دانلود مقاله گیربکس اتوماتیک خودرو

با علم به این که محدودیت در منابع مواد اولیه و شرایط زیست محیطی عواملی هستند که امروزه همه اختراعات و پیشرفتها را تحت تاثیر قرار می دهند ولی در کنار این عوامل، رفاه بیشتر همیشه مدنظر بوده است.

گیربکس‌های اتوماتیک که از اواخر دهه 40 میلادی در اتومبیلهای آمریکایی عرضه شدند تاکنون سیر تکاملی بسیار طولانی را پیموده‌اند.

راحتی استفاده از این گیربکس‌ها و نیز استهلاک کمتر گیربکس و مجموعه های مرتبط با آن، بسیاری رانندگان را به قبول هزینه بیشتر خرید و نگهداری آنها ترغیب می‌کند.

هدف این پروژه معرفی و بررسی ساختار و عملکرد قسمتهای اصلی گیربکس اتوماتیک خودروهای سبک است.

برای یک بررسی اجمالی ، گیربکس‌ اتوماتیک درسه جزء اصلی در نظر گرفته شده است:
1-مبدل گشتاور
2-مجموعه چرخدنده های سیاره‌ای و عملکرد آنها
3-سایر ابزارها و وسیله‌های به کار رفته در ارتباط با اجزای قبلی، و در فصل آخر محاسبات طراحی یک گیربکس نمونه، به طور محدود انجام شده است.

اگر حرکت خودروها فقط با سرعت زیاد صورت می‌گرفت و نیز حرکت فقط در جاده‌های مسطح انجام می‌شد در این صورت اگر قدرت تولیدی موتور مستقیما به چرخها منتقل می‌شد، موتور قادر بود تا اتومبیل را به حرکت درآورد اما وقتی که خودرو می‌خواهد از حال سکون شروع به حرکت نماید و یا هنگامی که در سربالائی تند در حرکت است موتور قادر به تامین گشتاور مورد نیاز برای به حرکت در آوردن چرخها، نخواهد بود در این جاست که نیاز به یک سیستم افزایش دهنده گشتاور احساس می‌شود همین احساس نیاز باعث شده است تا وسیله‌ای بنام گیربکس ابداع شود و همانند یک اهرم مکانیکی عمل می‌کند و با افزایش گشتاور، سرعت را کاهش می‌دهد و برعکس.

وقتی مسیر انتقال قدرت در خودرو را در نظر بگیریم می‌بنییم که گیربکس در این مسر نقش یک عضو واسطه را دارد، یعنی نه تولید کننده توان است و نه مصرف کننده آن.

مسیر انتقال قدرت، شامل اجزاء محرک بین فلایویل موتور و چرخهای محرک می‌باشد.

که شامل کلاچ، گیربکس،‌ کاردان ، قفل کاردان،‌دیفرانسیل و اکسل عقب می‌باشد.

در این مسیر قدرت، نسبت دنده‌های گیربکس و دیفرانسیل به کار برده شده تا دور موتور را کنترل نموده و گشتاور لازم را تولید نماید.

گیربکس یک تغییر دهنده گشتاور است و متناسب با بار وسیله نقلیه،‌گشتاور و دور خروجی از موتور را تغییر می‌دهد.

منظوراز گشتاور عبارت است از نیروی پیچشی که برای چرخاندن محور بر آن وارد می‌شود.

(اشکال الف و ب)
شکل الف: برای حرکت اتومبیل به گشتاور نیاز است.

گشتاور عبارتست از نیروی پیچش وار به محور که
در شکل با دست نشان داده شده است.

شکل ب: برای به حرکت درآوردن اتومبیل در
سربالایی گشتاور موتور کافی نیست و باید
آن را با یک وسیله مبدل گشتاور افزایش داد.

در
این شکل نیروی پیچش دست از طریق دنده
افزایش حاصل نموده است.

به طور کلی گیربکس اعم از دستی یا اتوماتیک نقش عمده‌ای در عملکرد (performance) اتومبیل دارد منظور از عملکرد آن دسته از خصوصیات اتومبیل است که به صورت کمی قابل بیان هستند مانند سرعت و شتاب، خصوصیات دینامیکی نظیر قابلیت هدایت و کنترل (Handling) یا کیفیت سواری (Ride) که به صورت کیفی ارزیابی می‌شوند جزو عملکرد اتومبیل منظور نمی‌شوند.

به همین ترتیب وقتی صحبت از عملکرد موتور اتومبیل می‌شود کمیاتی چون قدرت (Power) و گشتاور (Torque) تولید شده توسط موتور مورد نظر است و کیفیاتی چون نرمی و یا خشن بودن کارکرد موتور جزو عملکرد آن در نظر گرفته نمی‌شود.

گیربکس اتوماتیک تمام وظایف گیربکس دستی را به نحو احسن انجام می‌دهد و علاوه بر آن دارای مزایای است که بارزترین آن راحتی رانندگی با اتومبیلهای دارای گیربکس اتوماتیک است و این برای انسان رفاه طلب امروزی،‌مطلوب‌تر است.

دیگر مزیت گیربکس اتوماتیک در اینست که چون ارتباط بین موتور و گیربکس از طریق ناز بالشی به نام مبدل گشتاور صورت می‌گیرد و هیچ ارتباط صلب و مکانیکی بین این دو وجود ندارد به همین دلیل ضربه‌ها و ارتعاشات چه از جانب موتور و چه از جانب چرخها وقتی به مبدل می‌رسند، خنثی شده و از بین می‌روند.

این خصیصه باعث می‌شود تا استهلاک اجزای گیربکس و مجموعه های مرتبط با آن بسیار کاهش پیدا کند.

گیربکس‌های اتوماتیک با این خصیصه‌های ارزشمند روز به روز مسیر تکامل و پیشرفت را در صنعت خودروسازی طی کرده‌اند و از مدلهای اولیه که دارای اهرم تعیین وضعیت دنده بودند به مدلهای پیشرفته امروزی رسیده‌اند که مینی کامپیوترها، همه تصمیم گیریهای لازم برای انتخاب دنده را انجام می‌دهند و این کنترل دقیق و هوشیار سبب می‌شود تا موتور و گیربکس در مناسب‌ترین وضعیت قرار گرفته و از اتلاف سوخت و یا وارد شدن فشار بر موتور جلوگیری شود و باعث بهبود اقتصاد سوخت و کاهش آلایندگی موتور می‌شود.

بر شمردن این محاسن که همگی مهم و با ارزشند شاید اهمیت کار و تحقیق بر روی گیربکس اتوماتیک و وظیفه صنعت خودروسازی را به عنوان صنعت پایه کشور، در این زمینه و در این مقوله، تا حدی روشن و آشکار گرداند.

در این پروژه قسمتهای مختلف گیربکس اتوماتیک هم از حیث ساختار و هم از حیث عملکرد مورد بررسی و تجزیه تحلیل قرار گرفته است.

برای کسی که می‌خواهد به صورت علمی بداند گیربکس اتوماتیک چیست و چگونه کار می‌کند مطالعه این مطالب مفید خواهد بود.

فصل اول 1-1-تاریخچه پیدایش گیربکس اتوماتیک گیربکس اتوماتیک یک پدیده پیشرفته جدید به شمار نمی‌آید.

درست است که گیربکس‌های اتوماتیک امروزی از آخرین تکنولوژی روز بهره می‌گیرند ولی ابتدای پیدایش آنها به دهه‌های اولیه قرن بیستم می‌رسد.

اتومبیل‌های آمریکایی در طول 30 تا 40 سال اول اختراعشان با استفاده از جعبه دنده‌های نسبتا ساده و خوب طراحی گردیدند و در آنها جعبه دنده‌های معمولی لغزشی 3 یا 4 سرعته به کار برده می‌شد.

مطابق شکل (1-1) که مجهز به کلاچ اصطکاکی می‌باشند و عمل قطع و وصل آن هنگام تعویض دنده‌ها به صورت مکانیکی انجام می‌گردد.

در همان زمان طرح جعبه دنده‌های معمولی سیاره‌ای (مجموعه خورشیدی) مدنظر قرار گرفته بود که یک نمونه آن در اتومبیل کادیلاک مدل 1904 به کار برده شده و همچنین بیشتر در مدلهای قدیمی اتومبیل فورد از جعبه دنده‌های معمولی دو سرعته با مجموعه خورشیدی استفاده می‌شد که سالهای متمادی شهرت داشت و بالاخره در سال 1928 از رده خارج گردید.

علی‌رغم آن مهندسین موفق شدند که درباره جعبه دنده‌های ایده‌آل تحقیق کنند به طوری که وظیفه راننده را تسهیل نماید و یک جابجایی یا تعویض دنده آرام و بدون سر و صدا با نسبت دنده‌های متغیر را فراهم آورد و بازده موتور را افزایش دهد.

تکامل جعبه دنده‌های اتوماتیک مراحلی را گذرانده است تا به صورت مدرن امروزی در آمده است و ذیلا به شرح سیر تکاملی آنها می‌پردازیم.

-در سال 1928 کادیلاک جعبه دنده‌های سنکرونیزه را تولید نمود.

-در سال 1933 (Reo) جعبه دنده‌های نیمه اتوماتیک را عرضه نمود که در آن از دنده‌های سیاره‌ای با وزنه‌های گریز از مرکز جهت کنترل آنها استفاده شده بود و اجازه می‌داد که تعویض دنده‌ها به طور خودکار از سرعت پائین به سرعت بالا انجام می‌پذیرد و حرکت اتومبیل را عملی می‌ساخت.

با وجود این در آن از یک کلاچ اصطکاکی نیز هنوز استفاده می‌شد.

-در سال 1934 کرایسلر جعبه دنده‌های فوق سرعت (اوردایو) را تولید نمود.

-در سال 1937 اولدزموبیل یک نوع دیگر جعبه دنده‌های نیمه اتوماتیک را طراحی نمود که در آن از دنده‌های سیاره‌ای و کنترل کننده‌هایی که به طور هیدرولیکی و مکانیکی عمل می‌کردند استفاده شده بود و به منظور درگیری دنده عقب آن از دنده‌های معمولی استفاده می‌گردید و همچنین در آن یک کلاچ اصطکاکی به کار گرفته شده بود.

-در سال 1938 کرایسلر کلاچ هیدرولیکی را تولید نمود که با وجود آن در حالی که جعبه دنده می‌توانست در وضعیت درگیری باشد موتور با دور آرام به کار خود ادامه می‌داد و با این طرح گام موفقیت آمیزی در ابداع جعبه دنده‌های نیمه اتوماتیک برداشته شد و بدین لحاظ کرایسلر مشهور گردید.

جعبه دنده‌های نیمه اتوماتیکی که طراحی گردید بنامهای مختلف در تجارت شناخته شد مانند Gyromatic , Tip - Teo shift, Prestomatic و در طراحی های بعد به جای کلاچ هیدرولیکی،‌مبدل گشتاور هیدرولیکی جایگزین شد و به نامهای کرایسلر تورک – درایو (Chrysler torque – Drive) و پلی موث هیدرایو (Playmouth Hydrive) نامیده شد.

-در سال 1940 کارخانه جنرال موتورز (GM) جعبه دنده هیدراماتیک (Hydra – matic) را برای اولین بار در اتومبیل اولدزموبیل (oldsmobile) بکار برد این طراحی اولین کاربرد کلاچهای هیدرولیکی را در ترکیب جعبه دنده 4 سرعته خورشیدی مشخص کرد.

-در سال 1948 بیوک جعبه دنده داینافلو (Dynaflow) را ارائه دارد و اولین اتومبیلی بود که در آن موفق شده بودند جعبه دنده اتوماتیک را با مبدل گشتاور هیدرولیکی به کار برد.

می توان گفت تا سال 1955 طراحی جعبه دنده‌های اتوماتیک کامل گردید و از آن تاریخ به بعد با اتخاذ تصمیم مشترک و استاندارد، اکثر کارخانجات آن را به کار بردند به طوری که امروزه بیش از 90 درصد اتومبیلهای امروزی آمریکایی مجهز به گیربکس اتوماتیک هستند.

در جدول (1-1) تعدادی از گیربکس‌های اتوماتیک به کار برده شده توسط کمپانی مختلف آورده شده است.

1-2-1- انواع گیربکس یک تقسیم بندی ساده در مورد گیربکس‌ها این طور خواهد بود که ما گیربکس‌ها را در سه نوع دستی، نیمه اتوماتیک و تمام اتوماتیک خلاصه کنیم.

در مورد گیربکس‌های دستی لازم است اشاره شود که گیربکس‌های دستی را نیز می‌توان به دو گروه تقسیم نمود گیربکس‌های تماس مستقیم و گیربکس‌های سنکرونیزه، گیربکس‌های تماس مستقیم به خاطر این که در آنها چرخدنده‌ها مستقیما با هم درگیر می‌شوند به این خوانده می‌شوند و در مقابل در گیربکس‌های سنکرونیزه تماس مستقیم چرخدنده‌های اصلی اتفاق نمی‌افتد بلکه وجود سنکرونایزرها یا هماهنگ کننده‌ها تماس و انتقال دور را ممکن می‌سازند.

در مورد گیربکس‌های تماس مستقیم باید اشاره کرد که این گیربکس‌ها تقریبا از رده خارج شده‌اند و به جز موارد بسیار نادر کاربرد چندانی ندارند در حالی که گیربکس‌های سنکرونیزه در روی اکثر خودروها به خصوص خودروهای سبک کاربرد فراوان دارند.

از گیربکس‌های نیمه اتوماتیک گیربکس‌های خودروهای سنگین را می‌توان نام برد که عملکرد قسمتی از آن پنوماتیکی بوده و با فشار هوا کار می‌کنند.

و اما گیربکس‌ اتوماتیک که مفصلا در این مورد صحبت خواهد شد.

در یک تقسیم بندی دیگر، می توان دو نوع گیربکس را نام برد یکی همین گیربکس‌های متداول که در کتب فنی کلمه (trasmission) در این مورد به کار برده شده است که این نوع گیربکس در خودروهای (RWD) دیفرانسیل عقب کاربرد دارد.

(REAR – WHEEL DRIVE) در مقابل به کمله (transasle) بر می‌خوریم که اشاره به گیربکس خودروهای (FWD) دارد (FRONT – WHEEL DRIVE) که معادلی که می‌توان برای آن در نظر گرفته شاید گیربکس اکسلی باشد که همان وظایف گیربکس معمولی را دارد.

تفاوتی که گیربکس‌های اکسی با بقیه دارند اینست که دیفرانسیل و چرخدنده‌های متحرک نهایی در داخل پوسته گیربکس قرار دارد.

شکل (2-1) موقعیت گیربکس در خودورهای دیفرانسیل جلو و دیفرانسیل عقب نشان داده شده است.

در حالت دیفرانسیل جلو ،‌گیربکس را ترانس اکسل یا گیربکس اکسلی می‌نامند.

توضیح این نکته لازم است که در سراسر این مطالب که در پی می‌آید منظور از گیربکس ، گیربکس‌های معمولی است نه اکسلی مگر در مواردی که مشخصا اشاره شود.

2-2-1- اورداریو چیست؟

و بالاخره یک اصطلاح دیگر که در مورد گیربکس ها به کار برده می‌شود گیربکس‌های فوق سرعت است .

که کلمه اوردرایو (Over Drive) در این مورد به کار رفته است.

وقتی گیربکس‌های معمولی را در بالاترین دنده قرار می‌دهیم نسبت بین دوران میل لنگ و محور خروجی گیربکس یک به یک است.

در جاده‌های سرازیری یا مسطح در صورتی که موتور اتومبیل قدرت کافی را داشته و سرعت نیز در حد معقولی باشد، موتور قادر خواهد بود که اتومبیل را با نسبت تبدیل کمتر از واحد نیز به حرکت در آورد.

برای این منظور در بعضی از اتومبیل‌ها وسیله‌ای به نام گیربکس اوردرایو پیش‌بینی شده است.

گیربکس اوردرایو یا فوق سرعت یک سیستم مکانیکی است که به انتهاب گیربکس معمولی بسته می‌شود.

محور خروجی گیربکس ، محور ورودی اوردرایو را به حرکت در می‌آورد.

در گیربکس اوردرایو چند قسمت از جمله یک مجموعه دنده سیاره‌ای وجود دارند که با آنها می‌توان نسبت تبدیل (نسبت دنده) پائین مثل 7/0 یا 1 را بدست آورد.

شکل (3-1) گویای این مطلب است.

3-2-1- ارزش یک اوردرایو یکی از مزایای مهم اوردرایو آن است که با استفاده از آن می‌توان با ثابت نگهداشتن سرعت اتومبیل دوران موتور آن را تا حدود 30 درصد کاهش داد طبعا کاهش دوران موتور، مصرف سوخت را پائین آورده و عمر موتور را افزایش می‌دهد.

البته با این توضیحات مختصر بحث در مورد اوردرایو را پایان می‌دهیم.

اوردرایو با در نظر گرفتن شرایط زیر کارکرد رضایت بخشی خواهد داشت: 1-موتور اتومبیل قدرت کافی را داشته باشد 2-سرعت اتومبیل در حد حد مطلوبی باشد.

3-جاده مسطح یا سرازیر باشد.

1-3-1- گیربکس اتوماتیک هنگام رانندگی را خودروهایی که گیربکس دستی بر روی آنها نصب شده است برای انتخاب دور و گشتاور دلخواه باید پدال کلاچ را فشار داد و اهرم دسته دنده را در وضعیت معین دنده دلخواه قرار داد که به این مراحل، تعویض دنده گفته می‌شود و داشتن مهارت کافی در این کار شرط لازم برای یک رانندگی خوب است در حالی که گیربکس اتوماتیک این مراحل را حذف کرده است و تنها دو پدال گازو ترمز جلو پای راننده قرار دارد در برخی مدلها تنها دکمه‌هایی برای انتخاب دنده دلخواه موجود است و برخی دیگر حتی این صفحه کلید بسیار کوچک را نیز حذف کرده و به جرات می‌توان گفت رانندگی را بسیار آسان‌تر کرده است.

عنوان اتوماتیک بر روی این گیربکس‌ها به این خاطر است که تعویض دنده بر عهده گیربکس است و خود گیربکس با توجه به ورودیهای خاص الکترونیکی یا مکانیکی در خروجی خود دور و گشتاور مناسب را ارائه می‌دهد.

که در این مورد مفصلا صحبت خواهد شد.

2-3-1- اجزای اصلی گیربکس‌های اتوماتیک صرف نظر از پیچیدگی‌ها و تعدد اجزاء و قطعات به کار برده شده در یک گیربکس اتوماتیک، برای بررسی عملکرد آن، اجزای گیربکس اتوماتیک را می‌توان به سه قسمت اصلی تقسیم نمود که عبارتند از: 1-یک کلاچ هیدرولیک یا مبدل گشتاور (Torque converter) 2-یک یا چند مجموعه چرخ دنده‌های سیاره‌ای (Planetary Gearsets) 3-سیستم کنترل شامل پمپ هیدرولیک ، پستونها.

شیرها -تسمه های ترمز و صفحات کلاچ مربوطه، و در مدلهای پیشرفته امروز قسمت کنترل الکترونیکی ….

قبل از توضیح عملکرد و ساختار هر یک از قسمتهای یاد شده ضروری می‌دانم یک تصویر و توضیح بسیار مختصر از نحوه قرار گرفتن اجزای مختلف گیربکس اتوماتیک ارائه نمائیم تا در قسمتهای بعدی مطالب، در هر بخش بدانیم که در چه جایگاهی قرار داریم و چه عملکردی از آن قسمت و از آن عضو انتظار داریم.

شکل (4-1) سیستمهای جعبه دنده اتوماتیک همان طور که از شکل (4-1) پیداست مبدل گشتاور در قسمت ابتدای گیربکس قرار می‌گیرد و دور خروجی موتور را دریافت می‌دارد و با ساختاری که دارد انتقال دور را عملی می‌سازد که اساس کار و نقش اصلی را در اینجا سیال عاملی مانند روغن بر عهده دارد.

پس از آن دور خروجی از مبدل به سیستم‌های خورشیدی و محورهای مربوطه انتقال می‌یابد که کنترل کننده این سیستم‌های خورشیدی اجزائی با کارکرد هیدرولیکی می‌باشند که این اجزاء یا با کارکرد صرفا مکانیکی انجام وظیفه می‌کنند و یا این که الکترونیک و مدیریت هوشمند آنها را در اختیار دارد.

برای نشان دادن این توالی و ساختار از یک شکل شماتیکی استفاده شده است که مربوط به گیربکس هیدراماتیک از اولین گیربکس‌های اتوماتیک می‌باشد.

شکل (5-1) شکل 05-1) جعبه دنده ابتدایی هیدراماتیک فصل دوم 1-2-کوپلینگ هیدرولیکی و مبدل گشتاور شاید بدون اغراق بتوان گفت که اساس و جوهره اصلی گیربکس اتوماتیک در مبدل گشتاور نهفته است.

و این قسمت است که تفاوت اصلی میان گیربکس‌های سنکرونیزه دستی و اتوماتیک را نشان می‌دهد.

والا سایر قسمتها که آمیزه‌ای از انواع چرخدنده‌ها (در قالب مجموعه‌های خورشیدی) و محورها و کلاچ‌های دیسکی و بلبرینگ‌هاست چیزی تازه و متفاوتی نیست.

برای درک بهتر و عمیق‌تر اساس کارکرد مبدل گشتاور تاکید بیشتری روی این بخش خواهد شد و مراحل تکامل آن از ابتدا تا حال بررسی خواهد شد و مطالعه این بخش مشخص خواهد کرد که طراحی یک مبدل گشتاور با توجه به عملکرد آن که براساس قوانین مکانیک سیالات می‌باشد خود پروژه‌ای بسیار ظریف و کاملا فنی برای بحثهای مکانیک سیالات است بنابراین در این پروژه فقط اساس کارکرد و ساختمان و وظیفه آن توضیح داده خواهد شد.

سیستم‌های هیدرولیکی برای قفل کردن و یا به حرکت در آوردن قسمتهای مختلف مجموعه های خورشیدی به کار می‌روند تا نسبت دنده‌های مختلف را ایجاد نمایند.

این تغییرات در نسبت دنده‌ها بدون دخالت راننده و بدون نیاز به اهرم تعویض دنده صورت می‌گیرد.

گیربکس اتوماتیک در بر گیرنده مکانیزمی است که برای کوپل کردن یا آزاد کردن موتور با گیربکس به کار می‌رود دو دستگاه و مکانیزمی که این عمل را انجام می‌دهند کوپلینگ هیدرولیکی و مبدل گشتاور نام دارند که هر دو گشتاور تولیدی موتور رابه گیربکس انتقال می‌دهند.

اما یک مبدل گشتاور می‌تواند گشتاور را افزایش دهد در حالی که یک کوپلینگ هیدرولیکی قادر به چنین کاری نمی‌باشد.

در این مبحث عملکرد مبدل گشتاوری و کوپلینگ هیدرولیکی توضیح داده خواهد شد مکانیزم کوپلینگ هیدرولیکی سیاده‌تر از مبدل گشتاور است و حدود 30 سال است که دیگر کوپلینگ هیدرولیکی در گیربکس‌های اتوماتیک تولیدی کشور امریکا کاربرد ندارد.

اما چون اساس کارکرد کوپلینگ هیدرولیکی بسیار شبیه به مبدل گشتاور است برای توضیح کارکرد مبدل گشتاور ، مطالعه کارکرد کوپلینگ هیدرولیکی مفید خواهد بود.

2-2-تاریخچه کوپلینگ هبدرولیکی و مبدل گشتاور واحدهای هیدرودینامیکی شامل کوپلینگ هیدرولیکی (کلاچ هیدرولیکی) و مبدل گشتاور می‌باشند که در میلیونها اتومبیل از بدو اختراعشان (کوپلینگ هیدرولیکی در سال 1938 و مبدل گشتاور در سال 1948) در جعبه دنده‌های نیمه اتوماتیک و تمام اتوماتیک به کار برده شده‌اند.

کمتر اتومبیلی است که دارای جعبه دنده‌ اتوماتیک باشد و در آن از واحدهای هیدرودینامیکی استفاده نشده باشد.

واحدهای هیدرودینامیکی توسط مهندسی اروپایی ابداع گردیده است دکتر هرمن فوتینگر (Herman Fottinger) آلمانی اولین مبدل گشتاور را در سال 1908 ساخت که در توربینهای بخار کشتی کاربرد داشت.

شکل (1-2).

مبدل گشتاور فوتینگر دارای کاهش سرعت با نسبت 1: 5 بود و با راندمان 85 درصد کار می‌کرد.

در سالهای بین جنگ جهانی اول و دوم عده‌ای در مورد محرکهای هیدرولیکی در انگلستان و آلمان کار کردند.

آلان کوتس (Alan Coats) یک مهندس جوان به همراه ویکرز (Vickers) در انگلستان یک کشف مهم انجام داد او دریافت که امکان کاربرد کلاچهای غلطکی یا چرخهای آزادگر اختراع شده در عضو انعکاس دهنده برای تبدیل یک مبدل هیدرولیکی به کوپلینگ هیدرولیکی آزاد گرد اختراع شده در عضو انعکاس دهنده برای تبدیل یک مبدل هیدرولیکی به کوپلینگ هیدرولیکی وجود دارد.

وی اختراع ثبت شده در سال 1930 را مورد بررسی قرار داد و مخترع کوپلینگ مبدلی گردید.

در ضمن هاولد سینکلیر (Harodl Sinclair) یک مهندس برینانیاییبعد از کار زیاد روی دو عضو کوپلینگ هیدرولیکی،‌کاربرد مفید آن را در موتور اتوبوسها و اتومبیلهای سواری مانند یک فلایویل هیدرولیکی، پیدا نمود و عاقبت در ایالات متحده آمریکا در سال 1938 توسط کارخانه کرایسلر این تحقیقات و دستاوردها مورد استفاده قرار گرفت.

تا این که بعد از جنگ جهانی دوم مبدل کوپلینگی در اتومبیل‌های آمریکایی به کار برده شد.

در سال 1948 کارخانه بیوک جنرال موتورز یک واحد هیدرولیکی 5 عضوی را در جعبه دنده اتوماتیک جدید داینافلو مانند شکل (2-2)، طراحی نمود.

1-3-2- کوپلینگ هیدرولیکی در کوپلینگ هیدرولیکی از یک روغن سبک وزن مخصوص برای انتقال قدرت موتور از یک قسمت جعبه دنده به قسمت دیگر آن استفاده می‌شود.

از نقطه نظر تجسم ، حلقه تو خالی و چنبره‌ای شکل نشان داده شده در شکل (4-2) را در نظر بگیرید که از وسط به دو نیم تقسیم شده است.

در شکل (5-2) یکی از دو نیمه نشان داده شده است.

هر کدام از این دو قسمت را یک نیم چنبره (Torus) می‌نامیم.

به طوری که ملاحظه می‌شود در هر نیم چنبره تعدادی پره نصب شده است.

همان طور که از شکل (6-2) پیداست، پره‌ها صاف بوده و در فواصل مساوی از یکدیگر نصب شده‌اند یکی از این دو نیم چنبره به محور خروجی و دیگری به محور ورودی متصل شده است.

این دو نیم چنبره با فاصله کمی از هم روبروی یکدیگر قرار می‌گیرند و به طوری که از شکل (7-2) ملاحظه می شود فلایویل یا چرخ طیال به نیم چنبره محرک متصل است.

همچنین پوسته نازکی از بدنه فلایویل نیم چنبره متحرک را نیز در خود احاطه می‌کند این محفظه با روغن پر شده و بین آن و محور انتقال یک واشر آب بندی وجود دارد همچنین به طوری که ملاحظه می‌شود نیم چنبره متحرک با محور انتقال یا محور خروجی از طریق یک اتصال هزار خار درگیر است.

انتهای محور خروجی به وسیله یک بوش راهنما به ومحور میل لنگ تکیه می‌کند.

وقتی میل لنگ ، فلایول را می‌چرخاند،‌نیمه محرک و محفظه روغن به گردش در می‌آیند و نیمه متحرک کاملا آزاد است چون بین این نیمه و نیمه محرک هیچ ارتباط مکانیکی وجود ندارد.

2-3-2- ساختمان و اساس ار کوپلینگ هیدرولیکی دو پنکه برقی را که در فاصله کمی از همدیگر روبروی هم قرار گرفته‌اند در نظر بگیرید.

چنانچه یکی از پنکه‌ها به برق متصل شده باشد جریان هوای ناشی از چرخش پروانه پروانه آن، موجب گردش پروانه پنکه دیگر خواهد شد.

در این سیستم ساده، محیط یا عامل انتقال قدرت می‌باشد.

به طوری که در شکل (8-2) نشان داده شده است، چون دو پنکه در یک محفظه مسدود واقع نشده‌اند .

انتقال قدرت به صورت موثر و جدی صورت نخواهد گرفت.

کوپلینگ هیدرولیکی بر پایه‌ای مشابه با مثال فوق عمل می‌نماید.

اما در کوپلینگ محیط انتقال قدرت به جای هوا، روغن است.

چون نیم چنبره‌های متحرک و محرک در یک فضای بسته و در فاصله بسیار کمی از یکدیگر قرار گرفته‌اند، انتقال قدرت بین آنها، فوق العاده خوب است.

چنانچه در یک نیم چنبره که به حالت افقی قرار دارد روغن ریخته و آن را بگردانیم پرها موجب پاشیده شدن روغن به اطراف خواهند شد.

این حرکت روغن یک حرکت دورانی بوده و به طوری که در شکل (9-2) نمایش داده شده است.

نیروی گریز از مرکز ایجاد شده روغن را به اطراف خواهد پاشید.

اکنون اگر نیم چنبره متحرک در روی نیم چنبره محرک گذاشته شود روغنی که به بیرون می‌پاشید به پره‌های نیم چنبره متحرک برخورد خواهد نمود.

در این حال روغن پاشیده شده پس از برخورد به پره‌ها در امتداد انحنای نیم چنبره متحرک به حرکت در خواهد آمد.

از آنجایی که نیم چنبره محرک خود در حال گردش است روغن مجددا به خارج پاشیده و این سیکل تکرار می‌شود به این حرکت روغن اصطلاحا «حرکت گردابی» (VORTEX FLOW) گفته می‌شود عین این عمل درح التی که دو نیم چنبره در وضعیت قائم قرار دارند نیز روی می‌دهد.

در عین حالیکه روغن حرکت گردابی دارد دارای حرکتی دورانی نیز می‌باشد.

«حرکت دورانی» (ROTARY FLOW) حرکت روغن در جهت عقربه‌های ساعت است همان جهتی که نیم چنبره محرک می‌چرخند به عبارت دیگر روغن روی یک مدار حول محور میل لنگ موتور و شفت ورودی گیربکس حرکت دورانی انجام می‌دهد در تصاویر (10-2) و (11-2) و (12-2) مطالب گفته شده به صورت مصور نمایش داده شده‌اند.

برای این که روغن جریان گردابی منظم و مرتب داشته باشد گاهی اوقات در هر یک از دو نیم چنبره از حقله‌های توخالی استفاده می‌کنند.

به طوری که در شکل (13-2) نشان داده شده است.

در این حالت روغن فقط در فاصله بین نیم چنبره و نیم حلقه توخالی گردش کرده و از ایجاد حرکت گردابی نامنظم در منطقه مرکزی نیم چنبره پیشگیری می‌شود.

حال بهتر است تا با به کار بردن نام دقیق و علمی اجزای مختلف کوپلینگ هیدرولیکی بحث را پیش ببریم.

هدف از بکار بردن کلمات نظیر چنبره و نیم چنبره و حلقه توخالی فقط برای روشن شدن و ایجاد زمینه تجسم بهتر از حالت فیزیکی کوپلینگ هیدرولیکی بود.

یک کوپلینگ هیدرولیکی شکل (14-2) تشکیل شده از یک پمپ یا پیش راننده (نیم چنبره محرک) و یک توربین (نیم چنبره متحرک) یا پره‌هایی که در داخل آن هست و این دو قسمت روی هم قرار می‌گیرند.

پمپ به فلاویل یا به صفحه انعطاف پذیر وصل می‌شود و توربین هم به محور ورودی گیربکس متصل می‌‌گردد.

پمپ عضو محرک و توربین عضو متحرک است.

پمپ و توربین هر دو در داخل پوسته کوپلینگ هیدرولیکی مستحکم شده‌اند.

روغن به وسیله یک پمپ روغن به درون کوپلینگ هیدرولیکی پمپاژ می‌شود.

(کلمه پمپ به کار برده شده در جمله قبل با کلمه پمپ به مفهومی که در کوپلینگ هیدرولیکی به کار برده شده است اشتباه نشود).

همچنان که پمپ (نیم چنبره محرک) به وسیله موتور چرخانده می‌شود پره‌های پمپ روغن را بلند کرده و به داخل توربین پرتاب می‌کنند.

همان طور که پیشتر اشاره شد روغن به حرکت درآمده درون کوپلینگ دو نوع حرکت دارد حرکت دورانی (ROTARY FLOW) و حرکت گردابی (VORTEX FLOW) که به صورتی کامل‌تر و علمی‌تر در شکل (15-2) نشان داده شده است.

در حالی که روغن حرکت دورانی انجام می‌دهد نیروی گریز از مرکز روغن را به لبه بیرونی پمپ هدایت می‌کند در این موقع روغن حرکت دوم خود را که همان حرکت گردابی است آغاز می‌کند این حرکت را اگر در روی یک صفحه در نظر بگیریم این صفحه، عمود بر صفحه مفروض برای حرکت دورانی خواهد بود.

شکل (15-2) در یک کوپلینگ هیدرولیکی روغن حرکت گردابی و دورانی را توامان انجام می‌دهد.

حرکت دورانی به وسیله پمپ (IMPELLER) ایجاد می‌گردد که به وسیله موتور چرخانده می‌شود ولی گشتاور موتور بدون حرکت گردابی روغن به گیربکس انتقال نمی‌یابد در واقع حرکت گردابی روغنی است که انتقال گشتاور از پمپ به توربین را میسر می‌سازد.

نیروی دورانی پره‌های پمپ با ترکیب حرکت دورانی و گردابی روغنی به پره‌های توربین منتقل و اعمال می‌گردد.

روغنی که پمپ را ترک می‌کند تا به داخل توربین وارد شود هنگام خروج فقط حرکت دورانی و یا فقط حرکت گردابی ندارد بلکه ترکیبی از این دو حرکت را داراست.

شکل (16-2).

ترکیب این دو حرکت نیروی برآیندی را ایجاد می‌کند که این نیرو سبب می‌شود که روغن خارج شده از پمپ با یک زاویه‌ای به پره‌های توربین برخورد نماید، زمانی که نیروی برخورد روغن به پره‌های توربین به حد کافی افزایش یافت، توربین شروع به چرخش می‌نماید و باعث چرخش محور ورودی گیربکس می‌شود.

شکل (17-2) ارگ سرعت یکی از عناصر کوپلینگ هیدرولیکی بیش از عنصر دیگر باشد باعث ایجاد تلاطم در روغن خواهد شد.

شکل (18-2).

این مسئله باعث میشود که روغن درون کوپلینگ هیدرولیکی در جهات مختلف بچرخد که این امر باعث می‌شود که نیروی جریان روغن که به وسیله ترکیب دو حرکت گردابی دو دورانی ایجاد شده است موثرا کاهش پیدا کند برای جلوگیری از تلاطم یک حلقه می‌تواند درون پوسته کوپلینگ هیدرولیکی تعبیه شود مطابق شکل (19-2).

این حلقه می‌تواند روغن را در جهت معین هدایت کند تا نیرویی را که در مخالفت با نیروی جریان گردابی و دورانی ایجاد شده را کنترل کند.

3-3-2- نسبت سرعت (Speed Ratio) جریان روغن در کوپلینگ هیدرولیکی مستقیما به نسبت سرعت ارتباط پیدا میکند نسبت سرعت یک مقیاسی است از بازده کوپلینگ که بر حسب درصد بیان می‌شود.

نسبت سرعت به وسیله مقایسه تعداد دور توربین به ازای یک دور پمپ تعیین می‌گردد.

برای مثال اگر پمپ با سرعت (rpm) 1000 بچرخد و توربین با سرعت (rpm) 900 در این حالت نسبت سرعت کوپلینگ 90 درصد است.

زمانی که پمپ بچرخد اما توربین نچرخد همان موقعی که اتومبیل متوقف است و چرخدنده‌ها نمی‌چرخند نسبت سرعت صفر است.

4-3-2- یک گریپ فروت فلزی (A Metalic Grapefruit) در سال 1938 کرایسلر اولین کوپلینگ هیدرولیکی را معرفی نمود و نام Fluid Drive بر آن نهاد و چنین توصیف نمود که «فلوید درایو شبیه دو نیمه از یک گریپ فروت فلزی است که از وسط به دو نیم شده بدون این که پوست آن آسیبی دیده باشد».

نیمه پمپ کوپلینگ به فلایویل موتور متصل شده بود و نیمه توربین به یک کلاچ تک دیسکی متصل بود.

کلاچ در حال گردش شفت ورودی را می‌چرخاند.

اگر چه فلوید درایو نتوانست به همراه یک سیستم تعویض دنده اتوماتیک جایگزین پدال کلاچ و اهرم تعویض دنده (دسته دنده) گردد.

ولی این موفقیت را داشت که نشان بدهد که موتور می‌تواند در جا کار کند در حالی که دنده‌ها درگیر هستند.

فلوید درایو همچنین باعث کاهش دفعاتی شد که راننده مجبور بود اقدام به تعویض دنده نماید.

و همچنین دیگر تعویض دنده کاملا بر عهده راننده نبود و راننده فقط در سرعتهای بالا، گیربکس را در دنده سبک قرار می‌داد.

البته شتاب حرکت از حالت سکون در این روش کند بود به طوری که کرایسلر در سال 1940 در جزوات آموزشی عملی خود توصیه کرده بود: «اگر خواهان شتاب ناگهانی حرکت هستیم از گیربکس و کلاچ‌های متداول قبلی استفاده کنیم.» همان طور که در شکل (16-2) مشاهده می‌شود جریان دورانی و گردابی در یک کوپلینگ هیدرولیکی با هم ترکیب شده و یک نیروی برآیند ایجاد می‌کنند.

در نسبت سرعت صفر ، بخش اعظم جریان گردابی که از روی پره‌های توربین حرکت می‌کنند پدید آورنده یک جریان گردشی عرضی بین پمپ و توربین می‌باشند توربین ساکن و جریان گردابی قوی هر دو بر علیه جریان دورانی عمل می‌‌کنند بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که راستای نیروی نیروی برآیند به راستای جریان گردابی وابسته و نزدیک‌تر است.

(شکل 21-2) در خودرویی که در حال حرکت است سرعت توربین رفته رفته به سرعت پمپ نزدیک می‌شود و در این حالت نسبت سرعت بالاست.

در این لحظه جریان دورانی افزایش پیدا کرده و جریان گردابی کاهش می‌یابد.

جهت نیروی برآیند به وسیله جریان روغنی تعیین می‌گردد که در این حالت تقریبا فقط به شکل دورانی جریان دارد.

(شکل 22-2) در نقطه‌‌ای که نیروی برایند فقط ناشی از جریان دورانی می‌باشد گفته می‌شود که توربین به پمپ کوپل شده است در این حالت جریان سیال کاملا نمی تواند دورانی باشد و اصلا جریان گردابی نداشته باشیم چون در این صورت هیچ گشتاوری از کوپلینگ انتقال نمی‌یابد به علاوه برای پر شدن پره‌های توربین و پمپ با روغن، لازم است که چرخشی که روغن به وسیله جریان گردابی دارد حضور داشته باشد که اگر توربین عینا با سرعت پمپ بچرخد عمل کوپلینگ از بین خواهد رفت و چون توربین همواره آهسته تر از پمپ بچرخد عمل کوپلینگ از بین خواهد رفت و چون توربین همواره آهسته‌تر از پمپ می‌چرخد همواره مقداری لغزش در کوپلینگ هیدرولیکی خواهیم داشت.

5-3-2- کارکرد کوپلینگ هیدرولیکی (Fluid Cupling Operation) زمانی که خودرو در جا کار می‌کند پمپ کوپلینگ هیدرولیکی جریان روغن کافی ایجاد نمی‌کند تا توربین را بچرخاند و گشتاور کافی برای انتقال به گیربکس را تولید نمی‌کند در نتیجه گیربکس به طور خودکار با موتور قطع ارتباط شده است.

همین که سرعت موتور افزایش یافت جریان روغن بیشتری توسط پمپ ایجاد می‌شود.

جریان دورانی و جریان گردابی نیروی برآیندی تولید می‌کند که توربین را می‌چرخاند و کوپل موتور و گیربکس ایجاد می‌شود.

و بدین ترتیب گشتاور مورد نیاز برای حرکت وسیله نقلیه انتقال می‌یابد به وسیله اصطکاکی که بین روغن و نیمه‌های کوپلینگ اصطکاکی وجود دارد گشتاور میان پمپ و توربین انتقال می‌یابد.