در این مقاله به معرفی اجزا و انواع و نحوه‌ی عملکرد جعبه‌دنده‌های خودکار می‌پردازیم.
اگر تاکنون پشت فرمان یک خودروی مجهز به جعبه‌دنده‌ی خودکار نشسته باشید، حتما متوجه دو تفاوت عمده میان جعبه‌دنده‌های دستی و خودکار شده‌اید:
در خودروی مجهز به جعبه‌دنده‌ی خودکار پدال کلاچ وجود ندارد.
در جعبه‌دنده‌ی خودکار تعویض دنده به‌صورت دستی معنا ندارد. همین‌که دنده را در حالت حرکت (Drive) قرار دهید، همه‌چیز به‌صورت خودکار انجام می‌شود.
جعبه‌دنده‌های خودکار (به همراه مبدل گشتاور) و جعبه‌دنده‌های دستی (به همراه کلاچ) هر دو یک نتیجه را حاصل می‌کنند، اما این کار را به دو روش کاملا متفاوت انجام می‌دهند. در این میان نحوه ی عملکرد جعبه‌دنده‌های خودکار بسیار شگفت‌انگیز است.
در این مقاله سعی داریم با جزئیات نحوه‌ی عملکرد جعبه‌دنده‌های خودکار آشنا شویم. به همین منظور کار خود را با آشنایی با مفهوم نسبت دنده و چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای آغاز می‌کنیم، سپس به بررسی نحوه‌ی کارکرد اجزا کنار هم می‌پردازیم و یاد می‌گیریم که سیستم‌های کنترلی این جعبه‌دنده‌ها چگونه عمل می‌کنند و چه پیچیدگی‌های در کنترل یک جعبه‌دنده‌ی خودکار وجود دارد.
در سیستم‌های مکانیکی از چرخ‌دنده‌ها برای تغییر سرعت یا جهت دوران شفت‌ها استفاده می‌شود. برای این منظور حداقل دو چرخ‌دنده که دندانه‌هایشان با یکدیگر درگیرند روی شفت‌های ورودی و خروجی نصب می‌شوند. نسب دنده به‌طور ساده نسبت تعداد دور چرخش چرخدندهی محرک به تعداد دور چرخش چرخدندهی متحرک است.
هدف از ساخت جعبه‌دنده‌ی خودکار
درست مانند جعبه‌دنده‌های دستی، وظیفه‌ی اصلی جعبه‌دنده‌های خودکار تولید بازه‌ی وسیعی از سرعت و گشتاور با وجود بازه‌ی کوچک سرعت و گشتاور تولیدی توسط پیشرانه است. به بیان دیگر، هر پیشرانه بازه‌ی محدودی از سرعت و گشتاور را تولید میکند که جعبه‌دنده با کمک چرخ‌دنده‌ها یا سیستم‌های مشابه این بازه را وسیع‌تر میکند.
بدون سیستم جعبه‌دنده خودروها به یک نسبت دنده محدود می‌شوند و این نسبت دنده باید به گونه‌ای باشد که به خودرو اجازه دهد با حداکثر سرعت مورد نظر حرکت کند. برای مثال، اگر قصد دارید حداکثر سرعت خودروی شما ۱۲۸ کیلومتر بر ساعت باشد، نسبت دنده باید مشابه دنده‌ی ۳ در اکثر جعبه‌دنده‌های خودکار باشد.
شاید هیچ‌وقت تا به حال با یک خودروی مجهز به جعبه‌دنده‌ی دستی، تنها با دنده‌ی ۳ رانندگی نکرده‌اید. اگر این کار را کرده باشید بلافاصله متوجه شده‌اید که در آغاز حرکت تقریبا هیچ شتابی ندارید و در حداکثر سرعت، پیشرانه‌ی شما در محدوده‌ی قرمز رنگ دور موتور در حال فریاد کشیدن است. خودرویی در این شرایط به سرعت خراب شده و تقریبا غیرقابل استفاده خواهد شد.
بنابراین سیستم انتقال قدرت از چرخ‌دنده برای استفاده‌ی هرچه مفیدتر از گشتاور پیشرانه و حفظ سرعت آن در یک بازه‌ی مناسب استفاده میکند. در هنگام کشیدن یا حمل بارهای سنگین، سیستم انتقال قدرت خودرو می‌تواند به‌حدی داغ شود که به راحتی روغن جعبه‌دنده را بسوزاند. برای جلوگیری از این مشکل راننده‌هایی که شغلشان کشیدن یا حمل‌ونقل بارهای سنگین است باید از خودروهای مجهز به خنک‌کننده‌ی سیستم انتقال قدرت استفاده کنند.
تفاوت کلیدی جعبه‌دنده‌های دستی و خودکار در این است که در جعبه‌دنده‌ی دستی برای دستیابی به نسبت دنده‌های مختلف، مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌های متفاوتی به محور خروجی پیشرانه قفل می‌شوند. این در حالی است که در جعبه‌دنده‌ی خودکار تمام نسبت دنده‌های مختلف تنها با مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌ها حاصل می‌شود. این کار با استفاده از مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای امکان‌پذیر شده است.
چرخدندهی سیاره‌ای
تصور کنید می‌خواهید نسبت دنده‌ی ۶:۱ را در شفت خروجی تولید کنید و این شفت هم جهت با شفت ورودی دوران کند. یک راه‌حل استفاده از مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌ای سه‌تایی است که تصویر آن در زیر نشان داده شده است. در این تصویر قطر چرخدندهی آبی ۶ برابر قطر چرخدندهی زرد رنگ است و در نتیجه نسبت دنده‌ی ۶:۱ را ایجاد میکند. اندازه‌ی چرخدندهی قرمز اهمیتی ندارد چراکه این قطعه تنها وظیفه‌ی معکوس کردن جهت دوران را بر عهده دارد و در نتیجه چرخ‌دنده‌های آبی و زرد در یک جهت چرخش می‌کنند. با اینکه تمام نیازهای مسئله رفع شده است، اما همان‌طور که در تصویر مشخص است، شفت‌های چرخ‌دنده‌های آبی و زرد هم‌محور نیستند و در عوض موازی یکدیگرند. حال سؤال این است که اگر لازم باشد شفت ورودی و خروجی هم‌محور باشند، در این حالت از چه سیستمی برای پاسخ‌گویی به شرایط مسئله استفاده کنیم؟ پاسخ استفاده از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای است.
در تصویر بالا، چرخدندهی زرد رنگ (چرخدندهی خورشیدی) به‌طور هم‌زمان با سه چرخدندهی قرمز رنگ (چرخ‌دنده‌های سیاره) درگیر است و این چرخ‌دنده‌ها به یک صفحه به نام حامل چسبیده‌اند. چرخ‌دنده‌های سیاره به بخش داخلی قسمت آبی رنگ (چرخدندهی داخلی یا رینگی) تماس دارند. به دلیل وجود این حالت خاص از چیدمان چرخ‌دنده‌ها، این مجموعه به‌شدت سفت است. شفت خروجی به چرخدندهی داخلی آبی رنگ (رینگی) متصل است و صفحه‌ی حامل در حال سکون باقی می‌ماند و در نهایت نسبت دنده‌ی ۶:۱ در این حالت نیز به‌دست می‌آید.
نکته‌ی جالب توجه دیگر درباره‌ی مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای این است که این مجموعه با تغییر چرخدندهی ورودی و خروجی و ساکن می‌تواند نسبت دنده‌های متفاوتی ایجاد کند. برای مثال، اگر چرخدندهی خورشیدی به‌عنوان ورودی و شفت خروجی به حامل متصل شود و چرخدندهی رینگی ساکن بماند، نسبت دنده‌ی متفاوتی ایجاد می‌شود. در یک جعبه‌دنده‌ی خودکار برای درگیر کردن و ساکن نگه‌داشتن چرخ‌دنده‌های مختلف در مجموعه‌ی سیاره‌ای از کلاچ‌ها و تسمه‌های مهار اصطکاکی استفاده می‌شود.
کاربرد مجموعه‌ی چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای در جعبه‌دنده‌ی خودکار
هنگامی‌که اجزای یک جعبه‌دنده‌ی خودکار را جدا کنید، مجموعه‌ای عظیم از اجزای مختلف را می‌بینید که در فضایی تقریبا کوچک جاسازی شده‌اند. اصلی‌ترین اجزایی که خواهید دید عبارت‌اند از:
مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای که به‌صورتی مبتکرانه طراحی شده‌اند
یک جفت تسمه‌ی مهار که اجزای چرخدندهی سیاره‌ای را قفل میکند
کلاچ‌های تر برای قفل کردن سایر اجزای چرخدندهی سیاره‌ای
یک سیستم هیدرولیک شگفت‌انگیز که کلاچ‌ها و تسمه مهارها را کنترل میکند
یک پمپ روغن بزرگ برای به حرکت درآوردن روغن درون سیستم انتقال قدرت
کانون توجه ما به سیستم چرخدندهی سیاره‌ای معطوف می‌شود. این قطعه که تقریبا به اندازه‌ی یک طالبی است، تمام نسبت دنده‌های متفاوت را تولید میکند. سایر اجزای موجود در سیستم انتقال قدرت خودکار برای کمک به چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای است تا آن را قادر سازد وظیفه‌اش را به بهترین شکل به انجام برساند. یک سیستم انتقال قدرت خودکار از دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای تشکیل شده است که با یکدیگر یک قطعه را تشکیل می‌دهند.
هر چرخدندهی سیاره‌ای از سه جز اصلی تشکیل شده است:
۱. چرخدندهی خورشیدی
۲. چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای و صفحه‌ی حامل آن‌ها
۳. چرخدندهی داخلی (رینگی)
هر یک از این چرخ‌دنده‌ها می‌تواند به‌عنوان محرک، متحرک یا ثابت عمل کند. اینکه کدام چرخ‌دنده چه نقشی را بر عهده بگیرد اساس تولید نسبت دنده‌های متفاوت است. برای درک بهتر به یک مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای نگاه می‌اندازیم.
نسبت دنده در چرخدندهی سیاره‌ای
چرخدندهی رینگی یک مجموعه‌ی سیاره‌ای ۷۲ دندانه و چرخدندهی خورشیدی آن ۳۰ دندانه دارد. می‌توانیم از این مجموعه نسبت دنده‌های متفاوتی تولید کنیم.
همچنین، قفل کردن هم‌زمان هر یک از دو چرخ‌دنده باعث تولید نسبت دنده‌ی ۱:۱ می‌شود. توجه داشته باشید که اولین نسبت دنده در جدول بالا یک نسبت کاهنده است، به این معنی که سرعت خروجی از سرعت ورودی کم‌تر است. نسبت دوم نسبت فزاینده است به این معنی که سرعت خروجی از سرعت ورودی بیشتر است. آخرین نسبت یک نسبت کاهنده در خلاف جهت چرخش شفت ورودی است. چندین نسبت دنده‌ی دیگر نیز می‌توان با استفاده از این چرخدندهی سیاره‌ای نمونه به دست آورد، اما این نسبت‌ها برای جعبه‌دنده‌ی خودکار ما کافی است.
با کنار هم قرار دادن دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای می‌توان چهار دنده‌ی جلو و یک دنده‌ی عقب مورد نیاز برای یک جعبه‌دنده‌ی معمول را ایجاد کرد.
چرخدندهی سیاره‌ای مرکب
در یک جعبه‌دنده‌ی خودکار استاندارد به‌طور معمول دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای تعبیه شده است که به کل این مجموعه، چرخدندهی سیاره‌ای مرکب می‌گویند. نحوه‌ی عملکرد چرخدندهی سیاره‌ای مرکب درست شبیه چرخدندهی سیاره‌ای ساده است و تنها تفاوت در تعداد چرخ‌دنده‌های تعبیه شده است. چرخدندهی سیاره‌ای مرکب از یک چرخدندهی داخلی (رینگی) که همیشه به‌عنوان خروجی عمل میکند، دو چرخدندهی خورشیدی و دو سری چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای تشکیل شده است.
تصویر زیر مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای درون حامل را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که چرخدندهی سیاره‌ای سمت راست پایین‌تر از چرخدندهی سیاره‌ای سمت چپ قرار می‌گیرد. چرخدندهی سمت راست با چرخدندهی داخلی درگیر نمی‌شود و تنها با چرخدندهی سیاره‌ای دیگر درگیر است. چرخدندهی سیاره‌ای سمت چپ با چرخدندهی داخلی درگیر است.
مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای
در تصویر بعد می‌توانید درون حامل را مشاهده کنید. چرخ‌دنده‌های کوچک‌تر تنها با چرخدندهی خورشیدی کوچک درگیرند. چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای بزرگ با چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر و سیاره‌های کوچک‌تر درگیرند.
دنده‌ی یک
در دنده‌ی یک، چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر توسط توربین موجود در مبدل گشتاور به‌صورت ساعت‌گرد می‌چرخد. صفحه‌ی حامل سعی میکند به‌صورت پادساعت‌گرد بچرخد، اما توسط کلاچ یک‌طرفه (که تنها اجازه‌ی چرخش به‌صورت ساعت‌گرد را می‌دهد) در حالت سکون باقی می‌ماند و چرخدندهی داخلی (رینگی) خروجی را منتقل میکند. چرخدندهی کوچک ۳۰ دندانه و چرخدندهی داخلی ۷۲ دندانه دارد، بنابراین نسبت دنده برابر است با:
نسبت دنده = -R/S = -72/30 = -2.4:1
بنابراین جهت چرخش معکوس ورودی است، اما در حقیقت جهت چرخش خروجی با جهت چرخش ورودی یکسان است و دلیل آن در استفاده از چرخدندهی سیاره‌ای مرکب نهفته است. چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای اول با چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای دوم درگیر هستند که سری دوم چرخدندهی داخلی را می‌چرخاند. این ترکیب سبب معکوس شدن جهت حرکت می‌شود. همچنین می‌توانید ببینید که این امر می‌تواند سبب گردش چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر شود، اما به این دلیل که کلاچ تعبیه شده برای این بخش آزاد است، چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر می‌تواند آزادانه در خلاف جهت چرخش توربین بچرخد.
دنده‌ی دو
این جعبه‌دنده‌ی نمونه برای رسیدن به نسبت دنده‌ی مورد نیاز در دنده‌ی دوم عملکرد شگفت‌انگیزی دارد. برای دستیابی به این نسبت دنده دو مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای توسط یک صفحه‌ی حامل معمولی به یکدیگر متصل می‌شوند.
اولین مرحله از حامل در حقیقت از چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر به‌عنوان چرخدندهی داخلی استفاده میکند. بنابراین مرحله‌ی اول شامل چرخدندهی خورشیدی (چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر)، صفحه‌ی حامل و چرخدندهی داخلی (چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر) خواهد بود.
چرخدندهی محرک چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر است، چرخدندهی داخلی (چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر) توسط تسمه‌ی مهار در حالت سکون نگه داشته می‌شود و صفحه‌ی حامل به‌عنوان چرخدندهی متحرک عمل میکند. در این مرحله فرمول محاسبه‌ی نسبت دنده به‌صورت زیر درمی‌آید:
1+ R/S = 1 + 36/30 = 2.2:1
این نتیجه به آن معنا است که صفحه‌ی حامل به ازای هر دور چرخش چرخدندهی خورشیدی کوچک ۲.۲ دور می‌زند. در مرحله‌ی دوم صفحه‌ی حامل به‌عنوان محرک برای مجموعه‌ی چرخدندهی سیاره‌ای دوم عمل میکند. چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر که در حالت سکون نگه داشته می‌شود به‌عنوان چرخدندهی خورشیدی و چرخدندهی داخلی به‌عنوان چرخدندهی متحرک عمل میکند. در این مرحله خواهیم داشت:
1 / (1+ S/R) = 1 / (1+ 36/72) = 0.67:1
در نهایت برای به‌دست آوردن نسبت دنده‌ی نهایی باید نسبت دنده‌ی مرحله‌ی دوم را در نسبت دنده‌ی مرحله‌ی اول ضرب کنیم که حاصل برابر 1.47:1 خواهد شد.
دنده‌ی سه
بیشتر جعبه‌دنده‌های خودکار در دنده‌ی سون نسبت دنده‌ی 1:1 تولید می‌کنند. همان‌طور که قبل‌تر اشاره شد، برای به‌دست آوردن نسبت 1:1 کافی است دو چرخ‌دنده از سه چرخدندهی سیستم سیاره‌ای را به یکدیگر قفل کنیم. در جعبه‌دنده‌های خودکار تنها کافی است کلاچ‌هایی که چرخ‌دنده‌های خورشیدی را به توربین قفل می‌کنند درگیر کنیم.
اگر هر دو چرخدندهی خورشیدی به یک سمت بچرخند، چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای قفل می‌شوند چراکه آن‌ها تنها می‌توانند در خلاف جهت یکدیگر بچرخند. این کار باعث می‌شود چرخدندهی داخلی به چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای قفل شود و کل مجموعه با هم شروع به چرخش کند و نسبت دنده‌ی 1:1 تولید شود.
آخرین دنده (Overdrive)
اوردرایو به این معنی است که سرعت چرخش شفت خروجی از سرعت چرخش شفت ورودی بیشتر است. در این سیستم انتقال قدرت، رسیدن به اوردرایو دستیابی به دو هدف به‌صورت هم‌زمان است. در بعضی خودروها برای افزایش بازدهی مکانیزمی دارند که مبدل گشتاور را قفل میکند و تمام قدرت خروجی پیشرانه به‌صورت مستقیم به جعبه‌دنده منتقل می‌شود.
در این سیستم انتقال قدرت، هنگامی که اوردرایو درگیر می‌شود، یک شفت که به پوسته‌ی مبدل گشتاور متصل است (و پوسته به فلایویل پیشرانه پیچ شده است) توسط کلاچ به صفحه‌ی حامل متصل می‌شود. چرخدندهی خورشیدی کوچک هرز می‌چرخد و چرخدندهی خورشیدی بزرگ توسط تسمه‌ی مهار در حالت سکون نگه داشته می‌شود. در این دنده تمام سرعت شفت خروجی از پیشرانه به جعبه‌دنده منتقل می‌شود. در این حالت صفحه‌ی حامل محرک، چرخدندهی خورشیدی ثابت و چرخدندهی داخلی متحرک است. بنابراین در این حالت نسبت دنده برابر است با:
1 / (1+ S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1
در نتیجه به ازای هر دو سوم چرخش پیشرانه شفت خروجی یک دور می‌زند. اگر پیشرانه در ۲۰۰۰ دور در دقیقه کار کند، سرعت شفت خروجی در این حالت برابر ۳۰۰۰ دور در دقیقه است. در این حالت خودرو می‌تواند با سرعت مجاز آزادراه‌ها بدون آن‌که سرعت پیشرانه افزایش یابد، حرکت کند.
دنده عقب
عملکرد دنده عقب بسیار شبیه عملکرد دنده‌ی اول است و تنها تفاوت این است که در دنده‌ی عقب به‌جای آن‌که چرخدندهی خورشیدی کوچک توسط توربین مبدل گشتاور به حرکت در آید، چرخدندهی خورشیدی بزرگ‌تر به حرکت در می‌آید و چرخدندهی خورشیدی کوچک‌تر به‌صورت هرزگرد در خلاف جهت می‌چرخد. صفحه‌ی حامل توسط تسمه‌ی مهار به پوسته ثابت می‌شود. نسبت دنده در دنده عقب اندکی کم‌تر از نسبت دنده در دنده‌ی یک است.