نحوه کار سیستم انتقال قدرت در خودرو و اجزای آن

سیستم انتقال قدرت یکی از مهمترین بخش‌های فنی در هر خودرویی می‌باشد. دلیل اهمیت این بخش بر می‌گردد به این موضوع که انتقال قدرت، لازمه حرکت خودرو است و عدم وجود اجزای آن باعث می‌شود که چرخ‌های ماشین به حرکت در نیایند. در تاریخ خودروسازی این بخش تغییرات فراوانی را در خود داشته است و دائماً در حال توسعه است. امروزه این سیستم تبدیل به یک مزیت رقابتی برای کمپانی‌های بزرگ خودروسازی شده است. زیرا هر چه سیستم انتقال قدرت در یک خودرو قوی‌تر و بهینه‌تر باشد، توان آن خودرو نیز در حرکت، بیشتر است. اما سیستم انتقال قدرت چیست و چه کاربردی در خودروها دارد؟ در ادامه با تن پارت همراه باشید تا به بررسی اجزای این سیستم پیچیده بپردازیم و شما را با جزئیات آنها آشنا کنیم.

 

سیستم انتقال قدرت و انواع آن

سیستم انتقال قدرت چیست؟ سیستم پیشرانه خودرو وظیفه تولید قدرت را دارد و این نیروی مکانیکی توسط موتور و سیلندرها ایجاد می‌گردد. بعد از تولید این قدرت، نیاز به انتقال آن به بخش‌های مختلف از جمله چرخ‌های خودرو وجود دارد. هر قطعه‌ای که مابین موتور و چرخ‌ها قرار دارد، جزئی از سیستم انتقال قدرت به حساب می‌آید. مجموعه این قطعات به گونه‌ای طراحی شده‌اند که انتقال قدرت با کمترین هدر رفت و با شتاب زیادی به چرخ‌ها برسد. با توجه به اینکه مجموعه این قطعات تحت فشار زیادی هستند، میزان استهلاک آن‌ها نیز بیشتر می‌شود. به همین دلیل حفظ و نگهداری آن‌ها نیز از اهمیت زیادی برخوردار است و نیاز به آموزش دارد.

زمانی که از توان فنی بالای یک خودرو صحبت می‌کنیم، توان آن را در دو بحث تولید قدرت و انتقال قدرت، باید مورد توجه قرار دهیم. اگر خودرویی دارای پیشرانه قدرتمندی است و در نتیجه تولید قدرت آن مثال زدنی است، اما در بحث انتقال قدرت دچار ضعف است، اینجا نقطه‌ای است که آن خودرو حرفی برای گفتن با سایر رقبایی که هر دو قسمت، قوی عمل کرده‌اند، ندارد.

 

 

دیفرانسیل جلو (FWD) چیست؟

دیفرانسیل جلو که با حروف اختصاری FWD (به انگلیسی Front-Wheel Drive) شناخته می‌شود به این مفهوم است که سیستم پیشرانه خودرو، تمام قدرت تولیدی خود را به مجموعه چرخ‌های جلوی خودرو منتقل می‌کند. این نوع خودروها که در فارسی به اختصار به دف جلو معروف هستند، امروزه از محبوبیت زیادی در خودروسازی دنیا برخوردار هستند و بسیاری از خودروهای فعلی از این سامانه استفاده می‌کنند. در این سیستم، گیربکس، جعبه فرمان و محورهای انتقال قدرت در جلوی خودرو قرار می‌گیرند و به همین دلیل فضای عقب خودرو از نظر طراحی بازتر و بزرگتر است. اگر در خودروهای FWD دقت نمایید فضای بیشتری به عنوان جای پای سرنشینان عقب نسبت به سایر پلتفرم‌ها وجود دارد.

استفاده از سامانه دیفرانسیل جلو باعث می‌شود هزینه‌های ساخت خودرو کاهش یافته و همچنین از پیچیدگی‌های آن نیز کاسته شود. همچنین در FWD به دلیل اینکه موتور تمام قدرت خود را به چرخ‌های جلو منتقل می‌کند، اصطکاک چرخ‌ها با زمین در سربالایی‌ها افزایش می‌یابد و خودرو راحت‌تر حرکت می‌کند. همچنین در سطوح خشک نیز عملکرد خودروهای FWD بسیار عالی است. نقطه ضعف آن‌ها را شاید بتوان سطوح خیس دانست که آن هم با سربرآوردن فناوری کنترل اصطکاک و سامانه ترمز ABS، عملکردش به تدریج بهبود یافته است.

 

دیفرانسیل عقب (RWD) چیست؟

دیفرانسیل عقب که با حروف اختصاری RWD (به انگلیسی Rear-Wheel Drive) شناخته می‌شود به این مفهوم است که سیستم پیشرانه خودرو، تمام قدرت تولیدی خود را به مجموعه چرخ‌های عقب خودرو منتقل می‌کند. در این سامانه نیروی گیربکس توسط میل گاردان به دیفرانسیل عقب ارسال می‌شود. استفاده از این روش در اولین خودروهایی که طراحی شد، وجود داشت اما به مرور زمان استفاده از آن منسوخ شد به شکلی که امروزه کمتر خودرویی با این سامانه طراحی می‌شود.

قرار گرفتن دیفرانسیل در عقب خودرو مزایایی دارد که عبارتند از:

• شتاب، هندلیگ و توزیع وزن بهتر. زیرا انتقال وزن به چرخ‌های عقب در زمان آغاز حرکت، باعث چسبندگی بیشتر آن‌ها شده و با توجه به محرک بودن چرخ­‌های عقب در این خودروها، کشش بیشتری از تایرها دریافت می‌شود.
• پیچیدگی کمتر در جلوی خودرو که در نتیجۀ آن، زاویه‌ فرمان‌گیری بیشتر بوده و در محیط کوچکتری خودرو می‌تواند دور بزند و به‌خاطر تقسیم وزن بهتر و فرمان‌پذیری بیشتر، بسیار خوش‌دست‌تر است.
• سامانه دیفرانسیل عقب باتوجه به عملکردش، برای استفاده در خودروهای حمل بار سنگین مانند کامیون‌ها بسیار مناسب است.

در مقابل مزایای خودروهای دیفرانسیل عقب، معایب آن نیز وجود دارند که عملاً عملکرد آن را زیر سوال می‌برند. سیستم انتقال قدرت این خودروها به‌دلیل وجود میل گاردان در وسط ماشین، باعث کاهش فضای داخلی اتاق شده و نیز به وزن خودرو می‌افزاید که این موضوع باعث افزایش میزان مصرف سوخت خودرو می‌شود. همچنین به‌دلیل انتقال نیروی موتور به میل گاردان و سپس به دیفرانسیل عقب، در این خودروها شاهد میزان هدر رفت بیشتر انرژی هستیم. نکته‌ منفی دیگر برای خودروهای دیفرانسیل عقب این است که به‌دلیل کاهش وزن بر روی چرخ محرک، در مقایسه با خودروهای دیفرانسیل جلو، در مسیرهای لغزنده دچار بکسوات شدید (Wheelspin) و بیش‌فرمانی (Oversteer) می‌شوند.

 

دیفرانسیل تمام چرخ (AWD) چیست؟

دیفرانسیل تمام چرخ که با حروف اختصاری AWD (به انگلیسی  All Wheel Drive) شناخته می‌شود، به این مفهوم است که توزیع انتقال نیرو به تمام چهار چرخ انجام می‌شود یعنی هم چرخ‌های عقب و هم چرخ‌های جلو. اما آیا میزان این نیروی وارده برای تمام چرخ‌ها برابر است؟ در پاسخ باید گفت که خیر اینگونه نیست. این مقدار انتقالی به صورت هوشمند و با توجه با داده‌های گرفته شده از چرخ‌ها تقسیم می‌شود. بر روی هر چرخ، سنسوری قرار گرفته که لحظه به لحظه وضعیت آن را پایش کرده و اطلاعات را به سیستم ECU ارسال می‌کند. سپس این ECU است که تصمیم می‌گیرد چه مقدار نیرو برای هر چرخ کافی است و باید برای آن ارسال شود. سامانه AWD دارای پیچیدگی‌های بیشتری نسبت به سایر روش‌ها است. سیستم‌های AWD معمولاً بدون دخالت راننده کار می‌کنند. آن‌ها سیستم‌های کنترل شده کامپیوتری هستند که از سنسورها برای تصمیم‌گیری خودکار در هر لحظه که شرایط سطح جاده یا دینامیک خودرو مستلزم کشش بیشتر است، تصمیم می‌گیرند که کدام محور و کدام چرخ بیشترین قدرت را دریافت می‌کنند، استفاده می‌کنند.

دو نوع سیستم تمام چرخ متحرک وجود دارد: تمام وقت (Full-Time) و پاره وقت (Part-Time). در AWD تمام وقت به‌طور مداوم هر چهار چرخ تحریک می‌شود. اما در AWD پاره وقت معمولاً در حالت دیفرانسیل جلو (FWD) یا دیفرانسیل عقب (RWD) باقی مانده تا زمانی که کشش بیشتر لازم شود. در آن مرحله، سیستم AWD پاره وقت، نیرو را به محور و چرخ مورد نیاز هدایت می‌کند. برخی از سیستم‌های AWD، دیفرانسیل قفلی ارائه می‌کنند که به‌طور مساوی قدرت را بین محورهای جلو و عقب تقسیم می‌کند تا حداکثر کشش در سرعت‌های پایین را داشته باشد.

بارزترین مزیت سیستم AWD این است که راننده برای درگیر شدن با سیستم نیازی به انجام کاری ندارد. یا تمام چرخ‌ها نیروی تمام وقت دریافت می‌کنند، یا سیستم به‌طور خودکار گشتاور را برای حفظ کشش تخصیص می‌دهد. از آنجایی که این یک سیستم مبتنی بر کامپیوتر است، تصمیمات بلادرنگی که می‌گیرد مطمئناً بهتر از آن چیزی است که یک انسان می‌تواند بگیرد.

خودروهایی که از این سامانه استفاده می‌کنند به درد رانندگی off-road نمی‌خورند، و این یک نقطه ضعف این سیستم است. یکی دیگر از معایب AWD مربوط به مصرف سوخت بالای آن است. این امر به ویژه در مورد سیستم‌های تمام وقت صادق است که هر چهار چرخ را همیشه به حرکت در می‌آورند.

 

دیفرانسیل چهار چرخ متحرک (۴WD) چیست؟

با انتقال نیرو به هر چهارچرخ، یک خودرو می‌تواند مزیت هر دو نوع سیستم انتقال نیرو FWD و RWD را به همراه داشته باشد و در عین حال نقاط ضعف هر دو سیستم را پوشش دهد. در نتیجه با خودرویی مواجه خواهیم بود که نه تنها می‌تواند از دیدگاه استفاده روزمره مناسب عمل کند بلکه می‌تواند در کاربردهای سنگین و پرتوان نیز به کار گرفته شود.

سیستم انتقال نیرو ۴WD (یا همان ۴×۴) از زیرمجموعه‌های سیستم انتقال نیرو AWD است. به این معنا که ۴WD یکی از زیرشاخه‌های AWD به حساب می‌آید اما نکته جالب اینجا است که در ابتدا این سیستم انتقال نیرو ۴WD بود که در صنعت خودرو به صورت گسترده به کار گرفته شد و تنها چند دهه است که سامانه AWD به عنوان سرشاخه سیستم انتقال نیرو تمام چرخ‌ متحرک شناخته می‌شود.

از نظر مکانیکی، سیستم‌های ۴WD از دیفرانسیل جلو، مرکزی و عقب و جعبه انتقال دو سرعته برای ارسال نیروی هر چهار چرخ استفاده می‌کنند. راننده می‌تواند تصمیم بگیرد که قدرت را در محور عقب نگه دارد یا درصدی از گشتاور را به چرخ‌های جلو نیز هدایت کند.

وسایل نقلیه‌ای که از سامانه ۴WD استفاده می‌کنند، برای کارهای سنگین بسیار مناسب هستند.

 

تفاوت AWD و ۴WD

حال که با دو سامانه AWD و ۴WD تاحدودی آشنا شدید احتمالاً کمی گیج شدید که این دو چه تفاوت‌هایی با هم دارند. در ادامه از عواملی خواهیم گفت که این دو را کاملاً از یکدیگر جدا می‌کنند:

• سامانه AWD با وجود قطع و وصل شدن موقتی هوشمند یا به انتخاب راننده در برخی خودروها، همچنان یک سیستم انتقال نیرو دو دیفرانسیل دائمی است و از این رو نمی‌توان آن را در کلاس ۴WD دسته بندی کرد زیرا که سیستم ۴WD کاملاً انتخابی و موقت است و چندان هوشمند عمل نمی‌کند.
• به دلیل اتصال دائمی سامانه AWD، این سیستم از یک دیفرانسیل سوم تحت عنوان دیفرانسیل مرکزی (Central Differential) استفاده می‌کند که وظیفه آن تقسیم مساوی است تا مجموعه انتقال نیرو تحت فشار حاصل از اصطکاک نامساوی محور جلو و عقب خودرو قرار نگیرد. این دیفرانسیل معمولاً در خودروهای ۴WD وجود ندارد هرچند که در خودروهای مدرن‌تر امروزی ۴WD به کار گرفته می‌شود اما به دلیل کارکرد موقت این سیستم، وجود دیفرانسیل مرکزی در آن‌ها اجباری نیست.
• بیشتر خودروهای AWD فاقد گیربکس کمکی هستند و ترنسفر کیس یا گیربکس کمکی در آن‌ها تنها به منظور تقسیم متناسب نیرو بین دو محور به کار گرفته می‌شود و فاقد ضریب سنگین‌تر و قدرتمندتر به کار رفته در خودروهای ۴WD هستند. به همین جهت خودروهای AWD توان استفاده به عنوان خودوهای آفرود در درازمدت را ندارند. همچنین عدم تجهیز به گیربکس کمکی ضریب سنگین در این خودروها باعث می شود هزینه تولید نهایی خودروهای کراس اوور بسیار کمتر از خودروهای شاسی بلند ۴WD باشد.

 

اجزای سیستم انتقال قدرت

همان‌طور که در بالا اشاره کردیم، تمامی قطعاتی که مابین موتور و چرخ‌ها قرار دارند، قسمتی از سیستم انتقال قدرت هستند. این سیستم از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که هر کدام نیز از اجزای کوچکتری تشکیل می‌شوند. اجزای اصلی سیستم انتقال قدرت عبارتند از:

• کلاچ
• گیربکس
• گاردان
• دیفرانسیل
• پلوس

 

کلاچ (Clutch)

اگر تا به حال با ماشین دنده‌ای رانندگی کرده‌اید، حتماً با کلاچ آشنا هستید. با این حال، ممکن است دقیقاً ندانید که کلاچ چه کاری انجام می‌دهد، به خصوص اگر فقط خودروهایی با گیربکس اتوماتیک رانده باشید. پس کلاچ چیست و چرا به آن نیاز دارید؟ کلاچ به عنوان یک اتصال مکانیکی بین موتور و گیربکس عمل می‌کند و بطور خلاصه وظیفه آن جدا کردن موتور از سیستم انتقال قدرت است. هر زمان که پدال کلاچ فشار داده شود، چرخ‌های محرک را جدا می‌کند و به راننده اجازه می‌دهد دنده‌ها را به آرامی عوض کند. برای اینکه خودرو هم سرعت خود را تغییر دهد و هم بدون خاموش کردن موتور متوقف شود، باید اتصال بین چرخ‌ها و موتور بطور موقت قطع شود. کلاچ دو قسمت اصلی دارد: صفحه کلاچ و فلایویل.

هنگامی که پای شما روی پدال کلاچ فشار می‌آورد، در واقع یک چنگال آزاد کننده را فشار می‌دهید، که از طریق یک سری فنر و پین، صفحه فشار را از صفحه کلاچ دور می‌کند. این امر ارتباط بین موتور در حال چرخش و چرخ‌ها را قطع می‌کند، به این معنی که چرخ‌ها به چرخش خود ادامه می‌دهند، اما تحت شتاب خاص خود، نه از طریق قدرت موتور. این طراحی به شما این امکان را می‌دهد که چرخ‌ها را از موتور جدا کنید تا دنده را عوض کنید و به رانندگان اجازه می‌دهد تا کنترل زیادی بر سرعت خودروی خود داشته باشند.

وقتی با ماشینی با گیربکس اتوماتیک رانندگی می‌کنید، کلاچ کمی متفاوت عمل می‌کند. مبدل گشتاور قسمتی است که موتور را به گیربکس متصل می‌کند و باعث چرخش چرخ‌ها می‌شود.

 

گیربکس (Gearbox)

گیربکس یا جعبه دنده وسیله‌ای مکانیکی است که برای افزایش گشتاور خروجی یا تغییر سرعت (RPM) موتور استفاده می‌شود. موتورهای احتراق داخلی با سرعت بسیار بالایی کار می‌کنند و به همین دلیل انرژی بسیار زیادی تولید می‌کنند. این در حالی است که چرخ‌ها نیاز به این میزان انتقال قدرت برای حرکت عادی ندارند. به همین دلیل نیاز به واسطه‌ای است که بتواند سطح این انتقال قدرت را کنترل کند. وظیفه‌ تغییر نیروی خروجی موتور پیش از انتقال آنها به چرخ‌ها برعهده‌ گیربکس است. به این صورت که با توجه به نیاز، راننده دور موتور را پایین آورده و گشتاور را بالا می‌برد یا برعکس.

گیربکس انواع مختلفی دارد که عبارتند از:

• گیربکس دستی (MT)
• گیربکس خودکار (AT)
• گیربکس نیمه خودکار (AMT)
• گیربکس با دنده‌ پیوسته (CVT)

در ویدیوی زیر نحوه عملکرد گیربکس نشان داده شده است:

 

گاردان (Drive Shaft)

گاردان (کاردان)، نقش رابط بین گیربکس و دیفرانسیل را بر عهده دارد. گاردان در انگلیسی با نام‌های Drive Shaft و Cardan Shaft شناخته می‌شود. این قطعهٔ مکانیکی برای انتقال گشتاور و چرخش استفاده می‌شود. در عین این ایجاد ارتباط طولی، گشتاور چرخشی گیربکس را به دیفرانسیل منتقل می‌کند. البته گاردان فقط در ماشین‌های دیفرانسیل عقب برای این انتقال، کاربرد دارد و در ماشین‌های دیفرانسیل جلو که مولد نیرو و سیستم انتقال قدرت همه در یکجا قرار دارند، کاربردی ندارد. گاردان به موازات محور طولی خودرو کشیده می‌شود.

دیفرانسیل (Differential)

هر کدام از اجزای یک وسیله نقلیه وظیفه خاصی دارند که به حرکت خودرو کمک می‌کنند. دیفرانسیل نیز یکی از مهم‌ترین اجزا در حرکت خودرو است. ممکن است نام دیفرانسیل را شنیده باشید، اما دیفرانسیل چیست و چه کاربردی دارد؟ دیفرانسیل نقش مهمی در نحوه حرکت و چرخش خودروی شما دارد. دیفرانسیل به گونه‌ای طراحی شده است که یک جفت چرخ را به حرکت درآورد در حالی که به آنها اجازه می‌دهد با سرعت‌های مختلف بچرخند. دیفرانسیل گاهی بین دو چرخ عقب، جلو و یا هردو قرار می‌گیرد که این مساله در تعیین کردن نوع سیستم انتقال قدرت نقش کلیدی دارد. اما آیا خودروهای دیفرانسل جلو (FWD) نسبت به خودروهای دیفرانسیل عقب (RWD) بهترند؟ یا برعکس؟ در جواب باید گفت که هرکدام از این دو نوع خودرو مزایا و معایبی دارند که متناسب با کاربرد و ترجیحات شما نسبت به دیگری برتری می یابند.

 

پلوس (Axle)

در مرحله‌ آخر انتقال نیروی موتور به چرخ‌ها، پلوس قرار دارد. پلوس میله‌ای است که بین دیفرانسیل و چرخ‌ها قرار گرفته و با اتصال آن‌ها باعث انتقال نیروی چرخشی رسیده به دیفرانسیل به چرخ می‌شود. برای هر چرخ از یک پلوس استفاده می‌شود و در کنار هر کدام قطعه‌ای به نام پلوس خلاص‌کن قرار دارد. درصورت غیر فعال بودن سیستم انتقال قدرت این قطعه، پلوس را از محل اتصالش به چرخ‌ها جدا می‌کند و با فعالیت مجدد، پلوس را به محل مورد نظر بر می‌گرداند.

پلوس از قطعات مختلفی تشکیل شده که عبارتند از:

• سرپلوس
• گردگیر پلوس
• سه شاخه پلوس
• میل پلوس
• مشعلی پلوس