بررسی سیستم های هیدرولیکی گیربکس اتوماتیک خودرو

هنگام مطالعه اصول هیدرولیک در بخش دوم چند نوع از سوپاپ‌های تنظیم فشار و سوپاپ‌های سویچینگ را بررسی کردیم. در این بخش یاد خواهیم گرفت که این سوپاپ‌ها در درون گیربکس اتوماتیک چگونه عمل می کنند. همچنین پمپ‌هایی که با سه نوع فشار هیدرولیکی مختلف گیربکس اتوماتیک را آماده کار می‌کنند، بررسی می کنیم. سپس این فشارها را در درون مجراها و سوپاپ‌ها دنبال می کنیم و یاد می گیریم که چگونه این فشارها با هم برای کنترل تعویض مستقیم و معکوس دنده عمل می‌کنند.

فشارهای موجود در گیربکس اتوماتیک
قبل از شروع بررسی جزئیات پمپ ها و سوپاپ‌های گیربکس، لازم است بطور خلاصه نگاهی به سه فشار اصلی موجود در گیربکس اتوماتیک بیاندازیم:
۱ـ فشار خط اصلی Main Line Pressure
۲ـ فشار گاز Throttle Pressure
۳ـ فشار گاورنر Gorernor pressure

به خاطر دارید که برای ایجاد فشار هیدرولیک بایستی یک چشمه جریان سیال و مقاومتی در برابر آن جریان وجود داشته باشد. درگیربکس های اتوماتیک، پمپ همان ایجاد کننده جریان است و سوپاپ‌ها و گذرگاههای مختلف بکار رفته باعث ایجاد فشار می شوند.

۱ـ فشار خط اصلی: Main Line Pressure

این فشار به وسیله پمپ (ایجاد جریان ) بوجود می‌آید و بوسیله سوپاپ رگلاتور فشار، در خروجی پمپ کنترل می شود. فشار خط اصلی برای راه اندازی کلاچها و سروها، که عضوهای مختلفِ مجموعه دنده سیاره‌ای را ترمز می‌کنند به کار می‌رود و از این طریق نسبت دنده های مختلف و تعویض اتوماتیک دنده فراهم می شود. فشار اصلی به جز این منشاء تمام فشارهای دیگر گیربکس نیز می‌باشد.

۲ـ فشار گاز : Throttle pressure

یک فشار هیدرولیکی است که اندازه آن با زیاد شدن بار موتور یا مقدار باز بودن دریچه گاز افزایش می یابد. فشار گاز از فشار خط اصلی بوجود می‌آید.

۳ـ فشار گاورنر : Gorernor pressure

یک فشار هیدرولیکی است که مقدار آن با زیاد شدن سرعت خودرو افزایش می یابد. این فشار از خط اصلی بوجود می آید و در یک سوپاپ که به صورت گریز از مرکز کار می‌کند و توسط شافت خروجی گیربکس می‌چرخد، کنترل می شود. فشار گاونر در تعامل با فشار گاز برای کنترل نقاط تعویض دنده به کار می رود.

پمپ‌های هیدرولیک گیربکس های اتوماتیک:
تمام فشارهای هیدرولیکی که در گیربکس اتوماتیک عمل می کنند، از جریان خروجی یک پمپ روغن استفاده می کنند.این پمپ از طریق یک فیلتر، روغنِ مخزن را می‌کشد .
درگیر بکس های امروزی سه نوع پمپ بکار می رود:
ـ دنده‌ای Gear Pump
ـ روتوری Rotor pump
ـ پره ای Vane Pump

پمپ دنده‌ای و روتوری، پمپ با جابجایی مثبت یا جابه جایی ثابت نامیده می شود. زیرا حجم سیالی که در هر بار گردش پمپ زیاد می شود حجم سیال جابه جا شده توسط آن در هر دقیقه بیشتر می‌شود، با این حال حجم روغن پمپ شده به ازای یک دور گردش ثابت می ماند.
امّا پمپ های پره ای که در گیربکس های مدرن بکار می روند، پمپ با جابجایی متغیر نامیده می شوند زیرا مقدار روغن پمپ شده به ازای هر دور گردش می تواند تغییر کند. خروجی پمپ بطور اتوماتیک براساس نیاز گیربکس به روغن تنظیم می شود و هیچگونه بستگی مستقیم بین سرعت پمپ و مقدار جریان سیال وجود ندارد.
پمپ گیربکس های اتوماتیک در قسمت جلو بدنه گیربکس نصب شده و توسط تورک کنورتور به حرکت در می‌آید. در خودروهای محرک جلو نیز پمپ ممکن است توسط تورک کنورتور و یا یک شافت مجزا به حرکت در آید. بیشتر گیربکس های قدیمی یک پمپ ثانویه داشتند که در ناحیه عقب بدنه گیربکس نصب می‌شود و بوسیله شافت خروجی به حرکت در می‌آمد. پمپ عقب در گیربکس‌های ساخت آمریکا از اواخر دهه ۶۰ به بعد حذف شد.

فشار خط اصلی
همانطور که می دانیم برای ایجاد فشار بایستی در مقابل خروجی پمپ مانعی ایجاد شود. چنانچه هیچ مانعی وجود نداشته باشد، دبی پمپ قابل اندازه گیری است؛ امّا فشار صفر است. در وا قع در سیستم هیدرولیک گیربکس های اتوماتیک موانع زیادی برای ایجاد فشارهای مختلف وجود دارد. مجرای خروجی پمپ یک مانع نسبی در برابر جریان روغن محسوب می شود و به همین دلیل معابر و خطوط روغن نیز موانعی در برابر جریان هستند.

اولین مانع اساسی در سیستم که برای کنترل فشار اصلی بکار می رود، سوپاپ تنظیم (رگلاتور) فشار است. سایر سوپاپ ها از قبیل سوپاپ های تقویت کننده، سوپاپ کنترل دستی و سوپاپ‌های تعویض از طریق اعمال فشار اصلی بر روی آنها عمل می کنند. البته فشار اصلی تنها موجود در سیستم هیدرولیک ایجاد می شود. امّا تمام آنها وابسته به فشار اصلی هستند و توسط سوپاپ‌هایی با کاربرد تنظیم فشار کار می کنند. از قبیل سوپاپ گاز و سوپاپ گاورنر که طرز ایجاد این فشارها را بررسی می‌کنیم.

سوپاپ تنظیم فشار (رگلاتور)
از آنجا که حجم ارسال پمپ با افزایش سرعت زیاد می شود اگر در برابر جریان روغن مانعی ساده و ثابت مانند یک اریفیس وجود داشته باشد، فشار نیز با زیاد شدن سرعت پمپ افزایش می یابد. در چنین سیستمی فشار به سرعت به حدّی که بتواند به قطعات مختلف گیربکس آسیب برساند خواهد رسید. بنابراین لازم است فشار تنظیم شود. این کار بوسیله سوپاپ رگلاتور فشار که در مقابل جریان روغن ایجاد یک مانع متغیر می کند ایجاد می شود.

یک مانع متغیر عبارتست از یک مجرا که اندازه آن به منظور تغییر در فشار ایجاد شده توسط مانع می‌تواند تغییر کند. سوپاپ رگلاتور فشار حد بالا و حد پائین فشار روغن خط اصلی را برای پاسخگویی به شرایط مختلف گیربکس کنترل می‌کند. فشار خط اصلی عملاً از رگلاتور فشار به بعد آغاز می شود. امّا در نقشه های هیدرولیکی اغلب مستقیماً از پمپ منشعب می شود. فشار بین پمپ و سوپاپ تقریباً برابر با فشاری است که روغن هنگام ترک سوپاپ و ورود به مدار خط اصلی دارد. واین در نتیجه اثر توازن در سوپاپ است.

هنگامی که موتور روشن می شود روغن از پمپ وارد سوپاپ می‌شود. در ابتدا روغن مستقیماً برای پر کردن مبدل گشتاور و خط اصلی از میان سوپاپ عبور می‌کند به محض آنکه این فضاها از هوا تخلیه شوند فشار در مدار هیدرولیک ایجاد می شود. این فشار بر سطح انتهایی سوپاپ عمل کرده و آن را بر خلاف نیروی فنر حرکت می دهد. مادامی که فشار روغن بر نیروی فنر غلبه نکند تمام خروجی پمپ در اختیار مدارات اصلی گیربکس قرار می‌گیرد. اگر دور موتور زیاد شود حجم روغن ارسالی توسط پمپ به سوپاپ هم افزایش می یابد.در نتیجه فشار روغن اعمال شده بر سوپاپ هم افزایش می یابد. در نتیجه فشار روغن اعمال شده بر سوپاپ هم افزایش می‌یابد و سوپاپ مخالف نیروی فنر، آنقدر حرکت می کند تا مجرای خروجی را باز کند
در گیربکسی که پمپ آن از نوع دنده‌ایی یا روتوری است فشار اضافی با جاری شدن روغن از مجرای خروجی و بازگشت آن به سمت مکش پمپ آزاد می شود امّا در یک گیربکس مجهز به پمپ با جابجایی متغیر بخشی از فشار اضافی به ناحیه پشت کمربند لغزان برای کاهش جابجایی پمپ و در نتیجه آن کاهش جریان روغن هدایت می شود و در هر صورت گیربکس از آسیب احسالی ناشی از فشار زیاد حفاظت می شود.

در بیشتر گیربکس‌ها فشار از پمپ مستقیماً به سمت سوپاپ کنترل دستی و سایر سوپاپ های سیستم هیدرولیک هدایت می شود. این امر عملی است زیرا تمام روغن قبل از رفتن به سمت سایر سوپاپ‌ها مجبور نیستند که از میان رگلاتور فشار عبور کنند. همانطور که در بخش دوم ملاحظه کردید، فشار در داخل یک سیستم بسته هیدرولیک در هر جایی از مدار یکسان است. لذا می توانید مدار فشار خط اصلی را به عنوان یک مدار بسته منفرد تصور کنید. در این صورت اهمیتی ندارد که سوپاپ رگلاتور فشار در چه قسمتی از مدار نصب شود، چون به هر حال فشار در تمام نقاط مدار را تنظیم خواهد کرد.

سوپاپ های تعویض
سوپاپ تعویض یک سوپاپ قطع و وصل (سویچینگ ) یا جهت دهنده است که از فشار گاورنر و فشار گاز برای تعیین زمان تعویض و اجرای تعویض در یک گیربکس استفاده می کند. به همین دلیل سوپاپ تعویض سوپاپ تایمینگ نیز نامیده می شود. سوپاپ تعویض قادر است با اندازه گیری گشتاور موتور( به وسیله فشار گاز ) و سرعت خودرو ( به وسیله گاورنر ) تحت هر شرایطی از رانندگی تعویض به دنده بالاتر (مستقیم ) و به دنده پائین تر (معکوس) را به طرز صحیحی زمان بندی و اجرا کند.
اغلب گیربکس ها چندین سوپاپ تعویض دارند که تعویض دنده‌های مورد نیاز را کنترل می‌کنند هنگامی که فشار گاورنر بر فشار گاز و فشار فنر غلبه کند تعویض به دنده بالاتر توسط سوپاپ تعویض انجام می‌شود.

فشار گاورنر به سمت راست سوپاپ تعویض و فشار گاز به سمت چپ آن اعمال می شود. یک فنر مارپیچی نیز در طرف چپ سوپاپ قرار گرفته است. فشار خط اصلی به سوپاپ تعویض هدایت شده امّا یکی از پیستون ها مسیر روغن را مسدود کرده است. اگر سرعت خودرو افزایش یابد، فشار گاورنر نیز زیاد می شود. در لحظه‌ایی که فشار گاورنر بر فشار گاز و فشار فنر غلبه کند سوپاپ را به طرف چپ هدایت می کند.
در نتیجه حرکت سوپاپ تعویض فشار خط اصلی می تواند از بین قرقره ها به طرف یک مدار کارانداز (باند یاکلاچ) خارج شود. البته هنگامی که یک سوپاپ تعویض حرکت می کند باید حرکت آن سریع و تقریباً ناگهانی باشد و اجازه نیابد به جلو و عقب حرکت کند قبل از اینکه به این موضوع بپردازیم ابتدا می خواهیم بدانمی فشار گاز و فشار گاورنر چگونه ایجاد می شوند و هدف از ایجاد آنها چیست؟

فشار گاز
همانطور که قبلاً تشریح شد فشار گاز یکی از فشارهای مورد استفاده در کنترل نقاط تعویض به دنده بالاتر (UP Shift ) و به دنده پائینتر (Down Shist )در یک گیربکس اتوماتیک است.

فشار گاز این وظیفه را متناسب با بار موتور یا گشتاور خروجی که در هر لحظه مستقیماً وابسته به شرایط رانندگی است، به انجام می رساند.
در بیشتر گیربکس ها از فشار گاز برای کمک به تنظیم فشار خط اصلی استفاده می شود. زمانی که گشتاور خروجی موتور زیاد است در گیربکس ها درگیری محکم‌تر کلاچها و ب اندها برای جلوگیری از لغزش ضروری است. برای دستیابی به فشار بیشتر در خط اصلی، فشار گاز ( یا شکل تغییر یافته‌اش) از طریق کانالهایی به سمت سوپاپ تقویت کننده واقع در یک طرف رگلاتور فشار هدایت می‌ شود.

کاربرد هیدرولیک

سیستم‌ های هیدرولیک گیربکس‌های اتوماتیک مدرن تعویض های مستقیم و معکوس دنده‌ها را برای هماهنگ کردن سرعت خودرو و گشتاور موتور به منظور دستیابی به عملکرد موثر و روان فراهم می‌کنند.امّا کاربرد سیستم هیدرولیک تنها راه برای اجرای تعویض اتوماتیک در یک گیربکس نیست. بعضی از سازندگان خودرو در گیربکس های اتوماتیک اولیه از سیستم‌های اکرکی و خلایی برای کنترل تعویض بهره می گرفتند.

سبیمپلی ماتیک کرایسلر مدل سال ۱۹۴۰ چهار سرعته از نوع دنده کشوئی و متصل به یک کوپلینگ هیدرولیکی بود. اهرم تعویض دنده بوسیله سرووهای خلایی که خلاء آن بوسیله سیستم الکتریکی بالا کنترل می شد بکار می افتاد.
کمپانی کرایسلر، مدلهای گوناگون این گیربکس را تحت نام های تجاری مختلف تا سال ۱۹۵۳ یعنی هنگامی که اولین گیربکس تمام اتوماتیک خود را معرفی کرد مورد استفاده قرار داد.

سوپاپ گاز مکانیکی Mechanically Operated Throttle Valve

برای درک طرز کار سوپاپ گاز به شکل یک سوپاپ گاز مکانیکی ساده نگاه می‌کنیم.
این سوپاپ گاز شامل یک سوپاپ قرقره ای یک فنر و یک پالانچر است که همه آنها در یک محفظه قرار گرفته اند. یک اهرم از سوپاپ گاز خارج شده و به دریچه گاز کاربراتور موتور وصل است. هنگامی که موتور خاموش است و سوپاپ بسته است. پیستون سمت چپ سوپاپ دریچه ورود فشار خط اصلی را مسدود می کند. چنانچه در حالت روشن بودن موتور دریچه گاز باز شود یک اهرم مکانیکی قرقره سوپاپ را به سمت چپ حرکت می دهد. در نتیجه مجرای ورود روغن باز شده و فشار خط اصلی به داخل سوپاپ جاری می شود در این نقطه فشار خط اصلی به فشار گاز تبدیل می شود.

سوپاپ تعویض معکوس Down Shift Valve

قبل از خاتمه این بحث باید اطلاعاتی درباره سوپاپ‌های که هنگام باز شدن کامل دریچه گاز باعث افزایش فشار گاز می‌شوند و موجب اجرای تعویض به دنده سنگین تر می شود داشته باشید. این سوپاپ‌ها را ممکن است با اسامی ۱ـ سوپاپ تعویض معکوس Dawnshift 2ـ سوپاپ پرش به عقب (kickdown ) و یا سوپاپ بازدارنده Detent بنامند.
در هر صورت هنگامی که دریچه گاز باز می شود سوپاپ تعویض معکوس فشار سوپاپ گاز را تقویت می کند و یا یک فشار کمکی برای اجرای تعویض معکوس ایجاد می کند این فشار برای غلبه بر فشار گاورنر بر سوپاپ تعویض مورد نظر اعمال شده و تعویض به دنده سنگین‌تر اجرا می شود.

فشار گاورنر

فشار گاورنر در جهت عکس فشار گاز برای کنترل نقاط تعویض مستقیم (UP Shift ) و معکوس (DOWN Shift ) متناسب با سرعت جاده ایی خودرو به سوپاپ تعویض اعمال می‌شود. فشار گاورنر از فشار خط اصلی به وجود می آید و به وسیله سوپاپ گاورنر کنترل می شود. سوپاپ گاورنر به وسیله شافت خروجی گیربکس به حرکت در می‌آید و سرعتش با افزایش سرعت خودرو زیاد می‌شود. اگر سرعت شافت خروجی زیاد شود فشار گاورنر نیز زیاد می‌شود وقتی که سرعت شافت خروجی ثابت بماند فشار گاورنر نیز در یک حدّ معین برای آن سرعت متعادل می شود.
در مدارات هیدرولیک گیربکس های ساخت آمریکا سه نوع گاورنر به کار رفته است.

۱ـ گاورنر با محرک دنده‌ایی و سوپاپ قرقره‌ایی

۲ـ گاورنر با محرک دنده‌ایی و سوپاپ‌های ساچمه‌ای مانع

۳ـ گاورنر نصب شده روی شافت خروجی با سوپاپ قرقره‌ای

تنظیم زمان بندی تعویض

هر دو نوع سوپاپ گاز خلایی و مکانیکی را می توان جهت تنظیم دقیق، زمان بندی تعویض که در نتیجه سرعت کمتر و بیشتر خودرو اتفاق می‌افتد آماده نمود.
این عمل بوسیله افزایش و یا کاهش نیرویی که اهرم مکانیکی و یا مدولاتور خلایی بر سوپاپ گار اعمال می‌کند انجام می شود. هنگامی که نیروی اعمال شده بر سوپاپ گاز زیاد می شود فشار گاز افزایش می یابد بنابراین در سوپاپ تعویض فشار گاورنر بیشتری برای غلبه بر فشار گاز مورد نیاز است و تعویض در سرعت های بالاتر انجام می شود. وقتی که فشار اعمال شده بر سوپاپ گاز کاهش ی‌یابد، فشار گاز نیز کاهش می‌یابد. بنابراین در سوپاپ تعویض ب فشار گا کمتری احتیاج است و تعویض در سرعت های کمتر انجام می شود.
برای تنظیم سوپاپ گاز مکانیکی طول اهرم ها کوتاه و بلند می‌ شوند . در سوپاپ گاز خلایی برای تنظیم، کپسول را بیشتر یا کمتر در داخل بدنه گیربکس پبیچ می‌کنند و یا یک پیچ در طرف لوله خلایی برای تغییر کشش فنر در درون کپسول پیچانده می شود.
سازندگان خودرو مشخصاتی برای اهرم بندی و یا مدلاتور خلایی سوپاپ گاز ارائه می‌کنند تا خودروهایشان در بهترین محدوده عملکرد موتور تعویض‌ها را انجام دهند