شناخت نخستین جعبه‌دنده ۹ سرعته جهان

جعبه‌دنده‌های اتوماتیک نصب شده در خودرو‌های سواری از آغاز رواجشان در دهه ۵۰ میلادی تا دهه اول قرن بیست‌و‌یکم هر چند در بسیاری زمینه‌ها تغییراتی را شاهد بوده‌اند اما ساختار آن‌ها در طی بیش از نیم قرن تغییر عمده‌ای نکرده است و همچنان بر پایه اصولی کار می‌کنند که در آغاز بر مبنای آن ساخته شده‌اند. در این میان در مقابل پیشرفت‌های زیادی که در زمینه قابلیت اعتماد و شیوه‌های کنترلی آن‌ها به وجود آمده است، پیشرفت در تعداد دنده‌های آن‌ها تا چند سال پیش بسیار کند بود.
شروع با جعبه‌دنده‌های دو سرعته

جعبه‌دنده‌های اتوماتیک اولیه تنها دو دنده داشتند در حالی که در همان زمان جعبه‌دنده‌های دستی سه دنده یک استاندارد رایج در صنعت خودرو بودند و انواع چهاردنده نیز دیده می‌شد. در طی نیم قرن بعد و تا زمان رسیدن به قرن بیست‌و‌یکم در حالی که جعبه‌دنده‌های دستی در خودرو‌های سواری به  شش دنده جلو رسیده بودند و جعبه‌دنده‌های پنج دنده یک استاندارد عمومی در صنعت خودروسازی بود، جعبه‌دنده‌های اتوماتیک همچنان چهار سرعته بودند و جعبه‌دنده‌های پنج سرعته هنوز سهم بسیار اندکی از بازار داشتند. شاید نیم قرن برای رسیدن از دو دنده به چهار دنده در جعبه‌دنده‌های اتوماتیک زمان بسیار زیادی باشد چرا که در این مدت خودرو‌ها در زمینه‌های دیگر پیشرفت‌های بزرگی را تجربه کرده بودند اما موانعی در سر راه توسعه جعبه‌دنده‌ها وجود داشت که مانع از دستیابی به تعداد دنده بالا در این سیستم می‌شد. اما به نظر می‌رسد در چند سال اخیر صنعت خودرو‌سازی توانسته بر این موانع غلبه کند تا آنجا که اکنون صحبت از جعبه‌دنده‌های ۹ دنده است و احتمالاً همین زمان که مشغول خواندن این مطلب هستید در گوشه‌ای از جهان جرقه‌های اولیه سیستم‌های ۱۰ دنده نیز زده شده!
بازی با مرسدس‌بنز آغاز شد

یکی از آغازگران این جنگ، دایملر بنز بود که در سال ۲۰۰۳، جعبه‌دنده اتوماتیک هفت‌دنده خود را با نام ۷G به عنوان جایگزین سری ۵G به بازار معرفی کرد تا از رقیب همیشگی خود ب‌ام‌و  که از سیستم شش‌دنده استفاده می‌کرد جلو بیافتد. جای دادن هفت دنده در این سیستم برای آن زمان یک نوآوری بسیار بزرگ بود که محصولات مرسدس‌بنز را بالاتر از رقبای خود قرار می‌داد اما لکسس در سال ۲۰۰۷ با معرفی نسل جدید سری LS خود، ناگهان بازار و رقبا را شوکه کرد. در این خودرو برای نخستین بار در جهان جعبه‌دنده هشت سرعته اتوماتیک نصب شده بود. چندی بعد شرکت ZF آلمان تولید انبوه این جعبه‌دنده را آغاز کرد و در حال حاضر بسیاری از شرکت‌های بزرگ از جمله پورشه و بنتلی از این محصول بر روی محصولات رده بالای خود بهره می‌گیرند. اما این هنوز برای ZF کافی نبود و این شرکت آلمانی تصمیم گرفت برای نشان دادن توان فنی خود در مقابل رقبا، جعبه‌دنده اتوماتیک ۹ سرعته را روانه بازار کند.
تولد ۹ دنده‌ها

در شرایطی که خودرو‌های تمام الکتریکی و هیبرید به دنبال کاهش مصرف سوخت و آلایندگی خودرو‌ها هستند، شرکت آلمانی ZF با نزدیک به یک قرن سابقه در طراحی و ساخت قطعات مختلف خودرو، ایده بهتری برای کاهش مصرف سوخت خودرو‌ها را پیشنهاد می‌کند و آن افزایش تعداد دنده‌های جعبه‌دنده‌های اتوماتیک است. این شرکت با معرفی جعبه‌دنده‌های هشت سرعته اتوماتیک در سال ۲۰۰۸  و تولید انبوه آن‌ها، انقلابی در زمینه جعبه دنده‌های اتوماتیک ایجاد کرد و از آن تاریخ تاکنون بیش از یک میلیون جعبه‌دنده هشت سرعته اتوماتیک را به فروش رسانده است. اما این پایان راه ZF نبود و این شرکت تحقیق بر روی ساخت نمونه‌ای جدیدتر را در پیش گرفت که حاصل آن جعبه‌دنده ۹ سرعته اتوماتیک موسوم به ۹HP بود که در اوایل سال جاری میلادی رونمایی شد. این جعبه‌دنده که اولین نمونه از نوع خود در جهان است، به طور اختصاصی برای نصب بر روی خودرو‌های سواری دیفرانسیل جلو طراحی و ساخته شده است. نمونه‌های قبلی این جعبه‌دنده‌ها به دلیل ابعاد بزرگ خود، تنها قالبیت نصب بر روی خودرو‌های دیفرانسیل عقب و یا چهار‌چرخ متحرک را داشتند چرا که در این خودرو‌ها جعبه‌دنده در طول خودرو نصب می‌شود و طول بلند آن مشکل چندانی ایجاد نمی‌کند. اما وقتی قرار باشد این جعبه‌دنده در عرض خودرو و در کنار موتور نصب شود، هر سانتی‌متر اضافه در طول و یا عرض مشکل‌ساز خواهد شد. به همین دلیل هر چند اصول کاری جعبه‌دنده ۹ سرعته بر مبنای جعبه دنده هشت سرعته است اما با اعمال تغییراتی در آن تلاش شده ابعادش به حداقل ممکن برسد.
گیربکس‌های هوشمند

این جعبه‌دنده کاملاً هوشمند است و نرم‌افزار‌های آن به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که از یک طرف حداقل مصرف سوخت و آلایندگی را ایجاد کنند و از طرف دیگر آسایش سرنشنان را تامین کنند ضمن آنکه قابلیت‌های اسپرت نیز در آن مدنظر قرار گرفته است. در کنار این‌ها برنامه‌ریزی این جعبه‌دنده به گونه‌ای است که اشتباهات راننده نمی‌تواند به آن آسیبی وارد کند. در این جعبه‌دنده راننده می‌تواند جدای از برنامه تعویض خودکار دنده‌ها، با استفاده از کنترل‌های دستی نیز دنده‌ها را تعویض کند و به همین دلیل احتمال دارد با تعویض دنده‌های اشتباه باعث آسیب به جعبه‌دنده شود. همان‌گونه که پیش از این بارها اشاره کرده‌ایم جعبه‌دنده‌های اتوماتیک در مقابل این مساله بسیار آسیب‌پذیرند و با توجه به آنکه جا نرفتن دنده اشتباه در آن‌ها معنی ندارد، ممکن است با اشتباه راننده در تعویض‌دنده‌ها در حالت دستی آسیب جبران‌ناپذیری ببینند. برای رفع این مشکل، در این جعبه‌دنده مانند سایر جعبه‌دنده‌های هوشمند، برنامه حفاظتی در نظر گرفته شده است تا تصمیمات راننده را در کسری از ثانیه ارزیابی کند و هرگونه تصمیم اشتباه از سوی وی را تصحیح کند.
ZF این جعبه‌دنده را در دو نوع عرضه کرده است که توانایی تحمل گشتاور‌های مختلف را دارند. مدل نخست حداکثر می‌تواند تا ۲۸۰ نیوتن‌متر گشتاور را تحمل کند اما در مدل دوم این گشتاور تا ۴۸۰ نیوتن‌متر می‌رسد. این جعبه‌دنده هر چند در آغاز برای خودرو‌های دیفرانسیل جلو توسعه پیدا کرده است اما می‌توان آن را بر روی خودرو‌های چهارچرخ متحرک و حتی نمونه‌های هیبرید نیز نصب کرد. ZF برای این منظور یک کیت تبدیل را طراحی کرده است تا بتواند کاربرد‌های این جعبه‌دنده را در آینده توسعه دهد.
تعویض در دور موتور پایین‌تر
جعبه‌دنده‌های اتوماتیک نسل قبلی در زمان تعویض‌دنده معکوس و یا مستقیم ناچار بودند دنده‌ها را به ترتیب طی کنند اما برنامه این جعبه‌دنده این اجازه را می‌دهد که چند دنده معکوس و یا مستقیم اعمال شود. هدف اصلی از معرفی این جعبه‌دنده جدید کاهش مصرف سوخت خودرو‌ها است چرا که این جعبه‌دنده نسبت به نمونه شش سرعته‌ای که در حال حاضر در خودرو‌های دیفرانسیل جلو نصب می‌شود می‌تواند تا ۱۶درصد کاهش مصرف سوخت داشته باشد که علت آن وجود دنده‌های بیشتر و امکان تعویض سریع‌تر دنده‌ها در جعبه‌دنده است ضمن آنکه ضریب دنده نهایی کوچک‌تری نیز نسبت به انواع شش سرعته دارد. این ضریب کوچک‌تر به خودرو این امکان را می‌دهد که برای حرکت با سرعت‌های بالا، دور موتور پایین‌تری داشته باشد. به عنوان مثال در سرعت ۱۲۰ کیلومتر در ساعت، با جعبه‌دنده ۹ سرعته دور موتور ۱۹۰۰ خواهد بود در حالی که با جعبه‌دنده شش سرعته دور موتور باید حدود ۲۶۰۰ باشد که این امر به معنی کاهش مصرف سوخت با جعبه‌دنده‌های جدید خواهد بود.
یکی دیگر از مواردی که برای کاهش مصرف سوخت در جعبه‌دنده جدی  لحاظ شده است، امکان استفاده از سیستم خاموش شدن خودکار خودرو در زمان توقف است. این سیستم هر چند این روزها چندان تازگی ندارد اما در این جعبه‌دنده به صورت استاندارد نصب شده است بدون آنکه نیازی به بهره‌گیری از پمپ روغن اضافه باشد.
هر چند کنترل‌های جعبه‌دنده جدید الکترونیکی است اما برخلاف بسیاری از رقبا، ZF همه چیز را بر عهده سیستم‌های الکترونیکی نگذاشته است و در کنار سیستم‌های کنترل الکتریکی رایج، یک سیستم کنترل هیدرولیکی نیز بر روی این جعبه‌دنده نصب شده است. رایانه‌ای که وظیفه کنترل این جعبه‌دنده را بر عهده دارد به گونه‌ای طراحی شده که امکان توسعه در آینده را نیز فراهم می‌کند.  در حال حاضر این رایانه حداکثر از ۷۰درصد توان خود استفاده می‌کند و ZF، درصد باقیمانده از توان تحلیل این رایانه را برای شرکت‌های خودروسازی باقی گذاشته است تا در صورتی که تمایل دارند تغییراتی در جعبه‌دنده بدهند بتوانند از آن استفاده کنند. اما این پایان ماجرا نیست. شرکت‌های خودرو‌سازی می‌توانند به میل خود سرعت تعویض‌دنده و زمان آن را تغییر دهند.
این امر به شرکت‌ها این امکان را می‌دهد تا از این جعبه‌دنده بر روی مدل‌های مختلف استفاده کنند و برای هر مدل بر حسب خریداران و کاربرد خودرو، تغییراتی در جعبه‌دنده اعمال کنند. سرعت تعویض دنده‌ها در این جعبه‌دنده در حالت استاندارد نیز بالا است و هر چند ZF رقمی در این خصوص اعلام نکرده اما یکی از مدیران این شرکت اطمینان داده است سرعت تعویض آنقدر بالا است که دور موتور خودرو کمترین افت ممکن را شاهد باشد تا بتواند در تمام مدت حرکت دور موتور بهینه را حفظ کند ضمن آنکه دنده‌ها با آرامش تعویض می‌شوند تا سرنشینان ضربه ناشی از آن را احساس نکنند.
این جعبه‌دنده قرار است در کارخانه ZF در آمریکا تولید شود هر چند احتمالاً با افزایش تقاضا تولید آن در سایر کارخانه‌های این شرکت نیز آغاز خواهد شد. این شرکت برای نسل جدید جعبه‌دنده‌هایش برنامه‌های بلند مدتی دارد و اعلام کرده به زودی با ورود این محصول به بازار، شرکت‌ها باید با جعبه‌دنده اتوماتیک شش سرعته خداحافظی کنند چرا که از سال ۲۰۱۴ دیگر جعبه‌دنده‌های شش سرعته که این روز‌ها بیشتر برای خودرو‌های دیفرانسیل جلو به کار می‌روند تولید نخواهند شد.
دنده بیشتر؛ مشکلات و مزایا

اما چرا این نبرد در تعداد دنده‌های جعبه‌دنده اتوماتیک در گرفته است؟ دنده‌های بیشتر چه کمکی به خودرو می‌کنند؟
برای پاسخ به این پرسش‌ها باید از مفهومی به نام ضریب دنده آگاهی داشت. هر چند پیش از این و در همین صفحه به طور کامل در این زمینه توضیح داده‌ایم اما به عنوان توضیح کوتاه، ضریب دنده‌ها در جعبه‌دنده خودرو از تقسیم تعداد دندانه‌های چرخ دنده متصل به موتور بر تعداد دندانه‌های چرخ‌دنده متصل به محور خروجی به دست می‌آید.
این نسبت معمولاً به صورت عددی در مقابل یک (ماننده ۲.۳:۱) بیان می‌شود و نشان‌دهنده آن است که با چند دور چرخش محور ورودی، محور خروجی یک دور می‌چرخد. در جعبه‌دنده خودرو‌ها این نسبت از اعدادی بزرگ‌تر از یک آغاز می‌شود و در نهایت به اعدادی کوچک‌تر از یک می‌رسد به این معنی که در دنده‌های سنگین نسبت بزرگتر از یک است و به عنوان مثال در عدد بالا، با ۲.۳ چرخش در محور ورودی، محور خروجی یک دور می‌چرخد. در این دنده‌ها خودرو نمی‌توان سرعت بالایی بگیرد اما قدرت لازم برای شروع حرکت و حمل بار را دارد. با افرایش سرعت راننده دنده‌ها را سبک‌تر می‌کند تا در نهایت مثلاً به دنده نهایی با نسبت ۰.۸:۱ می‌رسد به این معنی که با ۰.۸ چرخش در محور ورودی، محور خروجی یک دور می‌چرخد و به این ترتیب چرخش محور خروجی سریع‌تر است و خودرو می‌توان به سرعت‌های بالا دست پیدا کند.
چالش‌ها در طراحی جعبه‌دنده
طراحان جعبه‌دنده با چند چالش در زمان طراحی جعبه‌دنده‌ها مواجه‌اند. از یک طرف نباید فاصله میان دنده‌ها زیاد باشد چرا که در این صورت موتور خودرو در زمان سبک کردن دنده‌ها از توان کافی برای ادامه حرکت برخوردار نیست.
در کنار این ضریب دنده یک باید به گونه‌ای باشد که خودروی سواری با بار کامل در یک سربالایی معقول توان حرکت داشته باشد و در یک خودروی اسپرت آنقدر کوچک باشد که علاوه بر این، بتواند شتاب بالای خودرو در زمان شروع حرکت را تضمین کند. در مقابل ضریب دنده‌های آخر باید تا حد امکان کم باشد تا خودرو با کمترین دور موتور بتواند به بیشترین سرعت دست پیدا کند و از این طریق علاوه بر افزایش سرعت، مصرف سوخت خودرو نیز کاهش یابد.
در نهایت با توجه به قدرت و به ویژه گشتاور موتور، باید ضرایب دنده به شکل مناسب انتخاب شوند تا هم به جعبه‌دنده آسیب نرسد و هم توان حرکتی خودرو به هدر نرود. همین پیچیدگی‌ها است که باعث می‌شود گاهی رانندگان از نامناسب بودن ضرایب جعبه دنده‌ها اظهار نارضایتی کنند و گاهی می‌شنویم گفته می شود بین دو دنده (به خصوص دنده‌های سنگین) یک دنده کم است.

تعداد دنده‌های بیشتر چرا؟
مجموعه این چالش‌ها باعث شده طراحان همواره با روند افزایش قدرت موتورها، به فکر افزایش تعداد دنده‌های جعبه‌دنده باشند تا بتوانند در دنده‌های سنگین، ضرایب بالا را برای شروع حرکت به کار گیرند و در دنده‌های سبک برای افزایش سرعت خودرو دنده‌هایی با ضرایب کوچک‌تر را استفاده کنند.
افزایش تعداد دنده‌ها در جعبه‌دنده‌های دستی خودرو‌های سواری محدودیت‌هایی دارد چرا که افزایش تعداد دنده‌ها تعویض دنده را برای راننده دشوار می‌کند و به همین دلیل تا به حال جعبه‌دنده دستی بالاتر از شش سرعته در خودرو‌های سواری عمومیت پیدا نکرده است. اما این افزایش تعداد دنده‌های در جعبه‌دنده‌های اتوماتیک مشکل دیگری را باعث می‌شود.
در این جعبه دنده‌ها مشکلی از بابت تعویض تعداد زیاد دنده وجود ندارد چرا که راننده عملاً دخالتی در این زمینه نخواهد داشت بلکه مشکل در ابعاد این جعبه‌دنده‌ها است. به دلیل طراحی خاص جعبه دنده‌های اتوماتیک، ابعاد آن‌ها معمولاً بزرگتر از جعبه‌دنده‌های دستی است و با افزایش تعداد دنده‌ها این افزایش ابعاد مشکل بزرگی برای طراحان اتومبیل به وجود می‌آورد ضمن آنکه بر پیچیدگی‌های طراحی جعبه‌دنده نیز می‌افزاید. اما با نسل جدید جعبه دنده‌های اتوماتیک که از چند مجموعه مجزا دنده‌ها استفاده می‌کنند این مشکلات برطرف شده است و اکنون جعبه‌دنده‌های ۹ سرعته برای خودرو‌های دیفرانسیل جلو آماده عرضه به بازار هستند.

منبع:دنیای خودرو