ضریب دنده گیربکس چیست و چه تأثیری بر شتاب و سرعت خودرو دارد؟

بعضی رانندگان تصور می‌کنند خودروی ۶ دنده حتماً از نمونه ۵ دنده سرعت بیشتری دارد. دلیل این تصور هم ساده است؛ وقتی یک دنده بیشتر داریم، خودرو باید یک پله بالاتر برود و سریع‌تر حرکت کند. اما دنده ششم همیشه برای افزایش سرعت نهایی ساخته نشده است. در بسیاری از خودروها، این دنده فقط دور موتور را در جاده پایین می‌آورد تا مصرف سوخت، صدا و فشار روی موتور کمتر شود. حتی ممکن است خودرو بیشترین سرعت خود را در دنده پنج ثبت کند و در دنده شش توان ادامه شتاب‌گیری نداشته باشد.

به گزارش پایگاه خبری اسب بخار، برای فهم این موضوع ابتدا باید بدانیم ضریب دنده چیست. عددهایی مانند ۳، یک یا ۰.۷۵ فقط مشخصات فنی روی کاغذ نیستند؛ این اعداد نشان می‌دهند گیربکس چگونه سرعت چرخش موتور را با گشتاور مبادله می‌کند.

ضریب دنده را با دو چرخ‌دنده بفهمیم

دو چرخ‌دنده را تصور کنید. چرخ‌دنده کوچک ۱۰ دندانه دارد و نیروی موتور آن را می‌چرخاند. این قطعه با یک چرخ‌دنده بزرگ ۳۰ دندانه‌ای درگیر شده است. چرخ‌دنده ۱۰ دندانه‌ای باید سه دور کامل بزند تا چرخ‌دنده ۳۰ دندانه‌ای یک دور بچرخد. پس ضریب این مجموعه ۳ به ۱ یا به‌صورت خلاصه ۳ است.

در این حالت سرعت خروجی به یک‌سوم کاهش پیدا می‌کند، اما گشتاور خروجی تقریباً سه برابر می‌شود. بخشی از نیرو بر اثر اصطکاک از بین می‌رود، اما برای درک اصل ماجرا می‌توان گفت سه دور سرعت را می‌دهیم و در مقابل حدود سه برابر گشتاور می‌گیریم.

حالا اگر چرخ‌دنده ۳۰ دندانه‌ای، چرخ‌دنده ۱۰ دندانه‌ای را بچرخاند، با یک دور چرخش چرخ‌دنده بزرگ، قطعه کوچک سه دور می‌زند. این بار سرعت خروجی افزایش پیدا می‌کند، اما گشتاور کاهش می‌یابد.

پس کوچک یا بزرگ بودن یک چرخ‌دنده به‌تنهایی چیزی را مشخص نمی‌کند. مهم این است که کدام چرخ‌دنده نیروی ورودی را دریافت می‌کند و کدام‌یک خروجی را می‌سازد.

فرمول ساده ضریب در یک جفت چرخ‌دنده چنین است:

ضریب دنده = تعداد دندانه‌های چرخ‌دنده خروجی ÷ تعداد دندانه‌های چرخ‌دنده ورودی

در مثال بالا، ۳۰ را بر ۱۰ تقسیم می‌کنیم و به عدد ۳ می‌رسیم.

همین نسبت را می‌توان از سرعت چرخش دو محور هم محاسبه کرد:

ضریب دنده = دور محور ورودی ÷ دور محور خروجی

اگر محور ورودی سه دور بزند و محور خروجی یک دور بچرخد، ضریب برابر ۳ خواهد بود.

عدد ضریب دنده چه معنایی دارد؟

وقتی در جدول مشخصات یک گیربکس نوشته می‌شود ضریب دنده یک برابر ۳.۵ است، یعنی محور ورودی باید سه‌ونیم دور بچرخد تا محور خروجی تقریباً یک دور بزند.

ضریب ۳ به معنای برابر بودن اندازه چرخ‌دنده‌ها نیست؛ بلکه نسبت ۳ به ۱ را نشان می‌دهد. ضریب یک، نسبت یک‌به‌یک را نشان می‌دهد و یعنی یک دور ورودی به یک دور خروجی تبدیل می‌شود.

اگر ضریب از یک کمتر باشد، معمولاً با دنده اوردرایو روبه‌رو هستیم. برای نمونه، ضریب ۰.۸ یعنی محور خروجی از محور ورودی سریع‌تر می‌چرخد. چنین دنده‌ای گشتاور کمتری منتقل می‌کند، اما دور موتور را در سرعت‌های جاده‌ای پایین می‌آورد.

به همین دلیل دنده‌های یک و دو ضریب بزرگ‌تری دارند و دنده‌های آخر به عدد یک نزدیک می‌شوند یا از آن پایین‌تر می‌روند.

چرا دنده یک قدرت بیشتری دارد؟

فرض کنیم موتور ۲۰۰ نیوتن‌متر گشتاور تولید می‌کند و ضریب دنده یک برابر ۳ است. گیربکس با صرف‌نظر از اتلاف‌ها، گشتاور خروجی را به حدود ۶۰۰ نیوتن‌متر می‌رساند.

اما نیرو پس از گیربکس هنوز به چرخ‌ها نرسیده و باید از دیفرانسیل نیز عبور کند. اگر ضریب دیفرانسیل ۴ باشد، ضریب کلی انتقال نیرو به ۱۲ می‌رسد.

ضریب کلی = ضریب دنده × ضریب دیفرانسیل

در این مثال، ۳ را در ۴ ضرب می‌کنیم و به عدد ۱۲ می‌رسیم.

گشتاور نظری چرخ نیز از این رابطه به دست می‌آید:

گشتاور چرخ = گشتاور موتور × ضریب کلی

پس موتور ۲۰۰ نیوتن‌متری می‌تواند پیش از محاسبه اتلاف‌ها، حدود ۲۴۰۰ نیوتن‌متر گشتاور به چرخ‌ها برساند. به همین دلیل خودرو در دنده یک راحت‌تر از حالت توقف حرکت می‌کند و توان بیشتری برای بالا رفتن از شیب دارد.

بهای این گشتاور بیشتر، کاهش سرعت چرخش است. اگر موتور با دور ۳۰۰۰ کار کند و ضریب کلی ۱۲ باشد، چرخ‌ها با حدود ۲۵۰ دور در دقیقه می‌چرخند.

در دنده‌های بالاتر، ضریب کلی کاهش پیدا می‌کند. گشتاور کمتری به چرخ می‌رسد، اما چرخ‌ها با همان دور موتور سریع‌تر می‌چرخند.

ضریب دنده چگونه سرعت خودرو را مشخص می‌کند؟

برای محاسبه سرعت خودرو باید دور موتور، ضریب کلی و محیط تایر را بدانیم. هر بار که چرخ یک دور کامل می‌زند، خودرو به اندازه محیط تایر جلو می‌رود.

فرمول ساده محاسبه سرعت چنین است:

سرعت خودرو = دور موتور × محیط تایر × ۶۰ ÷ ضریب کلی ÷ ۱۰۰۰

اگر دور موتور برحسب دور در دقیقه و محیط تایر برحسب متر باشد، نتیجه برحسب کیلومتر بر ساعت به دست می‌آید.

فرض کنیم موتور با دور ۳۰۰۰ کار می‌کند، محیط تایر دو متر است و ضریب کلی ۱۲ است. سرعت نظری خودرو به حدود ۳۰ کیلومتر بر ساعت می‌رسد.

اگر در دنده‌ای بالاتر ضریب کلی به ۳ کاهش پیدا کند، همان موتور با همان دور و همان تایر، سرعت نظری نزدیک به ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت ایجاد می‌کند.

این محاسبه ساده است و عواملی مانند اتلاف نیرو، لغزش مبدل گشتاور، باد تایر و شرایط جاده را در نظر نمی‌گیرد، اما رابطه میان دور موتور، ضریب دنده و سرعت را به‌خوبی نشان می‌دهد.

اندازه تایر هم بخشی از این محاسبه است. تایر بزرگ‌تر با هر دور مسافت بیشتری طی می‌کند و نسبت نهایی را سبک‌تر می‌سازد. این تغییر می‌تواند دور موتور را در سرعت ثابت پایین بیاورد، اما معمولاً شتاب را ضعیف‌تر می‌کند.

چرا تعداد دنده‌های خودروها بیشتر شد؟

گیربکس‌های قدیمی با سه یا چهار دنده باید هم شروع حرکت را پوشش می‌دادند، هم شتاب‌گیری را انجام می‌دادند و هم دور موتور را در جاده کنترل می‌کردند. فاصله زیاد میان ضرایب باعث می‌شد دور موتور پس از هر تعویض به‌شدت افت کند یا در سرعت‌های بالا بیش از اندازه افزایش یابد.

اضافه‌شدن دنده‌های بیشتر این فاصله را کاهش داد. خودروساز می‌تواند دنده یک را برای شروع حرکت سنگین نگه دارد، در دنده‌های میانی موتور را در محدوده مناسب گشتاور حفظ کند و در دنده آخر دور موتور را هنگام حرکت با سرعت ثابت پایین بیاورد.

فرض کنیم یک موتور بیشترین گشتاور مفید خود را میان دورهای ۲۰۰۰ تا ۴۰۰۰ تولید می‌کند. اگر فاصله دنده‌ها زیاد باشد، پس از تعویض ممکن است دور موتور از ۴۰۰۰ به ۱۸۰۰ سقوط کند و موتور از محدوده مناسب خارج شود.

در یک گیربکس چنددنده، ضریب‌ها به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند و دور موتور پس از تعویض افت کمتری می‌کند. موتور در همان محدوده‌ای باقی می‌ماند که توان یا گشتاور بهتری تولید می‌کند و خودرو شتاب یکنواخت‌تری می‌گیرد.

این ویژگی برای موتورهای کم‌حجم توربوشارژ اهمیت بیشتری دارد. این موتورها معمولاً در بازه مشخصی از دور، گشتاور بالای خود را ارائه می‌کنند و گیربکس با انتخاب دنده مناسب کمک می‌کند موتور در همان بازه کار کند.

دنده بیشتر چگونه مصرف سوخت را کاهش می‌دهد؟

دنده‌های بیشتر فقط برای شتاب‌گیری نیستند. در حرکت آرام، گیربکس می‌تواند به دنده‌ای سبک‌تر برود و همان سرعت را با دور موتور پایین‌تری حفظ کند.

برای نمونه، ممکن است خودرو در سرعت ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت با دنده پنج روی دور موتور ۳۲۰۰ حرکت کند، اما در دنده شش همان سرعت را با دور ۲۵۰۰ حفظ کند. خودرو سریع‌تر نشده، اما موتور در هر دقیقه دفعات کمتری می‌چرخد و معمولاً سوخت کمتر، صدای کمتر و استهلاک پایین‌تری ایجاد می‌کند.

البته دور پایین همیشه به معنای مصرف کمتر نیست. اگر دنده بیش از اندازه سبک باشد و موتور زیر فشار قرار بگیرد، راننده باید پدال گاز را بیشتر فشار دهد و مصرف می‌تواند بالا برود. گیربکس اتوماتیک برای جلوگیری از همین وضعیت هنگام سربالایی، سبقت یا شتاب‌گیری معکوس می‌دهد.

پس هدف این نیست که موتور همیشه با کمترین دور ممکن کار کند. گیربکس باید دور موتور را متناسب با نیاز راننده انتخاب کند؛ دور پایین برای حرکت آرام و ضریب سنگین‌تر برای شتاب‌گیری یا حرکت زیر بار.

آیا خودروی ۶ دنده از نمونه ۵ دنده سریع‌تر است؟

تعداد دنده فقط نشان می‌دهد گیربکس چند نسبت مختلف در اختیار دارد. ممکن است دنده ششم فقط برای کاهش دور موتور ساخته شده باشد و ضریب دنده پنج همان نقشی را داشته باشد که دنده آخر در یک گیربکس ۵ سرعته برعهده دارد.

گاهی دنده اضافه میان ضرایب قبلی قرار می‌گیرد تا دور موتور پس از تعویض کمتر افت کند. در این حالت خودرو ممکن است شتاب بهتری بگیرد، اما سرعت نهایی الزاماً افزایش پیدا نمی‌کند.

حتی ممکن است یک خودروی ۵ دنده از نمونه ۶ دنده سریع‌تر باشد، چون موتور قوی‌تر، وزن کمتر، ضریب دیفرانسیل مناسب‌تر یا بدنه آیرودینامیک‌تری دارد.

روی کاغذ شاید دنده ششم اجازه رسیدن به سرعت بسیار بالایی را بدهد، اما موتور باید توان غلبه بر مقاومت هوا را هم داشته باشد. اگر موتور در دنده ششم نتواند نیروی کافی تولید کند، خودرو دیگر شتاب نمی‌گیرد و ممکن است بیشترین سرعت خود را در دنده پنج ثبت کند.

پس سرعت نهایی را فقط تعداد دنده مشخص نمی‌کند. توان موتور، مقاومت هوا، ضریب دنده آخر، ضریب دیفرانسیل، دور موتور و اندازه تایر هم‌زمان در نتیجه نقش دارند.

تعداد بیشتر دنده به خودروساز اجازه می‌دهد میان شروع حرکت، شتاب‌گیری، مصرف سوخت و آرامش کابین تعادل بهتری برقرار کند. برای فهمیدن عملکرد واقعی یک گیربکس نباید فقط دنده‌ها را شمرد؛ باید دید هر دنده چه ضریبی دارد و موتور را در کدام محدوده نگه می‌دارد.