ناقل الحركة (جهاز ميكانيكي)

مخطط علبة التروس ذات السلسلة والترس في سيارة بنز الحاصلة على براءة اختراع، 1886 - 1888. يتم نقل الحركة العادي من البكرة الثابتة 34 إلى العمود الوسيط 22. أما الترس المنخفض فيتم من البكرة المتحركة 31 عبر التروس والقابض 36.
مكونات ناقل الحركة الداخلية لسيارة فولكس فاجن جولف موديل 2009

ناقل الحركة (ويسمى أيضاً علبة التروس ) هو جهاز ميكانيكي يستخدم مجموعة تروس - ترسان أو أكثر تعمل معاً - لتغيير السرعة أو اتجاه الدوران أو مضاعفة أو تقليل عزم الدوران في الآلة . [ 1 ] [ 2 ]

لقد اخترعها لويس رينو (مؤسس رينو ). وقد سبقه كارل بنز ، الذي استخدم في عام 1886 تروسًا وسلاسل من وإلى عمود مساعد وقابض لتوفير ترس ثانٍ منخفض في أول سيارة عملية، وهي سيارة Patent-Motorwagen Nr. 2 التي تعمل بنظام الحزام .

يمكن أن تحتوي ناقلة الحركة على نسبة تروس ثابتة أو واحدة ، أو على نسب تروس متغيرة ؛ ويمكن أن تحتوي ناقلة الحركة ذات النسب المتغيرة على نسب تروس منفصلة متعددة أو أن تكون متغيرة باستمرار . تُستخدم ناقلات الحركة ذات النسب المتغيرة في أنواع عديدة من الآلات، وخاصة المركبات.

التطبيقات

الاستخدامات المبكرة

شملت وسائل النقل المبكرة محركات الزاوية القائمة وغيرها من التروس في طواحين الهواء ، والأجهزة التي تعمل بقوة الخيول، والأجهزة التي تعمل بالبخار . وشملت تطبيقات هذه الأجهزة المضخات والطواحين والرافعات .

الدراجات

لطالما استخدمت الدراجات الهوائية تروس المحور أو تروس المحول ، ولكن هناك ابتكارات تصميمية أخرى أحدث.

السيارات

منحنيات القدرة وعزم الدوران لمحركي سيارتين كمثال

بما أن عزم الدوران وقدرة محرك الاحتراق الداخلي يتغيران بتغير سرعته الدورانية ، فإن السيارات التي تعمل بهذه المحركات تتطلب نسب تروس متعددة للحفاظ على المحرك ضمن نطاق قدرته الأمثل ، وذلك لإنتاج الطاقة المثلى، وكفاءة استهلاك الوقود ، والتشغيل السلس. كما أن نسب التروس المتعددة ضرورية لتوفير التسارع والسرعة الكافيين للتشغيل الآمن والموثوق على سرعات الطرق السريعة الحديثة. تعمل محركات الاحتراق الداخلي عادةً ضمن نطاق يتراوح بين 600 و7000 دورة في الدقيقة تقريبًا، بينما تتطلب سرعات السيارة دوران العجلات ضمن نطاق يتراوح بين 0 و1800 دورة في الدقيقة. [ 3 ]

في بدايات إنتاج السيارات بكميات كبيرة، كان تصميم ناقل الحركة القياسي يدويًا : حيث يختار السائق مجموعة التروس عبر ذراع ( عصا ناقل الحركة ) يُحرك التروس ومجموعات التروس على محاورها. ابتداءً من عام ١٩٣٩، أصبحت السيارات المزودة بأنواع مختلفة من ناقل الحركة الأوتوماتيكي متوفرة في السوق الأمريكية. تستخدم هذه المركبات قوة المحرك لتغيير نسبة التروس الفعالة تبعًا للحمل، وذلك للحفاظ على دوران المحرك قريبًا من سرعته المثلى. تُستخدم نواقل الحركة الأوتوماتيكية الآن في أكثر من ثلثي السيارات على مستوى العالم، وفي جميع السيارات الجديدة تقريبًا في الولايات المتحدة.

تستخدم معظم سيارات الركاب المنتجة حاليًا بمحركات البنزين أو الديزل ناقلات حركة ذات 4 إلى 10 نسب تروس أمامية (وتُسمى أيضًا سرعات ) ونسبة تروس خلفية واحدة. أما المركبات الكهربائية، فتستخدم عادةً ناقلات حركة ذات نسب ثابتة أو سرعتين بدون ترس خلفي ، نظرًا لقدرة المحركات الكهربائية على العمل بكفاءة عالية ضمن نطاقات سرعة أوسع، وصولًا إلى التوقف التام، وتغيير الاتجاهات كهربائيًا. غالبًا ما تحتوي المركبات الكهربائية ذات أكثر من محور دافع على محركات أمامية وخلفية منفصلة وأنظمة دفع منفصلة بدلًا من أعمدة الدفع الطولية.

ناقل حركة لطائرة هليكوبتر من طراز بريستول سيكامور

الدراجات النارية

نسبة ثابتة

كانت أبسط ناقلات الحركة تستخدم نسبة ثابتة لتوفير تخفيض في السرعة أو زيادة فيها، وأحيانًا بالتزامن مع تغيير اتجاه عمود الإخراج. وتُستخدم أمثلة على هذه الناقلات في المروحيات وتوربينات الرياح . في حالة توربينات الرياح، تكون المرحلة الأولى من علبة التروس عادةً عبارة عن تروس كوكبية، وذلك لتقليل الحجم مع تحمل عزم الدوران العالي الناتج عن التوربين. [ 4 ] [ 5 ]

نسبة متعددة

تحتوي العديد من ناقلات الحركة، وخاصةً في تطبيقات النقل، على تروس متعددة تُستخدم لتغيير نسبة سرعة الإدخال (مثل سرعة المحرك) إلى سرعة الإخراج (مثل سرعة السيارة) حسب الحاجة في أي موقف. ويمكن اختيار التروس (النسبة) يدويًا أو شبه آليًا أو آليًا بالكامل.

يدوي

يتطلب ناقل الحركة اليدوي من السائق اختيار التروس يدويًا [ 6 ] عن طريق تشغيل عصا التروس والقابض (والتي عادة ما تكون دواسة قدم للسيارات أو ذراع يدوي للدراجات النارية).

كانت ناقلات الحركة اليدوية المبكرة غير متزامنة وتستخدم تروسًا مستقيمة القطع، وهذا يعني أنه أثناء تحرك التروس تصدر صوت أزيز مميز وعالٍ، مما يجعلها في الوقت الحاضر قابلة للتطبيق فقط على الآلات الثقيلة مثل الشاحنات والحافلات والجرارات لأنها تستطيع تحمل قوى أعلى، أو الدراجات النارية وسيارات السباق لتصميمها البسيط وانخفاض وزنها مقارنة بناقلات الحركة اليدوية الشائعة.

تستخدم معظم ناقلات الحركة في السيارات الحديثة تصميم التزامن لمزامنة سرعات عمودَي الإدخال والإخراج. مع ذلك، قبل خمسينيات القرن الماضي، كانت معظم السيارات تستخدم ناقلات حركة غير متزامنة .

دليل تسلسلي

ناقل الحركة اليدوي التسلسلي هو نوع من نواقل الحركة غير المتزامنة، ويُستخدم غالبًا في الدراجات النارية وسيارات السباق. يتميز هذا النوع بسرعة تغيير التروس مقارنةً بنواقل الحركة اليدوية المتزامنة، وذلك بفضل استخدام قابضات التروس المسننة بدلًا من نظام التزامن. [ 7 ] كما يُلزم ناقل الحركة اليدوي التسلسلي السائق باختيار الترس التالي أو السابق فقط، بترتيب تسلسلي.

نظراً لتصميم ناقلات الحركة التسلسلية لتقليل التعقيد والوزن والحجم، على عكس ناقلات الحركة اليدوية الشائعة المصممة لسهولة الاستخدام والتشغيل الهادئ، فإنها تستخدم تروساً مستقيمة القطع ( تروساً حلزونية ) تُصدر صوت أزيز مميز أثناء الدوران. ويمكن لناقلات الحركة التسلسلية أن تُصدر أكثر من صوت أزيز واحد حسب التصميم، ولكن عادةً ما يتغير تردد صوت الأزيز الأكثر وضوحاً مع سرعة دوران التروس (عمود الإخراج)، ويصبح أكثر وضوحاً كلما زادت سرعة دورانها.

يدوي غير متزامن (صندوق الكلاب)

يُعرف هذا النوع من ناقلات الحركة باسم "علبة التروس المسننة"، وهو نسخة حديثة من ناقل الحركة اليدوي غير المتزامن ذي التعشيق المستمر، ويُستخدم في تطبيقات الأداء العالي، مثل سباقات السيارات. تفتقر ناقلات الحركة اليدوية من هذا النوع إلى آلية التزامن الموجودة في تصميم ناقل الحركة المتزامن، وتعتمد فقط على قابضات التروس المصممة خصيصًا لعلب التروس المسننة لتعشيق التروس. وللتعشيق، يقوم ذراع التحديد بتحريك قابض التروس المسنن ذي الأسنان الجانبية مباشرةً على جانب ترس التعشيق المستمر ذي مجموعة أسنان أو فتحات مماثلة، مما يؤدي إلى تعشيق أسنان القابض مع الترس. يتيح هذا التصميم تغييرات أسرع وبدون استخدام القابض، على عكس تصميم ناقل الحركة المتزامن، ولكنه يتميز بميزة التعشيق المستمر، على عكس ناقلات الحركة غير المتزامنة القديمة المستخدمة في السيارات الأولى.

بما أن الترس الأول يُستخدم غالبًا للانطلاق فقط، ولأن وجود الترسين الثاني والثالث متجاورين يُعطي ميزة زمنية مع التبديل الأكثر شيوعًا من الثاني إلى الثالث أو العكس أثناء السباق، فإن معظم ناقلات الحركة ذات التروس المزدوجة تستخدم نمط تبديل يُسمى "الترس المزدوج"، حيث يكون الترس الأول في الوضع السفلي الأيسر، أي أن الترس الثاني يكون في المنتصف العلوي، والثالث في المنتصف السفلي، وهكذا. أما الترس الخلفي فعادةً، ولكن ليس دائمًا، يكون في الوضع العلوي الأيسر.

شبه أوتوماتيكي

ناقل الحركة شبه الأوتوماتيكي هو الذي يتم فيه أتمتة بعض العمليات (غالباً تشغيل القابض)، ولكن يلزم إدخال السائق للتحرك من وضع السكون أو لتغيير التروس.

يدوي آلي / يدوي بدون قابض

ناقل الحركة اليدوي الآلي (AMT) هو في الأساس ناقل حركة يدوي تقليدي يستخدم التشغيل التلقائي لتشغيل القابض و/أو تغيير التروس.

كانت العديد من الإصدارات المبكرة لهذه النواقل شبه أوتوماتيكية، مثل نظام Autostick ، الذي يتحكم تلقائيًا في القابض فقط ، ولكنه لا يزال يتطلب تدخل السائق لتغيير التروس. يُشار إلى بعض هذه الأنظمة أيضًا باسم أنظمة النقل اليدوي بدون قابض . [ 8 ] أما الإصدارات الحديثة من هذه الأنظمة، والتي تعمل بشكل أوتوماتيكي بالكامل، مثل Selespeed و Easytronic ، فتستطيع التحكم في كلٍ من القابض وتغيير التروس تلقائيًا، دون أي تدخل من السائق. [ 9 ] [ 10 ]

معادلة

لا يتطلب ناقل الحركة الأوتوماتيكي أي تدخل من السائق لتغيير التروس الأمامية في ظل ظروف القيادة العادية.

أوتوماتيكي هيدروليكي

يُعدّ ناقل الحركة الأوتوماتيكي الهيدروليكي التصميم الأكثر شيوعًا، والذي يستخدم عادةً مجموعات تروس كوكبية تعمل بنظام هيدروليكي . [ 11 ] [ 12 ] ويرتبط ناقل الحركة بالمحرك عبر محول عزم الدوران (أو وصلة هيدروليكية قبل ستينيات القرن العشرين)، بدلاً من قابض الاحتكاك المستخدم في معظم نواقل الحركة اليدوية ونواقل الحركة ثنائية القابض. [ 13 ]

ناقل الحركة ثنائي القابض (DCT)

يستخدم ناقل الحركة ثنائي القابض (DCT) قابضين منفصلين لمجموعات التروس الفردية والزوجية . [ 14 ] غالبًا ما يكون التصميم مشابهًا لناقلَي حركة يدويين منفصلين ، حيث يحتوي كل منهما على قابضه الخاص داخل غلاف واحد، ويعملان كوحدة واحدة. [ 15 ] [ 16 ] في السيارات والشاحنات، يعمل ناقل الحركة ثنائي القابض كناقل حركة أوتوماتيكي، ولا يتطلب أي تدخل من السائق لتغيير التروس.

نسبة متغيرة باستمرار

تتميز ناقلة الحركة المتغيرة باستمرار (CVT) بقدرتها على تغيير نسب التروس بسلاسة ضمن نطاق متصل . وهذا يختلف عن ناقلات الحركة الأخرى التي توفر عددًا محدودًا من نسب التروس بخطوات ثابتة. وتتيح مرونة ناقلة الحركة المتغيرة باستمرار، مع نظام تحكم مناسب، تشغيل المحرك بسرعة ثابتة بينما تتحرك المركبة بسرعات متغيرة.

تُستخدم ناقلات الحركة المتغيرة باستمرار (CVTs) في السيارات والجرارات والمركبات الجانبية والدراجات البخارية والدراجات الثلجية والدراجات الهوائية ومعدات الحفر .

يستخدم النوع الأكثر شيوعًا من ناقل الحركة المتغير باستمرار (CVT) بكرتين متصلتين بحزام أو سلسلة ؛ ومع ذلك، فقد تم استخدام العديد من التصميمات الأخرى في بعض الأحيان.

الضوضاء والاهتزاز

تُعدّ علب التروس مصدرًا رئيسيًا للضوضاء والاهتزازات في المركبات والآلات الثابتة. وعادةً ما ترتفع مستويات الصوت عند استخدام تروس منخفضة. ونظرًا لقصر العمر الافتراضي للتروس ذات النسب المنخفضة، قد تُستخدم تروس أرخص ثمنًا، والتي تميل إلى توليد ضوضاء أكبر نظرًا لانخفاض نسبة التداخل وصلابة التعشيق، مقارنةً بالتروس الحلزونية المستخدمة في النسب العالية. وقد استُخدمت هذه الحقيقة لتحليل الصوت الناتج عن المركبات منذ أواخر الستينيات، وأُدرجت في محاكاة ضوضاء الطرق الحضرية وتصميم حواجز الضوضاء الحضرية على طول الطرق. [ 17 ]

تصميم التروس

التروس هي عناصر ميكانيكية تهدف إلى نقل الطاقة، ويتم تحديد تصميمها الصحيح من خلال المعايير.

يوفر المعيار ISO 6336 [ 18 ] و AGMA 2001 [ 19 ] معلومات تتعلق بإجراءات التصميم ويحدد طريقة الحساب للتحقق مما إذا كانت التروس آمنة فيما يتعلق بآلية الفشل المختلفة.

بدون تصميم وتصنيع صحيحين للتروس، قد يكون ناقل الحركة منخفض الكفاءة، وعالي الضوضاء والاهتزازات ، وقليل العمر الافتراضي.

تُظهر التروس عدة آليات للفشل، وهي: التآكل ، والخدش، والتنقر، والتنقر الدقيق ، وكسر جانب السن، وكسر جذر السن بسبب الإجهاد.

تعود هذه الآليات إلى عدة ظواهر: الاحتكاك ، والتلامس (ضغط هيرتز، الانزلاق/التدحرج)، وإجهاد الانحناء ، ونقص التزييت . يمكن أن تحدث جميع هذه الظواهر في آن واحد، وتؤدي إلى تعطل علبة التروس.

انظر أيضاً

مراجع

  1. جيه جيه أويكر؛ جي آر بينوك؛ جيه إي شيجلي (2003). نظرية الآلات والآليات (الطبعة الثالثة  ). نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 9780195155983.
  2. ب. بول (1979). علم الحركة وديناميكا الآلات المستوية . برنتيس هول.
  3. ^ نونهايمر، هارالد. بيرتشي، بيرند؛ ريبورز، يواكيم. نوفاك، وولفجانج (2011). “تحويل الطاقة: اختيار النسب”. ناقل حركة السيارات: الأساسيات والاختيار والتصميم والتطبيق . سبرينغر. ص 100 – 114. دوى : 10.1007 / 978-3-642-16214-5_4 . رقم ISBN  978-3-642-16214-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يناير 2023 .
  4. ستيسدال، هنريك (أغسطس 1999)، توربينات الرياح: المكونات والتشغيل (ملف PDF) ، مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 19 أغسطس 2014 ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أكتوبر 2009
  5. موسيال، دبليو؛ باترفيلد، إس؛ ماكنيف، بي (مايو 2007)، تحسين موثوقية علبة تروس توربينات الرياح (ملف PDF) ، المختبر الوطني للطاقة المتجددة، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 23 سبتمبر 2012 ، تم استرجاعه في 2 يوليو 2013
  6. "تشغيل ناقل الحركة اليدوي" . يوتيوب . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يناير 2023 .
  7. "كيف تعمل علب التروس التسلسلية" . www.howstuffworks.com . 4 أبريل 2003. تم الاطلاع عليه في 2 يناير 2020 .
  8. "هيونداي ابتكرت ناقل حركة يدوي بدون قابض" . 10 يوليو 2020.
  9. "مباشرة من الفورمولا 1" . www.magnetimarelli.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يوليو 2020 .
  10. "مقدمة في أنظمة ناقل الحركة الأوتوماتيكي" . www.tranzmile.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أغسطس 2020 .
  11. "كيف تعمل ناقلات الحركة الأوتوماتيكية" . www.howstuffworks.com . 29 نوفمبر 2000. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 نوفمبر 2020 .
  12. "ما الذي يجعل ناقل الحركة الأوتوماتيكي أوتوماتيكيًا؟" . مجلة Popular Mechanics . Hearst Magazines: 169–173 . فبراير 1955. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 نوفمبر 2020 .
  13. "كيف يعمل نظام النقل المتقدم؟" . AW North Carolina . مؤرشف من الأصل في 6 أكتوبر 2014. تم الاطلاع عليه في 6 أكتوبر 2014 .
  14. "نظام نقل الحركة - ناقل الحركة: نقل الطاقة إلى علبة التروس" (ملف PDF) . AMS . UnofficialBMW.com. سبتمبر - أكتوبر 2003. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 17 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 31 أكتوبر 2009 .
  15. «ناقلات الحركة الأوتوماتيكية ثنائية القابض مهيأة للاستحواذ على حصة من السوق على حساب ناقلات الحركة التقليدية بفضل ما تتميز به من كفاءة وسهولة استخدام» (ملف PDF) . AEI-online.org . DCTfacts.com. يونيو 2009. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 7 أكتوبر 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أكتوبر 2009 .
  16. "ناقل الحركة المزدوج من بورش (PDK)" . Porsche.com. مؤرشف من الأصل في 5 ديسمبر 2008. تم الاطلاع عليه في 31 أكتوبر 2009 .
  17. هوجان، سي. مايكل؛ لاتشو، غاري إل. (21-23 مايو 1973). العلاقة بين تخطيط الطرق السريعة والضوضاء الحضرية . وقائع المؤتمر التخصصي لقسم النقل الحضري التابع للجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين. شيكاغو، إلينوي: الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين، قسم النقل الحضري. مؤرشف من الأصل في 18 مايو 2007. تم الاطلاع عليه في 12 سبتمبر 2007 .
  18. "ISO 6336-1:2019 حساب قدرة تحمل التروس المستقيمة والحلزونية الجزء 1: المبادئ الأساسية والمقدمة وعوامل التأثير العامة" . ISO .
  19. "ANSI/AGMA 2001 - عوامل التصنيف الأساسية وطرق الحساب لأسنان التروس الحلزونية والمسننة" .