گیربکس CVT؛ نحوه عملکرد و مزایا و معایب آن

گیربکس اتوماتیک CVT یا Continuously Variable Transmission به معنای گیربکس دائما در حال تغییر که در متون تخصصی حوزه صنعت خودرو تحت عنوان «گیربکس ضریب متغیر» از آن یاد می‌شود، به جرات در میان پرتیراژترین گیربکس‌های اتوماتیک از دیدگاه حجم تولید و فروش است.

اما CVT چگونه کار می‌کند؟ تفاوت آن با گیربکس دستی یا اتوماتیک سنتی (AT) در چیست؟ چرا انقدر فراگیر و البته تا این اندازه منفور است؟ نقاط ضعف و قوت آن در چیست و چرا بازار خودرو ایران در سطح چشم‌گیری به این گیربکس مجهز شده است؟

عملکرد گیربکس CVT

در ساده‌ترین نوع گیربکس که همان گیربکس دستی (MT یا Manual Transmission) است، به تعداد دنده‌های بیان شده ضریب متمایز برای افزایش گشتاور و دور موتور خروجی به چرخ‌ها در اختیار راننده قرار دارد. به عبارت ساده‌تر، در یک گیربکس ۵ سرعت دستی یا اتوماتیک، ۵ ضریب مختلف میان دنده‌های واقعی داخل گیربکس در اختیار راننده قرار می‌گیرد تا بر اساس سرعت و شیب مسیر، به گشتاور نهایی سر چرخ‌ها و سرعت مورد نظر دست پیدا کند. این دنده‌ها دارای ضریب‌های از پیش تعیین شده و ثابت هستند و قابلیت تغییر در آن‌ها وجود ندارد. به عنوان مثال: ضریب دنده ۱ برابر با ۳.۲ (قدرتی)، ضریب دنده ۴ برابر با ۱.۰ (به اصطلاح ۱ به ۱) و ضریب دنده ۵ برابر با ۰.۸۵ (ضریب کوچک‌تر از ۱ معروف به اوور درایو-O/D) است. در نتیجه هیچ تغییری در این ضرایب به وجود نمی‌آید و راننده در هر نوع شرایط رانندگی تنها متکی به استفاده از یکی از این ضرایب ثابت و از پیش تعیین شده است.

اما در گیربکس CVT با وجود رفتار اتوماتیک همانند گیربکس‌های AT و به همراه داشتن توربین (مبدل گشتاور)، خبری از دنده‌های واقعی نیست. در حقیقت این جعبه دنده فاقد هر گونه دنده است. در عوض بجای دنده، از دو جفت پولی (در اصطلاح پارسی: فولی) استفاده شده است که از طراحی کله قندی یا کونیک (Conical) قرار گرفته در مقابل یکدیگر بهره می‌گیرد و یک جفت از آن‌ها به خروجی توربین (میلنگ پیشرانه) و جفت دیگر به خروجی گیربکس (به سمت دیفرانسیل) متصل است. رابط میان این دو جفت پولی یک تسمه فلزی بسیار مستحکم (تسمه لاستیکی در موتورسیکلت‌های سبک) است که نیرو را از جفت پولی موتور دریافت و به جفت پولی خروجی منتقل می‌کند.

این دو جفت پولی می‌توانند به کمک کامپیوتر گیربکس (TCU) از یکدیگر دور شده یا به یکدیگر نزدیک شوند. در حقیقت از آن‌جایی که اینکه طول تسمه بسیار مستحکم فلزی غیر قابل تغییر است، زمانی که یکی از جفت پولی‌ها به یکدیگر نزدیک می‌شوند جفت پولی دیگر باید از یکدیگر دور شوند و برعکس.

اما دلیل این جابه‌جایی چیست؟ زمانی که پولی‌ها در هر جفت به یکدیگر نزدیک و در جفت دیگر از هم دور می‌شوند، تسمه محکم فلزی مجبور می‌شود بر سطح کله قندی پولی‌ها بالا و پایین برود. در نتیجه قطر تسمه فلزی بر پولی‌هایی که به یکدیگر نزدیک شده‌اند افزایش و بر پولی‌هایی که از هم دور می‌شوند کاهش می‌یابد.

این تغییر در قطر تسمه فلزی وابسته به اینکه بر کدام جفت پولی (پولی ورودی یا خروجی) اتفاق بیافتد، در حقیقت وجود دنده‌های انتقال نیرو در گیربکس‌های معمولی را شبیه‌سازی می‌کند در حالی که هیچ دنده‌ای وجود ندارد. همچنین از آن‌جایی که جابه‌جایی پولی‌ها بسیار نرم و پیوسته انجام می‌شود، تسمه فلزی در هر لحظه از فرایند انتقال نیرو دارای قطر متفاوت است که همواره در تناسب با سرعت خودرو و دور موتور تغییر می‌کند و یک ضریب متمایز و دائما در حال تغییر را شبیه‌سازی می‌کند. دقیقا به همین دلیل است که به آن گیربکس ضریب متغیر می‌گویند.

حالت ترونیک در CVT

در بسیاری از محصولات مونتاژی و وارداتی صنعت خودرو کشور که به گیربکس CVT‌ مجهز هستند حالت ترونیک (تیپ ترونیک) یا همان حالت انتخاب دستی یک دنده بخصوص تعبیه شده است. این موضوع بسیاری از مشتریان را سردرگم کرده و باعث شده است که به اشتباه تصور کنند که گیربکس CVT دارای دنده‌های فیزیکی و واقعی است؛ اما این‌طور نیست.

حالت انتخاب دستی یک دنده بخصوص یا همان تیپ ترونیک با برنامه‌ریزی کامپیوتری TCU و قفل کردن گیربکس در یک ضریب مشخص و از پیش تعیین شده ممکن شده است. یعنی تعداد دنده مشخص شده در تیپ ترونیک CVTها بر اثر قفل شدن پولی‌ها (عدم حرکت خطی آن‌ها) ممکن شده است که باعث می‌شود تسمه فلزی منتقل کننده نیرو، از جای خود حرکت نکند و تنها در یک ضریب انتقال نیرو از پیش تعیین قفل شود. در نتیجه در CVT حالت ترونیک حاصل یک برنامه‌ریزی کامپیوتری است و نه وجود دنده در داخل گیربکس.

مزایا و معایب جعبه دنده CVT

گیربکس‌های ضریب متغیر تکنولوژی جدیدی به حساب نمی‌آیند اما فراگیری و افزایش کاربرد آن‌ها در انواع موتورسیلکت و خودروهای سبک (سواری) بیشتر مربوط به دهه گذشته است. به عنوان مثال موتورسیکلت‌های دو زمانه سبک رکس و براوو که حدود سه دهه پیش در ایران فراوان بودند، دقیقا از همین نوع گیربکس بهره می‌گرفتند.

مزایا

چرا امروزه حجم گسترده‌ای از خودروها به استفاده از گیربکس روی آوردند؟

تولید ارازن قیمت: گیربکس CVT از تعداد بسیار کمی قطعه متحرک برخوردار است. این مهم طراحی و تولید آن را به شدت اقتصادی، ابعاد آن را به شدت کوچک و وزن آن را به شدت کم می‌کند و مجموعه این ویژگی‌ها یعنی تولید راحت و کم هزینه با استفاده از متریال اولیه بسیار محدود.

مناسب کلاس اکونومی: وزن کم و ابعاد کوچک یعنی بهترین گزینه برای استفاده در خودروهای کوچک و خودروهای اقتصادی. به همین دلیل بیشتر محصولات کوچک سواری ساخت خودروسازان بین‌المللی از این گیربکس برای انتقال نیرو بهره می‌گیرند.

هزینه نگهداری پایین: اگر با گیربکس CVT به درستی برخورد شود (که هیچ وقت نمی‌شود!)، طول عمر آن قابل قبول و هزینه تعمیرات آن منطقی خواهد بود.

کاهش مصرف سوخت: به دلیل شبیه‌سازی هزاران ضریب دنده، گیربکس CVT دور موتور را همواره در بازه مناسب و حداکثر گشتاور تولیدی پیشرانه نگه می‌دارد. در نتیجه پیشرانه خودرو در بیشتر مواقع در بهینه‌ترین و استانداردترین حالت عملکرد خود قرار دارد. به همین دلیل است که خودروهای دارای CVT معمولا مصرف سوخت متوسط بسیار بهتری در مقایسه با خودروهای مجهز به AT و حتی MT دارند.

معایب

با داشتن چنین مزایایی چرا گیربکس CVT در ایران (و در بسیاری از بازارهای جهانی) محبوب نیست و از سوی بسیاری از خودرو دوستان منفور برشمرده می‌شود؟ چرا بسیاری از ایرانیان تنها به دلیل CVT بودن گیربکس یک خودرو از خرید آن سر بازمی‌زنند؟

عدم ارائه لذت رانندگی: رانندگی با گیربکس CVT به دلیل پیوسته بودن فرایند انتقال نیرو، بسیار یکنواخت و کاملا خطی است. این مهم برای کسانی که به افزایش و کاهش صدای دور موتور و وارد آمدن ضربات حاصل از هر بار تعویض دنده عادت دارند، بسیار ناخوشایند و خسته کننده است.

سر و صدا: ساختار بهینه گیربکس CVT ایجاب می‌کند که دور موتور همواره در دوری که بیشترین میزان گشتاور تولید می‌شود، قرار بگیرد. در نتیجه صدا و لرزش طبیعی موتور در این دور که معمولا بالاتر از ۴۰۰۰ است، معمولا در دراز مدت و در جاده‌های صاف و طولانی سوهان روح سرنشینان می‌شود.

ضعف ساختاری: فقط یک مثال از یک خودرو بزنید که با داشتن قدرت بیش از ۳۰۰ اسب بخار از گیربکس CVT بهره‌مند باشد. یا یک شاسی بلند آفرود نام ببرید که ضمن داشتن قابلیت بیراهه نوردی عالی، بر تکنولوژی CVT تکیه کرده باشد. چنین مثال‌هایی وجود خارجی ندارند چرا که گیربکس ضریب متغیر ذاتا در انتقال گشتاور ضعیف است. به عبارت دیگر توان انتقال گشتاور زیاد را ندارد. در نتیجه این گیربکس در هیچ خودرو اسپرت و شاسی بلند آفرودی استفاده نمی‌شود.

حساسیت به رانندگی نامناسب: گیربکس CVT اگرچه به ظاهر کم استهلاک است اما در صورت استفاده نامناسب به سرعت وا می‌دهد. شتاب‌گیری ناگهانی و فشار آوردن بیش از حد و پیاپی به پدال گاز موجب سایش شدید تسمه فلزی بر پولی‌ها و افزایش دمای روغن گیربکس و آسیب‌دیدگی زودهنگام قطعات داخلی می‌شود.

ضعف در شتاب‌گیری: گیربکس CVT ذاتا مکانیزمی بسیار تنبل است. اگر قرار باشد با حساسیت‌های آن مدارا کنید، شتاب‌گیری بسیار کندی به همراه خواهد داشت. همچنین این گیربکس برای آغاز حرکت در سربالایی‌های نسبتا شدید و تحت فشار وزن بالا، به شدت دچار کمبود و بروز هرزگردی میان تسمه و پولی می‌شوند که موضوعی اجتناب ناپذیر و آسیب زننده است.

 تقویت CVT

با توجه به پیشرفت تکنولوژی و ساخت گیربکس‌ اتوماتیک بسیار قدرتمند با قابلیت انتقال گشتاور بیش از ۱۵۰۰ نیوتون.متر، چرا گیربکس‌های CVT را قوی‌تر و مستحکم‌تر نمی‌سازند؟ آیا انجام این کار ممکن نیست؟ چرا ممکن است اما این مهم به معنای استفاده از متریال قدرتمندتر، ابعاد بزرگ‌تر و طراحی پیچیده‌تر است که به افزایش قیمت خیره کننده فرایند تولید منجر شده و ذات اقتصادی و سبک گیربکس CVT را زیر سوال می‌برد. در آن صورت استفاده از یک گیربکس AT با تعداد دنده بالاتر (مثل ۹ یا ۱۰ سرعت) منطقی‌تر از استفاده از یک CVT تقویت شده است.

گیربکس E-CVT و تفاوت آن با CVT

بر خلاف انتظار و آنچه از نام این گیربکس برداشت می‌شود، E-CVT یا همان گیربکس اتوماتیک ضریب متغیر با قابلیت کنترل الکترونیکی، هیچ ارتباط فنی مستقیمی با CVT یا همان گیربکس اتوماتیک ضریب متغیر ندارد. می‌دانیم در تمامی خودروهای مدرن امروزی مجهز به گیربکس CVT، بدون تردید سیستم الکترونیکی کنترل کننده عملکرد گیربکس وجود دارد. از این رو طبیعی است که CVT از دیدگاه نام‌گذاری و حتی عملکرد درونی برای مخاطب یکسان و مشابه برداشت شود، در حالی که این‌طور نیست.

گیربکس E-CVT، جعبه دنده اتوماتیکی است که در خودروهای هیبرید (دارای دو منبع تامین انرژی) به کار می‌رود و به صورت عمومی به عنوان سیستم تقسیم‌کننده توان (Power Splitter) نیز نامیده می‌شود. چراکه ساختار داخلی جعبه دهده E-CVT به آن اجازه می‌دهد که ضمن دریافت گشتاور همزمان از دو ورودی متفاوت (موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی)، به‌صورت مجزا نیز ایفای نقش کند. در نتیجه این گیربکس می‌تواند بر اساس حالت رانندگی مورد نیاز یا به عنوان مثال در صورت تمام شدن انرژی پک باتری یا تمام شدن سوخت فسیلی، تنها با تکیه بر یک منبع انرژی به کار خود ادامه دهد.

این گیربکس همچنین به کمک موتور برقی تامین‌کننده گشتاور، می‌تواند سرعت دورانی پیشرانه (ورودی گیربکس) و سرعت دورانی انتقالی به چرخ‌ها (خروجی گیربکس) را در ایده‌آل‌ترین حالت کنترل کند. از این رو نه‌تنها سرعت پیشرانه بنزینی همواره در دور موتور بهینه (دور موتور تولیدکننده بیشترین گشتاور یا پایین‌ترین دور موتور مورد نیاز به منظور کاهش میزان مصرف سوخت) حفظ می‌شود، بلکه با تامین گشتاور کمکی از سوی موتور یا موتورهای الکتریکی، گشتاور کمکی مورد نیاز برای انتقال به چرخ‌ها نیز بدون هیچ اختلالی در دسترس قرار می‌گیرد.

همچنین لازم به ذکر است که این جعبه دنده به هنگام تمام شدن ظرفیت پک باتری، با انتقال یک طرفه نیرو از سمت موتور احتراق داخلی به سمت چرخ و موتور/ژنراتور، ضمن به حرکت درآوردن خودرو، پک باتری‌ها را نیز شارژ می‌کند.

عملکرد E-CVT و مزایای آن

تمایز عملکرد در E-CVT از این مهم سرچشمه می‌گیرد که بر خلاف CVT، گیربکس E-CVT فاقد زنجیر یا تسمه انتقال‌دهنده نیرو و پولی‌های تنظیم‌شونده دورانی است. در حقیقت مکانیزم انتقال نیرو در داخل گیربکس E-CVT دقیقا همانند مجموعه دنده‌های سیاره‌ای (Planetary) موجود در داخل گیربکس‌های اتوماتیک معمولی (AT) عمل می‌کند. از این رو نه خبری از زنجیر و تسمه انتقال نیرو است و نه پولی‌های رایج در CVT.

توضیح عملکرد دقیق مجموعه سیاره‌ای به‌کاررفته در E-CVT نیازمند ارائه یک مقاله جداگانه است اما به‌صورت خلاصه می‌توان مزایای E-CVT را در ویژگی‌هایی چون موارد زیر دانست.

• حفظ سرعت پیشرانه احتراق داخلی و موتور الکتریکی و چرخ‌ها در بازه مطلوب
• داشتن دوام بیشتر نسبت به CVT (به دلیل عدم استفاده از پولی و زنجیر)
• قابلیت تقسیم سرعت و گشتاور تولیدی موتور احتراق داخلی و موتورهای الکتریکی
• ایفای نقش در جایگاه دیفرانسیل (و در نتیجه حذف دیفرانسیل بین دو چرخ یک محور)
• قابلیت ارائه حالات متنوع رانندگی بر اساس توان تقسیم گشتاور بین دو منشا نیرو

گیربکس E-CVT به بیان ساده

اگر بخواهیم ساختار گیربکس E-CVT را بسیار ساده و بدون توضیحات فنی بیان کنیم، باید بگوییم که E-CVT یک گیربکس اتوماتیک ویژه خودروهای هیبرید (دارای دو منبع تامین کننده گشتاور) است که از دیدگاه درونی دقیقا شبیه به یک گیربکس AT عمل می‌کند. با این تفاوت که در این جعبه دنده، موتور الکتریکی خودرو هیبرید وظیفه استارت زدن پیشرانه احتراق داخلی، تامین برق مورد نیاز خودرو و شارژ پک باتری‌ها (ایفای نقش به عنوان موتور/ژنراتور)، حفظ سرعت پیشرانه احتراق داخلی (حفظ دور موتور) در بازه مطلوب و همچنین تامین گشتاور پیشرانه خودرو را بر عهده دارد.

نتیجه گیری

آیا گیربکس CVT گیربکس بدی است؟ اگر بد است پس چرا تا این حد فراگیر شده است؟ امروزه با استفاده بیشتر از سیستم پرخوران توربوشارژر در پیشرانه محصولات مونتاژی بازار داخلی کشور، ضعف ذاتی گیربکس‌های CVT در شتاب‌گیری کمرنگ‌تر شده و فرایند تولید ساده‌تر و اقتصادی‌تر، استفاده از آن را بهتر توجیح می‌کند.

آیا CVT هم رده گیربکس AT (اتوماتیک معمولی) عمل می‌کند؟ طبیعتا خیر. این دست گیربکس‌ها لذت سواری و دوام گیربکس‌های AT را ندارند اما مصرف سوخت در آن‌ها پایین‌تر و به دلیل داشتن طراحی ساده‌تر و قطعات متحرک کمتر، هزینه تعمیرات کمتری به همراه دارند و از این رو برای تیراژ تولید بالا بسیار مناسب‌تر هستند. اما باید با آن‌ها بسیار مهربان‌تر رفتار کرد. از شتاب‌گیری‌های ناگهانی تحت بار زیاد و در سربالایی‌های تیز خودداری کرد.

به بیان ساده‌تر، گیربکس‌های CVT گیربکس‌های ظریف و اقتصادی خودروهای روزمره درون‌شهری هستند که ویژه ترددهای روزمره و استفاده‌های سبک طراحی شده‌اند و اگرچه بسیاری از برندهای مطرح جهان از جمله رنو و نیسان از گیربکس CVT در ساختار دو دیفرانسیل (AWD) خودروهایی چون رنو کولیوس و نیسان X-Trail (هر دو عرضه شده در بازار ایران) بهره گرفتند، این گیربکس‌ها به هیچ عنوان توان تحمل فشارهای مسیرهای آفرودی و بیراهه را ندارند.

پس اگر مایل به افزایش عمر مفید گیربکس CVT در خودرو خود هستید، از فشار آوردن بی‌مورد و نابجا به آن خودداری کنید و در عوض از میزان مصرف سوخت مناسب آن در مقایسه با گیربکس‌های AT لذت ببرید.

نویسنده: شهاب انیسی