آنالیز فنی گیربکس CVT: ساختار، عملکرد ونقاط ضعف اصلی

گیربکسهای انتقال متغیر پیوسته (Continuously Variable Transmission یا CVT) به عنوان یک نسل پیشرفته از سامانه های انتقال قدرت، تحولی اساسی در صنعت خودروسازی ایجاد کردهاند. در حالی که گیربکسهای دستی (MT) و گیربکسهای اتوماتیک سنتی (AT) وابسته به مجموعهای محدود از نسبتهای دنده ثابت هستند، CVT امکان تغییر مداوم و پیوسته نسبت دنده را فراهم میآورد. این قابلیت، هدف اصلی طراحی CVT را محقق میسازد.

حفظ موتور در بهینهترین نقطه عملکردیاش (به لحاظ راندمان سوخت یا قدرت مورد نیاز) تحت هر شرایطی.

مزیت کلیدی CVT در راندمان باال و تجربه رانندگی کامال ً نرم و بدون وقفه (Seamless) درهنگام شتابگیری است. با این حال، این تکنولوژی پیچیدگیهای فنی منحصر به فردی را نیز به همراه دارد که درک آنها برای تعمیرکاران و مهندسان مکانیک ضروری است.

بخش اول: ساختار فنی و اصول عملکرد (تکنیکال)

گیربکس CVT بر خالف ساختارهای چرخدندهای سیارهای یا شافت موازی، بر اساس اصل انتقال نیرو توسط اصطکاک متغیر عمل میکند.

اجزای کلیدی

ساختار اصلی یک CVT مبتنی بر تسمه/زنجیر و پولی، از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

۱. سیستم پولی (Pulleys)

قلب تپنده سیستم CVT دو پولی مخروطی شکل است که در مقابل یکدیگر قرار گرفته اند:

پولی محرک و پولی متحرک

طراحی مخروطی:هر پولی از دو نیمکره مخروطی شکل تشکیل شده است که روبروی هم قرار دارند.

حرکت محوری:این نیمکرهها به صورت محوری بر روی شافت مربوطه سوار شدهاند ومیتوانند به صورت مستقل از یکدیگر به سمت مرکز شافت حرکت کنند یا از آن دورشوند.

تغییر قطر موثر:با نزدیک شدن دو نیمکره به هم، فاصلهای که تسمه/زنجیر در آن قرار میگیرد (قطر موثر پولی) افزایش مییابد. با دور شدن نیمکرهها، قطر موثر کاهش مییابد.

۲. تسمه یا زنجیر

وظیفه اصلی این عنصر انتقال نیروی چرخشی از پولی محرک به پولی متحرک است. تسمه های وی-شکل (Belt Type CVT):رایجترین نوع، به ویژه در خودروهای کوچک و متوسط. این تسمهها معموال ً از مواد کامپوزیتی تقویت شده (مانند فایبرگالس یا فوالد تقویت شده) ساخته شدهاند و دارای بخشهای فلزی (مانند پله ها یا لینک ها) هستند که در شیار پولیها درگیر میشوند. انتقال نیرو عمدتا ً از طریق نیروهای اصطکاکی بین دیوارههای جانبی تسمه و مخروطهای پولی صورت میگیرد.

زنجیرهای فلزی (Chain Type CVT):استفاده شده در گیربکسهای توان باال (مانند برخی مدلهای نیسان و سوبارو). این زنجیرها انعطافپذیری کمتری دارند اما مقاومت بسیار باالتری در برابر گشتاورهای برشی باال از خود نشان میدهند. انتقال نیرو در اینجا ترکیبی از اصطکاک و درگیری فیزیکی بین لینکهای زنجیر و شیارهای پولی است.

۳. واحد کنترل هیدرولیک وسیستم فشار روغن

برای تغییر نسبت دنده، نیاز به نیرویی است که نیمکرههای پولی را به هم فشرده کند تا تسمه/ زنجیر در قطر موثر جدید قرار گیرد. این کار توسط فشار روغن هیدرولیک انجام میشود.

وظیفه فشار روغن:HCU با استفاده از شیرهای برقی و کنترلر الکترونیکی فشار روغن را به طور دقیق به پشت یکی از نیمکرههای هر پولی هدایت میکند.

تولید گشتاور نگهدارنده (Clamping Force):فشار هیدرولیک ایجاد شده، نیروی فشاری عظیمی (Clamping Force) را بر روی تسمه/زنجیر وارد میکند. این نیرو باید به قدری زیاد باشد که از لغزش (Slip) تسمه بر روی پولی جلوگیری کند، زیرا لغزش منجر به تولید حرارت شدید و سایش قطعات میشود. این فشار معموال ً چندین برابر فشار مورد نیاز برای انتقال گشتاور خروجی است.

اصل کارکرد: تغییر پیوسته نسبت دنده نسبت دنده در CVT به صورت زیر تعریف میشود:

تغییر نسبت دنده به صورت همزمان و متقابل در دو پولی رخ میدهد: شتابگیری اولیه (نسبت سنگین / Overdrive):پولی محرک در کمترین قطر موثر و پولی متحرک در بیشترین قطر موثر قرار میگیرد. (نسبت کوچک، مشابه دنده ۱ یا ۲ در گیربکس سنتی).

رانندگی در کروز (نسبت سبک / Low):پولی محرک در بیشترین قطر موثر و پولی متحرک در کمترین قطر موثر قرار میگیرد. (نسبت بزرگ، مشابه اوردرایو).

تغییر پیوسته:TCU همواره با تنظیم همزمان حرکت محوری نیمکرهها، نسبت را در بازهای نامحدود تنظیم میکند تا موتور در دور بهینه باقی بماند.

حفظ موتور در ناحیه بهینه ترین دور (Best Efficiency RPM)

موتورهای احتراق داخلی دارای یک منحنی راندمان Fuel Economy Map)) هستند که در آن، نسبت معینی از دور در دقیقه به بار موتور (Torque Demand) بهترین مصرف سوخت را ارائه میدهد.

عملکرد مطلوب:ًCVT با استفاده از سنسورهای پدال گاز و بار موتور، دور موتور را دقیقا روی این نقطه بهینه قفل میکند، صرف نظر از اینکه خودرو در حال افزایش سرعت از حالت سکون باشد یا در حال تثبیت سرعت در بزرگراه. این امر به ویژه در شرایط رانندگی

شهری مزیت بزرگی ایجاد میکند.

۲. تجربه رانندگی نرم و بدون شوک (Seamless Shifting)

از آنجا که تعویض دنده فیزیکی (جابجایی بین چرخدندهها) وجود ندارد، نیروی محرکه قطع نمیشود. این منجر به انتقال قدرت خطی و پیوسته میشود که هیچگونه لگد یا شوک در کابین ایجاد نمیکند.

۳. راندمان سوخت بهتر نسبت به AT سنتی

در مقایسه با گیربکسهای اتوماتیک سنتی (مجهز به مبدل گشتاور)، CVT به دلیل حذف پله های دنده و کاهش اتالف انرژی ناشی از تغییرات شدید دور موتور، میتواند راندمان سوخت را بین ۵ تا ۱۵ درصد بهبود بخشد، به خصوص در خودروهای با حجم موتور کم تا متوسط.

بخش سوم: تحلیل نقاط ضعف و چالشهای نگهداری

(مهم برای تعمیرکاران)

با وجود مزایای ذکر شده، CVTها به دلیل ماهیت اصطکاکی و هیدرولیکی پیچیدهشان، دارای نقاط ضعفی هستند که نیازمند توجه ویژه در طراحی، تولید و سرویسدهی میباشند.

 مشکل تحمل گشتاور

بزرگترین محدودیت ذاتی CVT، ظرفیت آن در انتقال گشتاور است.

محدودیت اصطکاک:انتقال نیرو کامال ً وابسته به نیروی اصطکاکی بین تسمه/زنجیر و پولیها است. این نیرو مستقیما ً با نیروی فشاری هیدرولیک متناسب است. اگر گشتاور ورودی از حد مشخصی (معموال ً بین ۲۵۰ تا ۳۵۰ نیوتنمتر برای مدلهای تسمهای استاندارد) فراتر رود، احتمال لغزش دائمی تسمه افزایش مییابد.

پیامد:لغزش منجر به سایش سریع، تولید حرارت بیش از حد و خرابی کامل سیستم می شود. این امر باعث میشود CVTها به ندرت در خودروهای اسپرت یا پیکاپهای سنگین مورد استفاده قرار گیرند.

۲. سایش و پارگی تسمه/زنجیر

تسمه و زنجیر، قطعات مصرفی اصلی هستند و عمر آنها به شدت به کیفیت نگهداری وابسته است.

تسمه:تحت فشار زیاد یا لغزش مداوم، اجزای فلزی تسمه دچار خستگی شده و ممکن است بشکنند. اهمیت روغن (CVT Fluid):روغنهای مخصوص CVT (مانند 3, CVT-FE-2, NS-NS) نه تنها نقش روانکاری دارند، بلکه دارای افزودنیهای خاصی هستند که ضریب اصطکاک مورد نیاز برای جلوگیری از لغزش را تضمین میکنند. استفاده از روغن گیربکس اتوماتیک معمولی (ATF) میتواند به سرعت منجر به کاهش اصطکاک و خرابی شود.

۳. مشکالت واحد کنترل هیدرولیک (HCU) و حساسیت به آلودگی

HCU مغز عملیاتی گیربکس است و به شدت به تمیزی و ویسکوزیته روغن وابسته است. حساسیت شیرها:HCU شامل مجموعهای از شیرهای برقی (Solenoids) و شیرهای کنترلی دقیق است که جریان روغن را مدیریت میکنند. ذرات معلق کوچک، براده های فلزی ناشی از سایش، یا تغییر ویسکوزیته روغن (به دلیل حرارت باال) میتوانند این شیرها را مسدود یا عملکردشان را مختل کنند.

پیامد خرابی:خرابی شیرهای کنترل فشار میتواند منجر به فشار کم در پولیها (ایجاد لغزش) یا فشار بیش از حد (آسیب به پولیها یا واشرها) شود و چراغ چک گیربکس را روشن کند.

۴. صدای رانندگی و اثر “باند الستیکی” (Rubber Band Effect)

این مورد اغلب از سوی رانندگانی که به AT سنتی عادت دارند، گزارش میشود.

توضیح فنی:هنگام شتابگیری ناگهانی، راننده پدال گاز را فشار میدهد، TCU دور موتور را بالفاصله به نقطه بیشینه قدرت (مثال ً ۴۰۰۰ دور در دقیقه) افزایش میدهد. با این حال، به دلیل محدودیتهای هیدرولیکی در تغییر سریع نسبت دنده، افزایش سرعت خودرو (ودر نتیجه افزایش قطر موثر پولی متحرک) کمی با تأخیر رخ میدهد.

تجربه راننده:به نظر میرسد موتور با دور باال کار میکند اما خودرو با شتاب متناسب، افزایش سرعت نمیدهد (مانند کشیده شدن یک باند الستیکی). این اثر در CVTهای نسل جدید با شبیهسازی نقاط تعویض دنده (Shift Points Simulation  )تا حد زیادی کاهش یافته است.

۵. هزینه تعمیرات و پیچیدگی

تعمیر CVTها معموال ً از AT سنتی پرهزینه تر است نیاز به ابزار تخصصی تنظیم مجدد نسبت دنده یا کالیبراسیون مجدد پولیها پس از بازشدن، نیازمند ابزارهای تخصصی و دانش الکترونیکی پیچیده است.

تعویض واحد:به دلیل یکپارچگی اجزا، در بسیاری از موارد، خرابی در بخش HCU یا پولیها منجر به تعویض کل واحد CVT میشود، که هزینه سنگینی را به مالک تحمیل میکند.

نتیجه گیری

گیربکس CVT یک راهحل مهندسی هوشمندانه برای دستیابی به حداکثر راندمان سوخت وتجربه رانندگی فوقالعاده نرم است. ساختار مبتنی بر پولی و تسمه/زنجیر به آن اجازه میدهد تا به تعداد بینهایت نسبت دنده دست یابد.

با این حال، این فناوری با محدودیتهایی در تحمل گشتاور و وابستگی شدید به عملکرد صحیح سیستم هیدرولیک و کیفیت سیال کار میکند. برای تعمیرکاران، درک دقیق مکانیسم فشاری (Clamping Force) و حساسیت به آلودگی روغن حیاتی است.

تأکید نهایی:طول عمر اقتصادی گیربکس CVT به شدت به سرویس دورهای دقیق واستفاده منحصرا ً از روغن مخصوص CVTکه توسط سازنده خودرو تأیید شده است، وابسته میباشد.

نادیده گرفتن این اصل، منجر به سایش سریع اجزای داخلی و خرابی زودرس سیستم انتقال قدرت خواهد شد.