گیربکس دو کلاچه (DCT)؛ عملکرد، مزایا و معایب آن

پیشرفت تکنولوژی در صنعت خودروسازی همواره بر دو فاکتور تولید توان و گشتاور بیشتر و انتقال بهینه‌تر گشتاور به محورهای خودرو متمرکز بوده است. در این میان موضوع بهبود انتقال نیرو به دلیل به همراه داشتن بالاترین درصد اتلاف انرژی، همواره مورد توجه مهندسان و طراحان قرار داشته است. نتیجه آن‌که در تاریخ صنعت خودروسازی، بهبودها و طرح‌های متعددی برای دستیابی به بازده بالاتر در انتقال نیرو ارائه شده است.

یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای این بخش ارائه گیربکس‌های بهینه‌تر و پربازده، مخصوصا گیربکس دو کلاچه (Dual Clutch Transmission) یا به اختصار DCT بوده است که از قضا در برخی خودروهای وارداتی و مونتاژی بازار ایران نیز وجود دارد.

گیربکس دو کلاچه DCT چیست؟

نام گیربکس دوکلاچه این حس را به شنونده می‌دهد که احتمالا این گیربکس نمونه دستی دارای دو صفحه کلاچ است، اما خیر. جعبه دنده DCT در خانواده گیربکس‌های اتوماتیک توربینی (دارای مبدل گشتاور/ Torque Convertor) قرار می‌گیرد. به این معنا که انتقال نیرو از پیشرانه به ورودی گیربکس همانند گیربکس اتوماتیک معمولی و جعبه دنده CVT، از طریق توربین روغنی و با ساختار ارتباط سیالی (Viscose Coupling) انجام می‌شود.

اما اصل تمایز در داخل گیربکس است. در گیربکس‌های اتوماتیک معمولی (AT) مجموعه‌ای از چرخ دنده‌های سیاره‌ای (Planetary) وجود دارد که هر گروه از دنده‌های سیاره‌ای قابلیت ایجاد ۳ ضریب دنده متمایز دارند. مجموعه پک کلاچ‌های روغنی یا تَر (Wet Clutch Packs) با فشار روغن یا به دستور TCU (کامپیوتر گیربکس) به ترتیب قفل می‌شوند و گروه دنده‌های سیاره‌ای را به نوبت درگیر یا رها می‌کنند تا ترتیب دنده‌های انتخابی راننده یا ECU (کامپیوتر خودرو) تامین شود.

اما درون گیربکس DCT بسیار شبیه به جعبه دنده دستی است. به این معنا که خبری از گروه دنده‌های سیاره‌ای نیست و شباهت ترکیب دنده‌ها بسیار بیشتر شبیه نوع ساختار درونی گیربکس دستی و به روش دو شفت متقابل ورودی و خروجی است. با این تمایز که دنده‌ها در ترکیب زوج و فرد + دنده عقب از یکدیگر جدا هستند و به صورت مستقل عمل می‌کنند. در حقیقت گیربکس دو کلاچه DCT نمونه اتوماتیک‌شده گیربکس دستی با عملکرد هوشمند کامپیوتری دو گروه مجزا از کلاچ‌های اصطکاکی است.

اما این استقلال میان دنده‌های زوج و فرد + دنده عقب از طریق دو گروه مجزا از پک کلاچ تامین می‌شود. به این ترتیب که یک پک کلاچ وظیفه درگیری یا رهاسازی شفت دنده‌های زوج و پک دیگر وظیفه درگیری و رهاسازی دنده‌های فرد و دنده عقب را بر عهده دارد. در این گیربکس انتخاب دنده مورد نظر از طریق TCU و به روش الکترومکانیکی انجام می‌شود. اما درگیر کردن یا رهاسازی شفت مورد نظر بر عهده پک کلاچ‌های متناظر است.

به عنوان مثال، در آغاز حرکت از حالت سکون، تکلیف گیربکس تقریبا مشخص است. یا دنده ۱ برای حرکت رو به جلو یا دنده R برای حرکت رو به عقب مورد انتخاب است. زمانی که راننده حالت D یا ۱ (در حالت ترونیک) را برای حرکت رو به جلو انتخاب می‌کند، گیربکس دنده مورد نظر را برمی‌گزیند و برای درگیر کردن شفت ورودی گیربکس (از موتور خودرو) و اتصال آن به شفت خروجی (به سمت چرخ‌ها) تنها کافی است که مجموعه کلاچ‌های شفت دنده‌های فرد + دنده عقب را درگیر کند.

در این حالت شفت دنده‌های زوج دنده ۲ را برگزیده است، اما پک کلاچ‌های دنده‌های زوج در انتظار دستور TCU برای اعمال درگیری کلاچ‌ها است. زمانی که دستور استفاده از دنده ۲ فرا می‌رسد، TCU به صورت همزمان پک کلاچ‌های شفت دنده‌های فرد را رها و بلافاصله پک کلاچ‌های دنده‌های زوج را درگیر می‌کند.

در این مرحله اگر سرعت خودرو رو به افزایش باشد، یعنی گیربکس باید روی شفت دنده‌های فرد، دنده ۳ را انتخاب کند و آماده درگیری پک کلاچ شفت فرد باشد. اما اگر بنا به هر دلیل سرعت خودرو کم شود، گیربکس دنده ۱ را انتخاب می‌کند و آماده درگیری پک کلاچ دنده‌های فرد می‌شود. چرا که دنده‌های ۱ و ۳ هر دور روی شفت دنده‌های فرد قرار دارند.

اما این توصیف پیچیده و گیج‌کننده دقیقا به چه معنا است؟ به عبارت ساده‌تر، جعبه دنده دو کلاچه DCT با تکیه بر اطلاعات ورودی ECU و TCU و با در نظر گرفتن فاکتورهایی چون دور موتور، سرعت خودرو، سرعت حرکت چرخ‌ها، فشار روغن و ده‌ها فاکتور دیگر، به خوبی می‌داند که دنده مورد نظر بعدی کدام دنده از کدام شفت (زوج یا فرد) خواهد بود. ازاین‌رو دنده مورد نظر به سرعت انتخاب می‌شود و پک کلاچ‌های شفت متناظر در انتظار درگیری یا رهاسازی است.

انواع گیربکس DCT

به صورت کلی دو نوع گیربکس DCT وجود دارد که تمایز میان آنها تنها بر اساس نوع طراحی و عملکرد مجموعه کلاچ‌های دوگانه تعیین می‌شود. این دو نمونه شامل دوکلاچه (DCT) خشک (Dry DCT) و دو کلاچه (DCT) تر یا خیس (Wet DCT) است.

در گیربکس DCT خشک، مجموعه پک کلاچ‌های دوگانه (کلاچ‌های شفت فرد و زوج)، سیستم روان‌کاری و خنک‌کاری (فاقد روغن) ندارند. به این معنا که همانند سیستم کلاچ خودروهای دنده دستی، این پک کلاچ‌ها کاملا خشک عمل می‌کنند.

اما در گیربکس دو کلاچه تر، مجموعه پک کلاچ‌های دوگانه با تکیه بر وجود پمپ روغن داخلی، به کمک روغن گیربکس هم روان‌کاری می‌شوند و هم خنک‌کاری. درست همانند پک کلاچ‌های موتورسیکلت‌های دنده‌ای در بازار کشور.

اما مزیت و معایب این دو نمونه کاملا مشابه اما بسیار متفاوت دقیقا در چیست؟ برای سهولت بررسی این تمایز، مهمترین فاکتورهای مورد نظر در طراحی این دو گیربکس را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

ابعاد و وزن

گیربکس دوکلاچه خشک به دلیل عدم نیاز به وجود روغن گیربکس و پمپ به صورت ذاتی دارای ضریب اصطکاک بالاتری در میان صفحات پک کلاچ است. در نتیجه نمونه خشک هم کوچک‌تر است، هم سبک‌تر و هم از دیدگاه طراحی فنی ساده‌تر. اما گیربکس دوکلاچه تر به دلیل داشتن سیستم روانکاری و وجود روغن و پمپ روغن نه‌تنها سنگین‌تر است، بلکه به دلیل خنک‌کاری با روغن گیربکس، برای تامین ضریب اصطکاک کافی میان صفحات پک کلاچ، نیازمند استفاده از تعداد صفحات بیشتر است. از این رو هم بزرگ‌تر است، هم سنگین‌تر و هم پیچیده‌تر.

توان انتقال گشتاور

از آنجایی که DCT‌ تر به دلیل داشتن تعداد صفحات اصطکاکی بیشتر در پک کلاچ به مراتب قوی‌تر است، قابلیت انتقال گشتاور بسیار بیشتری را دارد. اما DCT خشک در برابر انتقال گشتاور زیاد یا ناگهانی حساسیت بیشتری دارد و احتمال سر خوردن صفحات کلاچ بر روی یکدیگر (معروف به اسلیپ کردن / Clutch Slipage) وجود دارد. از این رو نمونه خشک در خودروهای ضعیف‌تر و سبک‌تر نظیر سواری‌های اقتصادی و روزمره یا هاچبک‌های اسپرت استفاده می‌شود.

تحمل حرارت

حرارت ناشی از سایش طبیعی میان صفحات اصطکاکی پک کلاچ، قاتل اصلی گیربکس‌های DCT است. اما از آنجایی که جعبه دنده دو کلاچه تر دارای سیستم روان‌کاری و خنک‌کاری روغنی است، در برابر انتقال حرارت و خنک کردن گیربکس عملکرد بسیار بهتری از خود نشان می‌دهد. اما جعبه دنده دو کلاچه خشک تنها با تبادل حرارتی طبیعی با پوسته گیربکس و هوای اطراف گیربکس خنک می‌شود و در برابر حرارت و فشار فنی زیاد حساس‌تر است.

دوام کلی

گیربکس DCT تر به دلیل استفاده از سیستم خنک‌کاری و روان‌کاری روغنی، تکیه بر تعداد بیشتری از صفحات اصطکاکی در پک کلاچ دوگانه و طراحی قدرتمندتر، به‌صورت کلی دوام بیشتری در برابر فشارهای ناگهانی، گشتاور بالا و تحمل شرایط استفاده نادرست دارد. ازاین‌رو عمر مفید این نوع گیربکس دو کلاچ به مراتب بالاتر از نمونه خشک است.

هزینه طراحی و نگهداری

گیربکس دو کلاچ تر دارای قطعات پایه و متریال به‌کاررفته بیشتر و طراحی پیچیده‌تر است. همین مهم به تنهایی موجب افزایش قیمت اولیه، فرایند ساخت و تولید این گیربکس می‌شود. همچنین در صورت بروز خرابی، به دلیل داشتن طراحی پیچیده‌تر که شامل استفاده از قطعات درونی بیشتر (پمپ روغن و صفحات اصطکاکی بیشتر) است، هزینه تعمیرات آن را افزایش می‌دهد. اما از آن‌جایی که دوام گیربکس DCT تر از دو کلاچ خشک بیشتر است، احتمال بروز ایراد و آسیب در آن به نسبت کمتر از نمونه خشک است.

دلایل استفاده از گیربکس DCT

سوال بعدی که باید به آن پاسخ دهیم آن است که چرا بسیاری از خودروسازان، مخصوصا تولیدکنندگان خودروهای اسپرت، بیشتر به سراغ استفاده از گیربکس‌های دو کلاچه آمده‌اند؟ مزیت‌های استفاده از گیربکس DCT چیست که بسیاری از خودروسازان هزینه‌های گزافی را صرف چنین تکنولوژی می‌کنند؟

شاید انتظار داشته باشید که لیستی از دلایل مختلف و متنوع در توجیه استفاده از گیربکس‌های DCT تدارک ببینیم، اما در حقیقت اولین و اصلی‌ترین عامل تمایز میان DCT و AT تنها در سرعت خیره‌کننده تعویض دنده‌ها است. اما چرا سرعت تعویض دنده تا این اندازه مهم است؟

دو دلیل مهم پیرامون سرعت تعویض دنده‌ها وجود دارد که نه‌تنها شامل حال خودروهای اسپرت، بلکه شامل حال خودروهای اقتصادی مجهز به DCT نیز می‌شود.

بهبود عمکلکرد فنی

یکی از بزرگ‌ترین معایب تعویض دنده در گیربکس‌های اتوماتیک معمولی (AT) و همچنین دستی (MT)، مدت زمان مورد نیاز برای تعویض از یک دنده به دنده دیگر است. حال این زمان مورد نیاز صرف باز و بسته شدن شیرهای برقی داخل گیربکس‌های AT شود یا صرف گرفتن پدال با پای چپ و انتخاب گیربکس با دست راست، مهم آن است که این خلا زمانی، باعث افت دور موتور و نیاز به دورگیری مجدد پیشرانه برای ادامه اعمال نیرو است.

گیربکس دو کلاچه DCT به اندازه‌ای در تعویض دنده سریع عمل می‌کند که پیشرانه فرصتی برای از دست دادن دور موتور ندارد. در نتیجه تعویض دنده در این گیربکس‌ها همانند روش تعویض دنده‌ای حرفه‌ای موسوم به پاور شیفت (Power Shift) یا تعویض دنده قدرتی در خودروهای دستی است.

در روش پاور شیفت که نیازمند مهارت، تمرکز و تجربه بسیار زیاد است و تنها در رقابت‌های اتومبیلرانی کاربرد دارد (چرا که احتمال آسیب به قطعات فنی بسیار زیاد است)، راننده بدون برداشتن پا از روی پدال گاز، بسیار سریع و برق‌آسا، عمل گرفتن کلاچ، انتخاب دنده جدید و رها کردن کلاچ را انجام می‌دهد. این دقیقا همان کاری است که گیربکس DCT انجام می‌دهد. در نتیجه پیشرانه بدون از دست دادن دور مفید موتور و بدون اتلاف زمان، در دنده جدید مشغول انتقال نیرو می‌شود.

بهبود مصرف سوخت

این فاکتور اگرچه در خودروهای عملکردمحور نیز صادق است، ولی اولویت اول نیست. اما در خودروهای اقتصادی روزمره، عدم اتلاف دور موتور به معنای کمتر تحت فشار قرار گرفتن موتور ماشین و عملکرد بهینه‌تر مجموعه فنی خودرو است که در واژگان کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی خلاصه می‌شود. این دقیقا همان چیزی است که خودروسازان کلاس اقتصادی به دنبال آن هستند.