پروژه سیستم انتقال قدرت پیوسته CVT

فصل اول

                                تاریخچه جعبه دنده

1-1- تاریخچه جعبه دنده

     درسال 1889ودرسن 20سالگی لوئیس رنو سه چرخه ای را که خود با اضافه کردن یک چرخ ان رابه اتومبیلی با چهارچرخ تبدیل کرده بود برای اولین بار به یک جعبه دنده سه سرعته مجهز کرد . این خودرو اولین اتومبیل مجهز به جعبه دنده دردنیا بود.

در24دسامبرهمان سال اوکه تعطیلات کریسمس رادرنزد دوستانش میگذراند ادعا کرد که خودروی او می تواند ازشیب13درصدی خیابانی درمونت مارته پارسی بالا برود.

     دوستان اوخیلی زود مجبور شدند انچه راکه درابتدا غیرممکن می دانستند یاچشمان خود باورکنند. لوئیس رنو نه تنها موفق شدزاویه 5/7درجه ای خیابان راباخودرو خودبالا برودبلکه توانست اولین سفارش کارخود رانیز برای ساخت 12 دستگاه خودرو دریافت کند.

چند ماه بعد اواین اختراع خودرا به نام ((Direct Drive به ثبت رساند.اختراع اوبه سرعت سیستم انتقال نیرو به کمک چرخ دنده خورشیدی وزنجیر را تا آن زمان به کارمی رفت ازدور خارج کرد وتحولی را درصنعت خودروسازی به وجودآورد.

   تمامی خودروها برای اینکه هم قدرت لازم رابرای حمل بار وسرنشین وبالا رفتن از سربالائی ها و ...... داشته باشند و هم اینکه بتوانند درمواقع لزوم باسرعت مناسب حرکت کنند ، نیاز به یک سیستم تبدیل گشتاوربه نام جعبه دنده دارند. دراین جعبه دنده که ازمجموعه ای چرخ دنده با اندازه های مختلف تشکیل شده است ، اگرچرخ دنده کوچکتر چرخ دنده ای بزرگتر را بچرخاند ، دنده بزرگتر دارای قدرت بیشتر وسرعت کمتروبرعکس ، اگردنده ای بزرگتر ، دنده های کوچکتر را به گردش دراورد ، قدرت چرخ دنده کوچکتر کمتر وسرعت آن بیشتر خواهد بود.

درخودروها این سیستم به گونه ای طراحی وساخته می شود که راننده بتواند نسبت های مختلف دنده را یا به طور دستی با جابجا کردن دسته دنده درجای خود ویا به طوراتوماتیک تغییردهد.

    همان طورکه گفته شد جعبه دنده ها درخودروها به دودسته کلی ، دستی واتوماتیک تقسیم می گردند . دردنده های دستی، عمل تعویض دنده ها با کمک دست وبه وسیله ا هرمی که دسته دنده نامیده می شود صورت گرفته ولی درگیربکس های اتوماتیک این عمل به کمک یک مبدل گشتاورهیدرولیکی ویک مجموعه خورشیدی با نسبت دنده های مختلف انجام می گردد. انواع اولیه جعبه دنده ها تا سال 1920بیشترازنوع لغزنده بوده اندتا اینکه دراین سال بابه کارگرفتن دنده های هم سرعت شونده یا سنکرونیزه در خودروهای سواری گام بزرگ دیگری درجهت پیشرفت خودروها برداشته شد.

   دردنده های سنکرونیزه که اکنون درتمامی جعبه دنده های تولیدی خودروهای دنیا مورداستفاده قرار می گیرند ، دوردنده ها با یکدیگر هما هنگ شده وبه این ترتیب تعویض دنده ها با یکدیگر به نرمی وبدون سروصدا انجام می گردد.

2-1-گیربکس های CVT

 پس از پیشرفت چشمگیر جعبه دنده های دستی وا توماتیک و بواسطه انها پیشرفت اتومبیل ها درا ستفاده ازتوا ن های متفاوت نیاز به یک تحول در راستای ا سایش وراحتی مسا فرین وراننده برداشته شود . برای اولین باردرابتدای دهه 1970میلادی شرکت هلندی طرحی برای گیربکس داد که بعد ها به گیربکس هایVan Doorne  شهرت یافت.

   این گیربکس بزرگترین ایراد جعبه دنده های معمولی (اعم ازاتوماتیک یا دستی) را مرتفع می کرد . این گیربکس انتقال قدرت را به کمک یک تسمه فولادی بین دوقرقره (پولی) انجام می دهد.

    این جعبه دنده به گونه ای بود که بسیاری از شرکت های خودروسازی را مقهور خود کرد. بسیاری ازشرکت ها به دنبال بکار گیری این تکنولوژی خیره کننده بودند.

اما هرگاه لغت  CVTرابیان می کنید به طورنا خوداگاه نام شرکت  Nissanبه ذهن انسان جاری می شود. شرکت خودروسازی Nissan ازاولین شرکت هایی بود که به سمت این تکنولوژی گرایش پیدا کرد. ا لبته به پیروی از این شرکت دیگرشرکت های ژاپنی نیز به این سو کشیده شدند ، مانند شرکتهای Audi،Kavazaki، Mitsobishiنام برد اما نام نیسان نام دیگری است.

    این شرکت ازابتدای دهه1970 شروع به مطالعه گسترده برروی این جعبه دنده کرد. ا لبته درادامه انواع مختلف CVTرا برایتان نمایش می دهیم چرا که CVTدارای انواع بسیاری می باشد وهرشرکت به نوعی خاص ازاین تکنولوژی دست پیداکرده است.

بین سالهای 1970 تا1991با تحقیقات گسترده ای که نیسان انجام داد توانست CVT ارائه کند که بتواند از همه جوانب خواسته های شرکت سازنده را براورده کند وتوجیه اقتصادی نیزداشته باشد.شکل1-1نمایش این نوع است.

پیشرفت تکنولوژی در ساختار متالوژی قطعات و روشهای تولید ، را ندمان مکانیکی این نوع گیربکس ها را از نظر طرح ومکانیزم افزایش داده است . اصلی ترین شاخصه این نوع گیربکس ها در بین گیربکس های اتوماتیک دیگر این است که به موتور و گیربکس و ECU اجازه می دهد ، راندمان بهینه را در شرایط مختلف رانندگی خودرو اعما ل نماید . بدلیل این مشخصه عمده گیربکس های CVT ، بطور میانگین باعث بهبود

10-20 درصد در مصرف سوخت خودرو و در نتیجه کاهش سطح آلاینده های حاصله می شوند. داشتن عکس العمل سریع نسبت به شرایط حاکم از طرف جاده و تغییر بسیار نرم نسبت دنده در مکانیزم تعویض دنده در این نوع گیربکسها باعث شده بسیاری از پدیده های ارتعاش و تکان موجود در مکانیزمهای چرخ دنده ای حذف گردد. در اروپا تولید و بکارگیری گیربکس هایCVT تا سال 2010 به 5% افزایش خواهد یافت و همچنین رشد استفاده از گیربکس در خودروهای سواری ژاپنی نیز تا سال 2010 به مرز CVT 14% کل تولید خواهد رسید . البته در این بین کشورهایی چون کره نیز به دنبال استفاده گسترده از این نوع سیستم انتقال قدرت در خودروهای خود می باشند .

این را می توان اولین   CVTارائه شده ای دانست که برروی خودرو بکارگرفته شده بود وتوجیه اقتصادی نیزداشت.

درسال 2004 میلادی شرکت خودروسازی AUDI یک نوع خاص دیگر این تکنولوژی را ارائه کردکه مدنظر دراین مجموعه قرارگرفته شده است.شکل1-2 نمونه ای ازاینCVT رانشان می دهد.

به خاطر مزایای فراوانی که گیربکس های  CVT دارند اغلب کشورهای دنیا وشرکت های خودروسازی درتلاش برای استفاده بهتر ازاین تکنولوژی هستند.

دراین مجموعه سعی برآن شده است که بیشتر به معرفی این تکنولوژی وپارا مترهای طراحی ان پرداخته شود،امید است که مورد استفاده علاقه مندان قرارگیرد.

فصل دوم

                                                                                انواع CVT

1-2- انواع CVT

  برای اشنایی بهتر و درک درست تراز CVT دراین فصل سعی می شودکه به اختصار تعدادی از متدا ول ترین انواعCVT را دراین فصل معرفی می شود.

CVT کلمه اختصاری Continuously Variable Transmission  است ،یا درواقع به زبان ساده میتوان بیان کردکهCVTیعنی تغییرات انتقال قدرت به طور پیوسته.

حال امکان دارد این تغییرات درانتقال قدرت به چند صورت انجام گیردکه به تمامی آنها  CVTگفته می شود ، از مشهورترین انواع آن میتوان به نمونه های زیر اشاره کرد.

2-2- چرخ وصفحه (     (Disc and Wheel

                                                    شکل2-1                                                                                                                      

Tmax= Cf ×FN×RO                                       

 : Cf  ضریب اصطکاک بین چرخ ودیسک است.

: FN ( : (Normal forceنیرویی که به طور عمودی ازدیسک به چرخ وارد می شود.

: RO شعاع دیسک که چرخ دران شعاع قرارگرفته است

این نوع  CVTهمان طور که مشاهده می کنید به چرخ ودیسک معروف است. هرچه چرخ محرک به سمت مرکز دیسک متحرک پیش رود سرعت دوران محورخروجی بیشتر خواهد بود. درواقع رابطه بیان شده نسبت بین گشتاور پیچشی ورودی وخروجی رابیان می کند.

3-2- مخروط وچرخ (Cone and Wheel)

همان گونه که درشکل 2-2 مشاهده می شود با تغییر مکان چرخ برسطح مخروط نسبت دور تغییر خواهدکرد.

4-2- مخروط چرخ مخروط (Cone&Wheel&Wheel)

به گونه ای که مشاهده می شود مدلی پشرفته تر ودارای مزیت بیشتری نسبت به مدل قبلی دارد در ورواقع ما ازدومخروط بطور همزمان استفاده کردیم تا یک گستره بیشتری ازنسبت انتقال را داشته باشیم.

5-2- توروئیدال یا چنبره ای((Toroidal   

دراین نمونه تغییرزاویه دیسک های وسط باعث تغییر درنسبت انتقال می شود . دراین نمونه می توان توان های زیاد تری را انتقال داد. درشکل 5-2نمونه ای دیگر ازاین را مشا هده می کنیدکه درراستای عمودی کار می کند.

6-2- اکسترودExtroid

این مدل درشکل 6- 2نشان داده شده است محصول شرکت نیسان است.

نوع دیگری از cvt است که در آن، تسمه و پولی‌ها با دیسک‌ها و غلطک‌ها جایگزین شده است.
گرچه این سیستم بسیار متفاوت به نظر می‌رسد، اما تمامی اجزای آن قابل مقایسه با تسمه و پولی بوده و نتیجه‌ای یکسان دارد. ترتیب طرز کار این سیستم عبارت است از:
1- دیسکی به موتور متصل شده که معادل پولی محرک است2- دیسک دیگری به میل گاردان متصل شده که معادل پولی مقاوم یا متحرک است3- غلطک‌ها و یا چرخ ‌ها، بین دو دیسک قرار داشته و همانند تسمه، نیرو را از دیسکی به دیسک دیگر منتقل می‌کنند.چرخ ‌ها می‌توانند در دو جهت ، حول محور افقی و به سمت بالا و پایین، حرکت کنند. این حالت، به چرخ‌ ها اجازه می‌دهد تا در وضعیت ‌های مختلف، با دیسک تماس داشته باشند. وقتی چرخ ‌ها با دیسک محرک در نزدیکی مرکز در تماس باشند ، با دیسک مقاوم در نزدیکی لبه آن در تماس هستند . این امر باعث کاهش سرعت وافزایش گشتاور می‌شود (دنده سنگین). وقتی چرخ‌ها با دیسک محرک در لبه آن تماس داشته باشند، باید با دیسک مقاوم نزدیک مرکز در تماس باشند که این امر باعث افزایش سرعت و کاهش گشتاور می‌شود (دنده سبک). به این ترتیب، حرکت ساده چرخ‌ها نسبت دنده را به صورت لحظه‌ای و ملایم تغییر می‌دهد.         

7-2- Van Doorne CVT

این همان مدلی است که دراین مقا له به طورمفصل به ان خواهیم پرداخت.به شکل 2-7 توجه کنید.

بیشترcvt ها فقط سه جزء اساسی دارند:1- یک تسمه محکم فلزی یا لاستیکی2- یک پولی متغیر محرک  )ورودی)3- یک پولی خروجی .گرچه  cvtها شامل انواع مختلفی از ریزپردازنده ‌ها و حسگرها هستند ، اما سه جزئی که در بالا نام برده شد، اجزای اصلی هستند که به این سیستم اجازه کار می‌دهند.
پولی‌های دارای شعاع متغیر، قلب cvt تلقی می‌شوند. هر پولی ، از دو مخروط با زاویه رأس 20 درجه که رو در روی یکدیگر قرار دارند ، تشکیل شده است. تسمه‌ای در شیار بین د و مخروط قرار دارد. در صورت لاستیکی بودن تسمه ‌ها ، از تسمه‌های v شکل استفاده می‌شود. تسمه‌های v شکل، سطح مقطع v شکلی دارند که باعث افزایش اصطکاک تسمه با پولی می‌شود . وقتی دو مخروط پولی از هم فاصله بگیرند ، یعنی ضخامت پولی بیشتر شود ، تسمه به شکاف پایین‌تر می‌رود و شعاع تسمه حلقه شده دور پولی کاهش می‌یابد. وقتی دو مخروط پولی به هم نزدیک می‌شوند، یعنی ضخامت پولی کاهش می‌یابد، تسمه به شکاف بالاتر رفته و شعاع تسمه حلقه شده دور پولی افزایش می‌یابد cvt . می‌تواند از فشارهای هیدرولیکی ، نیروی گریز از مرکز و یا کشش فنر به منظور تولید نیروی مورد نیاز برای تنظیم دو نیمه پولی استفاده کند . پولی‌های دارای قطر متغیر، همیشه به صورت زوجی به کار می‌روند. یکی از پولی‌ها که پولی محرک شناخته می‌شود، به میل‌لنگ موتور متصل است. پولی محرک، پولی ورودی هم نامیده می‌شود زیرا جایی قرار دارد که انرژی موتور وارد سیستم انتقال قدرت می‌شود. پولی دوم، پولی گردنده یا متحرک نامیده می‌شود زیرا پولی اول آن را می‌چرخاند. پولی گردنده به مثابه پولی خروجی، انرژی را به محور چرخ‌ها منتقل می‌کند. وقتی یک پولی، در راستای محوری ضخامت خود را افزایش می‌دهد، دومی از ضخامت خود می‌کاهد تا تسمه در حالت کشیده باقی بماند. زمانی که دو پولی ضخامت خود را نسبت به یکدیگر تغییر می‌دهند، بی‌نهایت نسبت دنده از کم به زیاد و شامل همه نسبت‌های مابین به وجود می‌آید. مثلاً ، وقتی شعاع تسمه در پولی محرک کم و در پولی خروجی زیاد باشد، سرعت دوران پولی خروجی کا هش می‌یابد و نسبت دنده پایین‌تری را ایجاد می‌کند . وقتی شعاع تسمه در پولی محرک زیاد و در پولی خروجی کم باشد، سرعت دوران پولی خروجی افزایش می‌یابد و نسبت دنده بالاتری را ایجاد می‌کند. بنابراین، یک cvt از لحاظ نظری شامل بی‌نهایت نسبت دنده می‌شود و می‌تواند در هر زمانی و با هر دور موتوری کار کند .طبیعت ساده و بدون گسستگی cvtها ، آنها را به سیستم انتقال قدرت ایده‌آلی برای تمام ماشین‌ها و دستگاه‌ها- نه صرفاً خودروها- تبدیل کرده است cvt .ها سال‌های متمادی در ابزار قدرتی و مته‌ها به‌کار رفته‌اند. از آنها در وسایل نقلیه مختلفی اعم از تراکتورها و ماشین‌های برف رو گرفته تا اسکوترهای موتوری استفاده می‌شود. در تمام این کاربردها ، از تسمه‌ هایی با لاستیک فشرده در نوع سیستم انتقال قدرت استفاده می‌شود که ممکن است کشیده شده یا سر بخورد و در نتیجه ، باعث هدر رفتن انرژی و کاهش کارایی شود. تولید و ساخت ماده‌های جدید ،  cvtها را مطمئن‌تر و کارامدتر از قبل کرده است . یکی از مهمترین پیشرفت‌ها ، طراحی و توسعه تسمه‌های فلزی برای متصل کردن دو پولی بوده است. این تسمه ‌ها انعطاف‌پذیر از چندین (عموماً 9 یا 12) نوار نازک فولادی که تکه ‌های فلزی پاپیونی شکل بسیار مقاوم را کنار هم نگه می‌دارد ، ساخته شده‌اند . تسمه‌ های فلزی به این دلیل که سر نمی‌خورند و بسیار با دوامند اجازه انتقال گشتاور بیشتری را به cvt می‌دهند. در ضمن، این تسمه ‌ها مناسب‌تر از تسمه‌های لاستیکی هستند.

(شکل ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)