Πως λειτουργεί το μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων: δείτε το video
Ορισμός (4Τ 254, 11/1991)
Συντάκτης: Νίκος Λουπάκης
Ερώτηση: Γιατί τα αυτοκίνητα έχουν κιβώτιο ταχυτήτων και συμπλέκτη;
ΟΙ μηχανές εσωτερικής καύσης που κινούν τα σημερινά αυτοκίνητα λειτουργούν σε ένα συγκεκριμένο εύρος στροφών το οποίο για τους βενζινοκινητήρες ξεκινά από τις 800 περίπου στροφές ανά λεπτό και φτάνει μέχρι τις 6000-7000 (για τους ντίζελ τα αντίστοιχα νούμερα είναι 4000-5000). Μέσα σ' αυτήν τη διαπασών των στροφών οι κινητήρες δεν αποδίδουν την ίδια ισχύ ούτε την ίδια ροπή. Η μεν ισχύς αυξάνεται προοδευτικά με την άνοδο των στροφών του κινητήρα η δε ροπή παίρνει τη μέγιστη τιμή της στο μέσον περίπου της διαπασών των στροφών. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας του αυτοκινήτου μας δεν έχει την ίδια «δύναμη» σε όλη την κλίμακα των στροφών αλλά η δύναμη του αυξάνεται καθώς πιέζουμε το πεντάλ του γκαζιού και ανεβαίνουν οι στροφές. Από την άλλη μεριά το αυτοκίνητο δεν έχει ανάγκη από την ίδια προωθητική δύναμη κατά τη διάρκεια της κίνησής του, μιας και οι συνθήκες και κατά συνέπεια και η αντίσταση που βρίσκει στην κίνησή του διαρκώς μεταβάλλονται. Καθένας καταλαβαίνει ότι όταν το αυτοκίνητο κινείται σε ανηφορικό δρόμο χρειάζεται περισσότερη δύναμη για να κινηθεί από ότι όταν κινείται σε ίσιο δρόμο. Περισσότερη δύναμη χρειάζεται επίσης όταν το αυτοκίνητο ξεκινά και λιγότερη για να διατηρήσει την ταχύτητα που ήδη έχει όταν κινείται.
Για να βεβαιωθείτε για τα παραπάνω δοκιμάστε να σπρώξετε ένα φορτωμένο καρότσι. Θα δείτε ότι θα δυσκολευτείτε στο ξεκίνημα, ενώ στη συνέχεια τα πράγματα θα είναι πιο εύκολα για σας. Σε ανάλογη θέση βρίσκεται και ο κινητήρας του αυτοκινήτου σας. Χρειάζεται λοιπόν να ανέβουν οι στροφές του κινητήρα για να έχουμε στη διάθεσή μας δύναμη. Όμως αν τ' αυτοκίνητα ξεκινούσαν με τον κινητήρα να δουλεύει στις 4000 ή στις 5000 στροφές, ώστε να έχει την απαιτούμενη δύναμη για να επιταχύνει ικανοποιητικά το αυτοκίνητο, ακόμα και αν υπήρχαν τα κατάλληλα συστήματα μετάδοσης που να εξασφαλίζουν την απότομη μετάδοση της κίνησης στους τροχούς, τα λάστιχα δεν θα άντεχαν πολλές τέτοιες εκκινήσεις. Γιατί δεν υπάρχει λάστιχο που να μπορεί να διατηρήσει την επαφή του με το οδόστρωμα κάτω από αυτές τις συνθήκες. Θα είχαμε λοιπόν ένα τρελό «σπινάρισμα» που γρήγορα θα οδηγούσε στο «κάψιμο» των ελαστικών.
Στην υποθετική περίπτωση τέλος που θα υπήρχαν τόσο τα κατάλληλα λάστιχα όσο και τα κατάλληλα συστήματα μετάδοσης, δεν θα ήταν ιδιαίτερα ευχάριστη για τους επιβάτες η απότομη εκκίνηση. Από την άλλη μεριά αν τ' αυτοκίνητα ξεκινούσαν με τον κινητήρα να προσπαθεί να ανεβάσει στροφές από το ρελαντί τότε πέρα από το γεγονός του ότι οι επιδόσεις θα χειροτέρευαν δραματικά, σε πολλές περιπτώσεις (εκκίνηση σε δρόμο με μεγάλη ανωφέρεια) το αυτοκίνητο απλώς δεν θα μπορούσε να ξεκινήσει.
Πηγή Wikipedia
Τη λύση στο πρόβλημα τη δίνει εδώ και πάρα πολλά χρόνια το κιβώτιο ταχυτήτων που συνοδεύεται από
τον απαραίτητο συμπλέκτη. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ένας μηχανισμός αποτελούμενος από οδοντωτούς τροχούς (γρανάζια) που χρησιμεύει για την προσαρμογή της ροπής και των στροφών του κινητήρα στις ανάγκες της κίνησης. Τα γρανάζια κινούν το ένα το άλλο σε διαφορετικούς συνδυασμούς, η κίνηση δηλαδή δεν «περνά» από όλα τα γρανάζια κάθε φορά, αλλά από συγκεκριμένα, ανάλογα με τη σχέση που επιλέγει ο οδηγός. Ο κάθε τέτοιος συνδυασμός εξασφαλίζει διαφορετική σχέση μετάδοσης. Κάθε σχέση μετατρέπει σε διαφορετικό βαθμό τη ροπή («δύναμη» που έχει το αυτοκίνητο) και τις στροφές που μεταδίδονται από τον κινητήρα στους τροχούς. Στην περίπτωση που η ροπή μεγαλώνει οι στροφές μειώνονται και αντίστροφα. Περισσότερη δύναμη έχουμε όσο προχωράμε από την 5η ή την 4η σχέση προς την 1η. Αυτός είναι και ο λόγος που όταν ξεκινάμε (οπότε χρειαζόμαστε δύναμη) επιλέγουμε την 1η ταχύτητα και στη συνέχεια επιλέγουμε 2η, 3η κ.ο.κ. Για τον ίδιο λόγο όταν ο δρόμος γίνεται ανηφορικός ή όταν θέλουμε να προσπεράσουμε κάποιο αυτοκίνητο «κατεβάζουμε ταχύτητα», επιλέγουμε δηλαδή την 3η αν προηγουμένως είχαμε επιλέξει 4η ή την 2η αν είχαμε επιλέξει την 3η ή ακόμα μπορεί να χρειαστεί να «κατεβάσουμε» δύο ταχύτητες μαζί.
Ό,τι κερδίζουμε όμως σε δύναμη το χάνουμε σε ταχύτητα, αφού οι τροχοί περιστρέφονται με μικρότερη συχνότητα (λιγότερες στροφές), όταν έχει επιλεγεί για παράδειγμα η 1η και με μεγαλύτερη όταν έχει επιλεγεί η 3η ή η 4η. Γι' αυτόν το λόγο η μέγιστη ταχύτητα των αυτοκινήτων επιτυγχάνεται με 4η ή με 5η. Οι αλλαγές των σχέσεων δεν θα μπορούσαν να γίνουν αν δεν υπήρχε δυνατότητα διακοπής της μετάδοσης της κίνησης από τον κινητήρα στο κιβώτιο. Σε αυτήν την περίπτωση δεν θα μπορούσαμε ούτε να σταματήσουμε το αυτοκίνητο μας με αναμμένη μηχανή. Γι' αυτόν το λόγο υπάρχει ο συμπλέκτης ο οποίος βρίσκεται ανάμεσα στο κιβώτιο ταχυτήτων και τη μηχανή. Τα παραπάνω δεν ισχύουν μόνο για τα χειροκίνητα, αλλά και για τα αυτόματα κιβώτια, που σε αντίθεση με αυτό που νομίζουν πολλοί, έχουν ταχύτητες. Η διαφορά τους με τα χειροκίνητα, πέρα από τη διαφορετική διάταξη των γραναζιών, βρίσκεται στο ότι αυτά επιλέγουν μόνα τους τη σχέση μετάδοσης. Διαφορετικός είναι και ο συμπλέκτης ώστε να μην χρειάζεται το πάτημα του αντίστοιχου πεντάλ από τον οδηγό, το οποίο πεντάλ όπως είναι γνωστό, στα «αυτόματα» αυτοκίνητα δεν υπάρχει. Περισσότερα όμως για το κιβώτιο και το συμπλέκτη στο επόμενο τεύχος.
Αρχές λειτουργίας (4Τ 255, 12/1991)
Συντάκτης: Νίκος Λουπάκης
Όλοι, λίγο πολύ, έχουμε ακούσει για τον Αρχιμήδη και για τις διάφορες ανακαλύψεις και εφευρέσεις του. Μία από αυτές είναι και ο μοχλός με τον οποίο ο αρχαίος Έλληνας σοφός δήλωνε, θέλοντας να τονίσει τις δυνατότητές του, ότι μπορεί να κινήσει ακόμα και τη Γη αν είχε μέρος να σταθεί.
Σχήμα 1
Πολλοί αιώνες πέρασαν από τότε, η επιστήμη και η τεχνολογία έχουν να επιδείξουν φοβερά επιτεύγματα σε όλους τους τομείς, ο μοχλός όμως όχι μόνο δεν ξεχάστηκε αλλά χρησιμοποιείται καθημερινά από όλους μας (συνειδητά ή ασυνείδητα) σε χίλιες δύο παραλλαγές του, κάνοντας τη ζωή μας πιο εύκολη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα χρησιμοποίησης του μοχλού είναι και ο τρόπος που ανοίγουμε ένα τενεκεδένιο κουτί (π.χ. με μπογιά) χρησιμοποιώντας ένα κατσαβίδι (βλ. σχήμα 1). Η προσπάθεια που καταβάλλουμε για να ανοίξουμε το κουτί με αυτόν τον τρόπο, είναι πολύ μικρότερη από την προσπάθεια που θα χρειαζόταν να καταβάλουμε αν επιχειρούσαμε να ανοίξουμε το κουτί τραβώντας το καπάκι προς τα πάνω. Αυτό οφείλεται στο ότι ο μοχλός «πολλαπλασιάζει» τη δύναμη που εμείς εφαρμόζουμε. Ο βαθμός πολλαπλασιασμού εξαρτάται από τις αποστάσεις α και β από το υπομόχλιο Δ, των σημείων εφαρμογής της ωφέλιμης δύναμης F και της δύναμης που θέλουμε να υπερνικήσουμε Β, αντίστοιχα. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση ή όσο μικρότερη είναι η απόσταση β, τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός αυτός. Ό,τι κερδίζουμε όμως σε δύναμη το χάνουμε σε απόσταση (ή σε ταχύτητα) οπότε η απόσταση που θα καλύψει το χέρι μας θα είναι αντίστοιχα μεγαλύτερη από την απόσταση που θα καλύψει η άκρη του καπακιού.
Τα παραπάνω εξηγούνται με την εμφάνιση ενός γνωστού μεγέθους, της ροπής, που ισούται με το γινόμενο της δύναμης επί την απόστασή της από το σημείο περιστροφής (υπομόχλιο στη συγκεκριμένη περίπτωση). (Περισσότερα για τη ροπή εδώ).
Σχήμα 2
Δημιουργείται τώρα το ερώτημα τί σχέση έχουν όλα αυτά με τα κιβώτια ταχυτήτων.
Αν στη θέση του μοχλού φανταστούμε έναν οδοντωτό τροχό (βλ. σχήμα 2) θα γίνει αμέσως κατανοητή αυτή η σχέση. Η ακτίνα του οδοντωτού τροχού αντιστοιχεί στην απόσταση β του μοχλού. Με δεδομένη τη ροπή του άξονα (ροπή του κινητήρα) μπορούμε να αλλάξουμε τη δύναμη F που θα εξασκήσει το κάθε δόντι του γραναζιού αλλάζοντας την ακτίνα του ή με απλά λόγια: μικρότερο γρανάζι - μεγαλύτερη δύναμη, μεγαλύτερο γρανάζι - μικρότερη δύναμη.
Προφανές είναι το ότι ισχύει και εδώ η γνωστή αρχή πως ό,τι κερδίζουμε σε δύναμη το χάνουμε σε απόσταση (ταχύτητα), αφού στην περίπτωση των γραναζιών του σχήματος χρειάζονται πολλές περιστροφές του μικρότερου γραναζιού για μία περιστροφή του μεγαλύτερου γραναζιού. Αν τώρα στη θέση της δύναμης Β φανταστούμε τα «δόντια» κάποιου άλλου γραναζιού το οποίο είναι τοποθετημένο σε έναν άλλο άξονα και έχει να υπερνικήσει κάποια «δύναμη» (ροπή αντίστασης), μπορούμε να καταλάβουμε τί συμβαίνει στο κιβώτιο ταχυτήτων και τί σημαίνει σχέση μετάδοσης.
Όσο μικρότερο είναι το πρώτο γρανάζι και όσο μεγαλύτερο το δεύτερο τόσο περισσότερο «μεγαλώνει» η «δύναμη» (σωστότερα: ροπή) που μεταδίδει ο άξονας εξόδου (προς το διαφορικό) ή αν θέλετε, τόσο μεγαλώνει η σχέση μετάδοσης που ισούται με το πηλίκο της διαμέτρου του δευτέρου γραναζιού προς τη διάμετρο του πρώτου i=d2/d1, και δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη είναι η τελική ροπή από την αρχική, καθώς επίσης και πόσες φορές μικρότερη είναι η τελική ταχύτητα από την αρχική.
Σχήμα 3
Όπως είχαμε πει και στο προηγούμενο τεύχος το κιβώτιο ταχυτήτων αποτελείται από πολλούς άξονες και γρανάζια. Τα γρανάζια κινούν το ένα το άλλο σε διαφορετικούς συνδυασμούς, η κίνηση δηλαδή δεν «περνά» από όλα τα γρανάζια κάθε φορά, αλλά από ορισμένα μόνο, ανάλογα με τη θέση του μοχλού του κιβωτίου (βλ. σχήμα 3). Ο κάθε τέτοιος συνδυασμός εξασφαλίζει διαφορετική (συνολικά για το κιβώτιο) σχέση μετάδοσης. Αν στα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός αυτοκινήτου δούμε ότι η σχέση μετάδοσης της 1ης είναι 3.111 αυτό σημαίνει ότι η ροπή του κινητήρα μεγαλώνει 3.111 φορές με επιλεγμένη αυτήν τη σχέση στο κιβώτιο (εδώ δεν αναφερόμαστε στο διαφορικό και τους τροχούς που και αυτά έχουν την επίδρασή τους στη διαμόρφωση της συνολικής σχέσης μετάδοσης του αυτοκινήτου).
Η σχέση μετάδοσης μικραίνει όσο προχωράμε από την 5η ταχύτητα προς την 1η, δηλαδή ελαττώνεται η ροπή που μεταδίδεται στους τροχούς (μειώνεται η διαθέσιμη «δύναμη» του αυτοκινήτου μας) ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται η ταχύτητα που αναπτύσσει το αυτοκίνητο. Γι' αυτόν το λόγο όταν ξεκινάμε επιλέγουμε την 1η ταχύτητα και στη συνέχεια επιλέγουμε 2η, 3η κ.ο.κ., ενώ η μέγιστη ταχύτητα των αυτοκινήτων επιτυγχάνεται με 4η ή με 5η.
