پارس مکانیکال

آشنايي با سيستم انتقال قدرت پيوسته (CVT)

سيستم انتقال قدرت يا جعبه دنده، وظيفه انتقال قدرت از موتور به چرخ‌ها را برعهده دارد. از آنجا كه دور موتور بهينه محدوده‌اي مشخص دارد، با تغيير سرعت خودرو و گيربكس، نسبت سرعت دوراني موتور تغيير مي‌كند و از شرايط بهينه دور مي‌شود. براي بازگرداندن دور موتور به دور بهينه، از تعويض دنده در گيربكس استفاده مي‌شود. جعبه دنده، از تعدادي چرخ‌دنده استفاده مي‌كند تا با تغيير شرايط رانندگي، استفاده مناسبي از گشتاور موتور صورت گيرد، دنده‌ها مي‌توانند به‌طور دستي و يا اتوماتيك تغيير كنند. برخلاف سيستم انتقال قدرت اتوماتيك، در سيستم انتقال قدرت با قابليت تغيير پيوسته، جعبه دنده‌اي با تعداد مشخص چرخ‌دنده وجود ندارد. يعني در CVT چرخ‌دنده‌هاي دندانه‌دار درگير با هم وجود ندارند. رايج‌ترين نوع CVT بر اساس سيستم «پولي» كار مي‌كند كه بدون گسستگي اجازه بي‌نهايت تغيير بين بالاترين و پايين‌ترين نسبت دور را به كاربر مي‌دهد.

در جعبه دنده‌هاي اتوماتيك قديمي، چرخ‌دنده‌ها وظيفه انتقال و تغيير گشتاور و حركت دايره‌اي را برعهده دارند، تركيبي از چرخ‌دنده‌هاي سياره‌اي، تمام نسبت‌هاي دنده‌اي لازم را به‌وجود مي‌آورند.

 معمولاً 4 دنده جلو و يك دنده معكوس در خودرو وجود دارد. وقتي با اين نوع جعبه دنده، دنده عوض مي‌شود، راننده ضربه‌اي را احساس مي‌كند. اين تكان در تعويض دنده خودروها براي رانندگان آشناست. در مقابل، گيربكس CVT تعويض دنده نرمي دارد. اين گيربكس‌ها به‌طور طبيعي تعويض دنده را به‌صورت غيرپيوسته و لحظه‌اي، طوري كه راننده و مسافر شتاب ثابتي را حس كنند، عوض مي‌كنند. در تئوري، گيربكس CVT باعث خستگي كمتر موتور و سيستم انتقال قدرت با قابليت اطمينان بالاتري مي‌شود.

طبيعت ساده و بدون گسستگي CVTها، آنها را به سيستم انتقال قدرتي ايده‌آل براي تمام خودروها و وسايل نقليه تبديل كرده است، CVTها سال‌هاي زيادي در ابزارهاي قدرتي و مته‌ها به‌كار مي‌رفتند.

 همچنين، از آنها در وسايل نقليه مختلفي اعم از تراكتورها و ماشين‌هاي برف‌رو و اسكوترهاي موتوري استفاده مي‌شود. در تمام اين كاربردها، در نوع سيستم انتقال قدرت از تسمه‌هايي با لاستيك فشرده استفاده مي‌شود كه مي‌تواند كشيده شده يا سر بخورد و در نتيجه باعث هدر رفتن انرژي و كاهش كارايي ‌شود.

لئوناردو داوينچي 500 سال پيش انديشه انتقال قدرت پيوسته (CVT) را در سر داشت. اين سيستم كه در حال‌حاضر جاي انتقال قدرت اتوماتيك را در بعضي خودروها گرفته است. در واقع از اولين CVT كه در 1886 ثبت شده تاكنون، تكنولوژي آن بهبود پيدا كرده است، امروزه چندين كارخانه خودروسازي از جمله جنرال‌موتورز، آيودي، هوندا و نيسان در حال طراحي CVTهاي خود هستند.

وظيفه انتقال قدرت، تغيير دادن نسبت سرعت چرخ و موتور است. به‌بياني ديگر، خودروها بدون جعبه دنده، فقط يك دنده خواهند داشت، دنده‌اي كه به خودرو اجازه مي‌دهد با سرعتي مناسب حركت كند. يك لحظه تصور كنيد كه در حال رانندگي با خودرويي هستيد كه فقط دنده يك يا دنده سه دارد.

در حالت اول، خودرو با شتاب خوبي از حالت سكون حركت مي‌كند و مي‌تواند از يك تپه با شيب تند بالا برود، اما بيشترين سرعت آن به چند مايل در ساعت محدود مي‌شود، در حالت دوم، خودرو با سرعت 150 كيلومتر بر ساعت در يك بزرگراه به سمت پايين حركت خواهد كرد، اما هنگام شروع حركت تقريباً شتابي نخواهد داشت و هرگز نمي‌تواند از تپه بالا رود.

CVT باعث بهبودي عملكرد و بازده مي‌شود. جدول 1، نشان‌دهنده بازده انتقال قدرت در يك گيربكس معمولي چندسرعته است (يعني درصد تواني از موتور كه توسط گيربكس انتقال داده مي‌شود). اين جدول نشان مي‌دهد كه بازده متوسط اين گيربكس، حدود 86 درصد است. درحالي‌كه يك گيربكس دستي نمونه داراي بازده 97 درصد است.

در جدول مقايسه‌اي 2، گستره تغييرات بازده براي چند گيربكس CVT نشان داده شده است. اين جدول نشان مي‌دهد كه گيربكس‌هاي CVT باعث بهبود بازده نسبت به گيربكس‌هاي دستي مي‌شوند و بازده آنها بستگي به عادات رانندگي ندارد. به‌علاوه، به اين دليل كه CVT باعث كاركرد موتور در نقاط بهينه مي‌شود، اقتصاد سوخت را بهبود مي‌بخشد.

خط انتقال قدرت خودروهاي رايج، معمولاً شامل يك موتور درون‌سوز، يك وسيله جداكننده نظير كلاچ، مبدل گشتاور يا يك كوپلينگ مغناطيسي، يك گيربكس، ديفرانسيل و يك گاردان است. در شكل 1، اجزايي مختلف نظير باك، باتري، سيستم خنك‌كننده، استارت و ساير لوازم PTO نظير دلكو، پمپ سوخت، پمپ آب و شمع، نشان داده شده است. قسمتي از توان توليد شده توسط موتور در گيربكس و PTO هدر مي‌رود. گشتاور خالص موجود در گاردان، چرخ‌ها را به حركت درمي‌آورد.

به يك جعبه دنده اتوماتيك توجه كنيد. در آن، دنيايي از چرخ‌دنده‌ها، ترمزها، كلاچ‌ها و دستگاه‌هاي كنترل را خواهيد ديد. در مقابل CVT بسيار ساده است، بيشتر CVT‌ها فقط سه جزء اساسي دارند كه عبارتند از:

m يك تسمه محكم فلزي يا لاستيكي

m يك پولي متغير محرك (ورودي)

m يك پولي خروجي

CVT‌ها داراي انواع مختلفي از ريزپردازنده‌ها و حسگرها هستند، اما سه جزء ياد شده، اجزاي اصلي آنها بوده و سيستم اجازه كار مي‌دهند.

پولي‌هاي با شعاع متغير، قلب CVT تلقي مي‌شوند، هر پولي از دو مخروط با زاويه رأس 20 درجه كه رودرروي يكديگر قرار دارند، تشكيل شده است. تسمه‌اي در شيار بين دو مخروط قرار دارد. در صورت لاستيكي بودن تسمه‌ها از تسمه‌هاي V شكل استفاده مي‌شود. تسمه‌هاي V شكل سطح مقطع V شكل دارند و اصطكاك تسمه با پولي را افزايش مي‌دهند.

وقتي دو مخروط از هم فاصله بگيرند، يعني ضخامت پولي بيشتر شود، تسمه به شكاف پايين‌تر مي‌رود و شعاع تسمه حلقه شده دور پولي كاهش مي‌يابد. وقتي دو مخروط به هم نزديك مي‌شوند، يعني ضخامت پولي كاهش مي‌يابد، تسمه به شكاف بالاتر رفته و شعاع تسمه حلقه شده دور پولي افزايش مي‌يابد.

 CVT مي‌تواند از فشار هيدروليكي يا نيروي گريز از مركز و يا كشش فنر به‌منظور توليد نيروي مورد نياز براي تنظيم دو نيمه پولي، استفاده كند.

شكل 2: نمايي از يك CVT

پولي‌ها با قطر متغير هميشه به‌صورت دوتايي به‌كار مي‌روند، يكي از پولي‌ها كه به‌عنوان پولي محرك شناخته مي‌شود، به ميل‌لنگ موتور متصل است، پولي محرك، پولي ورودي هم ناميده مي‌شود زيرا جايي است كه انرژي موتور وارد سيستم انتقال قدرت مي‌شود.

 پولي دوم پولي گردنده ناميده مي‌شود زيرا پولي اول آن را مي‌چرخاند، به عنوان پولي خروجي، پولي گردنده انرژي را به محور چرخ‌ها انتقال مي‌دهد. وقتي يك پولي ضخامت خود را افزايش مي‌دهد، دومي از ضخامت خود مي‌كاهد تا تسمه كشيده باقي بماند.

شكل 3: پولي‌هاي يك CVT

زماني كه دو پولي ضخامت خود را نسبت به يكديگر تغيير مي‌دهند، بي‌نهايت نسبت دنده مختلف به‌وجود مي‌آيد، از كم به زياد، شامل همه نسبت‌هاي مابين. مثلاً، وقتي شعاع تسمه در پولي محرك كم و در پولي خروجي زياد باشد، سرعت دوران پولي خروجي كاهش مي‌يابد كه دنده پايين‌تري را ايجاد مي‌كند و وقتي شعاع تسمه در پولي محرك زياد و در پولي خروجي كم باشد، سرعت دوران پولي خروجي افزايش مي‌يابد و دنده بالاتري را ايجاد مي‌كند.

بنابراين از لحاظ نظري يك CVT بي‌نهايت دنده را شامل مي‌شود و مي‌تواند در هر زماني و با هر دور موتوري كار كند. اختراع ماده‌هاي جديد، CVT‌ها را مطمئن‌تر و كارامدتر از قبل كرده‌اند. يكي از مهم‌ترين پيشرفت‌ها طراحي و توسعه تسمه‌هاي فلزي براي متصل كردن دو پولي بوده است. اين تسمه‌هاي انعطاف‌پذير از چندين، عموماً 9 يا 12، نوار نازك فولادي كه تكه‌هاي فلزي پاپيوني شكل بسيار مقاوم را كنار هم نگه مي‌دارد، ساخته شده است.

تسمه‌هاي فلزي سر نمي‌خورند و بسيار بادوامند. اين امر به CVT اجازه انتقال گشتاور بيشتري را مي‌دهند، در ضمن آرام‌تر از تسمه‌هاي لاستيكي هستند.

اين نوع كه از بلوك‌هاي فولادي تكه‌تكه كه روي يك نوار فولادي نصب مي‌شوند، مطابق شكل 4 تشكيل شده و رايج‌ترين نوع CVT است. اين تسمه توان را توسط دو پولي V شكل مطابق شكل 5 منتقل مي‌كند. اين پولي‌ها به صورت دو تكه بوده و يك قسمت آنها ثابت و قسمت ديگر متحرك است.

 اين نوع CVT‌ها در طول 10 سال گذشته، پيشرفت زيادي داشته‌اند. اين گيربكس‌ها به صورت اتوماتيك اداره مي‌شوند، به اين صورت كه ابتدا، يك حسگر دور موتور را مي‌خواند و با استفاده از دور موتور فاصله بين پولي‌ها براي حصول نسبت دنده بهينه تنظيم مي‌شود. يك نمونه از اين گيربكس‌ها در شكل 6 نشان داده شده است.

نوع ديگري از CVT، سيستم چمبره‌اي است كه در آن، تسمه و پولي‌ها با ديسك‌ها و غلطك‌ها جايگزين شده‌اند. گرچه چنين سيستمي بسيار متفاوت به‌نظر مي‌رسد، اما تمامي اجزاي آن قابل مقايسه با تسمه و پولي است و نتيجه‌اي يكسان مي‌دهد. طرز كار آن عبارت است از:

 يك ديسك متصل به موتور، معادل پولي محرك است

دیسك ديگري كه به ميل گاردان متصل است، معادل پولي مقاوم است

غلطك‌ها و يا چرخ‌ها بين دو ديسك، همانند تسمه، نيرو را از يك ديسك به ديگري منتقل مي‌كنند

چرخ‌ها مي‌توانند در دو جهت بچرخند. حول محور افقي مي‌چرخند و به سمت بالا و پايين حركت مي‌كنند كه اين امر به چرخ‌ها اجازه مي‌دهد در وضعيت‌هاي مختلف با ديسك در تماس باقي بماند.

اين نوع CVT‌ها، از تنش برشي بالاي سيالات ويسكوز براي انتقال توان بين چنبره ورودي و چنبره خروجي استفاده مي‌كنند. اگر چنبره قابل حركت به صورت خطي بلغزد، زاويه رولرها نسبت به شفت تغيير مي‌كند، اين تغيير زاويه باعث تغيير نسبت دنده به‌طور پيوسته مي‌شود.

قسمت كليدي اين CVT، يك تغيير‌دهنده¹ است. اين تغيير‌دهنده از يك مجموعه شامل چند رولر خم‌شونده² كه در شكل 8 نشان داده شده، تشكيل شده است. اين طرح از 1930 توسط Hayes در خودروها استفاده مي‌شد. تغيير‌دهنده، داراي سه ديسك است كه در آن، زوج خارجي به هم وصل هستند.

ديسك‌ها داراي سطحي نيمه‌چنبره‌اي در سطوح داخلي خود هستند كه رولرهايي با سطح كروي روي آنها مي‌غلتند. رولرها مي‌توانند حول محورهاي خودشان بچرخند. زاويه تمايل اين محورها تغيير مي‌كند، اما حاصل رولرها ثابت است. زاويه تمايل رولرها توسط يك غلاف كنترلي كه از طريق يك رقاصك³ عمل مي‌كند، تغيير مي‌كند و اين كار باعث تغيير پيوسته نسبت به تغيير‌دهنده مي‌شود.

براي جلوگيري از سايش، نياز به روغنكاري است و يك فيلم الاستوهيدروديناميك روغن، بين رولرها و ديسك‌ها وجود دارد. لغزش نسبي (در حدود 1 تا 2 درصد) اجتناب‌ناپذير است، چون اين لغزش است كه باعث ايجاد برش در فيلم روغن مي‌شود و نيروهاي پيش‌ران⁴ را كه مماس بر سطوح تغيير‌دهنده هستند، انتقال مي‌دهد. (استفاده از واژه traction drive به همين علت است).

حتي با استفاده از روغن‌هاي خاص، ضريب اصطكاك (يا در اين حالت پيش‌ران) بسيار كم است. بنابراين، نيروهاي خيلي قوي تماسي مابين رولرها و ديسك نياز است. اين نيروها در يك سيستم كه از لحاظ دروني در حال تعادل نيرويي است و با اعمال فشار هيدروليكي به سطح بيروني ديسك محرك كه به شفت ورودي هزار خار شده است، حاصل مي‌شود. چون فشار قابل تغيير است، عمر واحد با كاهش نيروهاي تماسي در هنگامي‌كه تغييردهنده داراي بار كمي است، بهبود مي‌يابد.

كنترل رولرها در هنگامي كه سه رولر در هر قسمت مي‌بايستي باري يكسان را انتقال دهند و در نسبتي يكسان كار كنند، بحراني است. در سيستم چنبره‌اي، اين كار با يك طراحي ابتكاري مكانيزم تحريك زاويه تمايل رولر انجام شده است.

سه عيب كه تغييردهنده اصلي با سيستم Van Doorne در آن مشترك هستند، عبارتند از:

1 . گستره نسبت از 5 كمتر است

2 . هيچ نسبتي براي نداشتن خروجي وجود ندارد، (اين امر نياز به كلاچ را از بين مي‌برد)

3 . نسبت معكوس وجود ندارد

تمامي اين معايب در سيستم چمبره‌اي، متشكل از يك سيستم انتقال قدرت موازي⁵ با جعبه دنده خورشيدي، برطرف شده است.

در شكل 9، عناصر كليدي سيستم چنبره‌اي نشان داده شده است. در اين سيستم دو كلاچ وجود دارد كه يكي از آنها، براي سرعت‌هاي بالا درگير مي‌شود و ديگري براي سرعت‌هاي پايين مورد استفاده قرار مي‌گيرد.