ساز و کار گیربکس‌های کمکی در خودروهای ۴WD

ساز و کار گیربکس‌های کمکی در خودروهای ۴WD 

جعبه دنـده کمک‌رسان 

عصر خودرو- یکی از شرط‌های اصلی خودروهای SUV و آفرود، داشتن سیستم انتقال قدرت به ۴ چرخ بوده و طبیعتا با استفاده از گیربکس‌های معمولی و متداول نمی‌توان چنین انتقال قدرتی را انجام داد. برای همین طراحان در کنار گیربکس اصلی، یک گیربکس کمکی هم تعبیه می‌کنند که بتواند ضمن افزایش گشتاور خروجی پیشرانه آن را به چرخ‌های جلو نیز تحویل دهد. 

.

ساز و کار
وظیفه یک گیربکس در خودرو، فراهم‌کردن امکان انتقال قدرت و گشتاور خروجی موتور با نسبت‌های مختلف بوده تا امکان رانندگی با سرعت‌ها و دورهای مختلف فراهم شود. برای آنکه گیربکس چنین کاری را انجام دهد، مجهز به یک مجموعه دنده با نسبت‌های معین نسبت به یکدیگر بوده و دارای یک شفت (محور) اصلی ورودی از پیشرانه و یک شفت خروجی به سمت دیفرانسیل و چرخ‌هاست. طبیعتا چنین ساختاری برای خودرویی در نظر گرفته شده که تنها یکی از محورهای آن محرک است و گیربکس تنها یک خروجی برای محور محرک مربوطه دارد. در خودروهای چهارچرخ متحرک، برای آنکه بتوان به هر دو محور انتقال قدرت داد، یک گیربکس کمکی به شفت خروجی گیربکس اصلی متصل می‌کنند که دارای دو خروجی برای گاردان  اکسل‌های جلو و عقب است. در نتیجه به کمک چنین ساختاری می‌توان قدرت و گشتاور پیشرانه را به هر چهار چرخ انتقال داد. طبیعتا در یک خودرو چهارچرخ متحرک ممکن است که همواره به قدرت یک اکسل نیازی نباشد و یا لازم باشد که قدرت بین اکسل‌ها با نسبت معینی توزیع شده و یا هر چهار چرخ با قدرت و گشتاور بالا دوران کنند، در نتیجه در گیربکس کمکی نیز چند مجموعه دنده و یک دسته دنده یا سلکتور تعبیه می‌شود که امکان از دور خارج کردن یک محور و یا انتخاب حالت سبک و سنگین دوران چرخ‌ها فراهم شود. ساختار عموم گیربکس‌های کمکی شامل سه شفت یا محور اصلی بوده که شفت اول به صورت مشترک برای ورودی گیربکس کمک و خروجی اکسل عقب بوده و شفت سوم خروجی اکسل جلو است. شفت دوم نیز به عنوان واسطه میان شفت اول و سوم قرار می‌گیرد. شفت‌های ورودی و خروجی  با توجه به اختلاف دورانی که دارند، دوتکه بوده اما شفت میانی یا واسطه یکپارچه است. هر شفت خروجی دارای یک دنده سبک و یک دنده سنگین بوده که می‌تواند با هرکدام از آنها با شفت میانی درگیر شود و شفت ورودی نیز با شفت میانی درگیر است. دنده‌های  سبک با دنده‌های مورب جهت حرکت با سرعت نرمال بوده و دنده‌های سنگین برای حرکت با قدرت و گشتاور بالا تعبیه شده‌اند. مکانیسم تعویض دنده‌ها نیز مشابه گیربکس معمولی بوده و توسط میل ماهک و ماهک و با یک دسته دنده کوچک کنار دسته دنده اصلی انجام می‌شود. منتهی گیربکس کمک دو ماهک داشته که دنده‌های شفت اول و سوم را جابه‌جا می‌کند و شفت میانی نیز یکپارچه و بدون تغییر است. البته برخی گیربکس‌های کمکی مکانیسم تعویض دنده برقی دارند که در داخل کابین برای تعویض یک دسته دنده یا سلکتور با ارتباط الکترونیکی داشته و یا در برخی خودروها از سوئیچ‌های روی داشبورد برای انتخاب حالت استفاده شده است. گیربکس کمک به صورت کلی دارای 4 حالت اصلی به شرح زیر است:
1- حالت N: در این حالت گیربکس کمک خلاص بوده و هیچ انتقال قدرتی انجام نمی‌دهد؛ یعنی هیچ‌کدام از شفت‌های خروجی با شفت میانی درگیر نیستند. حتی اگر گیربکس اصلی در دنده باشد، عملا مجموعه هرز چرخیده و خودرو ثابت است و برای حرکت باید گیربکس کمک را هم درگیر کرد. حالت خلاص گیربکس کمک بیشتر برای استفاده از قدرت پیشرانه برای بخش‌هایی نظیر وینچ مکانیکی بوده که می‌توان با خلاص‌کردن گیربکس کمک و درگیر کردن اهرم وینچ مکانیکی، قدرت پیشرانه را به وینچ انتقال داد و سیم بکسل را جمع کرد. لازم به ذکر است که در حالت استفاده از وینچ مکانیکی، گیربکس اصلی باید حتما در دنده 1 باشد.
2- حالت 2H: این حالت جهت انتقال قدرت سبک به محور اصلی (عموما محور عقب) بوده و محور دیگر خلاص است. این حالت بیشتر جهت رانندگی در سطوح نرمال و شرایط جاده‌ای و خیابانی بوده و در شرایط آفرود کاربرد آنچنانی ندارد. در این حالت قدرت از شفت ورودی وارد شده و به شفت میانی منتقل شده و مجددا به شفت اولیه و خروجی اکسل عقب می‌رسد (همان‌طور که اشاره کردیم، شفت ورودی گیربکس و خروجی اکسل عقب یعنی شفت اول، مشترک بوده اما یکپارچه نیست.). شفت خروجی عقب نیز با دنده سبک به شفت میانی متصل بوده و شفت اکسل جلو خلاص است. در نتیجه در حالت 2H، مجموعه گاردان و دیفرانسیل اکسل جلو هرزگرد بوده و بایستی توسط پولوس خلاص‌کن، دیفرانسیل جلو را خلاص کرد که مانع از اتلاف انرژی و استهلاک دیفرانسیل شود. برخی خودروها پولوس خلاص‌کن اتوماتیک دارند اما در نمونه‌های توپی‌دار، باید توپی چرخ‌های جلو را در موقعیت خلاص (Unlock) قرار داد.
3- حالت 4H: این حالت برای حرکت با چهارچرخ محرک در سرعت‌های نرمال بوده و می‌تواند در جاده لغزنده و یا شرایط آفرودی که نیاز به گشتاور بالا ندارد، استفاده کرد. در این حالت، قدرت از شفت ورودی دریافت شده و هر دو شفت خروجی با دنده سبک به شفت میانی متصل هستند و قدرت را دریافت می‌کنند. در این حالت باید توپی چرخ‌های جلو در موقعیت Lock باشد.
4- حالت 4L: حالت نهایی یا 4L برای حرکت با قدرت و گشتاور بالا بوده و در شرایط دشوار و جهت خروج از موانع استفاده می‌شود. حالت 4L بسیار مشابه 4H بوده اما تفاوت آن در این است که محورهای خروجی با دنده سنگین به شفت میانی متصلند.
یکی از معایب این گیربکس‌های کمکی، این است که همواره با یک نسبت ثابت (عموما 50-50) قدرت و سرعت را بین اکسل جلو و عقب توزیع می‌کنند و عملا امکان لغزش بین گاردان محورهای جلو و عقب وجود ندارد. در حالت عادی چنین مشکلی جلب توجه نمی‌کند اما هنگامی که خودرو می‌خواهد بپیچد، گیربکس شروع به مقاومت می‌کند چرا‌که در حالت پیچیدن، گاردان‌های اکسل‌های جلو و عقب با هم اختلاف سرعت دوران پیدا می‌کنند در حالی که گیربکس می‌خواهد گاردان‌ها را با سرعت یکسان بچرخاند و این مسئله ناشی از یکپارچه‌بودن شفت میانی بوده که با هر دو شفت خروجی و گاردان‌ها درگیر است. این مسئله بسیار مشکل‌زاست و ممکن است منجر به خرد‌شدن گیربکس و دیفرانسیل‌ها و یا حتی منجر به واژگونی خودرو شود. این اتفاق بسیار شبیه حالتی است که در یک اکسل معمولی رخ می‌دهد. در یک اکسل معمولی در هنگام پیچیدن، چرخ داخل پیچ آهسته‌تر از چرخ خارج پیچ می‌چرخد و اگر محور چرخ‌ها یکپارچه باشد، عملا اکسل در برابر پیچیدن مقاومت می‌کند. برای جلوگیری از چنین حالتی، از دیفرانسیل استفاده می‌شود که امکان لغزش چرخ‌ها نسبت به هم یا همان اختلاف دور را فراهم می‌کند. در گیربکس‌های کمکی جدیدتر نیز برای آنکه امکان پیچیدن و اختلاف دور میان گاردان‌ها وجود داشته باشد، از دیفرانسیل سومی موسوم به دیفرانسیل مرکزی داخل گیربکس کمکی و روی شفت میانی استفاده شده که ساختاری مشابه دیفرانسیل‌های معمولی دارد. در نتیجه در شرایط مختلف اعم از پیچیدن خودرو و یا شیبدار شدن زمین، دیفرانسیل مرکزی عمده قدرت و گشتاور را به گاردانی انتقال می‌دهد که چرخاندن آن ساده‌تر است یعنی مشابه همان کاری که یک دیفرانسیل معمولی مابین چرخ‌ها انجام می‌دهد. به سبب همین خاصیت دیفرانسیل، نسبت انتقال نیرو مابین اکسل‌ها دائم در حال تغییر بوده و مثلا ممکن است در یک سربالایی با شیب زیاد، 70 درصد نیرو به اکسل جلو که کشنده است منتقل شده و 30 درصد به اکسل عقب که هل‌دهنده است انتقال یابد و هنگام دور زدن خودرو نیز شرایط مشابهی حاکم است و خودرو بدون مشکل در حالت درگیری چهارچرخ دور می‌زند درحالی که در گیربکس کمکی فاقد دیفرانسیل مرکزی چنین کاری غیرممکن بوده و اکسل جلو باید خلاص باشد. به همین علت هم هست که خودروهای فاقد دیفرانسیل مرکزی در گیربکس کمکی عموما 4×4های اضطراری بوده و به آنها 4WD نیمه‌وقت
(Part Time 4WD) گفته می‌شود.
گیربکس‌های کمکی مجهز به دیفرانسیل مرکزی علی‌رغم مزایایی که دارند دارای یک ایراد بزرگ بوده و آن هم مشکل ذاتی دیفرانسیل‌ هنگام مواجهه با یک محور گیر کرده است که موجب می‌شود دیفرانسیل مرکزی تمام قدرت را به گاردان مخالف منتقل کند و این دقیقا همان حالتی است که به تقسیم انتقال قدرت با نسبت 50-50 نیاز است.  مشابه این پدیده را می‌توان در یک اکسل معمولی مشاهده کرد که یک چرخ گیر کرده و نمی‌چرخد و دیفرانسیل تمام قدرت را به چرخ دیگر منتقل کرده و آن را هرز می‌چرخاند. در این حالت از قفل دیفرانسیل استفاده شده که با قفل کردن چرخ هرزگرد، موجب انتقال قدرت به چرخ گیر کرده می‌شود. برای رفع این مشکل مشابه در گیربکس کمکی، از قفل دیفرانسیل مرکزی استفاده شده که ‌هنگام نیاز داشتن به تقسیم نیروی
50-50 بین اکسل جلو و عقب، دیفرانسیل را قفل کرده و عملا شفت میانی مشابه گیربکس‌های فاقد دیفرانسیل، یکپارچه عمل می‌کند. در واقع با قفل‌کردن دیفرانسیل مرکزی، خودرو رفتاری مشابه 4WD‌های نیمه‌وقت پیدا کرده و البته دور زدن با خودرو هنگام قفل‌بودن دیفرانسیل مرکزی بسیار خطرناک است. ‌روی دسته‌دنده گیربکس‌های کمکی مجهز به قفل دیفرانسیل مرکزی، دو حالت دیگر علاوه بر 4 حالت اصلی موجود بوده که شامل حالت 4HLC برای حالت سبک انتقال 50-50 و حالت 4LLC برای انتقال قدرت سنگین با تقسیم 50-50 است. لازم به ذکر است که قفل دیفرانسیل مرکزی با قفل دیفرانسیل اکسل‌ها متفاوت است چرا که قفل دیفرانسیل مرکزی‌ روی گیربکس کمک عمل کرده و به هر یک از اکسل‌ها 50 درصد نیرو را انتقال می‌دهد اما قفل دیفرانسیل خود اکسل‌ها ‌روی پولوس‌ها عمل کرده و از هرز چرخیدن چرخ کم‌اصطکاک جلوگیری می‌کند.