گیربکس های CVT ( بخش دوم)

 

همانگونه که در بخش اول تشریح گردید از اولین CVT ثبت شد تاکنون، تکنولوژی بکارگیری این سیستم بهبود بسیاری پیدا کرده و امروزه چندین خودروساز بزرگ از جمله جنرال‌موتورز، آئودی، هوندا و نیسان، در حال طراحی و توسعه CVTهای خود هستند. 

توضیح داده شد که وظیفه انتقال قدرت، تغییر دادن نسبت سرعت و گشتاور چرخ و موتور است. در واقع بدون جعبه دنده، خودرو فقط یک دنده خواهد داشت. و تشریح گردید که در جعبه‌دنده، از تعدادی چرخ دنده استفاده شده تا با توجه به شرایط رانندگی، از گشتاور و سرعت مناسب بهرگیری گردد. دنده‌ها می‌توانند به‌طور دستی و یا اتوماتیک تغییر کنند. 

در جعبه‌دنده‌های اتوماتیک قدیمی، چرخ دنده‌ها وظیفه انتقال و تغییر گشتاور و حرکت دایره‌ای را برعهده داشتند. ترکیبی از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای، تمامی نسبت‌های دنده‌های مختلف مورد نیاز را به وجود می‌آورند. رایج‌ترین نوع گیربکس، دارای 4 دنده جلو و یک دنده، معکوس است. وقتی این نوع جعبه‌دنده اقدام به تعویض دنده می‌کند، ضربه ناشی از درگیری دنده‌ها با هم، احساس می‌شود.  

اصول CVT

برخلاف سیستم انتقال قدرت اتوماتیک، در سیستم انتقال قدرت با قابلیت تغییر پیوسته، جعبه‌دنده‌ای با تعداد مشخص چرخ دنده وجود ندارد. یعنی در CVT، چرخ‌دنده‌های دندانه‌داری که با هم درگیر شوند وجود ندارد. متداولترین نوع CVT براساس سیستم «پولی» کار می‌کند که بی‌نهایت تغییر بین بالاترین و پایین‌ترین نسبت سرعت و گشتاور را بطور پیوسته ممکن می‌سازد. 

 

CVTهای مبتنی‌بر پولی

اگر به جعبه‌دنده اتوماتیک توجه کنید، دنیایی پیچیده از چرخ‌دنده‌ها، ترمزها، کلاچ‌ها و دستگاه‌های کنترل را در آن خواهید دید. این در حالی است که CVT به سادگی قابل مطالعه است. 

پولی‌های دارای شعاع متغیر، قلب CVT تلقی می‌شوند. هر پولی، از دو مخروط با زاویه رأس 20 درجه که رو در روی یکدیگر قرار دارند، تشکیل شده است. تسمه‌ای در شیار بین دو مخروط قرار دارد. در صورت لاستیکی بودن تسمه‌ها، از تسمه‌های V شکل استفاده می‌شود. تسمه‌های V شکل، سطح مقطع V شکلی دارند که باعث افزایش اصطکاک تسمه با پولی می‌شود. 

وقتی دو مخروط پولی از هم فاصله بگیرند، یعنی ضخامت پولی بیشتر شود، تسمه به شکاف پایین‌تر می‌رود و شعاع تسمه حلقه شده دور پولی کاهش می‌یابد. وقتی دو مخروط پولی به هم نزدیک می‌شوند، یعنی ضخامت پولی کاهش می‌یابد، تسمه به شکاف بالاتر رفته و شعاع تسمه حلقه شده دور پولی افزایش می‌یابد. 

CVT می‌تواند از فشارهای هیدرولیکی، نیروی گریز از مرکز و یا کشش فنر به منظور تولید نیروی مورد نیاز برای تنظیم دو نیمه پولی استفاده کند. 

پولی‌های دارای قطر متغیر، همیشه به صورت زوجی به کار می‌روند. یکی از پولی‌ها که پولی محرک شناخته می‌شود، حرکت خود را از میل‌لنگ موتور می گیردکه پولی ورودی یا پولی محرک نامیده می‌شود. پولی دوم، پولی گردنده یا متحرک نامیده می‌شود زیرا پولی اول آن را می‌چرخاند. پولی گردنده در اصل خروجی حرکت گیربکس می باشد که انرژی را به محور چرخ‌ها منتقل می‌کند. 

وقتی یک پولی، در راستای محوری ضخامت خود را افزایش می‌دهد، دومی از ضخامت خود می‌کاهد تا تسمه در حالت کشیده باقی بماند. زمانی که دو پولی ضخامت خود را نسبت به یکدیگر تغییر می‌دهند، بی‌نهایت نسبت دنده از کم به زیاد و شامل همه نسبت‌های مابین به وجود می‌آید. مثلاً، وقتی شعاع تسمه در پولی محرک کم و در پولی خروجی زیاد باشد، سرعت دوران پولی خروجی کاهش و گشتاور افزایش می‌یابد و نسبت دنده پایین‌تری را ایجاد می‌کند. وقتی شعاع تسمه در پولی محرک زیاد و در پولی خروجی کم شود، سرعت دوران پولی خروجی افزایش و گشتاور کاهش می‌یابد و نسبت دنده بالاتری را ایجاد می‌کند. بنابراین، یک CVT از لحاظ نظری شامل بی‌نهایت نسبت دنده می‌شود و می‌تواند در هر زمانی و با هر دور موتوری کار کند. 

طبیعت ساده و بدون گسستگی CVTها، آنها را به سیستم انتقال قدرت ایده‌آلی برای تمام ماشین‌ها و دستگاه‌ها- نه صرفاً خودروها- تبدیل کرده است. 

CVTها سال‌های متمادی در ابزار قدرتی و مته‌ها به‌کار رفته‌اند. از آنها در وسایل نقلیه مختلفی اعم از تراکتورها و ماشین‌های برف رو گرفته تا اسکوترهای موتوری استفاده می‌شود. در تمام این کاربردها، از تسمه‌هایی با لاستیک فشرده در نوع سیستم انتقال قدرت استفاده می‌شود که ممکن است کشیده شده یا سر بخورد و در نتیجه، باعث هدر رفتن انرژی و کاهش کارایی شود. 

یکی از مهمترین پیشرفت‌ها این نوع گیربکس ، طراحی و توسعه تسمه‌های فلزی برای متصل کردن دو پولی بوده است. این تسمه‌ها انعطاف‌پذیر از چندین (عموماً 9 یا 12) نوار نازک فولادی که تکه‌های فلزی پاپیونی شکل بسیار مقاوم را کنار هم نگه می‌دارد، ساخته شده‌اند. تسمه‌های فلزی به این دلیل که سر نمی‌خورند و بسیار با دوامند اجازه انتقال گشتاور بیشتری را به CVT می‌دهند. در ضمن، این تسمه‌ها مناسب‌تر از تسمه‌های لاستیکی هستند.  

دیگر انواع CVT 

CVT مارپیچی

نوع دیگری از CVT است که در آن، تسمه و پولی‌ها با دیسک‌ها و غلطک‌ها جایگزین شده است. 

گرچه این سیستم بسیار متفاوت به نظر می‌رسد، اما تمامی اجزای آن قابل مقایسه با تسمه و پولی بوده و نتیجه‌ای یکسان دارد. ترتیب طرز کار این سیستم عبارت است از: 

-دیسکی به موتور متصل شده که معادل پولی محرک است.

- دیسک دیگری به میل گاردان متصل شده که معادل پولی مقاوم یا متحرک است.

- غلطک‌ها و یا چرخ‌ها، بین دو دیسک قرار داشته و همانند تسمه، نیرو را از دیسکی به دیسک دیگر منتقل می‌کنند. 

چرخ‌ها می‌توانند در دو جهت، حول محور افقی و به سمت بالا و پایین، حرکت کنند. این حالت، به چرخ‌ها اجازه می‌دهد تا در وضعیت‌های مختلف، با دیسک تماس داشته باشند. وقتی چرخ‌ها با دیسک محرک در نزدیکی مرکز در تماس باشند، با دیسک مقاوم در نزدیکی لبه آن در تماس هستند. این امر باعث کاهش سرعت و افزایش گشتاور می‌شود (دنده سنگین). وقتی چرخ‌ها با دیسک محرک در لبه آن تماس داشته باشند، باید با دیسک مقاوم نزدیک مرکز در تماس باشند که این امر باعث افزایش سرعت و کاهش گشتاور می‌شود (دنده سبک).  

به این ترتیب، حرکت ساده چرخ‌ها نسبت دنده را به صورت لحظه‌ای و ملایم تغییر می‌دهد. 

CVTهای هیدرواستاتیکی

هر دو نوع CVT پولی- تسمه‌ای و مارپیچی، از گروه CVTهای اصطکاکی هستند که با تغییر دادن شعاع نقطه بین تماس دو بخش چرخنده یا دوار، کار می‌کنند. نوع دیگر CVTها، هیدرواستاتیکی است که در آن، از پمپ‌های جابه‌جایی متغیر استفاده شده تا جریان مایع ورودی به موتور هیدرواستاتیکی را تغییر دهد. در این نوع انتقال قدرت، حرکت چرخشی موتور، یک پمپ هیدرواستاتیکی را در طرف محرک به کار می‌اندازد. پمپ، حرکت چرخشی را به جریان سیال تبدیل می‌کند. سپس، یک موتور هیدرواستاتیکی که در طرف مقاوم قرار دارد، جریان سیال را دوباره به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند. 

انتقال قدرت هیدرواستاتیکی معمولاً با یک دسته دنده سیاره‌ای و کلاچ‌ها ترکیب می‌شود تا یک سیستم دوگانه به نام انتقال قدرت هیدرومکانیکی را تشکیل دهد. انتقال قدرت هیدرومکانیکی نیرو را به سه روش ذیل به چرخ‌ها منتقل می‌کند: 

1. در سرعت‌های پایین به صورت هیدرولیکی

2. در سرعت‌های بالا به صورت مکانیکی

3. بین این دو حد، به صورت هیدرولیکی- مکانیکی 

انتقال قدرت هیدرولیکی، برای کارهای سنگین مناسب است و به همین علت، معمولاً در تراکتورهای کشاورزی و وسایل نقلیه‌ای که روی هر سطحی حرکت می‌کنند، به کار می‌رود.