با گیربکس های CVT آشنا شوید (قسمت اول)

ممکن است تاکنون بارها در هنگام مطالعه‌ی بروشور یا جدول مشخصات فنی خودروها به عبارت (CVT) در قسمت مربوط به جعبه دنده برخورده باشید. اما آیا تاکنون به نحوه‌ی عملکرد این سیستم توجه کرده اید؟ و اینکه استفاده از این نوع جعبه دنده‌ها چه مزایا و معایبی دارد که برخی از خودروسازان به سراغ آن‌ها رفته‌اند و برخی دیگر نیز هنوز ترجیح می‌دهند از جعبه دنده‌های متداول خودکار استفاده کنند. در اینجا همراه زومیت باشید تا با هم نگاهی به نحوه‌ی کار، مشخصات و انواع این نوع جعبه دنده‌ها داشته باشیم.

(CVT) کوتاه شده‌ی عبارت (Continuous Variable Transmission) به معنای جعبه دنده‌ی ضریب متغییر است، این جعبه دنده‌ها با نام‌های دیگری مانند جعبه دنده‌ی تک سرعته نیز شناخته می‌شوند.

ایده‌ی اولیه‌ی ساخت این نوع سیستم انتقال نیرو را به لئوناردو داوینچی نسبت داده‌اند و حالا این جعبه دنده‌ها محبوب‌تر از هر زمان دیگری هستند و استفاده از آن‌ها در خودروها و موتورسیکلت‌ها هر روز در حال گسترش است. داوینچی در سال ۱۴۹۰ میلادی نخستین طراح دستی از یک سیستم انتقال نیرو با ضریب متغییر را انجام داد. شرکت خودروسازی هلندی داف نخستین بار در اواخر دهه‌ی پنجاه میلادی از این سیستم در خودروهایش استفاده می‌کرد. در حقیقت جعبه دنده‌های CVT به این شکلی که امروزه مشاهده می‌کنیم توسط مهندس هلندی هاب فن دورن طراحی شده اند که وی موسس شرکت خودروسازی داف نیز بود. جالب است بدانید که امروزه اکثر خودروسازان تسمه‌های مورد استفاده در جعبه دنده‌های CVT را از شرکت فن دورن هلند خریداری می‌کنند که این شرکت نیز به نوعی با داف مرتبط است. مشکلات موجود و محدودیت‌های تکنولوژیکی آن زمان باعث شد تا جعبه دنده‌های ضریب متغییر چندان محبوبیتی پیدا نکنند و استفاده از آن‌ها در خودروهایی که قدرتی بیش از ۱۰۰ اسب بخار داشتند امکان پذیر نبود.

هاب فن دورن

در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ و اوایل دهه‌ی ۹۰ سوبارو در خودروهای کوچک خود از جعبه دنده‌های CVT استفاده کرد و در اواخر دهه‌ی ۹۰ هوندا نیز از این جعبه دنده‌های در مدل سیویک HX استفاده کرد. CVT های پیشرفته‌تر و ارتقا یافته در اواخر دهه‌ی ۹۰ و اوایل سال ۲۰۰۰ به بازار آمدند و اینبار توانستند توجه خودروسازان بیشتری نظیر نیسان، آئودی، هوندا و میتسوبیشی را به خود جلب کنند.      

اگر دقت کرده باشید تعداد ضرایب دنده‌ی جعبه دنده‌های خودکار در گذشته بسیار کم بود برای مثال شورولت کاپریس در نسل اول خود با یک جعبه دنده‌ی خودکار به نام (Powerglide) قابل خریداری بود که تنها دارای ۲ سرعت بود، این جعبه دنده تا سال ۱۹۷۳ در شورولت و برخی دیگر از تولیدات جنرال موتورز مورد استفاده بود تا اینکه جعبه دنده‌ی خودکار سه سرعته‌ی خودکار دیگری جایگزین آن شد. در همان سال‌ها مرسدس بنز کلاس SL اتاق R107 نیز با یک جعبه دنده‌ی ۳ سرعته‌ی خودکار عرضه می‌شود.

ایراد جعبه دنده‌هایی که ضرایب کمی دارند پایین بودن راندمان و هدر رفت انرژی زیاد در آن‌ها است. به همین خاطر خودروسازان به سراغ جعبه دنده‌های ۴ سرعته‌ی خودکار رفتند. ایراد کم بودن ضرایب دنده این است که راندمان خودرو را پایین می‌آورد و هدر رفت انرژی در آن‌ها بسیار زیاد است. این مساله باعث شد تا خودروسازان به فکر افزایش ضریب دنده‌ها بیفتند. پس از جعبه دنده‌های خودکار چهار سرعته نوبت به انواع ۵، ۶ سرعته رسید و کمی بعدتر در سال ۲۰۰۳ مرسدس بنز از اولین جعبه دنده‌ی ۷ سرعته‌ی خودکار در خودروهای سواری با نام 7G-Tronic رونمایی کرد. این جعبه دنده‌ی ۷ سرعته با آنکه در زمان خود بهترین بود اما نیاز به جعبه دنده‌ای با ضرایب بیشتر همچنان احساس می‌شد، در سال ۲۰۰۸ شرکت مشهور و صاحب نام ZF فردریشهافن جعبه دنده‌ی خودکار هشت سرعته‌ی خود را معرفی کرد، خودروسازان مختلفی از این جعبه دنده استقبال کردند و آن را در محصولات خود بکار بردند، از بی‌ام‌و و مازراتی گرفته تا رولزرویس، بنتلی، فولکس واگن و دوج.

در سال ۲۰۱۳ نیز مرسدس بنز جعبه دنده‌ی ۹ سرعته‌ی خود با نام 9G-Tronic را معرفی کرد. با این اوصاف حتما متوجه شده اید که راه بهبود راندمان خودروها افزایش تعداد ضرایب دنده است. جعبه دنده‌های ۷ و ۸ سرعته را فراموش کنید و به جعبه دنده‌ی خودکاری فکر کنید که بتواند بی نهایت ضریب را در اختیار راننده دهد. این دقیقا نقطه‌ای است که جعبه دنده‌های (CVT) خود را نشان می‌دهند. 

از نظر تئوری، یک جعبه دنده‌ی (CVT) ایده آل‌ترین سیستم انتقال نیرویی است که می‌توان مورد استفاده قرار داد. ضریب دنده در این جعبه دنده‌ها به طور دائم و بی‌وقفه در حال تغییر است و به همین خاطر می‌توان آن‌ها را جعبه دنده‌ی خودکاری با بی نهایت دنده به حساب آورد. از طرفی وقفه‌ای که خود عمل تعویض دنده در انتقال نیرو ایجاد می‌کند نیز یکی از عوامل هدر رفتن نیروی پیشرانه است. در جعبه دنده‌های ضریب متغیر تغییر ضریب هم زمان با انتقال نیرو صورت می‌گیرد و به همین خاطر تاخیری در عملکرد جعبه دنده وجود ندارد، جعبه دنده‌ی ضریب متغیر همواره در مناسب‌ترین ضریب قرار دارد به طوری که پیشرانه می‌تواند در بهینه‌ترین دور موتور خود کار کند و در عین اینکه قدرت و گشتاور مناسبی را به چرخ‌ها منتقل می‌کند مصرف سوخت پایینی نیز داشته باشد.  

هسته‌ی مرکزی یک سیستم CVT را دو پولی (قرقره) و یک تسمه که در بین آن‌ها قرار دارد تشکیل می‌دهند. یکی از این پولی‌ها محرک بوده و به پیشرانه وصل است و دیگری نیز متحرک بوده و نیروی خود را به سمت چرخ‌ها ارسال می‌کند. این دو پولی هر یک از ۲ عدد دیسک با سطحی شیب‌دار تشکیل شده‌اند که فاصله‌ی بین آن‌ها می تواند افزایش یا کاهش پیدا کند. زمانی که دیسک‌ها از یکدیگر دور شوند تسمه به مرکز پولی منتقل می‌شود و قطر آن کاهش پیدا می کند و زمانی که پولی‌ها به همدیگر نزدیک می‌شوند تسمه به سمت قطر خارجی حرکت کرده و قطر آن افزایش پیدا می‌کند. این حرکت تسمه و تغییر قطر آن دقیقا حالت‌های دنده سبک و سنگین یک جعبه دنده‌ی معمولی را شبیه سازی می‌کند. پس با استفاده از تغییر فاصله‌ی دیسک‌ها می‌توان ضرایب انتقال نیرو را تغییر داد.

در تصویر زیر به طور ساده نحوه‌ی عملکرد CVT را مشاهده می کنید

از طرفی به این نکته نیز باید توجه داشت که دو پولی باید حرکتی هماهنگ با یکدیگر داشته باشند یعنی زمانی که دیسک های پولی اول در حال دور شدن از یکدیگر هستند دیسک های پولی دوم باید به همدیگر نزدیک شوند. در دو تصویر پایین نیز یک تسمه‌ی لاستیکی و دو نوع مختلف از تسمه‌ی فلزی را مشاهده می‌کند.

ایده‌ی جعبه دنده‌ی ضریب متغییر ساده و ایده‌آل است اما پیاده سازی آن در عمل به این سادگی نیست و  موانعی بر سر راه این نوع سیستم وجود دارد که به آن‌ها اشاره خواهیم کرد. تسمه‌ای که در جعبه دنده‌های CVT مورد استفاده قرار می‌گیرد تحت فشار و کشش بسیار زیادی قرار دارد بنابراین باید بسیار قوی باشد و از طرفی اصطکاک کافی را نیز با پولی‌ها ایجاد کند تا انتقال نیرو میسر شود. در برخی از انواع  جعبه دنده‌های ضریب متغییر از تسمه‌های لاستیکی استفاده می‌شود اما در بیشتر خودروها (برای مثال در هوندا سیویک) از تسمه‌ی فلزی استفاده شده است. این تسمه‌ها از صفحه‌های فلزی عرضی و نوارهای فلزی طولی ساخته شده‌اند. قسمت‌های عرضی وظیفه‌ی ایجاد تماس و اصطکاک کافی با پولی را دارند و نوار طولی نیز وظیفه‌ی نگه داشتن صفحه‌ها و همچنین تحمل فشار‌های کششی را دارد. 

پیشرانه‌‌های احتراق داخلی مورد استفاده در خودروها بیشترین قدرت خود را در تمامی دور موتورها در اختیار ندارند بلکه در یک دور موتور خاصی است که اسب بخار، مصرف سوخت و گشتاور در بهینه ترین میزان خود قرار دارند. هیچ جعبه دنده‌ی چرخ دنده داری نمی‌تواند کاری کند که پیشرانه دائما در چنین دور موتوری قرار داشته باشد اما جعبه دنده های ضریب متغییر می‌توانند با تغییر لحظه‌ای ضریب دنده این امکان را فراهم کنند. یعنی یک جعبه دنده‌ی CVT ضمن اینکه شتاب گیری سریع‌تری را در مقایسه با انواع دستی و یا اتوماتیک فراهم می‌کند می‌تواند مصرف سوخت پایین‌تری را نیز ارائه دهد.

بزرگ‌ترین مانعی که بر سر راه جعبه دنده‌های ضریب متغییر قرار دارد مساله‌ی پذیرش این نوع جعبه دنده‌ها توسط خریداران است. از آن جایی که جعبه دنده‌های ضریب متغییر این اجازه را به پیشرانه می‌دهند که بتواند در دور موتور ثابتی کار کند بنابراین صدایی که از زیر کاپوت این خودروها به گوش می‌رسد چندان به گوش افرادی که با جعبه دنده‌های دستی و خودکار کار کرده‌اند، آشنا نخواهد بود. 

همچنین تغییر تدریجی ضریب دنده در این جعبه دنده‌ها باعث می‌شود تا پیشرانه صدایی همچون هرزگردی کلاچ (نیم کلاچ کردن) را ایجاد کند که در یک خودروی عادی می تواند نشانه‌ای از وجود ایراد باشد اما چنین صدایی در یک خودروی مجهز به جعبه دنده‌ی CVT به معنای صحت کارکرد خودرو است. همچنین تحویل نیرو در جعبه دنده‌های دستی و یا خودکار به صورت آنی و سریع اتفاق می‌افتد و شما تعویض شدن دنده را احساس خواهید کرد اما یک جعبه دنده‌ی CVT این کار را به نرمی و آرامی انجام می‌دهد. این مورد باعث می شود تا در هنگام رانندگی با این خودروها احساس کنید که آن‌ها خودروهای کندی هستند که البته این مورد فقط در حد احساس است و یک جعبه دنده‌ی CVT می‌تواند شتابگیری بهتری از یک جعبه دنده‌ی خودکار داشته باشد.

به دلیل محدودیت‌هایی که در مورد نمونه‌های اولیه‌ی خودروهای CVT دار وجود داشت اسب بخار این خودروها بسیار محدود بود و در زمینه‌ی دوام و قابلیت اطمینان این نوع جعبه دنده‌ها نیز نگرانی هایی وجود داشت اما تکنولوژی پیشرفته‌ی امروزی جعبه دنده‌های CVT را بسیار قابل اطمینان کرده است به طوری که کمپانی نیسان بیش از یک میلیون دستگاه خودروی مجهز به جعبه دنده‌ی ضریب متغییر را در سراسر جهان به فروش رسانده است و ضمنا گفته است که CVT های امروزی از نظر اطمینان، دوام و کارایی در حد جعبه دنده‌های خودکار دیگر هستند.

در بخش آینده به معرفی و بررسی چند مدل مختلف از جعبه دنده‌های ضریب متغییر خواهیم پرداخت.