازنده‌ی مختلف نیز به ساختار این جعبه دنده‌های نسل جدید اضافه می‌شود.

در حال حاضر شاهد رواج یافتن میزان استفاده از نسل سوم گیربکس cvt در صنعت خودروسازی هستیم و گیربکس‌های مدل Xtronic توسط شرکت‌هایی نظیر نیسان یا سایر همتایان این شرکت در تولید خودروهای جدید مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.

 

 

در این گیربکس‌های نسل جدید خصوصیات تازه‌ای گنجانده شده‌ که بهبود عملکرد آنها و افزایش میزان کارایی‌شان را در پی داشته است. از میان این خصوصیات می‌توان به استفاده از پمپ‌های روغن کوچک‌تر اما بهینه‌تر اشاره کرد. همچنین در موتورهایی که حداکثر از گنجایش دو لیتر برخوردارند، از محرکه‌هایی در قالب زنجیر فشرده استفاده شده است. امری که می‌تواند اندازه‌ی کلی جعبه دنده را تا حد زیادی کاهش دهد.

گذشته از این موضوع بهبودهایی نظیر بهینه‌تر شدن دقت کنترل اندازه‌ی قرقره نیز از دیگر ویژگی‌های نسل جدید گیربکس cvt به شمار می‌رود. امری که بهبودهای قابل توجهی نظیر میزان مصرف سوخت کمتر، کارآمدتر شدن و بهینه‌تر شدن ساز و کار فشار تسمه و همچنین انتقال گشتاور پایدارتر را موجب شده است.

همان گونه که به آن اشاره شد، قرقره‌ها به عنوان یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده‌ی گیربکس cvt به شمار می‌روند. در هر قرقره شاهد قرار گرفتن دو جسم مخروطی شکل روی یکدیگر هستیم که به طور عمده نوعی زاویه بیست درجه‌ای را با یکدیگر تشکیل می‌دهند. ترکیبی که فاصله‌ی میان آنها را نوعی تسمه‌ پوشانده است که به طور کل و بر حسب نوع دنده‌ی مشخص شده توسط جعبه دنده، وظیفه‌ی انتقال قدرت را مابین دو قرقره بر عهده دارد.

همان گونه که پیش‌تر هم به آن اشاره شد، این تسمه‌ها گاه از جنس لاستیک ساخته می‌شوند. در صورت استفاده از تسمه‌های لاستیکی، تسمه‌های مذکور از یک سطح مقطع وی شکل برخوردار خواهند بود که افزایش اصطکاك بین قرقره و تسمه را سبب خواهد گردید. وقتی دو بخش اصلی تشکیل دهنده‌ی قرقره یعنی دو شکل مخروطی یاد شده از یکدیگر فاصله بگیرند، عرض قرقره بیشتر می‌شود و پایین‌تر رفتن تسمه در شکاف موجب کاهش یافتن شعاع تسمه حلقه شده بر گرد قرقره می‌گردد. در آن سوی قضیه، هنگامی که دو مخروط به یکدیگر نزدیک می‌شوند و عرض قرقره کاهش می‌یابد، شاهد این نکته هستیم که تسمه در شکاف بالاتر می‌رود و شعاع تسمه‌ی حلقه شده بر گرد قرقره افزایش می‌یابد.

 

 

توانایی‌های گیربکس cvt

گیربکس cvt قادر است از موارد مختلفی نظیر فشار هیدرولیکی یا نیروی گریز از مرکز و یا کشش فنر به منظور تولید نیروی مورد نیاز خود برای تنظیم کردن دو شقه‌ی قرقره بهره بگیرد. زمانی که دو بخش مذکور از قرقره عرض خود را نسبت به یکدیگر تغییر می‌دهند، نسبت دنده‌های مختلف و متعددی حاصل می‌شود. نسبت دنده‌هایی از مقادیر کم به زیاد که شامل تمام نسبت‌های مابین آنها می‌شود.

به عنوان نمونه می‌توان این گونه توضیح داد که در موقعیت‌هایی نظیر کم بودن شعاع تسمه در قرقره محرک و زیاد بودن این شعاع در قرقره خروجی، سرعت دوران و چرخش قرقره خروجی کاهش خواهد یافت. امری که سبب ایجاد شدن دنده‌ی پایین‌تری می‌شود.

از سوی دیگر هنگامی که شعاع تسمه در قرقره محرك زیاد و در قرقره خروجی کم باشد، سرعت دوران و چرخش قرقره خروجی افزایش می‌یابد تا دنده‌ی بالاتری ایجاد گردد. بنابراین در بحث نظری می‌توان این گونه استدلال و ادعا کرد که یک گیربکس cvt چیزی در حدود بی‌نهایت دنده را شامل می‌شود که قادرند در هر زمان و با هر دور موتوری انطباق یافته و کار خود را به سرانجام برسانند.

به طور کل می‌توان این گونه ادعا کرد که کارایی کاملا ساده و بی‌گسست نمونه‌های مختلف از گیربکس cvt (به خصوص نسل جدید آنها) این جعبه دنده‌ها را به یک سیستم انتقال قدرت مناسب و ایده‌آل برای طیف گسترده‌ای از خودروها تبدیل کرده است. در این میان حتی می‌توان از قابلیت‌های متعدد نسل جدید این جعبه دنده‌ها در بحث انتقال توان سایر ابزارها و وسایل مشابه با خودروها نیز استفاده کرد. ابزارهایی که بخش مهمی از آنها را ابزارهای قدرتی شناخته شده‌ای نظیر تراکتورها، ماشین‌های خرمن‌کوب، ماشین‌های برف‌روب، مته‌های قدرتی یا سایر ابزارهای مشابه تشکیل می‌دهند.

 

 

البته پیش از این هم در نمونه‌های مختلف از طیف قابل توجه ابزارهایی که به آنها اشاره شد نیز از سیستم انتقال نیروی پیوسته استفاده می‌شده است. بد نیست به این نکته هم اشاره شود که در تمام گونه‌های این سیستم انتقال قدرت از تسمه‌هایی با لاستیک فشرده بهره می‌گیرند. تسمه‌هایی که قادرند کشیده شده یا سر بخورند. فرآیندی که در مواقعی باعث هدر رفتن انرژی و کاهش کارایی کلی ماشین خواهد گردید.

از همین رو می‌توان ادعا کرد که یکی از مهمترین پیشرفت‌های صورت گرفته در زمینه‌ی بهبود کارایی سیستم انتقال قدرت پیوسته، طراحی و توسعه‌ی تسمه‌های فلزی بوده است. در ساخت این تسمه‌های قابل انعطاف به طور عمده از نه تا دوازده نوار فولادی استفاده شده است. نوارهایی که با استحکام و انعطاف‌پذیری قابل ذکر خود تکه‌های فلزی پی شکل و بسیار مقاومی را در کنار یکدیگر نگه داشته‌اند (عدد پی یونانی).

برخلاف نمونه‌های لاستیکی، تسمه‌های فلزی مذکور به ندرت می‌لغزند و از دوام بسیار بیشتری نسبت به آنها برخوردار هستند. خصلتی که به جعبه دنده‌های مبتنی بر این تسمه‌ها رخصت انتقال گشتاور بیشتری را خواهد داد. ضمن آن که تسمه‌های فلزی یاد شده تا حد قابل توجهی آرام‌تر از تسمه‌های لاستیکی کار می‌کنند.

 

 

مزایای استفاده از گیربکس cvt

به موجب استفاده از گیربکس cvt میزان مصرف سوخت توسط خودروهای مبتنی بر این جعبه دنده‌ها گاه تا میزان ۲۰ درصد نسبت به حالتی که از جعبه دنده‌های خودکار معمولی استفاده می‌شود، کاهش می‌یابد. همچنین در صورت استفاده از این جعبه دهنده‌های نسبتا نوظهور، میزان عملکرد و به همان نسبت کارایی دینامیکی خودروها نسبت به حالت استفاده از جعبه دنده‌های اتوماتیک معمولی بهبود قابل توجهی خواهد یافت. امری که به دلیل انتقال روان‌ قدرت موتور و حالت بی‌گسست این انتقال در روند حرکت خودرو امکان‌پذیر شده است.     

استفاده از گیربکس cvt فرآیند شتاب گرفتن خودروهای نسل جدید را نیز بهبود بخشیده و میزان توان خروجی موتور آنها را در بهترین گستره‌ی کارایی‌شان افزایش خواهد داد. به عبارت بهتر فرآیند شتاب گرفتن خودروهای نسل جدید در هنگام مجهز بودن خودرو به گیربکس cvt با کمترین میزان مصرف سوخت ممکن، امکان پذیر خواهد گردید.

 از دیگر مزیت‌هایی که نسل جدید از جعبه دنده‌های مذکور نسبت به جعبه دهنده‌های اتوماتیک معمولی یا جعبه دهنده‌های دستی با خود به ارمغان می‌آورد، امکان تعویض دنده‌ی ملایم و یکنواخت بدون ایجاد سر و صدا است. به منظور تحقق یافتن این موضوع، جعبه دنده‌‌های نسل جدید این اجازه را به موتور خودرو می‌دهند که تا حد امکان نزدیک‌تر به حد مطلوب دور موتور خود کار کنند. امری که در کنار فرآیند بهینه‌سازی مصرف سوخت توسط این جعبه دنده‌ها قرار می‌گیرد و  کارایی موتور خودرو را در کنار میزان عملکرد کلی آن افزایش می‌دهد.

با این اوصاف انتظار می‌رود که به تدریج شاهد پیشرفت تکنولوژی‌های به کار رفته در طراحی گیربکس cvt باشیم و میزان استفاده از این گیربکس در تولید خودروهای نسل جدید هم به همان نسبت افزایش یابد.