مبانی هیدرولیك
هیدرولیك مطالعه سیالات و كاربرد آن برای انتقال نیرو و حركت است. كلمه هیدورلیك از لغت یونانی هیدرو به معنی آب گرفته شده است.
سیستم‌های آب رسانی خانگی یك كاربرد متداول از هیدرولیك می باشد و اصول حاكم بر رفتار آب در مورد تمام سیالات صادق است. درگیر بكس‌های اتوماتیك مدرن یك سیستم هیدرولیك برای كنترل عملكرد آنها به كار رفته است.
در حالی كه تمام سیستم‌های هیدرولیكی از مایعات استفاده می‌كنند مایعی كه درگیر بكس‌های اتوماتیك به كار می رود عموماً روغن گیربكس نامیده می شود.
اصول هیدرولیك
سیستم‌های هیدرولیك نیرو و حركت را از طریق كاربرد فشار انتقال می دهند نیرو، فشار و یا كشش اعمال شده بر یك شیئی است. نیرو معمولاً بر حسب پاوند و یا نیوتن اندازه‌گیری می شود. فشار نیروی اعمال شده بر سطح معین است. فشار معمولاً بر حسب واحد نیرو تقسیم بر واحد سطح اندازه گیری می شود و واحدهای آن پاوند بر اینچ مربع (Psi) یا كیلوپاسكال (kpa ) اندازه گیری می شود. ( 6.89 pa= 1psi) می باشد.
پاسكال یك واحد اندازه گیری است كه بعد از « بلز پاسكال » ریاضیدان و دانشمند مشهور فرانسوی (1623-1662 ) به خاطر تحقیقاتش در هیدرولیك به نام او نامگذاری شد. پاسكال بعضی از حقایق مهم دربارة رفتار مایعات در یك سیستم بسته را كشف كرد. او دریافت كه فشار روی یك مایع محبوس شده بطور مساوی بر تمام جهات منتقل می شود و بر سطوح برابر نیروی مساوی وارد می كند.
این اصل قانون پاسكال نامیده می شود و چنانچه بعداً خواهیم دید یك اصل بنیادی است كه بر عملكرد تمام سیستم‌های هیدرولیك حكمفرماست. سیستم‌های هیدرولیك قادرند مایعات را برای انتقال نیرو و حركت بكار گیرند زیرا در تمام كاربردهای عملی یك مایع غیر قابل تراكم است.
اینكه چه مقدار فشار بر روی یك مایع اعمال می شود اهمیتی ندارد، چون حجمش همواره ثابت می ماند. این امر به سیال اجازه می دهد كه نیرو و حركت بكار گیرند زیرا در تمام كاربردهای عملی یك مایع غیرقابل تراكم است.
اینكه چه مقدار فشار بر روی یك مایع اعمال می شود اهمیتی ندارد، چون حجمش همواره ثابت می ماند. این امر به سیال اجازه می دهد كه نیرو و حركت را به خوبی یك اهرم مكانیكی منتقل كند. مزیت یك مایع بر اهرم مكانیكی این است كه دارای حجم است امّا شكل ثابتی ندارد. چون فرض بر این است كه مایع به شكل ظرف خود در میآید می توان آن را برای رفع موانع به هر شكلی خم كرد.
اصول قطعات سیستم هیدرولیكی
تمام سیستم‌های هیدرولیكی گیربكس اتوماتیك از یك مخزن، یك چشمة ورودی، سوپاپ‌های كنترل و یك عمل كنندة خروجی استفاده می كنند. مخزن عبارت است از یك كارتل، یك تانگ و یا هر نوع ظرف دیگری كه روغن را برای ما ذخیره می‌كند. چشمة ورودی یك پیستون یا یك پمپ است كه نیروی لازم را تهیه می‌كند. سوپاپ‌های كنترل عبارتند از هر قطعه‌ای كه جریان روغن را محدود، هدایت و یا به عبارت دیگر تنظیم كند. كارانداز خروجی یك پیستون و یا سرو و موتور است كه نیروی ایجاد دشه به وسیلة فشار هیدرولیكی را منتقل می كند.
هیدرودینامیك
عبارت است از مطالعه عملكرد و حركت مكانیكی و عملكرد سیالات یا مایعات در حال حركت، اولینن چیزی كه در این رابطه باید دانست این است كه فشار تنها زمانی ایجاد می شود كه مقاومتی در برابر جریان سیال وجود داشته باشد. اگر دبی حجمی پمپی 200 گالن بر دقیقه باشد و این پمپ این حجم روغن را از میان لوله‌ای كه توانایی عبور حداكثر 200 گالن بر دقیقه را داشته باشد جاری كند روغن جریان خواهد داشت. امّا هیچ فشاری ایجاد نمی‌شود. فشار تا زمانیكه مانعی در مقابل سیال در داخل لوله ایجاد نشود بالا نمی رود. قابلیت ایجاد مقاومتهای گوناگون در یك سیستم هیدرولیك برای بدست آوردن مقادیر مختلف فشار اساس سیستم هیدرولیك تمام گیربكس های گوناگون است. این بخش جزئیات انواع مختلف سوپاپ‌های كنترل بكار رفته در گیربكس های اتوماتیك متمركز است. شیرهای كنترل گیربكس های اتوماتیك را می توان در دو گروه عمدة زیر طبقه بندی نمود:
ـ سوپاپ‌هایی تنظیم فشار: اندازة فشار ایجاد شده در گیربكس به منظور تعویض دنده‌ها را كنترل می كنند.
ـ سوپاپ‌های قطع و وصل (سویچینگ) جهت جریان روغن را قبل از انجام تعوییض كنترل می‌كنند. گاهی اوقات در بعضی گیربكس‌ها عمل تنظیم فشار و سویچینگ در یك زمان انجام می شود امّا در هر یك صورت هر یك از دو وظیفة فوق به وضوح در انواع گیربكس‌ها مشاهده می شود.
اریفیس (تنگنا) orifice
اریفیس یك مجرای عبوری كوچك است كه به عنوان ساده ترین سوپاپ تنظیم فشار به كار می ورد. در گیربكس های اتوماتیك اریفیس ممكن است یك لولة محدود شده و یا یك سوراخ كوچك بین دو محفظه باشد.
همچنین ممكن است از اریفیس برای محدود كردن جریان روغن عبوری از كانالهای یك گیربكس استفاده شود، هنگامی كه سیال به یك اریفیس می رسد با مقاومتی روبرو می‌شود و فشار رو به افزایش می‌نهد، لذا فشار در سمتی از اریفیس كه حجم روغن بیشتر است بالاتر می رود.
سوپاپ فشار شكن Pressure Relief Valve
یك سوپاپ فشار شكن یا سوپاپ محدود كنند فشار هنگامی كه فشار به یك حد از پیش تعیین شده رسید از یك مجرای خرو جی به روغن اجازه تخلیه می دهد. در یك نوع رایج از سوپاس فشار شكن یك پیستون یك فنر و یك مجرای خروجی برای كنترل فشار به كار رفته است. در این سوپاپ، روغن وارد مجرای ورودی شده و پیستون را مخالف نیروی فنر می‌فشارد.
درگیربكس های اتوماتیك سوپاپ فشارشكن دو وظیفه را به عهده دارد:
ـ فشار سیستم هیدرولیك را به منظور حفاظت از قطعات گیربكس در مقابل فشار زیاد محدود می‌كد.
ـ می‌توان سوپاپ فشارشكن را برای جلوگیری از جریان یافتن سیال در سیستم هیدرولیك تا رسیدن به یك فشار معین به كار برد. در این صورت مجرای خروجی مانند یك راهگاه ورودی عمل می‌كند و تا زمانیكه فشار سیستم برای متراكم كردن فنر و باز كردن مجرای خروجی كفایت كند هیچ سیالی از میان آن عبور نمی‌كند.
سوپاپ های قرقره ای
اغلب سوپاپ‌های بكار رفته درگیر بكس اتوماتیك از نوع سوپاپ قرقره‌ایی هستند و تعدادی از آنها به عنوان سوپاپ تنظیم فشار عمل می كنند.این سوپاپ‌ها از این جهت كه شباهت زیادی به قرقره‌هایی كه روی آن ها نخ خیاطی پیچیده می شود، نامگذاری كرده‌اند.
سوپاپ قرقره‌ایی ساده
یك سوپاپ قرقره‌ای ساده 2 عدد پیستون، 4 سطح فشاری و یك دسته پیستون در بین سطوح داخلی دارد .
سوپاپ های قرقره ایی اساساً یك نوع پستون هستند كه هنگام اعمال فشار هیدرولیك بر سطوح مختلف آنها در داخل یك سیلندر به دقت ماشینكاری شده، به عقب و جلو حركت می‌كنند.
سوپاپ قرقره ایی ساده در یك طرف داری یك سطح فشار است كه دو برابر سطح فشار طرف دیگر است و فشار اعمال شده بر هر دو سطح یكسان است. در این مثال فشار اعمال شده بر سطح بزرگتر، نیروی خروجی دو برابر تولید خواهد كرد و سوپاپ به سوی نیروی كوچكتر حركت می‌كند.
سوپاپ های بالانس (تعادل)
سوپاپ های بالانس، سوپاپ‌های تنظیم فشار هستند كه یك سوپاپ قرقره ای و فنر را برای كنترل فشار سیستم هیدرولیك به خدمت می گیرند. همچنین بعضی از سوپاپ‌های بالانس از نیروی كمكی اهرم و یا نیروی سیال كمكی برای ایفای نقش خود بهره می‌گیرند.
سوپاپ‌ها سویچینگ (راه دهنده) : switching valves
یك سوپاپ سویچینگ یا سوپاپ راه دهنده (سوپاپ كنترل جهت) سیال را از یك معبر به معبر دیگر و یا از یك مدار هیدرولیك به مدار هیدرولیك دیگر هدایت می‌كند. همچنین یك سوپاپ سویچینگ ممكن است به یك مجموعه از معابر اجازه دهد در بیش از یك مدار هیدرولیك به كار گرفته شوند.
سوپاپ مانع یك راهه one-way check valve
این سوپاپ همچنانكه از نامش پیداست تنها از یك طرف به سیال اجازه می‌دهد كه از میانش عبور كند. سوپاپ پاپت یك نوع سوپاپ مانع یك طرفه است . روغن تنها پس از غلبه فشار هیدرولیك بر فشار فنری كه پاپت را در نشیمنگاه نگه داشته می‌تواند از میان سوپاپ بگذرد .
سوپاپ مانع دو راهه Two – way check valve
سوپاپ مانع دو راهه جریان سیال را در دو مدار هیدرولیك جداگانه كنترل می‌كند. سوپاپ ساچمه‌ای ساده ترین نوع سوپاپ مانع دو راهه است .
همانطور كه ملاحظه می‌كنید، هنگامی كه فشار هیدرولیك به مدار وارد می‌شود سوپاپ بطور اتوماتیك عمل می كند. اگر سیال از طرف راست وارد شود، ساچمه به طرف چپ حركت می كند . سپس فشار هیدرولیك ساچمه را در نشیمنگاه مربوط به مجرای سمت چپ نگه می دارد و جریان سیال را در آن جهت مسدود می‌كند. پس سیال وارد شده از طریق مجرای بالانس سوپاپ خارج می‌شود. اگر سیال از طرف مجرای سمت چپ وارد سوپاپ شد .
ساچمه را به طرف مجرای راست حركت می‌دهد. سپس فشار هیدرولیك ساچمه را در نشیمنگاه مربوط به مجرای راست نگه می‌دارد. این عمل جریان سیال از مجرای راست را متوقف می‌كند و روغن های وارد شده بار دیگر از مجرای بالایی خارج می‌شوند.
خاصیت آب بندی سازی اتوماتیك سوپاپ مانع دو راهة ساچمه‌ایی به دو مدار هیدرولیك مجزا امكان استفاده از یك مع بر را می دهد. درگیر بكس های اتوماتیك فشار هیدرولیك دو مدار به مجراهای چپ و راست سوپاپ دو راهه تغذیه می شود. در این حالت مجرای بالایی به یك خروجی مشترك تبدیل می شود و به این ترتیب دو مدار هیدرولیك اجازه می یابند كه یك خروجی گیربكس را در شرایط مختلف كاری كنترل كنند.
سوپاپ سویچینگ با كار انداز دستی
یك سوپاپ سویچینگ با كارانداز دستی یك سوپاپ قرقره‌ایی است كه بوسیلة یك اهرم مكانیكی حركت می كند، بر حسب موقعیت اهرم و به تبع آن موقعیت قرقره در داخل محفظه‌اش ممكن است مانع ورود سیال به داخل سوپاپ شود و یا اینكه سیال ممكن است اجازه عبور از میان سوپاپ را بیابد.
سوپاپ طوری واقع شده كه پیستونِ قرقره مجرای ورودی را مسدود كرده است. این حالت از ورود سیال به داخل سوپاپ سویچینگ ممانعت می كند. در اهرم برای تغییر موقعیت قرقره حركت كرده بنابراین مجرای ورودی باز شده است. این جالت به سیال اجازه می دهد كه به فضای بین قرقره جریان یابد. امّا چون پیستونِ سمت راست قرقره مجرای خروجی را مسدود كرده سیال در داخل سوپاپ باقی می ماند.
سوپاپ بیشتر حركت كرده و موقعیت قرقره در این حالت مجرای ورودی و خروجی را باز كرده است . دسته انتخاب حالت اغلب گیربكس‌های اتوماتیك به یك سوپاپ سویچینگ با كارانداز دستی متصل است. یعنی برای انتخاب دنده مورد نظر بكار رفته است.مجموعه‌های سوپاپ‌های سویچینگ با كارانداز دستی درگیر بكس‌های اتوماتیك دارای قرقره چندگانه و چندین مجرا می باشد. امّا با آنكه دارای شكل نسبتاً پیچیده‌ایی هستند از همان روش برای كنترل جریان روغن استفاده می‌كنند.
سوپاپ سویچینگ (راه دهنده ) با كارانداز هیدرولیكی
یك سوپاپ سویچینگ با كارانداز هیدرولیكی یك سوپاپ قرقره‌ایی است كه بوسیله فشار هیدرولیك در جهت عكس فشار یك فنر به حركت در میآید.
همانند سوپاپ سویچینگ با كارانداز دستی پیستون های یك سوپاپ سویچینگ با كارانداز هیدرولیكی مدارات هیدرولیكی مختلف را برای كنترل عملكرد گیربكس باز و بسته می‌كنند. فشار فنر قرقره سوپاپ را در موقعیتی قرار داده كه سیال نمی‌تواند از مجرای ورودی به مجرای خروجی جریان یابد در نتیجه یك مدار در سیستم هیدرولیك مسدود می شود. امّا اگر فشار كمكی در سمت چپ سوپاپ افزایش یابد و به حدی برسد كه بر فشار فنر غلبه كند سوپاپ به طرف راست حركت خواهد كرد و دریچه ورودی را باز می كند در نتیجه سیال اجازه می یابد كه به یك مدار هیدرولیك تغذیه شود.
سوپاپ تعویض گیر بكس Shift valve
سوپاپ تعوییض گیربكس شبیه به یك سوپاپ سویچینگ با كارانداز هیدرولیكی عمل می كند كه دو فشار هیدرولیك كمكی را برای حركت سوپاپ بكار می‌گیرد. یك فشار كمكی به سمت چپ سوپاپ اعمال می شود در حالی كه فشار دیگر برطرف راست سوپاپ اعمال می شود.
مادامی كه تركیب فشار فنر و فشار هیدرولیك اعمال شده به سمت راست سوپاپ بزرگتر از فشار كمكی اعمال شده به سمت چپ سوپاپ است، پیستونِ سمت راست سوپاپ مجرای ورودی را مسدود خواهد كرد. این عمل مانع جاری شدن سیال از میان سوپاپ به طرف مدار هیدرولیك مورد نظر می‌شود. اگر فشار كمكی در سمت چپ سوپاپ از تركیب فشار فنر و فشار كمكی سمت راست بزرگتر باشد سوپاپ به سمت راست حركت خواهد كرد.
در نتیجه دریچه ورودی باز و فشار هیدرولیك اجازه می یابد از طریق فضای بین قرقره‌ها به دریچه خروجی جریان یابد. از طریق این طرح زمان حركت سوپاپ با استفاده از تغییر فشارهای كمكی می تواند تغییر كند. گاهی اوقات سوپاپ‌های تعویض گیربكس را سوپاپ چهنده می نامند زیرا هنگام تغییر فشار، در انتهای سوپاپ تقریباً بطور ناگهانی تغییر موقعیت می‌دهند.
