انواع سیستم‌های انتقال قدرت و مقایسه آن‌ها

گیربکس انواع سیستم‌های انتقال قدرت و مقایسه آن‌ها

مقدمه

بی‌شک افزایش تولید ناخالص داخلی و رشد اقتصادی از اولویت‌ها و اهداف بنیادین کشورها است. افزایش سهم تولید، سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های اقتصادی به‌منظور بومی‌سازی و توسعه فناوری در صنعت راهکارهای مورداستفاده کشورها جهت نیل به این اهداف است.

بعد از صنعت نفت و گاز دومین شاخه مهم اقتصاد ملی، صنعت خودروسازی به‌حساب می‌آید. لذا توسعه زیرساخت‌های صنعت خودروسازی از اساسی‌ترین فنّاوری‌های انقلابی جهت ارتقاء کیفیت و دستیابی به  شرایط رقابتی در این بخش است. توسعه و پیشرفت این مهم، مستلزم ارتقاء فنّاوری و دانش فنی و همچنین به‌روزرسانی خطوط تولید در صنعت قطعه­ سازی خودرو است.

خودرو به‌عنوان یک وسیله نقلیه و با نیروی موتوری خود به حرکت درمی‌آید. نخستین خودرو با موتور برون سوز، یک موتور کوچک بود که بر روی یک گاری کوچک نصب شد. اما به‌تدریج موتورهای درون‌سوز تبدیل به موتورهای برون ‌سوز گردیدند. امروز علاوه بر قوای محرکه احتراق داخلی، از نوع الکتریکی و هیبریدی نیز استفاده می­شود. قوای محرکه احتراق داخلی از بنزین یا گازوئیل، الکتریکی از باطری و هیبریدی از ترکیب بنزین یا گازوئیل و باطری استفاده می­شود. هر خودرو را می‌توان به هفت بخش کلی تقسیم کرد که عبارت‌اند از سیستم های:

  • مولد قدرت (موتور)
  • انتقال قدرت
  • تعلیق و فنربندی
  • چرخ بندی و ترمزها
  • بدنه و شاسی
  • هدایت و فرمان
  • برق‌رسانی

هدف اصلی در طراحی سیستم انتقال قدرت، تبدیل بهینه نیروی پیشرانش در دسترس موتور به نیروی پیشرانش خودرو در محدوده وسیعی از سرعت‌ است. این طراحی بایستی به نحوی انجام شود که سازگاری مطلوبی بین تعداد دنده‌ها، عملکرد شتاب-گیری و شیب روی و مصرف سوخت ایجاد گردد. همچنین باید توسعه‌های فنی و فناورانه بیشتری مانند قابلیت اطمینان و عمر مفید نیز در نظر گرفته شود. در این میان رعایت ملاحظات زیست‌محیطی و اجتماعی نیز ضروری است. اهداف طراحی بالادستی که در طراحی سیستم انتقال قدرت خودروها در نظر گرفته می‌شود، در شکل 1 بیان‌شده است. این اهداف فاکتورهای ارتباط متقابل ترافیک، محیط، پیشرانه، جعبه‌دنده و خودرو را شامل می‌شوند.

شکل 1- اهداف توسعه‌ای بالادستی سیستم انتقال قدرت خودرویی
شکل 1- اهداف توسعه‌ای بالادستی سیستم انتقال قدرت خودرویی

بازارها و سازوکارهای آن برای خودرو‌های سواری و تجاری متفاوت است و اولویت مربوط به این الزامات را تغییر می‌دهند.

سیستم­‌های انتقال قدرت به دودسته اصلی دستی و اتوماتیک تقسیم می­شوند. مزیت‌ اصلی جعبه‌دنده‌های اتوماتیک که سبب افزایش روزافزون توجه مشتریان و خودروسازان به تولید و استفاده از خودروهای دارای جعبه‌دنده اتوماتیک شده است، کاهش وظایف راننده در حین رانندگی و به‌تبع آن افزایش آرامش رانندگی می‌باشد.

جعبه‌دنده یکی از اصلی­ترین اجزای وسایل نقلیه است. ارزش آن به‌قدری است که شاید بتوانیم آن را با موتور در یک جایگاه قرار دهیم. دو دلیل برای اهمیت بالای جعبه‌دنده وجود دارد؛ اول آنکه هر موتوری دور محدودی داراست و بیشتر از آن نمی­تواند کار کند و نکته دوم گشتاور معینی است که هر موتور با حداکثر دور خود می­تواند تولید نماید.

وجود جعبه‌دنده به راننده اجازه می­دهد که بدون بالا بردن بیش‌ازحد دور موتور، آن را در حالت دلخواه و موردنیاز کنترل نماید. پس هدف اصلی از حضور جعبه‌دنده در خودروها، انتقال قدرت با سرعت و گشتاور متغیر است.

شکل 2- تأثیر جعبه‌دنده بر روی ویژگی های اساسی وسایل نقلیه
شکل 2- تأثیر جعبه‌دنده بر روی ویژگی های اساسی وسایل نقلیه

سیستم انتقال قدرت به‌وسیله کلاچ به موتور متصل می­شود. کلاچ، خود ابزاری است که امکان قطع و وصل جعبه‌دنده و موتور را به هم فراهم می­نماید. هنگام فشار دادن پدال کلاچ، اتصال موتور و جعبه‌دنده برای لحظاتی قطع می­شود. سپس زمانی که خودرو در دنده بوده و موتور، روشن و در حال کار کردن است، اتومبیل می­تواند پس از طی مسافت معینی متوقف شود. وقتی کلاچ رها می­‌شود، دوباره اتصال جعبه‌دنده با موتور برقرار می­شود و میله ورودی به موتور با سرعت برابر با سرعت موتور، شروع به چرخیدن می­‌کند.

انواع سیستم انتقال قدرت

المان‌های اساسی و اصول طراحی سیستم انتقال قدرت از سال 1925 توسعه‌یافته است. پس‌ازآن پیشرفت فناوری بیشتر به افزایش عملکرد و دوام، کاهش وزن و نویز و بهینه‌سازی کارایی معطوف شده است. طراحی سیستم انتقال قدرت متناسب همواره باید در نقشه طراحی خودرو جدید قرار گیرد. بر اساس استراتژی تولید، در فاز توسعه یک خودرو جدید جعبه‌دنده متناظر از میان مجموعه‌های متناسب موجود انتخاب می‌شود یا توسعه داده می‌شود.

در یک دسته‌­بندی کلی جعبه‌دنده‌­ها در دودسته قرار می­‌گیرند: 1- دستی و 2- خودکار. در ادامه به‌اختصار به توضیح و بررسی هر یک از این دو نوع پرداخته خواهد شد.

جعبه‌دنده دستی

جعبه‌دنده­‌های دستی ازنظر عملکرد، 2 نوع هستند. در خودروهای امروزی، می‌­توان دنده‌ها را بدون ترتیب تعویض کرد و مثلاً جعبه‌دنده را از دنده 2 به دنده 4 رساند؛ اما بسیاری از مدل‌های قدیمی و موتورسیکلت‌های مدرن، از جعبه‌دنده‌های ترتیبی استفاده می‌کنند. تعویض دنده با جعبه‌دنده‌های ترتیبی، ساده‌تر است و فقط به راننده اجازه می‌دهد تا یک‌دنده بالاتر یا پایین‌تر را انتخاب کند. این مدل، امروزه برای موتورسیکلت‌ها و خودروهای مسابقه‌ای، کاربرد دارد.

در بحث نسبت انتقال، هرچقدر نسبت انتقال بیشتر باشد، سرعت خروجی نسبت به‌سرعت ورودی کمتر است و از طرف دیگر این کاهش سرعت باعث افزایش قدرت می­‌شود، یعنی با افزایش نسبت انتقال، قدرت خروجی نسبت به ورودی بیشتر می­شود. هرچقدر خودرویی برای به حرکت درآمدن نیاز به قدرت بیشتری داشته باشد، نسبت انتقال دنده یک آن را، عدد بزرگ‌تری قرار می‌دهند؛ برای مثال هرچقدر خودرو، سنگین­تر باشد برای به حرکت درآمدن نیاز به قدرت بیشتری داشته و درنتیجه نسبت انتقال دنده یک آن را عدد بزرگ‌تری قرار می­‌دهند؛ همچنین خودروهایی که برای حمل بار طراحی‌شده‌اند، خودروهایی که برای حرکت در مناطق سنگلاخی و صعب‌العبور طراحی‌شده‌اند نیز باید با نسبت انتقال بیشتری به حرکت دربیایند.

همان‌طور که در شکل4 مشاهده می­‌شود هزینه و وزن تمام‌شده جعبه‌دنده دستی بسیار پایین­‌تر سایر انواع جعبه‌دنده­‌ها می‌­باشد. [1]

شکل 3- جعبه‌دنده دستی(MT)
شکل 3- جعبه‌دنده دستی(MT)
شکل 4- نمودار امتیاز گیری جعبه‌دنده دستی(MT) بر اساس گزارش [1]BMW
شکل 4- نمودار امتیاز گیری جعبه‌دنده دستی(MT) بر اساس گزارش [1]BMW

جعبه‌دنده‌های اتوماتیک

در جعبه‌دنده‌­های اتوماتیک عمل تعویض دنده به‌صورت خودکار و با توجه به شرایط حرکتی و شرایط جاده و شرایط عملکردی خودرو انجام می­شود. مثلاً هرگاه احساس شود که دور موتور بیش‌ازحد بالا رفته و شیب جاده نیز به‌صورت سربالایی نبوده و موتور زیر بار قرار ندارد به‌صورت اتوماتیک تعویض دنده‌سنگین به دنده سبک­تر صورت می­گیرد یا مثلاً اگر راننده به‌یک‌باره بر روی پدال گاز فشار دهد عمل شتاب­گیری صورت می­پذیرد. جعبه‌دنده‌های اتوماتیک مورداستفاده در خودروهای سواری معمول، به 4 دسته کلی زیر قابل‌تقسیم می­باشند:

  • دستی اتوماتیک شده (Automatic Manual Transmission)
  • جعبه‌دنده‌ (Continuously Variable Transmission)
  • اتوماتیک خورشیدی (Automatic Transmission)
  • دوکلاچه (Dual-Clutch Transmission)

مقایسه سیستم انتقال قدرت دستی و اتوماتیک و بررسی بازار

برای مقایسه انواع جعبه‌دنده‌­ها، میزان بهبود مصرف سوخت جعبه‌دنده­های مختلف نسبت به درصد افزایش هزینه در مقایسه با یک جعبه‌دنده 5 سرعته دستی بررسی‌شده است. در این تصویر مشاهده می‌شود که استفاده از جعبه‌دنده AT 4/5 حدود 73% هزینه طراحی و تولید را افزایش می­دهد و تنها حدود 9% مصرف سوخت را کاهش می‌­دهد. همچنین مشاهده می­شود که استفاده از جعبه‌دنده DCT/wet علاوه برافزایش 71% هزینه طراحی و تولید، به‌طور میانگین حدود 7% نیز مصرف سوخت را افزایش می­‌دهد. در این میان اتوماتیک کردن همان جعبه‌دنده دستی 30% هزینه طراحی و تولید را افزایش می‌دهد و در مقابل حدود 9% نیز در مصرف سوخت صرفه‌جویی می‌شود. شایان‌ذکر است توسعه سیستم­های انتقال قدرت اتوماتیک عمدتاً باهدف افزایش راحتی سفر و تسلط راننده بر جاده توسعه‌یافته‌اند.[1]

طبق بررسی­‌های صورت گرفته، بیشتر خودروهای با جعبه‌دنده اتوماتیک با گشتاور پیشرانه بیش از N.m  300  از جعبه‌دنده­‌های AT استفاده می­کنند. باوجوداینکه این نوع جعبه‌دنده­ها راحتی راننده را در پی دارد اما متناسب با بخش قابل‌توجهی از الزامات در نظر گرفته‌شده برای خودرو هدف نیست. هزینه تعمیر و نگهداری این نوع جعبه‌دنده‌­ها در مقایسه با جعبه‌دنده­های دستی بیشتر است و همچنین در مسیرهای آفرود به دلیل عدم ایجاد ترمز موتوری عملکرد نامناسبی دارند. وزن بالا، حجم بزرگ و قیمت تمام‌شده بالای این جعبه‌دنده از دیگر نقاط منفی آن است. درصورتی‌که انتقال گشتاور به‌صورت چهارچرخ محرک مدنظر باشد، این موارد تشدید می­‌شود.[1]

لازم به ذکر است که در شتاب­گیری یک خودرو عوامل فراوانی ازجمله موتور خودرو تأثیرگذار هستند اما مؤثرترین سیستم جهت دستیابی به عملکرد مطلوب، سیستم انتقال قدرت است. بنابراین در انتخاب و انطباق این سیستم در خودرو بایستی توجه شود تا بیشترین سازگاری را با بقیه اجزا خودرو ازجمله منحنی عملکردی موتور داشته باشد. از طرفی بایستی بنا بر خاص بودن کاربری خودرو، تعمیر و تعویض قطعات به‌سادگی امکان‌پذیر باشد.بر اساس مطالب ذکرشده در فوق شرکت BMW تحقیقی به عمل‌آورده است که نتایج آن به شکل زیر است[1] :

انواع هیدرولیکی یا تر این جعبه‌دنده متناسب با توان موتور هدف است و نوع خشک برای موتورهای با گشتاورهای پایین‌تر کاربرد دارد.

شکل 5- امتیاز جعبه‌دنده‌های مختلف در ویژگی‌ها[1]
شکل 5- امتیاز جعبه‌دنده‌های مختلف در ویژگی‌ها[1]

میزان اهمیت هرکدام از این ویژگی­‌ها با یکدیگر یکسان نیست و مثلاً هزینه تولید و نگهداری اهمیت بیشتری نسبت به بقیه موارد دارد، لذا با استفاده از مطالب ذکرشده، این ویژگی­‌ها بر اساس اهمیت­ آن­ها وزن دهی می­‌شوند. بعد از بررسی مشخصات فنی و ویژگی­‌های گیربکس‌­های موجود به بررسی آماری الگوی استفاده از گیربکس­‌ها در سطح دنیا پرداخته می­‌شود[2].

شکل 6- الگوی جهانی استفاده از جعبه‌دنده¬های مختلف[2]
شکل 6- الگوی جهانی استفاده از جعبه‌دنده¬های مختلف[2]

برای مقایسه پایانی انواع جعبه‌دنده­‌های موجود می­توان به‌صورت زیر که نمودارهای ویژگی انواع جعبه‌دنده‌­ها به‌صورت تجمعی رسم شده است توجه نمود.

شکل 7- مقایسه انواع جعبه‌دنده‌ها
شکل 7- مقایسه انواع جعبه‌دنده‌ها

همان‌طور که الگوهای جهانی نشان می­‌دهند میزان استفاده از انواع جعبه‌دنده­‌های اتوماتیک در سطح جهان رو به افزایش و روند کلی استفاده از جعبه‌دنده دستی رو به کاهش است. اما همچنان باوجود راحتی سفر و بعضی ویژگی‌­های مثبت انواع جعبه‌دنده‌‌­های اتوماتیک میزان استفاده از جعبه‌دنده‌­های دستی به مقدار بسیار زیادی بالاتر از بقیه موارد قرار دارد و تقریباً به‌اندازه مجموع تمام انواع جعبه‌دنده­‌های اتوماتیک کاربرد دارد. مهم‌ترین دلیل این امر جنبه اقتصادی همچنین دلایل دیگری چون سهولت و هزینه پایین در تعمیر و نگهداری و عمر بیشتر از دیگر عوامل استفاده زیاد از جعبه‌دنده‌­های دستی است.

از طرف دیگر سازندگان به دلیل سبک بودن و کم حجم بودن این نوع جعبه دنده ها اشتیاق بیشتری برای تولید آن دارند. همچنین هزینه تمام‌شده تولید و هزینه نگهداری و تعمیر آن به دلیل پیچیدگی کمتر و تعداد قطعات کمتر به‌مراتب پایین تر از نوع اتوماتیک می­‌باشد. همچنین با توجه به ضرایب اطمینان بالای در نظر گرفته‌شده در قطعات آن، در صورت استفاده متعارف تقریباً تا پایان عمر مفید آن فقط صفحه کلاچ نیاز به تعویض دارد. این نوع از جعبه‌دنده‌ها مصرف سوخت بهینه‌ای دارند. البته بدیهی است که این پارامتر به الگوی رانندگی و تعویض دنده راننده نیز بستگی دارد. همچنین در سراشیبی با استفاده از این جعبه‌دنده راننده تسلط بیشتری بر جاده و کنترل خودرو دارد و این به دلیل بهره­‌گیری مناسب از گشتاور ترمزی موتور در دنده‌سنگین است. قطعات و لوازم‌یدکی این نوع از جعبه‌دنده‌­ها به‌طور قابل‌توجهی در دسترس است.

سهم بازار هر یک از جعبه‌دنده‌های استفاده‌شده در خودروهای سواری، در سالیان گذشته در شکل زیر نشان داده‌شده است. این شکل سهم بازار خودروهای سواری را بر اساس نوع جعبه‌دنده در دنیا برای سال‌های 2015 و 2020 را نشان می‌دهد و طبق آن سهم بازار را در سال 2025 پیش‌بینی می‌کند.[3]

شکل 8- سهم بازار هر یک از جعبه‌دنده¬های مورداستفاده در خودروهای سواری[3]

همان‌طور که مشاهده می­‌شود، درصد استفاده از جعبه‌دنده‌­های دستی و اتومات رو به کاهش و درصد استفاده از جعبه‌دنده­‌های AMT، CVT و DCT رو به افزایش رفته است. درحالی‌که در کشور چین به‌عنوان دومین اقتصاد برتر دنیا، استفاده از جعبه‌دنده اتومات و همچنین انواع دیگر جعبه‌دنده­‌ها که دراین‌بین سهم رشد جعبه‌دنده DCT بیش از سایر جعبه‌دنده­‌ها است، در حال افزایش است. همچنین به دلیل بازار وسیع این کشور، جعبه‌دنده­‌های دستی همچنان پیشتاز هستند.

شکل 9- کاهش سهم تولید در جعبه دنده‌های دستی
شکل 9- کاهش سهم تولید در جعبه دنده‌های دستی

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در حال حاضر نرخ رشد تولید جعبه‌دنده‌های اتوماتیک بسیار بالا است و با توجه به تصمیم کشورهای بزرگ دنیا برای کاهش آلودگی و جایگزین کردن خودروهای احتراق داخلی با خودروهای الکتریکی و هیبرید می‌توان بازار جعبه‌دنده‌های دستی را رو به اتمام دانست. این پروسه به زمان نیاز دارد و تا زمانی که خودروهای احتراق داخلی تولید می‌شوند، مدل‌هایی از جعبه‌دنده دستی وجود خواهند داشت که بازار خاص خود را دارند.

در این گزارش ابتدا به بررسی تقسیم‌بندی جعبه‌دنده‌ها پرداخته شد و تفاوت‌ها و معایب و مزایای هرکدام گفته شد، سپس جزییاتی از جعبه‌دنده هدف و عملکرد آن موردبررسی قرار گرفت. در انتها نیز موارد استفاده از خودروهای هدف در طول سال‌های گذشته بررسی شد و در انتها با توجه به شرایط بازار و جعبه‌دنده هدف، بازار هدفی قابل‌دسترس در سال‌های آتی برای این جعبه‌دنده معرفی شد.

منابع

[1] Transmission and clutch technologies intelligence service: QUBE on: 7th May 2015

[2] Gminsights.com (total market size) 2nd Jan 2022

[3] Global Automotive Transmission Type marker share between 2015 and 2025 by statista.com

[4] Powering in to the future with a single gear by Volkswagen group components Kassel plant