طرز کــــــــــار جعبه دنده های CVT

طرز کــــــــــار جعبه دنده های CVT

مقدمه:در واقع داوینچی در سال 1490 طرح آن را در ذهن داشت و از اولین CVT که در١٨٨٦ ثبت شده تاکنون تکنولوژی آن بهبود پیدا کرده است،امروزه چندین کارخانه خودروسازی از جمله جنرال موتورز،آیودی،هوندا و نیسان در حال طراحی CVT های خود هستند.
گیریکس های CVT (ثابت) برای اولین بار در ماشین های اولیه به کار رفت.به این صورت که دو دایره دوار یکی دایره ای که نیرو رو از موتور میگیره ودیگری نیرو رو به چرخ ها منتقل می کنه روی همدیگه مماس میشن.برای افزایش سرعت دایره چرخنده به سمت محیط دایره دیگر حرکت میکنه و باعث میشه تا سرعت خودرو زیاد و برعکس اگه به سمت داخل و مرکز حرکت کنه سرعت کم شده و گشتاور زیاد بشه.البته این کار بصورت دستی انجام میشده.
یکی از اشکالاتی که سر راه این طرح به وجود می اومد خوردگی صفحات دوار بود ودیگری هم داغ شدن زیاد و ترکیدگی صفحات در اثر این دما بود .یکی دیگر از علت های ترک خوردگی و شکستن وجود نا خالصی حتی به مقدار کم بود که برای ساختن صفحات بی نقص و بدون آخال و مک حدود 25 سال وقت صرف شد تا برطرف بشه .برای روغن کاری بین صفحات نیاز بود تا روغن ویژه ای تولید بشه تا هم نیرو بین دو صفحه منتقل بشه و هم عمل خنک کاری و روغن کاری به بهترین وجه صورت بگیره.
اولین بار هم یکی از مدل های نیسان به این گیربکس مجهز شد و پس از آزمایش های زیاد تولید سری اون آغاز شد.
مزیت این گیربکس ها هم اینه که میشه همیشه موتور رو در دور ماکزیمم نگه داشت و در بهینه ترین حالت ممکن کار کرد.


حدود 30 سال قبل ژاپنی ها طرح تکمیل شده گیربکس های CVT رو با شکلی نسبتا جدید دوباره شروع کردن.
یک فرد ژاپنی در تکمیل این طرح زحمت فراوانی کشید و 21 سال از عمر خویش را برای بهبود این طرح صرف کرد. او حتی 500 نوع روغن مختلف را برای کشف بهترین کارایی دراین گیربکس ها امتحان کرد و در نهایت طرح خود را به شرکت نیسان ژاپن فروخت.



گیربکس CVT) Continuously Variable Transmission) :

گیربکسهای تغییر دور پیوسته ، که دارای تعداد بی نهایت نسبت تبدیل دور در یک بازه معین می باشند ، در حال حاضر به عنوان یکی از راه کارهای امید بخش در راستای کاهش مصرف سوخت در خودروهای سواری مد نظر می باشد.

پیشرفت تکنولوژی در ساختار متالوژی قطعات و روشهای تولید ، راندمان مکانیکی این نوع گیربکس ها را از نظر طرح و مکانیزم افزایش داده است .
اصلی ترین شاخصه این نوع گیربکس ها در بین گیربکس های اتوماتیک دیگر این است که موتور و گیربکس اجازه می دهد ، راندمان بهینه را ECU به در شرایط مختلف رانندگی خودرو اعما ل نماید . بدلیل این بطور میانگین باعث بهبود CVT مشخصه عمده ، گیربکسهای 10-20 درصد در مصرف سوخت خودرو و در نتیجه کاهش سطح آلاینده های حاصله می شوند.

داشتن عکس العمل سریع نسبت به شرایط حاکم از طرف جاده و تغییر بسیار نرم نسبت دنده در مکانیزم تعویض دنده در این نوع گیربکسها باعث شده بسیاری از پدیده های ارتعاش و تکان موجود در مکانیزمهای چرخ دنده ای حذف گردد.
تا سال 2010 به CVT در اروپا تولید و بکارگیری گیربکسهای %5 افزایش خواهد یافت و همچنین رشد استفاده از گیربکس در خودروهای سواری ژاپنی نیز تا سال 2010 به مرز CVT %14 کل تولید خواهد رسید . البته در این بین کشورهایی چون کره نیز به دنبال استفاده گسترده از این نوع سیستم انتقال قدرت در خودروهای خود می باشند.

موتور (HR15DE) نیسان به همراه گیربکس (XTRONIC)

تغیرات CVT در طول زمان

1490 : طرحی ساده ازگیر بکس های غیر مرحله ای CVT توسط داوینچی.

1886 : ثبت اولین CVT های رینگی .

1935 : آدیل دوج (Adiel Dodge) گواهینامه ی ثبت اختراع CVT های رینگی را از امریکا دریافت کرد.

1939 : مرسوم شدن گیر بکس های تمام اتوماتیک سیاره ای.

1958 : شرکت داف خودرویی مجهز به CVT تولید کرد.

1989 : شرکت سوبارو اوین محصولات خود با گیربکس CVT را در امریکا فروخت.

2002 : نخستین خودروی SATURN VUE مجهز به گیر بکس CVT عرضه شد.

2004 : شرکت فورد عرضه ی گیر بکس CVT را آغاز کرد.


مبنای گیربکس

اگر شما تا کنون مطالعاتی در حوزه ی عملکرد و ساختار گیربکس- ها داشته باشید خواهید دانست که وظیفه و کار اصلی گیر بکس ها ایجاد اختلاف سرعت چرخشی بین موتور و چرخ های خودرو است؛به عبارت دیگر بدون گیر بکس خودروها فقط از یک حالت سرعت برخوردار بودند که همان سرعت موتور است.برای لحظه ای تصور کنید با خودرویی که فقط دنده 1 را دارد رانندگی کنید یا خودرویی که فقط دنده 3 را داشت.خودروهای قدیمی از شتاب خوبی (از حالت توقف کامل) برخوردار بودند.و قادر به حرکت با سرعت کمی درسربالایی های تند بود.از سوی دیگر خودروهای امروزی با همین گیربکس داخل بزرگراه در سرعت 80 مایل در ساعت تمایل به پرواز کردن دارد و فقط شتاب آنها از حالت ایست کامل برای بالا رفتن از سربالایی ها زیاد نیست.

بنابراین نتیجه می گیریم که گیر بکس ها از محدوده ی دنده ها (کمترین تا بیشترین) برای استفاده ی مفید از گشتاور موتور در حالت های مختلف رانندگی بهره می جوید،تعویض دنده ها می تواند به صورت دستی یا اتوماتیک باشد.

در گیربکس های اتوماتیک قدیمی چرخ دنده های به هم پیوسته ای و دقیقی وجود داشتند که به انتقال و اصلاح دور و گشتاور کمک می کردند .در این طرح ترکیبی از چرخ دنده های سیاره ای تمام نسبت های مختلف دنده را به گونه ای ایجاد می کردند که توانایی تولید مثلاّ 4دنده ی مستقیم و 1 دنده ی عقب را داشت.

وقتی سیکل کاری گیربکس از بین دنده ها می گذرد و عمل تعویض دنده انجام می شود ،راننده احساس تکان خوردگی می کند.

 گیربکس اتوماتیک CLK مرسدس بنز

مبنای CVT

برخلاف سایر گیربکس های اتوماتیک درCVT انتقال نیرو به شکل مداوم و پیوسته تغییر می کند و مثل گیربکس های مرسوم دیگر دارای انواع چرخ دنده های مختلف نمی باشد .عملکرد CVT بیشتر شبیه سیستم قرقره های هوشمند است که اجازه ی ایجاد بی نهایت تغییر دور بین بیشترین و کمترین مقدار را بدون گسستگی در زمان تعویض دنده را می دهد.

موتور و گیربکس CVT در (Ford Freestyle Duratec)

اگر از اینکه در توضیح CVT از لغت دنده استفاده شده تعجب می- کنید، باید به این نکته توجه کرد که نسبت دور موتور تا چرخ ها دائماّ در حال تغییر است.اگر چه CVT این تغییر دور را بدون استفاده از چرخ دنده انجام می دهد اما در توضیح برای درک بهتر از اصطلاح دنده ی سبک و دنده ی سنگین استفاده می شود حال آنکه در CVT اصلاّ چرخ دنده وجود ندارد.

در مرحله ی بعد انواع CVT از قبیل : چرخ تسمه ای ، رینگی شکل و نوع هیدرواستاتیک.

اصول CVT


بر خلاف سیستم انتقال قدرت اتوماتیک،در سیستم انتقال قدرت با قابلیت تغییر پیوسته،جعبه دنده ای با تعداد مشخص چرخ دنده وجود ندارد یعنی در CVT چرخ دنده های دندانه دار درگیر با هم وجود ندارند رایج ترین نوع CVT بر اساس سیستم پولی کار می کندکه اجازه ی بینهایت تغییر بین بالاترین و پایین ترین دنده بدون گسستگی را می دهد.

اگر از اینکه چرا درباره ی CVT هم از واژه دنده استفاده می شود تعجب می کنید به خاطر بیاورید که منظور از دنده نسبت سرعت موتور به سرعت محور چرخ هاست،اگرچه CVT این نسبت را بدون استفاده از چرخ دنده های سیاره ای انجام می دهد اما باز هم از واژه دنده برای CVT استفاده می شود.



CVT هایی بر اساس پولی به جعبه دنده اتوماتیک توجه کنید،در آن دنیایی از چرخ دنده ها،ترمز ها، کلاچ ها و دستگاه های کنترل را خواهید دید در مقابل CVT به سادگی قالب مطالع است،بیشتر CVT ها فقط سه جزء اساسی دارند:

● یک تسمه محکم فلزی یا لاستیکی

● یک پولی متغییر محرک (ورودی)

● یک پولی خروجی

بعلاوه CVT ها انواع مختلفی از ریزپردازنده ها و حسگر ها را دارا می باشند اما سه جزءی که در بالا توضیح داده شده اند اجزای اصلی اند که به این سیستم اجازه ی کار می دهند



پولی های با شعاع متغیر قلب CVT هستند،هر پولی از دو مخروط با زاویه راس ٢٠ درجه که رودر روی یکدیگر قرار دارند تشکیل شده است، تسمه ای در شیار بین دو مخروط قرار دارد،در صورت لاستیکی بودن تسمه ها از تسمه های V شکل استفاده می شود،تسمه های V شکل از آنجا نام خود را می گیرند که سطح مقطع V شکل دارند که اصطکاک تسمه با پولی را افزایش می دهد

وقتی دو مخروط از هم فاصله بگیرند،یعنی ضخامت پولی بیشتر شود،تسمه در شکاف پایین تر می رود و شعاع تسمه ی حلقه شده دور پولی کاهش می یابد و وقتی دو مخروط به هم نزدیک می شوند ،یعنی ضخامت پولی کاهش می یابد،تسمه در شکاف بالا تر رفته و شعاع تسمه ی حلقه شده دور پولی افزایش می یابد CVT می تواند از فشار هیدرولیکی یا نیروی گریز از مرکز و یا کشش فنر به منظور تولید نیروی مورد نیاز برای تنظیم دو نیمه ی پولی استفاده کند .

پولی ها با قطر متغیر همیشه به صورت دوتایی به کار می روند یکی از پولی ها که به عنوان پولی محرک شناخته می شود،به میل لنگ موتور متصل است،پولی محرک ، پولی ورودی هم نامیده می شود زیرا جایی است که انرژی موتور وارد سیستم انتقال قدرت می شود،پولی دوم پولی گردنده نامیده می شود زیرا پولی اول آن را می چرخاند،به عنوان پولی خروجی،پولی گردنده انرژی را به محور چرخها منتقل می کند.

وقتی یک پولی ضخامت خود را افزایش می دهد،دومی از ضخامت خود می کاهد تا تسمه کشیده باقی بماند

زمانی که دو پولی ضخامت خود را نسبت به یکدیگر تغییر می دهند،بینهایت نسبت دنده مختلف بوجود می آید،از کم به زیاد،شامل همه نسبت های مابین، برای مثال وقتی شعاع تسمه در پولی محرک کم و در پولی خروجی زیاد باشد،سرعت دوران پولی خروجی کاهش می یابد که دنده پایین تری را ایجاد می کند و وقتی شعاع تسمه در پولی محرک زیاد و در پولی خروجی کم باشد،سرعت دوران پولی خروجی افزایش می یابد و دنده بالا تری را ایجاد می کند،بنابراین در تئوری یک CVT بینهایت دنده را شامل می شود و می تواند در هر زمانی و با هر دور موتوری کار کند





طبیعت ساده و بدون گسستگی CVT ها آنها را به یک سیستم انتقال قدرت ایده آل برای تمام ماشین ها و وسایل،نه فقط خودرو ها،تبدیل کرده است،CVT ها سالهای زیادی در ابزار های قدرتی و مته ها بکار می رفتند،همچنین از آنها در وسایل نقلیه مختلفی اعم از تراکتور ها و ماشین های برف رو و اسکوتر های موتوری استفاده می شود،در تمام این کاربرد ها این در نوع سیستم انتقال قدرت از تسمه هایی با لاستیک فشرده استفاده می شود که می تواند کشیده شده یا سر بخورد و در نتیجه باعث هدر رفتن انرژی و کاهش کارایی شود



اختراع ماده های جدید CVT ها را مطمئن تر و کارآمد تر از قبل می سازد،یکی از مهمترین پیشرفت ها طراحی و توسعه ی تسمه های فلزی برای متصل کردن دو پولی بوده است، این تسمه های انعطاف پذیر از چندین ، عموما ٩ یا ١٢، نوار نازک فولادی که تکه های فلزی پاپیونی شکل بسیار مقاوم را کنار هم نگه می دارد ساخته شده است



تسمه های فلزی سر نمی خورند و بسیار با دوام اند که به CVT اجازه ی انتقال گشتاور بیشتری را می دهند،در ضمن آرام تر از تسمه های لاستیکی هستند

(ترجمه از داریوش)

CVT ی چنبری:

نوع دیگری لز CVT است که در آن تسمه و پولی ها با دیسک ها و غلطک ها جایگزین شده است.

اگر چه چنین سیستمی خیلی متفاوت به نظر می رسد همه اجزای آن قابل مقایسه با تسمه و پولی است و نتیجه ی یکسانی می دهد.طرز کار آن اینجا آمده است:

● یک دیسک به موتور متصل است که معادل پولی محرک است

● دیسک دیگری به میل گاردان متصل است که معادل پولی مقاوم است

● غلطک ها و یا چرخ ها بین دو دیسک واقع شده اند و مانند تسمه نیرو را از یک دیسک به دیگری منتقل می کنند

CVT های چرخ تسمه ای (واریوماتیک)

وقتی به دقت به یک گیربکس اتوماتیک می بگرید دنیایی پیچیده از انواع چرخ دنده ها،سروها (ترمز ها) ،کلاچ ها و گاورنرها (وسایل کنترل کننده) را مشاهده می کنید. اما CVT را به سادگی می توان تحلیل کرد.




CVTهای چرخ تسمه ای

خیلی از انواع CVT فقط شامل سه عضو اصلی هستند:

1. یک تسمه ی بسیار بزرگ فلزی یا لاستیکی

2. یک پولی تغییر پذیر محرک (ورودی)

3. یک پولی تغییرپذیر متحرک (خروجی)

CVTها همچنین مجهز به تعدادی میکروپروسسور (ریز پردازنده) و سنسور می باشد اما سه عضوی که در بالا اشاره شد نقش اصلی و کلیدی را در چرخه ی کاری CVT ایفا می کند.

پولی هایی که دارای قطر متغیر هستند قلب CVT را تشکیل می دهند.

هر پولی از دو مخروط ناقص که با یکدیگر زاویه ی 20 درجه می سازند تشکیل شده و یک تسمه در شیار بین دو مخروط که بیشتر از نوع Vشکل (ذوزنقه ای) و از جنس لاستیک می باشد.








اگر از مقطع عرضی به تسمه ها نگاه کنیم آن را به شکل V می بینیم و به همین علت است که به آنها ذوزنقه ای می گویند که این شکل خاص تسمه عاملی است برای افزایش اصطکاک و کاهش لغزش بین تسمه و پولی.





طرز کار :

وقتی دو مخروط از هم دور می شوند (زمانی که ضخامت پولی زیاد می شود ) تسمه در شیار بین مخروط ها به سمت پایین حرکت می کند قطر موثر پولی کاهش و زمانی که مخروط ها به یکدیگر نزدیک می شوند (وقتی که ضخامت پولی کم می شود) تسمه در شیار بین آنها به سمت بالا حرکت می کند افزایش می یابد. ضخامت پولی ها همیشه باید نسبت معینی داشته باشد.

CVTها برای ایجاد نیروی لازم به منظور تنظیم فاصله ی بین دو نیمه پولی ممکن است از فشار سیالات (هیدرولیک) ، نیروی گریز از مرکز و یا نیروی فنر استفاده کنند.

یکی از پولی ها که به میل لنگ وصل است به پولی محرک معروف است همچنین به این علت که ای پولی انرژی موتور را به گیربکس وارد می کند با نام پولی ورودی نیز خوانده می شود.پولی دوم را به علت آنکه به همراه پولی اول می چرخد، پولی متحرک می نامند و همچنین چون انرژی را به چرخ ها می رساند پولی خروجی نیز خوانده می شود.

وقتی قطر یکی از پولی ها افزایش می یابد ، به خاطر سفتی تسمه پولی دیگر کاهش قطر می دهد.هر دو پولی قطر خود را نسبت به پولی دیگر تغییر داده و تعداد بی نهایت نسبت دنده را از حداقل تا حداکثر مهیا می- کند.







بین مرکز پولی ها تا تسمه در شکاف، فاصله ای است که به گام شعاع معروف است.وقتی پولی ها از هم دور می شوند قطر موثر پولی کاهش یافته و گام شعاع کم می شود و عکس آن ، وقتی پولی ها به هم نزدیک می شوند قطر موثر پولی افزایش یافته و گام شعاع زیاد می شود و در نتیجه نسبت بین گام شعاع در پولی محرک

به گام شعاع در پولی متحرک نسبت دنده (i = n1/n2) را تعیین می کند.




اگر گام شعاع در پولی محرک کوچک باشد به همان اندازه در پولی متحرک بزرگ است ، بنابراین سرعت چرخشی پولی متحرک کاهش می یابد و پیامد آن ایجاد دنده ی سنگین است.

وقتی گام شعاع در پولی محرک بیشتر می شود در پولی متحرک کوچکتر شده و نتیجه ی آن افزایش سرعت چرخشی است . (دنده ی سبک).




بنابراین از نظر تئوری در گیربکس های CVT بی نهایت دنده وجود دارد و در هر خودرو در هر لحظه می توان سرعت دلخواه را ایجاد کرد.

ساخت گیربکس های غیر مرحله ای ساده از CVT ها منشاء می گیرد و به غیر از خودرو ها در دستگاه ها ی دیگر نیز کاربرد دارند.

CVTها سال ها در ابزارآلات صنعتی و ماشین های مته مورد استفاده قرار گرفته اند و همچنین در تراکتورها Snowmobileها (خودروهایی که در مناطق برفی کار می کنند) و دو چرخه های موتور ی (موتور گازی ها) کاربرد دارند.



در تمام نمونه های CVT از تسمه های لاستیکی تو پر با غلظت زیاد استفاده شده ، که در صورت لغزش باعث کاهش راند مان کار می شود.

اخیراّ ماده ی جدیدی در CVT ها استفاده می شود که به مراتب قابل اطمینان تر بوده و کارایی بیشتری دارد، یکی از نکته های مهم در امر طراحی CVT ها بستگی کامل به انتخاب جنس تسمه داشته و میزان انعطاف پذیری آنها به تعداد لایه های فولادی (لایه12-9) مورد استفاده در تسمه بستگی دارد.

تسمه های فلزی مورد استفاده در CVTها دچار لغزش نشده و از استحکام زیادی برخوردار هستند و قادر به انتقال گشتاور بیشتری از موتور به چرخ ها هستند.همچنین نسبت به تسمه های لاستیکی آرامتر و بی صدا تر کار می کنند.

CVT های رینگی :

یک نوع دیگر از گیربکس های CVT نوع سیستم رینگی است ، که در آن دیسک ها و غلطک ها جایگزین پولی ها و تسمه شده اند.

گیربکس CVTرینگی نیسان EXTROID

اگرچه این سیستم در ظاهر خیلی متفاوت از نوع قبل نشان می دهد ، اما در واقع کار تمام قطعات همانند نوع قبلی است و همان نتیجه را در بر دارد و متشکل از قطعات زیر است :

1.یک عدد دیسک متصل به موتور (مثل پولی محرک)

2.یک عدد دیسک دیگر متصل به پولوس ها (مثل پولی متحرک)

3. غلطک ها که همانند تسمه بین دیسک ها قرار گرفته اند و قدرت را از دیسکی به دیسک دیگر انتقال می دهند.




غلطک ها قادرند بین دو محور موازی حرکت کنند ، آنها حول محور افقی می لغزند و حول محور عمودی می چر خند و این امر غلطک ها اجازه می دهد تا با قسمت های مختلفی از دیسک در تماس باشند.وقتی که غلطک ها به مرکز دیسک محرک نزدیک می شوند باید از سوی دیگر هم به لبه ی دیسک متحرک نزدیک شوند و این به معنای کاهش دور و افزایش گشتاور است.(دنده ی سنگین)



وقتی که غلطک ها به لبه ی دیسک محرک در تماس باشند از سوی دیگر به مرکز دیسک متحرک نزدیک شوند و پیامد آن افزایش دور و کاهش گشتاور است.(دنده ی سبک)

با کج کردن ساده ی غلطک ها تغییرات در نسبت دنده ایجاد می شود به شرط آنکه این کج شدن به آرامی انجام شود.

گیربکس های : CVT هیدرواستاتیکی

در دو نوع گیربکسی که قبلاّ ذکر کردیم انتقال نیرو از طریق ارتباط مکانیکی میسر بود که یا از طریق اختلاف شعاع و یا از طریق تماس نقطه ای بین دو عضو گردنده ایجاد می شود . حال نوع دیگری از گیربکس هایCVT وجود دارند که با استفاده از انرژی سیالات برای انتقال نیرو استفاده می کنند و با نام CVTهای هیدرواستاتیک معروف اند.



در این طرح به منظور تغییر دادن جهت جریان سیال موجود در موتور های هیدرو استاتیک از پمپ های جابجایی متغییر استفاده شده است .

در این گیربکس حرکت چرخشی موتور در قسمت محرک ، پمپ هیدرواستاتیکی را به کار می اندازد و این پمپ جهت جریان سیال را معکوس می کند؛ سپس توسط جریان سیال معکوس شده پمپ هیدرواستاتیکی واقع در قسمت متحرک را به گردش در می آورد.

برخی از گیربکس های هیدرواستاتیک به منظور ایجاد یک سیستم هیبریدی (پیوندی) با یک مجموعه ی سیاره ای و کلاچ ترکیب می شوند

که این سیستم را با نام گیربکس های هیدرومکانیکال می شناسند.گیربکس های هیدرومکانیکال به روش های مختلفی عمل انتقال قدرت راانجام می-

دهند ، آنها قدرت را در سرعت های پایین از طریق نیروی هیدرولیکی و در سرعت های بالا توسط نیروی مکانیکی منتقل می کنند.

گیربکس های هیدرو مکانیکال برای کارهای سنگین در خودروهایی مثل تراکتور های کشاورزی و خودرو های مخصوص مورد استفاده قرار می گیرند.



خصوصیات گیربکس های CVT
گیربکس های CVT در بین رانندگان و افراد طرفدار محیط زیست از محبوبیت بالایی برخوردارند. در زیر به معرفی برخی از مزایا و خصوصیات CVT می پردازم :