آیا تا به حال فکر کرده‌اید؛ دسته‌ دنده به چه چیزی متصل است و با حرکت دسته دنده چه اتفاقی درون جعبه‌دندهرخ می‌دهد؟ چرا گاهی هنگام تعویض دنده، صدایی عجیب شبیه خرد شدن قطعات به گوش می‌رسد؟ چرا نمی‌توان هنگام حرکت به‌سمت جلو، خودرو را در وضعیت دنده‌ی عقب قرار داد؟ آیا با این‎کار، قطعات داخل جعبه‌دنده خرد می‌شوند؟ این‌ها تنها بخشی از سؤالات احتمالی کسی است که حداقل یک‌بار پشت فرمان خودرو نشسته باشد؛ در این مقاله به‌همین سؤالات پاسخ می‌دهیم و با اساس عملکرد جعبه‌دنده‌های دستی آشنا می‌شویم.

اصول فیزیکی

قبل از معرفی قطعات و نحوه‌ی عملکرد جعبه‌دنده‌ی دستی، ابتدا باید با‌یکی از ابتدایی‌ترین و اساسی‌ترین قطعات مکانیکی موجود در جعبه‌دنده‌ها؛ چرخ‌دنده، آشنا شویم. چرخ‌دنده‌ها قطعاتی دندانه‌دار هستند که داخل آن‌ها سوراخی به اندازه‌ی قطر محور وجود دارد و چرخ‌دنده روی آن محور سوار می‌شود. هنگامی‌که بخواهیم ارتباطی بین دو محور برقرار کنیم، باید روی هر دوی آن‌ها، چرخ‌دنده قرار دهیم. در حقیقت چرخ‌دنده می‌تواند گشتاور را با تغییر جهت منتقل کند که با استفاده از آن‌ها، گشتاور و سرعت دورانی کنترل می‌شود. اندازه‌ی دنده‌های چرخ دنده‌های درگیر باید یکسان باشد ولی قطر آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد؛ اگر قطر چرخ‌دنده‌ها با یکدیگر برابر باشد، سرعت آن دو محوری که چرخ‌دنده‌ها روی آن‌ها سوار است، یکسان خواهد بود، اما اگر قطر آن‌ها برابر نباشد، چرخ‌دنده‌ای که قطر کم‌تری دارد، (کوچک‌تر است) تعداد دور بیش‌تری می‌زند و در نتیجه سرعت بیش‌تری دارد.

همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، چرخ‌دنده‌ی کوچک‌تر با ۲۵ دندانه باید سه برابر سرعت چرخ‌دنده‌ی بزرگ‌تر با ۷۵ دندانه بچرخد، یعنی هرگاه چرخ‌دنده‌ی بزرگ یک دور بزند، چرخ‌دنده‌ی کوچک سه دور زده است. نیرو، قدرت و گشتاور، همیشه از یک محور یا یک چرخ‌دنده به محور یا چرخ‌دنده‌ی دیگر انتقال پیدا می‌کند. برای مثال، در خودرو اگر یک محور به چرخ‌ها وصل باشد و محور دیگر به پیشرانه‌ی خودرو، محور متصل به پیشرانه‌، محور محرک و محور متصل به چرخ خودرو محور متحرک نامیده می‌شود.

برای بیان رابطه‌ی گشتاور و سرعت دورانی میان دو چرخ‌دنده‌ی درگیر از رابطه‌ای فیزیکی به نام نسبت انتقال (ضریب دنده) استفاده و به‌صورت N1/N2=T2/T1 بیان می‌شود. در این رابطه N بیانگر سرعت دورانی و T تعداد دندانه‌های چرخ‌دنده است. در مثال بالا، از آن‌جا که سرعت یک چرخ‌دنده سه برابر دیگری است، نسبت انتقال می‌تواند ۳ یا ۱/۳ باشد. اگر محور محرک چرخ‌دنده‌ی کوچک و محور متحرک چرخ‌دنده‌ی بزرگ باشد، نسبت انتقال با تقسیم تعداد دندانه چرخ متحرک (۷۵ دندانه) بر تعداد دندانه‌های چرخ محرک (۲۵ دندانه) به‌دست می‌آید که برابر ۳ خواهد بود و اگر محور محرک چرخ‌دنده‌ی بزرگ و محور متحرک چرخ‌دنده‌ی کوچک باشد، نسبت انتقال ۱/۳ خواهد بود.

فرض کنید در این مکانیزم، چرخ‌دنده‌ی کوچک محرک و چرخ‌دنده‌ی بزرگ متحرک باشد. در این حالت سرعت خروجی (از محور متحرک) نسبت به سرعت ورودی (از محور محرک) کاهش پیدا کرده و مقدار این کاهش سرعت دقیقا ۱/۳ است. یعنی اگر پیشرانه‌ی خودرو به چرخ‌دنده‌ی کوچک و چرخ‌های خودرو به چرخ‌دنده‌ی بزرگ وصل باشد، سرعت چرخ‌های خودرو ۱/۳ سرعت پیشرانه است؛ در این حالت نسبت انتقال نیز برابر عدد ۳ خواهد بود. درواقع، مکانیزم سرعت خروجی را نسبت به سرعت ورودی به میزان ۳ برابر، کاهش داده است.

از سوی دیگر، رابطه‌ی فیزیکی میان گشتاور، سرعت دورانی و قدرت تولیدی پیشرانه به‌صورت P=T×S بیان می‌شود که در آن P قدرت، S سرعت دورانی و T گشتاور است. با ثابت در نظر گرفتن قدرت تولیدی پیشرانه، کاهش سرعت در مثال بالا تمام ماجرا نخواهد بود بلکه، کاهش سه برابری سرعت، با افزایش سه برابری گشتاور همراه خواهد بود؛ یعنی در این مثال اگرچه سرعت خروجی ۱/۳ بود (سه برابر کاهش پیدا کرد) ولی گشتاور خروجی نیز سه برابر شد (سه برابر افزایش پیدا کرد) که این ماهیت کلی نسبت انتقال است.

جعبه‌دنده و متعلقات

جعبه‌دنده پس از کلاچ، دومین عنصر سیستم انتقال قدرت در خودروها بوده و از تعدادی چرخ‌دنده و محور (شفت) تشکیل شده است که همگی درون یک محفظه قرار گرفته‌اند. وظیفه‌ی جعبه‌دنده تغییر گشتاور تولیدی توسط پیشرانه و تنظیم سرعت دورانی چرخ‌ها است. همه‌ی خودروهای مجهز به پیشرانه‌ی درون‌سوز دارای محدودیتی در دور موتور هستند که اغلب محدوده‌ی خطرناک آن با رنگ قرمز روی صفحه‌ی مدرج تعبیه شده در پشت فرمان مشخص است. هدف از این درجه‌بندی، اطلاع راننده از نحوه‌ی عملکرد پیشرانه و میزان بازدهی آن است. همه‌ی پیشرانه‌ها در دور موتوری خاص حداکثر توان خود را تولید می‌کنند و هدف این است که با استفاده از جعبه‌دنده و انتخاب دنده‌ی صحیح، راننده بتواند همواره پیشرانه را در ایده‌آل‌ترین حالت به‌کار گیرد. این ایده در نهایت منجر به اختراع جعبه‌دنده‌های CVT یا دور متغیر شد که همواره پیشرانه را در شرایط ایده‌آل (یا نزدیک به آن) به کار می‌گیرد.

در جعبه‌دنده‌های دستی ساده، عموما سه محور وجود دارد. محور اول که از طریق کلاچ به پیشرانه متصل است، محور محرک نام دارد. محور دوم محور متحرک نام دارد که از طریق محور سوم، موسوم به محور واسط، به محور محرک متصل است؛ برای درک بهتر، به‌تصویر زیر دقت کنید.

در شکل بالا، یک جعبه‌دنده‌ی ۶ سرعته به تصویر کشیده شده است. محور سبز رنگ محور محرک بوده (متصل به پیشرانه) که روی آن چرخ‌دنده‌ای به‌صورت یکپارچه با محور تعبیه شده است و با سرعتی مشابه سرعت محور و پیشرانه می‌چرخد. محور قرمز رنگ محور واسط است که وظیفه‌ی انتقال گشتاور از محور محرک به محور متحرک را بر عهده دارد. روی این محور نیز تعدادی چرخ‌دنده‌ی یکپارچه با محور قرار گرفته است که با سرعتی مشابه سرعت گردش محور محرک می‌چرخند. محور سوم که با رنگ زرد مشخص شده، محور متحرک است. روی این محور چرخ‌دنده‌هایی با قطرهای متفاوت قرار گرفته‌ است که برخلاف شفت‌های دیگر، این چرخ‌دنده‌ها با محور متحرک یکپارچه نیستند، بلکه روی یاتاقان‌هایی نصب شده‌اند تا بدون به‌حرکت درآوردن محور متحرک، چرخش پیدا کنند. اما چگونه با حرکت دادن دسته‌دنده، چرخ‌دنده‌های تعبیه شده در جعبه‌دنده جابه‌جا می‌شوند؟ برای پاسخ به این سؤال، ابتدا باید با اجزای درگیر در عمل تعویض دنده آشنا شویم.

دسته دنده

میله‌ای فلزی که راننده با حرکت آن در یک الگوی H شکل عمل تعویض دنده را انجام می‌دهد.

میل ماهک

میله‌ای فلزی که، از یک سر به دسته دنده و از سر دیگر به‌ ماهک متصل است. راننده با حرکت دسته دنده در حقیقت میل ماهک را حرکت می‌دهد.

ماهک

قطعه‌ای به شکل نیم دایره که به‌انتهای میل ماهک متصل است و نیروی دست راننده را به‌ کشویی منتقل می‌کند؛ با این حرکت، کشویی‌ دنده با چرخ‌دنده‌ درگیر می‌شود.

کشویی دنده

همان‌طور که پیش‌تر گفته شد، چرخ‌دنده‌های تعبیه شده بر محور سوم جعبه‌دنده روی یاتاقان نصب شده‌اند و می‌توانند آزادانه و بدون وارد کردن نیرو به محور بچرخند. کشویی‌ دنده وظیفه‌ی ثابت کردن چرخ‌دنده روی محور را از طریق چفت شدن دندانه‌ها با چرخ‌دنده‌ی هماهنگ کننده‌ بر عهده دارد، تا از این طریق بتوان گشتاور تولیدی توسط پیشرانه را به چرخ‌ها منتقل کرد.

چرخ‌دنده‌ی هماهنگ کننده

سطح خارجی یاتاقان‌های چرخ‌دنده‌ها به‌صورت دندانه‌دار ساخته شده است. یاتاقان‌ها به‌طور کامل به محور سوم چسبیده‌اند و با سرعت دورانی یکسانی با محور به حرکت درمی‌آیند. هنگام عمل تعویض دنده ماهک بر کشویی دنده نیرو وارد می‌کند و آن را به سمت چرخ‌دنده‌ی هماهنگ کننده هدایت می‌کند تا با چفت شدن دندانه‌ها درون یکدیگر، محور شماره‌ی سوم با سرعت دنده‌ی درگیر شروع به چرخیدن کند.

دنده برنجی

با توجه به این‌که سرعت دورانی یاتاقان‌ها با سرعت دورانی دنده‌ها برابر نیست، احتمال چفت نشدن دندانه‌های کشویی و یاتاقان‌ها بسیار بالا است؛ چراکه دندانه‌های این دو قطعه لزوماً در هر لحظه روبه‌روی یکدیگر قرار ندارند. برای حل این مشکل و انجام هرچه سریع‌تر و نرم‌تر عمل تعویض دنده، یک قطعه‌ی دندانه‌دار موسوم به دنده‌برنجی بین این دو قطعه قرار می‌گیرد. با حرکت ماهک، کشویی دنده بر دنده‌برنجی نیرو وارد و آن را به دندانه‌های یاتاقان نزدیک می‌کند. به دلیل اصطکاک بالای دنده‌برنجی و یاتاقان، سرعت گردش این دو قطعه در کسری از ثانیه با یکدیگر برابر می‌شود و در نتیجه دندانه‌های کشویی دنده به راحتی با دندانه‌های یاتاقان چفت می‌شود. در حقیقت، صدای گوش خراش شبیه خرد شدن قطعات در هنگام تعویض دنده، مربوط به عدم برابری سرعت کشویی و یاتاقان است که به سبب برخورد دندانه‌های این دو قطعه با یکدیگر به گوش می‌رسد.

تعویض دنده

به‌طور خلاصه، راننده با فشردن پدال کلاچ سبب قطع شدن ارتباط محور یک (محرک) با پیشرانه می‌شود. سپس با حرکت دادن دسته دنده، سبب حرکت میل ماهک و در نتیجه‌ی آن ماهک می‌شود. ماهک دنده با فشردن کشویی متناظر با دنده‌ی مورد نظر راننده به دنده‌برنجی نیرو وارد می‌کند و در در زمان کمی، باعث برابری سرعت دوران دنده‌برنجی و یاتاقان دنده می‌شود. در نهایت دندانه‌های کشویی دنده با یاتاقان چفت می‌شود و سبب چرخش محور سوم با سرعتی متناظر دنده می‌شود.

دنده عقب

دنده‌ی عقب از ترکیب سه چرخ‌دنده تشکیل شده است. در دنده‌ی عقب یک چرخ‌دنده‌ی هرزگرد، که وظیفه‌ی آن تغییر جهت دوران دنده‌ی عقب است، وجود دارد. دنده‌ی عقب همواره در خلاف جهت سایر دنده‌ها در حال چرخش بوده که نکته‌ی جالب، عدم وجود مکانیزم هماهنگ کننده برای آن است. به‌همین دلیل، برای قرار دادن خودرو در حالت دنده‌ی عقب خودرو باید به‌طور کامل متوقف شود؛ تلاش برای قرار دادن خودروی در حال حرکت در وضعیت دنده‌ی عقب بی‌فایده است و تنها حاصل آن، تولید صداهای ناهنجار و گوش‌خراش خواهد بود.