ترانسفر کیس که در کشورمان به گیربکس کمکی معروف است، یکی از بخش های انتقال نیرو در خودروهای دو دیفرانسیل محسوب می شود. انتقال نیرو، یکی از قسمت های پلتفرم در هر خودرو است که وظیفه آن، انتقال توان و گشتاور تولید شده در پیشرانه به چرخ ها است. این بخش در خودروهای مختلف تا حد زیادی به یک شکل و اساس است و فقط در چندین نوع خلاصه می شود. اما در خودروهایی که به صورت چهارچرخ محرک هستند، ترانسفر کیس یا همان گیربکس کمکی نیز وجود دارد تا بتواند گشتاور و توان تولید شده را به همه چرخ ها و محورها منتقل کند.
با پیدایش خودروهای دو دیفرانسیل، نیاز به قطعه ای در بخش انتقال قدرت بود تا بتوان توان تولیدی از پیشرانه را به غیر از محور محرک اصلی، به محور دوم نیز منتقل کرد. این بخش نیز به صورت یک گیربکس یا همان جعبه دنده دوم طراحی شد تا این هدف محقق شود. این قطعه بعد از گیربکس اصلی قرار دارد و کارکرد آن، جدا از انتقال قدرت به هر چهار چرخ، تغییر در دور خروجی گیربکس و افزایش بیشتر گشتاور خروجی و انتقالی به سمت چرخ ها است. گیربکس کمکی در خودروهایی که بیش از یک محور محرک دارند، مثل خودروهای دو دیفرانسیل یا سه دیفرانسیل و خودروهای چهارچرخ دائم وجود دارد.
گیربکس کمکی
وظیفه یک گیربکس در خودرو، فراهم کردن امکان انتقال قدرت و گشتاور خروجی موتور با نسبت های مختلف بوده تا امکان رانندگی با سرعت ها و دورهای مختلف فراهم شود. برای آنکه گیربکس چنین کاری را انجام دهد، مجهز به یک مجموعه دنده با نسبت های معین نسبت به یکدیگر بوده و دارای یک شفت (محور) اصلی ورودی از پیشرانه و یک شفت خروجی به سمت دیفرانسیل و چرخ هاست. طبیعتا چنین ساختاری برای خودرویی در نظر گرفته شده که تنها یکی از محورهای آن محرک است و گیربکس تنها یک خروجی برای محور محرک مربوطه دارد.
در خودروهای چهارچرخ متحرک، برای آنکه بتوان به هر دو محور انتقال قدرت داد، یک گیربکس کمکی به شفت خروجی گیربکس اصلی متصل می کنند که دارای دو خروجی برای گاردان اکسل های جلو و عقب است. در نتیجه به کمک چنین ساختاری می توان قدرت و گشتاور پیشرانه را به هر چهار چرخ انتقال داد. طبیعتا در یک خودرو چهارچرخ متحرک ممکن است که همواره به قدرت یک اکسل نیازی نباشد و یا لازم باشد که قدرت بین اکسل ها با نسبت معینی توزیع شده و یا هر چهار چرخ با قدرت و گشتاور بالا دوران کنند، در نتیجه در گیربکس کمکی نیز چند مجموعه دنده و یک دسته دنده یا سلکتور تعبیه می شود که امکان از دور خارج کردن یک محور و یا انتخاب حالت سبک و سنگین دوران چرخ ها فراهم شود. ساختار عموم گیربکس های کمکی شامل سه شفت یا محور اصلی بوده که شفت اول به صورت مشترک برای ورودی گیربکس کمک و خروجی اکسل عقب بوده و شفت سوم خروجی اکسل جلو است. شفت دوم نیز به عنوان واسطه میان شفت اول و سوم قرار می گیرد.
شفت های ورودی و خروجی با توجه به اختلاف دورانی که دارند، دوتکه بوده اما شفت میانی یا واسطه یکپارچه است. هر شفت خروجی دارای یک دنده سبک و یک دنده سنگین بوده که می تواند با هرکدام از آنها با شفت میانی درگیر شود و شفت ورودی نیز با شفت میانی درگیر است. دنده های سبک با دنده های مورب جهت حرکت با سرعت نرمال بوده و دنده های سنگین برای حرکت با قدرت و گشتاور بالا تعبیه شده اند. مکانیسم تعویض دنده ها نیز مشابه گیربکس معمولی بوده و توسط میل ماهک و ماهک و با یک دسته دنده کوچک کنار دسته دنده اصلی انجام می شود. منتهی گیربکس کمک دو ماهک داشته که دنده های شفت اول و سوم را جابه جا می کند و شفت میانی نیز یکپارچه و بدون تغییر است
نحوه کارکرد گیربکس های کمکی
در ابتدا فرض می کنیم که خودرو ما یک خودرو دو دیفرانسیل بوده که محور محرک اصلی آن، محور عقب است. البته که در بسیاری از خودروهای SUV جدید، محور محرک اصلی، محور جلو است و محور عقب به عنوان محور دوم شناخته می شود.
همان طور که گفته شد، گیربکس کمک بعد از گیربکس اصلی قرار دارد. گشتاور خروجی از گیربکس اصلی به گیربکس کمکی وارد می شود و چرخ دنده ورودی آن را به چرخش در می آورد. در حالت حرکت با دو چرخ یا حالت 2H، انتقال قدرت به خروجی محور دوم صورت نمی گیرد و فقط گشتاور ورودی به گیربکس کمکی بدون تغییر به سمت محور اصلی که عقب است، از ترانسفر کیس خارج می شود. با درگیر کردن محور دوم به صورت 4H یا حرکت با چهار چرخ سبک، دنده ای که مخصوص انتقال قدرت به سمت محور جلو است، درگیر شده و انتقال قدرت بدون تغییر در تعداد دور خروجی، انجام می شود. وقتی که اهرم حرکتی روی 4L یا حرکت با چهارچرخ به صورت سنگین قرار می گیرد، در ورودی گیربکس کمکی، دنده کوچک ورودی با دنده بزرگی که در خروجی قرار دارد، مرتبط می شود و در نتیجه شاهد کاهش دور و به دنبال آن، افزایش گشتاور خروجی هستیم.
حالت های مختلف گیربکس های کمکی
برخی گیربکس های کمکی مکانیسم تعویض دنده برقی دارند که در داخل کابین برای تعویض یک دسته دنده یا سلکتور با ارتباط الکترونیکی داشته و یا در برخی خودروها از سوئیچ های روی داشبورد برای انتخاب حالت استفاده شده است. گیربکس کمک به صورت کلی دارای 4 حالت اصلی به شرح زیر است:
- حالت N: در این حالت گیربکس کمک خلاص بوده و هیچ انتقال قدرتی انجام نمی دهد؛ یعنی هیچ کدام از شفت های خروجی با شفت میانی درگیر نیستند. حتی اگر گیربکس اصلی در دنده باشد، عملا مجموعه هرز چرخیده و خودرو ثابت است و برای حرکت باید گیربکس کمک را هم درگیر کرد. حالت خلاص گیربکس کمک بیشتر برای استفاده از قدرت پیشرانه برای بخش هایی نظیر وینچ مکانیکی بوده که می توان با خلاص کردن گیربکس کمک و درگیر کردن اهرم وینچ مکانیکی، قدرت پیشرانه را به وینچ انتقال داد و سیم بکسل را جمع کرد. لازم به ذکر است که در حالت استفاده از وینچ مکانیکی، گیربکس اصلی باید حتما در دنده 1 باشد.
- حالت 2H: این حالت جهت انتقال قدرت سبک به محور اصلی (عموما محور عقب) بوده و محور دیگر خلاص است. این حالت بیشتر جهت رانندگی در سطوح نرمال و شرایط جاده ای و خیابانی بوده و در شرایط آفرود کاربرد آنچنانی ندارد. در این حالت قدرت از شفت ورودی وارد شده و به شفت میانی منتقل شده و مجددا به شفت اولیه و خروجی اکسل عقب می رسد (همان طور که اشاره کردیم، شفت ورودی گیربکس و خروجی اکسل عقب یعنی شفت اول، مشترک بوده اما یکپارچه نیست.). شفت خروجی عقب نیز با دنده سبک به شفت میانی متصل بوده و شفت اکسل جلو خلاص است. در نتیجه در حالت 2H، مجموعه گاردان و دیفرانسیل اکسل جلو هرزگرد بوده و بایستی توسط پولوس خلاص کن، دیفرانسیل جلو را خلاص کرد که مانع از اتلاف انرژی و استهلاک دیفرانسیل شود. برخی خودروها پولوس خلاص کن اتوماتیک دارند اما در نمونه های توپی دار، باید توپی چرخ های جلو را در موقعیت خلاص (Unlock) قرار داد.
- حالت 4H: این حالت برای حرکت با چهارچرخ محرک در سرعت های نرمال بوده و می تواند در جاده لغزنده و یا شرایط آفرودی که نیاز به گشتاور بالا ندارد، استفاده کرد. در این حالت، قدرت از شفت ورودی دریافت شده و هر دو شفت خروجی با دنده سبک به شفت میانی متصل هستند و قدرت را دریافت می کنند. در این حالت باید توپی چرخ های جلو در موقعیت Lock باشد.
- حالت 4L: حالت نهایی یا 4L برای حرکت با قدرت و گشتاور بالا بوده و در شرایط دشوار و جهت خروج از موانع استفاده می شود. حالت 4L بسیار مشابه 4H بوده اما تفاوت آن در این است که محورهای خروجی با دنده سنگین به شفت میانی متصلند.
معایب گیربکس های کمکی
یکی از معایب این گیربکس های کمکی، این است که همواره با یک نسبت ثابت (عموما 50-50) قدرت و سرعت را بین اکسل جلو و عقب توزیع می کنند و عملا امکان لغزش بین گاردان محورهای جلو و عقب وجود ندارد. در حالت عادی چنین مشکلی جلب توجه نمی کند اما هنگامی که خودرو می خواهد بپیچد، گیربکس شروع به مقاومت می کند چرا که در حالت پیچیدن، گاردان های اکسل های جلو و عقب با هم اختلاف سرعت دوران پیدا می کنند در حالی که گیربکس می خواهد گاردان ها را با سرعت یکسان بچرخاند و این مسئله ناشی از یکپارچه بودن شفت میانی بوده که با هر دو شفت خروجی و گاردان ها درگیر است. این مسئله بسیار مشکل زاست و ممکن است منجر به خرد شدن گیربکس و دیفرانسیل ها و یا حتی منجر به واژگونی خودرو شود. این اتفاق بسیار شبیه حالتی است که در یک اکسل معمولی رخ می دهد. در یک اکسل معمولی در هنگام پیچیدن، چرخ داخل پیچ آهسته تر از چرخ خارج پیچ می چرخد و اگر محور چرخ ها یکپارچه باشد، عملا اکسل در برابر پیچیدن مقاومت می کند.
برای جلوگیری از چنین حالتی، از دیفرانسیل استفاده می شود که امکان لغزش چرخ ها نسبت به هم یا همان اختلاف دور را فراهم می کند. در گیربکس های کمکی جدیدتر نیز برای آنکه امکان پیچیدن و اختلاف دور میان گاردان ها وجود داشته باشد، از دیفرانسیل سومی موسوم به دیفرانسیل مرکزی داخل گیربکس کمکی و روی شفت میانی استفاده شده که ساختاری مشابه دیفرانسیل های معمولی دارد. در نتیجه در شرایط مختلف اعم از پیچیدن خودرو و یا شیبدار شدن زمین، دیفرانسیل مرکزی عمده قدرت و گشتاور را به گاردانی انتقال می دهد که چرخاندن آن ساده تر است یعنی مشابه همان کاری که یک دیفرانسیل معمولی مابین چرخ ها انجام می دهد. به سبب همین خاصیت دیفرانسیل، نسبت انتقال نیرو مابین اکسل ها دائم در حال تغییر بوده و مثلا ممکن است در یک سربالایی با شیب زیاد، 70 درصد نیرو به اکسل جلو که کشنده است منتقل شده و 30 درصد به اکسل عقب که هل دهنده است انتقال یابد و هنگام دور زدن خودرو نیز شرایط مشابهی حاکم است و خودرو بدون مشکل در حالت درگیری چهارچرخ دور می زند درحالی که در گیربکس کمکی فاقد دیفرانسیل مرکزی چنین کاری غیرممکن بوده و اکسل جلو باید خلاص باشد. به همین علت هم هست که خودروهای فاقد دیفرانسیل مرکزی در گیربکس کمکی عموما 4×4های اضطراری بوده و به آنها 4WD نیمه وقت (Part Time 4WD) گفته می شود.
انواع اهرم دسته دنده گیربکس های کمکی
همان طور که گفته شد، گیربکس کمکی نیز مثل جعبه دنده اصلی خودرو، وضعیت های مختلف حرکتی دارد و باید به کمک یک دسته دنده، آنها را انتخاب کرد. دسته دنده این گیربکس ها در خودروهای قدیمی، اکثرا به صورت اهرمی و مکانیکی است که در کنار دسته دنده اصلی قرار دارد. اما نزدیک به دو دهه است که مدل های برقی نیز روی کار آمده اند تا راحتی راننده در کار با این بخش، بیشتر باشد. کار با نمونه های برقی راحت تر است و راننده فقط با چرخش یک دکمه می تواند وضعیت های مختلف را انتخاب کند اما در مقابل، این سیستم، حساس تر بوده و عدم کارکرد صحیح آن در بسیاری از خودروها در برخی از مواقع نیز دیده شده است.
انواع نحوه انتقال قدرت در گیربکس های کمکی
کارکرد گیربکس کمکی و انتقال قدرت به دو صورت انجام می شود. ارتباط دنده های داخل این مجموعه یا به صورت دنده و چرخ دنده است و یا با کمک زنجیر انجام می شود. گرچه شکل انتقال دنده ای کمی خشن تر است و درگیر کردن دنده ها در خودروهای قدیمی، قلق خود را دارد، اما استهلاک این روش کمتر بوده و خرابی بسیار کمتری نیز دارد.
چگونگی اتصال به گیربکس اصلی
در خودروهایی که طول زیادی ندارند و فاصله محورهای آنها از هم کم است، گیربکس کمکی به شکل مستقیم و بدون واسطه به گیربکس اصلی متصل است به نحوی که یک ساختار کاملا یکپارچه را تشکیل می دهند. اما در خودروهایی که فاصله محوری آنها زیاد است، این گیربکس با یک گاردان ( با تلفظ صحیح کاردان) به جعبه دنده اصلی وصل می شود. اتصال مستقیم، فضای کمتری را اشغال کرده و استهلاک پایین تری نیز دارد اما تعمیر و عیب یابی نوع دوم که با واسطه و یک کاردان به گیربکس اصلی متصل است، راحت تر خواهد بود. همانطور که گفته شد، اتصال با کاردان، بسیار خاص بوده و در خودروهای سواری چندان دیده نمی شود.
انواع روانکاری
در حالی که در گیربکس دستی، باید از واسکازین برای روانکاری گیربکس استفاده کرد، در برخی از گیربکس های کمکی باید از روغن هیدرولیک برای انجام این کار استفاده کنید. معمولا گیربکس هایی که نحوه انتقال قدرت داخلی آنها به صورت زنجیری است، روانکاری آنها به کمک روغن هیدرولیک است. البته این قانون به صورت همیشگی نیست و ممکن است، جعبه دنده زنجیری برخی از خودروها با واسکازین نیز روانکاری شوند. ضمن اینکه معمولا با افزایش عمر این قطعه، واسکازین نیز جای روغن هیدرولیک را می گیرد چرا که معمولا نشتی و لقی در قطعات داخل گیربکس کمکی بیشتر شده و حساسیت این بخش نسبت به گذشته، کمتر می شود. گیربکس کمکی در اکثر کراس اوورهای AWD با روغن هیدرولیک روانکاری می شود.
اتصال PTO
یکی از کاربردهای اولیه خودروهای دو دیفرانسیل، استفاده از آنها در مزارع و دامداری ها بود. این خودروها به دلیل امکان حرکت آسان در زمین های ناهموار، کارکرد راحت تری نسبت به تراکتورها داشتند و از این رو به سرعت از سوی کشاورزان و دامداران مورد استقبال قرار گرفتند.
یکی از قطعاتی که به جعبه دندنه و گیربکس کمکی خودروهای دو دیفرانسیل متصل می شود، قطعه ای به نام بغل گیربکسی یا Power take-off است که به اختصار PTO گفته می شود. این قطعه در واقع خروجی گیربکس است تا بتوان از چرخش محور داخلی گیربکس یا گیربکس کمک، دستگاه های جانبی مثل باری کمپرسی، گاو آهن، جرثقیل، انواع پمپ های هیدرولیک روغنی و آبی، وینچ های مکانیکی و… را به کار انداخت.
سیستم 4WD خودروهای هیبرید و برقی
با افزایش تولید خودروهای هیبریدی و برقی، چهار چرخ محرک کردن آنها نیز ساده تر از خودروهای قدیمی بود. چرا که با قرار دادن موتور برقی در محور محرک دوم، می توان آنها را به راحتی به صورت دو دیفرانسیل ارائه داد. برخی از خودروهای برقی، در هر محور دارای یک موتور الکتریکی هستند و این قضیه حتی تا نصب یک موتور برای هر چرخ نیز انجام می شود. در برخی از خودروهای هیبریدی چهارچرخ نیز، موتور درون سوز به یک محور متصل است و موتور برقی نیز به محور دیگر. هرچند که ممکن است در این خودروها نیز به همان شیوه قدیمی، شاهد وجود ترانسفر کیس نیز باشیم.
گیربکس اتوماتیک چه مزایا و معایبی دارد؟
