كيف يعمل ناقل الحركة اليدوي: بدّل السرعات في نموذج مقطوع

ماذا يعرض النموذج

ناقل الحركة اليدوي يوصل قدرة المحرك إلى العجلات عبر عدة نسب، ولذلك تزحف السيارة نفسها في موقف السيارات وتنطلق على الطريق السريع بمحرك واحد. قد تبدّل السرعات مئات المرات في ساعة إذا قدت سيارة يدوية داخل المدينة. المحرك لا يغيّر رأيه أبدًا في السرعة التي يحب أن يدور بها، ومع ذلك تستطيع السيارة أن تزحف أو أن تنطلق. الصندوق الواقع بين القابض وعمود الإدارة هو الذي يتيح ذلك، وهذا المعروض يقطعه ليريك داخله.

النموذج علبة سرعات بخمس سرعات لسيارة محركها في الأمام ودفعها إلى العجلات الخلفية. قُطع نصف الغلاف. القابض على اليسار حيث يُثبَّت المحرك، ويخرج عمود الخرج من اليمين. استخدم ذراع السرعات في زاوية المشهد 3D لتبديل السرعة. يُعرض التسلسل ببطء لترى القابض ينفتح والجلبة تنزلق وحلقة التزامن النحاسية تؤدي عملها والأسنان تُقفل. تعرض اللوحة سرعة كل عمود وسرعة السيارة المقابلة لها. يتيح لك خيار «بدّل دون قابض» تجربة الشيء الوحيد الذي يحذّرك منه كل مدرّب قيادة.

لماذا يحتاج المحرك إلى أكثر من نسبة واحدة

يعطي محرك البنزين قدرة مفيدة في نطاق ربما بين 1,500 و6,000 rpm. دون ذلك يتوقف أو يتعثر، وفوقه يلهث. أما السيارة فعليها أن تنتقل من سرعة المشي إلى أكثر بكثير من 100 km/h. لو كان المحرك موصولًا بالعجلات بنسبة ثابتة واحدة لأمكنك اختيار نسبة تنطلق بالسيارة بحيوية أو نسبة تسير بهدوء، لا الاثنتين معًا.

لذلك يقدّم ناقل الحركة مجموعة من النسب. في السرعة الأولى يدور المحرك دورات كثيرة مقابل كل دورة للعجلات، فيتضاعف العزم وتستطيع السيارة الانطلاق صعودًا. وفي الخامسة يدور المحرك أقل من عمود الإدارة، فتقطع السيارة المسافة بسرعة محرك مريحة. يختار السائق النسبة التي تُبقي المحرك في نطاقه المريح عند سرعة اللحظة.

كيف تنتقل القدرة عبر ثلاثة أعمدة

تتبّع الحركة من المحرك إلى عمود الإدارة.

1. القابض. الحدافة مثبتة بعمود مرفق المحرك. يضغط نابض الحجاب قرص القابض بين الحدافة ولوحة الضغط، والقرص مخدَّد على عمود الدخل.
2. عمود الدخل. يحمل ترسًا واحدًا بـ 23 سنًّا يتعشّق دائمًا مع ترس بـ 33 سنًّا على العمود الوسيط.
3. العمود الوسيط. عمود فولاذي واحد نُحتت عليه ستة تروس. يدور عكس اتجاه عمود الدخل بسرعة 23 ÷ 33 من سرعته.
4. تروس عمود الخرج. كل ترس في العمود الوسيط يتعشّق مع نظير له على عمود الخرج. هذه النظائر غير مثبتة على عمود الخرج. إنها تدور على محامل إبرية، كلٌّ بسرعته.
5. الجلبات. ثلاث جلبات منزلقة تجلس على محاور مخدَّدة على عمود الخرج. حين تنزلق جلبة جانبيًّا فوق أسنان التعشيق على جانب ترس يُقفل هذا الترس على العمود وتمرّ الحركة عبره.
6. عمود الخرج. يصطف مع عمود الدخل ويعيد الحركة إلى عمود الإدارة والمحور الخلفي.

السرعة الرابعة حالة خاصة. تستطيع جلبة 3-4 أن تقفل ترس الدخل نفسه على عمود الخرج، فيدور العمودان معًا ويُتجاوَز العمود الوسيط. يسمى هذا النقل المباشر، وتكون النسبة 1 تمامًا.

النسب وسرعة السيارة عند 3,000 rpm

أرقام النموذج قيم نموذجية اختيرت لتشبه علبة نمطية بخمس سرعات، ولم تؤخذ من سيارة بعينها. كل زوج أمامي مجموع أسنانه 56، فتناسب كلها المسافة نفسها بين الأعمدة. نسبة كل سرعة هي نسبة التعشيق الدائم مضروبة في نسبة زوجها:

النسبة = (33 ÷ 23) × (ترس عمود الخرج ÷ ترس العمود الوسيط)

لتحويل دوران المحرك إلى سرعة سيارة تلزمك رقمان آخران. المخفّض النهائي في المحور الخلفي 43 : 11، أي 3.909. والإطارات 205/55 R16، أي طوق بقطر 16 بوصة (406.4 mm) وجداران جانبيان ارتفاع كلٍّ منهما 55% من 205 mm. فيكون قطر الإطار 631.9 mm ومحيطه 1.985 m. في السرعة 3:

سرعة العجلة = 3,000 ÷ (1.435 × 3.909) = 534.9 rpm

سرعة السيارة = 534.9 × 1.985 m × 60 ÷ 1,000 = 63.7 km/h

تتبع الصفوف الأخرى الخطوات نفسها. من سرعة إلى التي تليها تنخفض النسبة بعوامل 1.77 و1.55 و1.44 و1.26. تصغر الدرجات نحو الأعلى، وهذا معتاد: عند السرعة العالية يرتفع سحب الهواء بشدة، وفجوة صغيرة بين الرابعة والخامسة تُبقي المحرك قرب أفضل سرعاته عند الرفع. والمدى من الأولى إلى الخامسة 4.92.

ماذا تفعل النسب بالعزم وبالقوة عند العجلات

لا يحاكي النموذج عزم المحرك، فيستعير هذا المثال رقمًا. افترض أن المحرك يعطي 150 N·m عند 3,000 rpm. هذه قيمة مفترضة لمحرك بنزين صغير، لا قياس. عند تلك السرعة ينتج 150 × 2π × 3,000 ÷ 60 = 47.1 kW، ولا تستطيع علبة السرعات أن تضيف إليها شيئًا. إنها تبادل السرعة بالقوة فقط. العزم عند العجلات هو عزم المحرك مضروبًا في النسبة الكلية، والدفع عند الطريق هو ذلك العزم مقسومًا على نصف قطر الدحرجة، وهو 0.316 m للإطار 205/55 R16 في النموذج.

يؤكد فحصان اتساق الجدول. في السرعة 1 تساوي 7,278 N عند 23.3 km/h (6.47 m/s) القدرة 47.1 kW، قدرة المحرك. وفي السرعة 5 تساوي 1,479 N عند 31.9 m/s القدرة 47.1 kW أيضًا. تنخفض القوة إلى الخُمس بينما ترتفع السرعة بالعامل نفسه. يستخدم عمود الـ 4% رقم مراجعة الأكاديميات الوطنية لتقنيات اقتصاد الوقود، التي تقدّر الفقد في ناقل الحركة اليدوي بنحو 4% من ناتج المحرك الإجمالي، مقابل نحو 13% في الأوتوماتيكي التقليدي. وبالنسبة إلى سيارة وزنها 1,200 kg فإن 7,278 N تعني تسارعًا قدره 6.1 m/s² في السرعة 1 لو استطاعت الإطارات تحمّله، وهي في الغالب لا تستطيع. الالتصاق بالطريق لا ناقل الحركة هو الذي يحدد الحد عند الانطلاق.

تحدد النسب أيضًا مقدار هبوط دوران المحرك عند الرفع. عند 3,000 rpm يهبط المحرك إلى 1,696 rpm بعد التبديل من 1 إلى 2، وإلى 1,941 rpm بعد التبديل من 2 إلى 3، وإلى 2,091 rpm بعد التبديل من 3 إلى 4، وإلى 2,391 rpm بعد التبديل من 4 إلى 5. هذه هي الأرقام نفسها التي يجب أن تبلغها حلقة التزامن، لكن في الاتجاه المعاكس. الفارق الأول كبير لأن الأولى سرعة قصيرة للانطلاق، والأخير صغير لأن الخامسة سرعة طويلة. رقم آخر مفيد لتخطيط الرحلة: في السرعة 5 تقطع السيارة النموذجية 38.2 km/h لكل 1,000 rpm، وفي السرعة 4 تقطع 30.5 km/h، وفي السرعة 1 تقطع 7.8 km/h.

لماذا لا تخرج التروس من التعشيق أبدًا

في النموذج يدور كل ترس طوال الوقت، حتى التي لا تنقل الحركة. في السرعة 3 مثلًا يدور الترس الحر 5 على عمود الخرج بسرعة 3,764 rpm بينما يدور العمود تحته بسرعة 2,091 rpm. يبدو هذا إسرافًا، لكنه يحل مشكلة قديمة. في العلب القديمة بلا تزامن كانت التروس نفسها تنزلق جانبيًّا لتتعشّق، وكان على أسنانها أن تلتقي حافةً بحافة. أما في علبة التعشيق الدائم فتبقى أسنان كل زوج متعشقة مدى الحياة، ولا يلزم إلا أن تجد أسنان التعشيق الصغيرة على جانب الترس طريقها.

وبما أن التروس لا تحتاج إلى الانزلاق لتتعشّق، يمكن أن تكون أسنانها حلزونية، مقطوعة بزاوية على العمود. زاويتها في النموذج 25°. يلامس السنّ الحلزوني تدريجيًّا على عرضه لا دفعة واحدة، فتكون العلبة أهدأ بكثير من علبة ذات أسنان مستقيمة. والثمن دفع جانبي: بالنسبة إلى حلزون 25° تبلغ القوة على طول العمود tan 25° = 0.47 من القوة التي تُدير الترس. تتحمله علب السرعات بمحامل أسطوانية مخروطية أو كروية. وأسنان العمود الوسيط مقطوعة بعكس اتجاه نظائرها، كما يجب ليتعشّق ترسان حلزونيان متوازيان.

ماذا تفعل حلقة التزامن أثناء التبديل

هذه هي الصعوبة. عند التبديل من السرعة 2 إلى 3 عند 41 km/h يظل عمود الخرج يدور بسرعة 1,353 rpm لأن السيارة ما زالت تتحرك. ومع ضغط القابض يشكّل عمود الدخل وقرص القابض والعمود الوسيط وكل التروس الحرة مجموعة واحدة مرتخية، ما زالت تدور بنحو 3,000 rpm من اللحظة السابقة. الترس 3 على عمود الخرج جزء من هذه المجموعة. ولقفله على العمود دون طقطقة يجب أن تبطئ جهة الدخل إلى 3,000 × 1.435 ÷ 2.217 = 1,941 rpm.

تقوم حلقة التزامن بهذه المهمة. إنها حلقة نحاسية بداخل مدبّب، تجلس بين المحور والترس. وللترس مخروط فولاذي مطابق. حين يبدأ الذراع بالحركة تدفع الجلبة الحلقة على المخروط، ويسحب الاحتكاك بينهما الترس، ومعه المجموعة المرتخية كلها، نحو سرعة العمود. في النموذج يهبط شريط فارق السرعة من بضع مئات rpm إلى الصفر.

ما دام هناك فارق في السرعة يُدير الاحتكاك الحلقة قليلًا مقابل مفاتيحها في المحور. في هذا الوضع تقف أسنان المنع حول الحلقة أمام أسنان الجلبة وتمنعها من التقدم. لهذا يبدو التبديل المستعجل متعثرًا: أنت تدفع حلقة لم تنهِ عملها. حين تتساوى السرعتان يتحرر الاحتكاك، وتعود الحلقة بمقدار نصف سنّ، وتُرشد الحواف المائلة على الأسنان الجلبة إلى المرور. وبعد لحظة تنزلق فوق أسنان التعشيق على الترس فيُقفل الترس على العمود. في سيارة حقيقية يستغرق التسلسل كله جزءًا من الثانية.

الأرقام وراء تبديل بالتزامن

لا يعامل المصممون التبديل حدثًا واحدًا. تقسّم ورقة لـ S. Razzacki من DaimlerChrysler، قُدمت في مؤتمر SAE العالمي عام 2004، تبديل المزامِن إلى ست وقائع. الأولى أن يلامس المسمار، وهو مفتاح صغير ذو نابض، حلقة المنع. والثالثة أن تصطدم قمة سنّ في الجلبة بقمة سنّ في الحلقة، فتُدار الحلقة («تُؤقَّت») بمقدار الخلوص الصغير الذي لها في المحور. وتغطي الوقائع اللاحقة مرور الحافة المائلة للجلبة عبر الحافة المائلة للحلقة، ووصول سنّ الجلبة إلى أسنان التعشيق الخاصة بالترس. تحدّد الورقة مقاسات كل جزء لتجري هذه الوقائع بالترتيب، وترسم منطقة اصطدام مقابل منطقة تبديل عسير. إذا فعل المخروط أقل مما يلزم سمع السائق اصطدامًا. وإذا منعت الحلقة بشدة أحسّ بأن الذراع عالق.

يحدّد عزمان أين يقع التصميم. عزم التزامن هو ما ينتجه المخروط بالاحتكاك. وعزم الفهرسة هو العزم الذي يُدير الحلقة إلى وضع المنع، ويعتمد على زاوية أسنان الحلقة («زاوية التوجيه»). وتنص ورقة SAE لعام 2007 لـ Razzacki وJ. Hottenstein عن مزامِنات ناقل الحركة بالقابض المزدوج على القاعدة بوضوح: يجب أن يبقى عزم التزامن أكبر من عزم الفهرسة في كل نقطة من التبديل لتجنب الاصطدام أو صوت الصرير، وأن يتجاوز عزم الفهرسة مجموع مقاومة ناقل الحركة ليظل المنع قائمًا في علبة باردة بزيت لزج. تخفض زاوية التوجيه الأشد انحدارًا عزم الفهرسة، فقد يحتاج المصمم الذي يزيد انحدارها لتوفير الجهد إلى احتكاك أكبر في المخروط ليبقى الشرط الأول صحيحًا.

يهمل النموذج المسامير، لكن بوسعك أن تقدّر ما على المخروط فعله. خذ التبديل من 2 إلى 3. يجب أن تبطئ جهة الدخل من 3,000 إلى 1,941 rpm، أي 110.9 rad/s. افترض، على سبيل التوضيح، أن لقرص القابض وعمود الدخل والعمود الوسيط والتروس الحرة معًا عزم عطالة قدره 0.05 kg·m². الطاقة الواجب إزالتها ½ × 0.05 × (314.2² − 203.3²) = 1.43 kJ. وإذا استغرق التبديل 0.1 s فعلى المخروط أن يقدّم عزمًا متوسطًا قدره 0.05 × 110.9 ÷ 0.1 = 55 N·m على تلك المجموعة وأن يبدّد 14 kW حرارةً لعُشر ثانية. لا تتحمل حلقة نحاسية هذا طويلًا، ولهذا تُجهَّز السرعات المنخفضة، حيث أكبر فوارق السرعة، بمزامِنات متعددة المخاريط في كثير من العلب المنتجة.

لماذا يصرّ الترس عند التبديل دون قابض

شغّل الآن «بدّل دون قابض» وجرّب الانتقال من السرعة 3 إلى 4. مع القابض المتصل يكون عمود الدخل، عمليًّا، مثبتًا على محرك دائر. يدور المحرك بسرعة 3,000 rpm، فيدور ترس الدخل، وهو ترس السرعة 4، بسرعة 3,000 rpm أيضًا. ويدور عمود الخرج بسرعة 2,091 rpm. على حلقة التزامن أن تبطئ المحرك والحدافة كلهما بمقدار 909 rpm، والمحرك يدفع في الاتجاه المعاكس، عبر مخروط عرضه بضعة سنتيمترات. لا تستطيع ذلك.

لذلك تبقى الحلقة في وضع المنع، وإذا دفع السائق بقوة كافية بلغت أسنان الجلبة أسنان التعشيق وهي ما زالت تنزلق بعضها بجانب بعض. عند نصف قطر 30 mm يعني فارق 909 rpm أن الوجوه تمر بسرعة 2.9 m/s ويمرّ 424 سنّ تعشيق كل ثانية. يصطدم كل منها بالحواف المائلة للجلبة ويرتدّ بها. هذه الطقطقة هي صوت الصرير، وكل جولة منها تُبلي الحواف التي أُريد لها أن تُرشد الجلبة.

يفسّر الحساب نفسه لماذا كان سائقو العلب القديمة بلا تزامن يضغطون القابض مرتين. قابض مضغوط، الذراع إلى الحياد، قابض مرفوع، نقرة وقود أو انتظار لجلب جهة الدخل إلى السرعة الصحيحة بمساعدة المحرك، قابض مضغوط من جديد، ثم تُختار السرعة. كان السائق يفعل بالأذن ما تفعله حلقة التزامن الآن بالاحتكاك.

الرجوع للخلف والترس الخامل

يدور ترسان متعشقان في اتجاهين متعاكسين. العمود الوسيط يدور أصلًا عكس عمود الدخل، وكل زوج أمامي يقلبه مرة أخرى، فيسير عمود الخرج في اتجاه المحرك نفسه. ولجعل السيارة تتحرك إلى الخلف يوضع ترس إضافي في المسار. في النموذج يُدير الترس ذو الـ 13 سنًّا على العمود الوسيط ترسًا خاملًا بـ 17 سنًّا، يُدير بدوره ترس الرجوع ذا الـ 38 سنًّا على عمود الخرج. الترس الخامل لا يغيّر النسبة، بل الاتجاه فقط.

لترسي الرجوع في النموذج أسنان مستقيمة. هذا هو المعتاد، ولهذا تُصدر السيارة في الرجوع أزيزًا لا تسمعه في السرعات الأمامية. تُدخل كثير من العلب الرجوع بإنزلاق الترس الخامل إلى التعشيق، وهذا لا ينجح إلا والتروس ساكنة؛ ولهذا يجب أن توقف السيارة أولًا. في النموذج تُوقف جلبة 5-R وحلقة تزامنها جهة الدخل قبل دخول الرجوع.

قراءة مخطط سنّ المنشار

في أي سرعة بعينها يرتبط دوران المحرك بسرعة السيارة بخط مستقيم: rpm المحرك = سرعة السيارة ÷ محيط الإطار، مضروبًا في نسبة السرعة، مضروبًا في المخفّض النهائي. يرسم مخطط «السرعة وrpm في كل سرعة» في عناصر التحكم خطًّا لكل سرعة. اختر rpm للتبديل فيصعد المسار على خط حتى ذلك rpm ثم يهبط عموديًّا إلى الخط التالي عند سرعة السيارة نفسها. تصنع الهبوطات أسنان المنشار.

حجم كل هبوط سهل الحساب. بعد الرفع يدور المحرك بسرعة rpm التبديل مضروبة في نسبة السرعة الجديدة إلى القديمة، فالهبوط هو rpm التبديل مضروبًا في واحد ناقص تلك النسبة. في Honda Civic Type R نسبة السرعة 2 هي 2.115 والسرعة 1 هي 3.625، فيحتفظ المحرك بـ 0.5834 من سرعته. بدّل عند 7,000 rpm فيهبط إلى 4,084 rpm. وفي السرعات العليا تتقارب النسب، فتصغر الأسنان: في علبة النموذج تبلغ الهبوطات عند 6,500 rpm القيم 2,826 و2,293 و1,970 و1,320 rpm.

يمدّد المخفّض النهائي ومقاس الإطار المخطط جانبيًّا لكنهما لا يغيّران الهبوطات. ولهذا يستطيع الفهرس أن يعرض مجموعات نسب Tremec TR-6060، التي تأتي بلا محور أو إطار، على المخطط نفسه: تستخدم السرعات حينئذ المخفّض النهائي النموذجي 3.909 والإطار 205/55 R16 وتُوسَم بقيم نموذجية، بينما هبوطات rpm دقيقة.

القوة عند العجلات في كل سرعة

القوة التي تدفع السيارة هي عزم المحرك مضروبًا في النسبة الكلية وفي كفاءة التروس، مقسومًا على نصف قطر الإطار. يرسم مخطط «القوة عند العجلات في كل سرعة» هذا لكل سرعة مقابل سرعة السيارة، إلى جانب خط متقطع لما تدفع به الطريق والهواء في الاتجاه المعاكس. الفارق بين منحنى السرعة والخط المتقطع هو ما يبقى لتسريع السيارة؛ ويحوّله الجدول تحت المخطط إلى متر في الثانية المربعة.

تنشر الشركات المصنعة نقطتين من منحنى العزم لا المنحنى كله: أقصى عزم ونطاق rpm الذي يثبت فيه، وأقصى قدرة وrpm الخاص بها. يصل المخطط بين هذه النقاط بقطع مستقيمة ويُبقي القدرة شبه ثابتة حتى الخط الأحمر. وهذا تقريب، وتقول الشاشة ذلك. حمل الطريق سيارة نموذجية واحدة لكل عنصر: 1,400 kg ومقاومة دحرجة 0.012 ومساحة سحب 0.65 m².

يظهر أمران فورًا. الأول أن أقوى سرعة في Civic Type R عند 100 km/h هي السرعة 2 عند 6,719 rpm، بنحو 7.6 kN عند العجلات، أي نحو 1.5 مثل ما تعطيه السرعة 4. والثاني أن منحنى السرعة التالية لا يكاد يرتفع فوق الحالية قبل الخط الأحمر. فلأسرع سحب تبقي كل سرعة حتى الخط الأحمر. وتشذّ عن ذلك السيارة التي تبقى قدرتها ثابتة على نطاق من الدورات: في GR Supra يلتقي منحنيا السرعتين 4 و5 عند نحو 5,900 rpm.

مطابقة الدوران والقابض المزدوج

عند التخفيض يجب أن يدور المحرك أسرع. عند 80 km/h يدور المحرك النموذجي بسرعة 2,625 rpm في السرعة 4 ويحتاج إلى 3,768 rpm في السرعة 3. إذا رُفع القابض والمحرك ما زال على السرعة الأقل فعلى القابض أن يسحب المحرك إلى الأعلى بمفرده، وتُسحب السيارة إلى الخلف لحظة. نقرة قصيرة على دواسة الوقود والقابض مضغوط، تسمى blip، ترفع المحرك أولًا؛ وهذه مطابقة الدوران. يتيح لك مختبر «مطابقة الدوران والقابض المزدوج» في عناصر التحكم تنفيذ الخطوات ويُظهر كم أخطأت وكم حرارة امتصها القابض وما حجم الارتجاج. مع عطالة محرك 0.15 kg·m² (قيمة نموذجية) يضع الخطأ بمقدار 1,142 rpm كاملة نحو 1.1 kJ في القابض.

تواجه العلبة التي بلا حلقات تزامن مشكلة ثانية. على عمود الدخل أن يكون على السرعة الصحيحة قبل أن تدخل السرعة أصلًا، ومع ضغط القابض لا يبطئه سوى الاحتكاك. ولذلك كان سائقو الشاحنات القديمة والسيارات الأولى يضغطون القابض مرتين: قابض مضغوط وخروج من السرعة، قابض مرفوع في الحياد ليدير المحرك عمود الدخل، نقرة لجلبه إلى السرعة الجديدة، قابض مضغوط من جديد ثم دخول السرعة. في المختبر لا تقبل العلبة التي بلا تزامن السرعة إلا إذا كان العمود ضمن 150 rpm (قيمة نموذجية) من السرعة التي يحتاجها؛ وإلا فإنها تصرّ.

الانطلاق: أين تذهب حرارة الانزلاق

من السكون يجب أن ينزلق القابض، لأن المحرك يدور والعجلات لا. إلى أن يُقفل القابض يتحول عزم القابض مضروبًا في فارق السرعة إلى حرارة. يتيح لك مختبر «الانطلاق» اختيار دوران المحرك الذي تثبّته والعزم الذي يمرّره القابض، ثم يُشغّل السيارة النموذجية في السرعة 1 ميلي ثانية بميلي ثانية.

ثمة نتيجة أنيقة مخبأة فيه. إذا ثُبّت المحرك على سرعة واحدة والقابض ينزلق فإن القابض يحوّل إلى حرارة قدرًا من الطاقة يقارب ما تكسبه السيارة حركة. من 3,000 rpm بعزم 200 N·m يأخذ القابض نحو 32.5 kJ بينما تكسب السيارة نحو 29.3 kJ؛ والباقي يذهب إلى حمل الطريق. وإذا انطلقت من 2,000 rpm بعزم 180 N·m هبطت الحرارة إلى نحو 14.5 kJ. اطلب من القابض عزمًا أكبر مما يعطيه المحرك عند تلك السرعة فيبطئ المحرك، ودون 650 rpm (حد النموذج) يتوقف. الانطلاقة الجيدة بين الحالتين: دورات تكفي ليبقى المحرك يعمل، وليست كثيرة فيحترق القابض.

علب سرعات حقيقية في الفهرس

يضم الفهرس 31 عنصرًا. منها 18 سيارة بنسب تروسها المنشورة: Honda Civic Type R وCivic Si، وAcura Integra Type S وIntegra 6MT، وToyota GR86 وGR Corolla وGR Supra 3.0، وMazda MX-5، وNissan Z، وSubaru WRX، وسيارتا Ford Mustang، وست سيارات تستخدم Tremec TR-6060. واثنتا عشرة مجموعة نسب علب سرعات من Tremec، والأخيرة هي النموذج في هذه الصفحة. الأرقام من ملف الشركة الصحفي أو كتيبها أو ورقة منتجها؛ ورابط المصدر تحت كل عنصر.

تبرز أمور قليلة. يتشارك Civic Type R وIntegra Type S كل النسب والمخفّض النهائي 3.842. لدى GR Corolla مخفّضان نهائيان، 4.058 للسرعات 1 إلى 4 و3.450 للسرعة 5 و6 والرجوع. في MX-5 سرعة 6 مباشرة (1.000) وفي Nissan Z سرعة 5 مباشرة، مثل السرعة 4 في النموذج. وفي Camaro SS سرعة 6 بنسبة 0.50، فعند سرعة الإبحار يدور المحرك بنصف سرعة عمود الإدارة. تذكر Tremec لـ TR-6060 مسافة 85 mm بين المراكز، ومزامِنات بمخروطين وثلاثة مخاريط في كل سرعة، بينما للنموذج مخروط واحد لكل سرعة.

أين النموذج أبسط من علبة حقيقية

• النسب قيم نموذجية، وفي كل زوج 56 سنًّا بالضبط. تضبط العلب الحقيقية أعداد الأسنان وتستخدم زوايا حلزون ومقاييس تعشيق مختلفة قليلًا لكل زوج.
• كثيرًا ما تكون للمزامِنات الحقيقية مخروطان أو ثلاثة في السرعات المنخفضة، لأنها تواجه أكبر فوارق السرعة. للنموذج مخروط واحد لكل سرعة.
• المفاتيح والنوابض وكرات التثبيت التي تُبقي الجلبات في الحياد وتمنع حركة قضيبين معًا (القفل المتبادل) محذوفة.
• المحامل وموانع تسرب الزيت والزيت نفسه غير موجودة. في العلبة الحقيقية تغطس التروس السفلى في الزيت وترشّه في كل مكان.
• فجوة القابض مرسومة بنحو ضعف حجمها الحقيقي لترى انفتاحها. يهبط المحرك إلى 900 rpm عند إبقاء الدواسة مضغوطة، كأن قدمك اليمنى رُفعت عن دواسة الوقود.
• تستخدم سرعات الطريق مقاس الإطار الاسمي وتتجاهل انزلاق الإطار. الإطار المحمَّل يدور بمحيط أصغر من الاسمي ببضعة في المئة.

علب سرعات أخرى بنيت على الأفكار نفسها

Model T. استخدمت سيارة Ford مجموعة تروس كوكبية بسرعتين من 1908 إلى 1927. يشير متحف Henry Ford إلى أن تروسها كانت متعشقة دائمًا، فكان تبديلها أسهل من مجموعات التروس المنزلقة غير المتزامنة في عصرها. وهذه الحجة نفسها هي التي أدت إلى التعشيق الدائم في العلبة اليدوية، لكن من طريق آخر.

الدراجات النارية. يصف فريق طلاب في Princeton أعاد بناء Triumph Tiger Cub موديل 1963 البنية نفسها التي في النموذج: عمود رئيسي وعمود وسيط، وشوك تبديل تنزلق بالتروس عليهما. الفرق في المنتقي. في ذلك المحرك يحرّك قطاع تبديل يُشغَّل بالقدم صفيحة تبديل، فتُباعد الشوك أو تُقرّبها. وتستخدم الدراجات اللاحقة عادةً أسطوانة مخدَّدة بدلًا من ذلك، كما تفعل علب Honda للسباقات باسطوانة التبديل. وفي الترتيبين يرفع الراكب سرعة واحدة أو يخفضها في كل مرة، وهذا ما يجعل العلبة تسلسلية. يتخلى الراكب عن حرية اختيار السرعة ويحصل على علبة بلا بوابة، يُشغّل فيها جزء متحرك واحد كل الشوك.

سيارات السباق. كتب مهندسو Honda أن علب Formula One منذ مطلع عقد 1990 تستخدم قابض تعشيق وأسطوانة تبديل، المبدأ نفسه في الدراجة النارية. لا توجد حلقة تزامن. كانت اللوائح آنذاك، كما لخصتها Honda، تشترط من أربع إلى سبع سرعات أمامية وتحظر CVT. المشكلة في علبة التعشيق هي تصادم سنّ مع آخر حافةً بحافة، وقد أتلف التروس، فطوّر فريق Honda تبديلًا يُبقي عزم المحرك جاريًا خلال التغيير، ومتحكمًا يوقّت الأسطوانة على الفراغ بين الأسنان. وبحلول 2008، بحسب Honda، كان لدى كل الفرق علبة تبدّل دون انقطاع في العزم. وتُدرَج علبة F1 تجارية من Xtrac، هي P1044، بسبع سرعات واختيار تسلسلي دون انقطاع في الإدارة وعزم دخل مستمر 340 N·m.

ناقلات الحركة الأوتوماتيكية. يستبدل الأوتوماتيكي التقليدي بالعمود الوسيط والجلبات مجموعات تروس كوكبية تُبدَّل بقوابض وفرامل، ويستبدل بالقابض الاحتكاكي محوّل عزم. تقول ZF إن علبتها 8HP بثماني سرعات تحتاج إلى خمسة عناصر تبديل فقط لأربع مجموعات تروس، ومداها الكلي 7.0. ومدى النموذج بخمس سرعات 4.92، فيغطي الأوتوماتيكي نطاقًا أوسع بدرجات أكثر. والثمن الكفاءة: تقدّر مراجعة الأكاديميات الوطنية كفاءة الأوتوماتيكيات التقليدية بين 86 و94%، والفقد في اليدوي بنحو 4% من ناتج المحرك.

القابض المزدوج. يحتفظ DCT بتخطيط العلبة اليدوية لكنه يستخدم قابضين على عمودي دخل، أحدهما للسرعات الفردية والآخر للزوجية. تصف صفحة Honda عن DCT الدراجات الذي قُدّم عام 2010 ذلك تمامًا: قابض للسرعات 1 و3 و5 والآخر للسرعات 2 و4 و6. وبينما تدير سرعة تكون التالية مختارة مسبقًا على العمود الآخر، ويكون التبديل تسليمًا بين قابضين. وتذكر المراجعة نفسها للأكاديميات الوطنية أن DCT ستّ سرعات بقابض رطب يمكن أن يخفض استهلاك الوقود حتى 4.1% مقارنة بأوتوماتيكي بست سرعات، لكن للنسخ ذات القابض الجاف مشكلات قيادة، وأن سلاسة الانطلاق يصعب مجاراتها.

CVT. ناقل الحركة متغير الاستمرار لا درجات فيه إطلاقًا. تستخدم وحدة Honda لسيارة CITY موديل 2020 سير V معدنيًّا دافعًا بين بكرتين، وتتغير النسبة باستمرار بتغير القطرين الفعّالين للبكرتين. بلا تروس لا يوجد ما يُزامَن، ويستطيع المحرك أن يثبت على سرعة واحدة بينما تتسارع السيارة. حظرته Formula One، كما تبين اللوائح المقتبسة أعلاه.

سوء فهم شائع

«السرعة المنخفضة تعطي المحرك قدرة أكبر.» لا تعطيه. القدرة عند العجلات هي قدرة المحرك ناقص الفقد. تعطي السرعة المنخفضة قوة أكبر عند سرعة أقل، كما يبين الجدول، وتتيح للمحرك أن يدور أسرع، حيث ينتج عادةً قدرة أكبر.

«السرعة الأعلى توفّر الوقود دائمًا.» فقط ما دام المحرك لا يتعثر. سرعة طويلة عند سرعة منخفضة تجعل المحرك يعمل بحمل عالٍ ودوران منخفض، وقد يستهلك وقودًا أكثر من السرعة الأدنى منها، وقد يهز نظام الإدارة.

«حلقة التزامن تؤدي العمل كله.» إنها تطابق سرعة الترس والعمود فقط. تبقى دواسة القابض لازمة لفصل المحرك، ولهذا يفشل إعداد «بدّل دون قابض» في النموذج.

«كل ترس في العلبة مقفل على العمود.» واحد فقط. في السرعة 3 في النموذج تدور التروس الحرة على عمود الخرج على محامل إبرية بسرعات من نحو 770 rpm (السرعة 1) إلى 3,760 rpm (السرعة 5)، ولا شيء منها مقفل على شيء.

«السرعة 4 هي الأكفأ لأن لا شيء يتعشق فيها.» ما زالت تروس العمود الوسيط تتعشق وتدور في الزيت، فتسبب بعض السحب. النقل المباشر أفضل قليلًا، لكنه ليس بلا فقد.

«القابض المزدوج موضة قديمة فقط.» إنه العمل نفسه يُؤدّى باليد. ما زال سائقو العلب بلا تزامن يفعلونه، وعلبة السباق ذات قابض التعشيق تفعل الشيء نفسه بالحساسات والمتحكم.

جرّبه على الشاشة

1. اضبط السرعة على 2 ثم على 3 وراقب اللوحة. يجب أن يهبط عمود الدخل من نحو 3,000 إلى 1,941 rpm. أبطئ حركة بطيئة لترى شريط فارق السرعة يُغلق قبل أن تسمح الحلقة بمرور الجلبة.
2. شغّل اضغط القابض باستمرار ثم بدّل السرعة. يهبط المحرك إلى 900 rpm في النموذج، لكن القرص وعمود الدخل يواصلان الدوران مع السيارة، فلا يبقى لحلقة التزامن إلا المجموعة المرتخية لتبطئها.
3. شغّل بدّل دون قابض وانتقل من السرعة 3 إلى 4. يجب أن يُظهر صف فارق السرعة الـ 909 rpm المذكورة في النص، وتقول الرسالة إن المحرك ما زال متصلًا. ثم قارنها بتبديل عادي من 3 إلى 4.
4. حرّك فكّ القطع إلى 1 وشغّل انظر بالداخل وأسماء القطع. اعثر على الجلبات الثلاث على عمود الخرج. إنها تخدم 1 و2، و3 و4، و5 والرجوع.
5. اضبط السرعة على الرجوع للخلف من الحياد ولاحظ أن عمود الخرج يدور في الاتجاه الآخر. تعرض اللوحة سرعته سالبة. عدّ الترس الإضافي في المسار.

تاريخ مختصر

استخدمت أولى السيارات متعددة السرعات علبًا بتروس منزلقة، تنزلق تروسها إلى التعشيق بينما يحاول السائق أن يوقّت اللحظة. هذه هي علب «الاصطدام»، واسم صحيح. وسّهلت علب التعشيق الدائم بقوابض التعشيق التبديل، لكن مطابقة السرعتين ظلت على السائق.

قدّم Earl A. Thompson، المهندس من Oregon، براءة اختراع لآلية تبديل تروس في مارس 1918 (مُنحت عام 1922) وقضى سنوات يحاول إقناع صانعي السيارات في Detroit. وصل نظام التزامن الذي ابتكره إلى الإنتاج في Cadillac موديل 1928، وعيّنته Cadillac مساعد كبير المهندسين عام 1929. يُستخدم مبدأ التزامن الآن في كل علبة يدوية تقريبًا.