مقدمه
ماشین هر وسیله مکانیکی یا وسیله الکتریکی است، که با انتقال یا اصلاح انرژی ، انسان را در انجام کارهایش ، یا در بهتر انجام شدن کارهایش یاری دهد، یا خود آنها را انجام می دهد. ساز و کارها و ماشینهای مکانیکی ، حتی قبل از آن که اطلاعات مکتوبی در دسترس باشد، برای تقویت توانائیهای نوع بشر ، دائما در حال استفاده بوده. تفاوت عمده ابزار ساده با ماشینها یا مکانیزمهای ساده ، وجود یک منبع قدرت و بعضی اوقات ، در کارکرد مستقل می باشد. ابزار قدرتمند امروزی ، ماشین ابزارهای خودکار ، و ماشین آلات قدرتمندی که توسط انسان هدایت می شوند، این تعریف را پیچیده کرده اند. هر دستگاهی که بتواند انجام کاری را آسان کند، ماشین نامیده می شود.
دنده ماشین چگونه کار می کند؟
تا به حال پشت فرمان ماشین نشسته اید؟ پیش دست راننده چطور؟ همیشه اولین سوالی که برای بچه ها در این موقعیت پیش می آید این است که چرا راننده مجبور است مدام دنده عوض کند؟ چرا نمی شود فقط با بیشتر گاز دادن، تندتر رفت؟
اگر کمی درباره دنده بدانید، سوال هایتان هم کمی پیشرفته تر می شود. ممکن است از خودتان بپرسید وقتی در دنده عوض کردن اشتباه می کنید، آیا دنده ها خرد می شوند یا اینکه وقتی کلاچ را زود رها می کنید یا دیر کلاچ می گیرید، سر و صدایی که می شنوید از کجا می آید. آیا ممکن است در اثر رانندگی اشتباه، دنده ها خراب شوند؟
دنده چه کار می کند؟
ماشین ها دنده می خواهند چون دور موتور آنها نباید از حد معینی بالاتر رود. اگر دقت کرده باشید در کنار سرعت سنج ماشین ها عقربه دیگری وجود دارد که دور موتور را نشان می دهد. در قسمت انتهایی این عقربه ناحیه ای وجود دارد که با رنگ قرمز مشخص شده است. اگر موتور ماشین مدتی در این محدوده کار کند، از کار می افتد. اگر سرعت کار موتور از حد معینی تجاوز کند حتی ممکن است باعث انفجار آن شود.علاوه بر این، بیشترین توان و گشتاور موتور در یک محدوده خاص از دور موتور به دست می آید و هرچه از این محدوده دور شویم، توان موتور افت می کند. کاری که دنده می کند اینست که بدون تغییر دور موتور، امکان رسیدن به سرعت های مختلف را فراهم می نماید. با دنده عوض کردن موتور را در بهترین وضعیت خود حفظ می کنید، اما در عین حال می توانید در سرعت های مختلف برانید.
دنده از یک طرف توسط کلاچ به موتور وصل می شود و از طرف دیگر با یک محور به دیفرانسیل متصل است. حرکت از موتور می آید، سرعت و قدرت آن در دنده تنظیم میشود و توسط محور و دیفرانسیل به چرخ ها منتقل می شود. در یک ماشین پنج دنده معمولی، پنج جفت چرخ دنده با نسبت های مختلف وجود دارد که پنج سرعت مختلف را در خروجی ایجاد می کنند. در جدول زیر تعدادی از این نسبت ها به عنوان مثال آورده شده است.
دنده
نسبت چرخ دنده ها
سرعت چرخش محور خروجی از جعبه دنده(دور در دقیقه(
1
315:1/2
1295
2
568:1/1
1913
3
195:1/1
2510
4
000:1/1
3000
5
915:1/0
3278
در جدول بالا فرض شده است که دور موتور در 3000 دور در دقیقه ثابت باقی بماند.
یک دنده ساده
برای اینکه با نحوه کار دنده ماشین آشنا شوید، در شکل شماره سه، جعبه دنده یک ماشین فرضی نشان داده شده است که بسیار ساده است و فقط دو دنده دارد. فرض کرده ایم دنده ماشین خلاص است، یعنی هیچ نیرویی از موتور به چرخ ها منتقل نمی شود. بیایید با هم نگاهی به قسمت های مختلف شکل بیندازیم تا وظیفه هر یک را برای شما شرح دهیم:
• محور سبز رنگ به کلاچ متصل است. این محور و چرخ دنده سبز با هم کار می کنند. کلاچ ابزاری است که انتقال نیروی موتور به جعبه دنده را کنترل می کند. وقتی پایتان را روی کلاچ فشار می دهید، ارتباط موتور و جعبه دنده قطع می شود؛ پس موتور می تواند کار کند در حالیکه ماشین ثابت است. اگر پدال را رها کنید، محور سبز به موتور متصل می شود و چرخ دنده سبز رنگ با همان سرعت موتور شروع به چرخش می کنند.
• محور قرمز و چرخ دنده های قرمز رنگ، "محور کمکی" نامیده می شود. کل این مجموعه به هم متصل است، پس تمام چرخ دنده های روی آن با هم حرکت می کنند. محور سبز و محور قرمز توسط دو چرخ دنده مستقیما به هم متصل اند و اگر محور سبز حرکت کند، محور قرمز نیز می چرخد؛ به این ترتیب هر وقت که پای شما روی کلاچ نباشد، قدرت از موتور به محور کمکی می رسد.
• محور زرد یک محور دندانه دار است که محور محرک را می چرخاند. محور محرک نیز از طریق دیفرانسیل به چرخ های ماشین متصل می شود و آنها را به حرکت در می آورد. هر زمان که چرخ های ماشین بچرخند، محور زرد هم در حال چرخش است.
• چرخ دنده های آبی روی بلبرینگ قرار گرفته اند، پس می توانند مستقل از محور زرد بچرخند. اگر موتور خاموش باشد ولی ماشین حرکت کند، محور زرد می تواند در درون این چرخ دنده ها بچرخد، درحالیکه چرخ دنده های آبی و محور کمکی بی حرکت هستند.
• وظیفه حلقه این است که یکی از دو چرخ دنده آبی را به محور زرد خروجی متصل کند. حلقه از طریق تعدادی برجستگی خار مانند به محور زرد متصل می شود و آن را می چرخاند. حلقه می تواند به چپ و راست حرکت کند تا با یکی از دو محور آبی رنگ درگیر شود. روی حلقه برآمدگی هایی است که با سوراخ هایی که روی دو چرخ دنده تعبیه شده است، جفت می شود.( این برآمدگیها را به خاطر بسپارید، چون جواب بعضی از سوالهایتان به آن مربوط می شود.
حالا که نحوه کار هر یک از این قسمت ها را فهمیدید، فرض می کنیم که ماشین با دنده یک حرکت کند. همان طور که در شکل زیر می بینید وقتی با دنده یک جلو می روید، حلقه به چرخ دنده آبی سمت راست می چسبد.
محور سبز که به موتور متصل است محور کمکی را می چرخاند. هردو چرخ دنده آبی شروع به حرکت می کنند، اما چون حلقه به چرخ دنده سمت راست متصل است، محور زرد با سرعتی برابر آن حرکت می کند. چرخ دنده آبی سمت چپ هم روی بلبرینگ خود هرز می چرخد.
اگر حلقه بین دو دنده باشد (مانند شکل 3 ) می گوییم دنده خلاص است. هر دو چرخ دنده آبی روی بلبرینگ های خود می چرخند اما محور زرد ثابت است. دنده واقعی کمی پیچیده تر از مثال ساده ماست.
دنده واقعی
مدل سازی زیر قسمت های داخلی جعبه دنده یک ماشین چهار دنده را نشان می دهد. روی شماره دنده ها کلیک کنید تا دنده عوض شود. R دنده عقب و N وضعیت خلاص را نشان می دهد.
بیشتر ماشین های امروزی پنج دنده هستند. اگر می توانستید داخل جعبه دنده آنها را ببینید با چیزی شبیه شکل شماره 5 مواجه می شدید.
سه اهرم وجود دارند که با سه میله به دسته دنده وصل می شوند. اگر از بالا به دنده نگاه کنید ظاهری شبیه به شکل 6 دارد. اگر دقت کنید می بینید که دنده ها دو تا دو تا در کنار هم قرار گرفته اند. دو دنده ای که در کنار هم هستند، به یک اهرم متصل می شوند. توجه کنید که وقتی می خواهید از دنده یک به دنده سه بروید، مجبورید که از یک نقطه میانی عبور کنید. وقتی از این نقطه رد می شوید در واقع یکی از اهرم ها از کار می افتد و اهرم دیگر جایگزین آن می شود(انگار دنده را یک بار خلاص کنید و بعد به دنده مورد نظر بروید). می توانید ببینید که وقتی دسته دنده را به چپ و راست حرکت می دهید اهرمهای مختلف و در نتیجه حلقه های متفاوتی را انتخاب می کنید. وقتی که دنده را جلو یا عقب می برید، حلقه به یکی از چرخ دنده ها می چسبد و با آن حرکت می کند.
دنده عقب برای دنده عقب، یک چرخ دنده کوچک اضافه شده است. این چرخ دنده نقش خاصی ندارد و فقط جهت حرکت را عوض می کند. این چرخ دنده را "چرخ دلاله" می نامند. دنده عقب که در شکل کناری با رنگ آبی نشان داده شده است، همیشه در جهت مخالف تمام چرخ دنده های آبی رنگ دیگر می چرخد. بنابراین وقتی ماشین در حال حرکت رو به جلو است، نمی توانید ناگهان با دنده عقب حرکت کنید؛ چون برآمدگی های روی حلقه با سوراخ های روی چرخ دنده، درگیر نمی شوند.
همگام ساز، قطعه ای کوچک با کارایی بالادر دنده بسیاری از ماشین های مدرن، قطعه ای بنام همگام ساز (Synchronizer) وجود دارد. دنده ای که در شکل نشان داده شده بود، فاقد همگام ساز بود. اگر بخواهید از این دنده در یک ماشین واقعی استفاده کنید، برای دنده عوض کردن باید دو بار کلاچ بگیرید. تمام ماشین های قدیمی همین طور بودند. هنوز هم تعدادی از ماشین های مسابقه ای با این سیستم کار می کنند.
فکر می کنید چرا باید دوبار کلاچ بگیرید؟
بار اول که کلاچ می گیرید، ارتباط موتور با جعبه دنده قطع می شود. پس فشار از روی برآمدگی های روی حلقه برداشته می شود تا شما بتوانید حلقه را به حالت خلاص منتقل کنید. بعد کلاچ را رها می کنید و موتور را به سرعت مناسب می رسانید. منظور از سرعت مناسب، دور موتوری است که با دنده بعدی تناسب دارد. یعنی کاری می کنید که برآمدگی های روی حلقه و چرخ دنده ای که مربوط به دنده بعدی است با سرعت یکسانی بچرخند تا برآمدگی های روی حلقه بتواند در چرخ دنده جفت شود. حالا مجبورید یک بار دیگر کلاچ را فشار دهید تا حلقه و دنده جدید با هم درگیر شوند.
همگام ساز این امکان را ایجاد می کند که حلقه و دنده، قبل از جفت شدن برآمدگی های روی حلقه، با هم تماس برقرار کنند. بنابراین حلقه و دنده می توانند قبل از اینکه چرخ دنده با برآمدگی های روی حلقه درگیر شود، سرعتشان را با هم وفق دهند. به شکل روبرو دقت کنید.
مخروطِ روی چرخ دنده آبی رنگ، در حفره مخروطی حلقه قرار می گیرد و اصطکاک آن با حلقه باعث همگام شدن حرکت حلقه و دنده می شود. سپس بخش بیرونی حلقه طوری می لغزد که برآمدگی های روی حلقه بتواند با دنده درگیر شود.
هر کمپانی شیوه و ایده های خاص خود را برای ساختن دنده به کار می برد، اما اساس کار تمام آنها همان چیزی است که خواندید. حالا چند نکته به شما می گوییم که به احتمال زیاد جواب سوال هایی است که پیش از خواندن این مطلب در ذهن شما وجود داشت:
• وقتی در تعویض دنده اشتباه می کنید، سر و صدای عجیبی که می شنوید صدای خرد شدن چرخ دنده های جعبه دنده نیست. همانطور که در تمام شکل های قبلی دیدید، تمام چرخ دنده های جعبه دنده همیشه در حال چرخش اند. صدا مربوط به برآمدگی های روی حلقه است که می خواهند درون سوراخ های یکی از دنده ها قرار گیرند، اما به دلیل بی دقتی شما نمی توانند این کار را انجام دهند.
• حالا می توانید بفهمید که چطور یک حرکت خطی کوچک دسته دنده باعث تعویض دنده می شود. دسته دنده، میله ای را جابجا می کند که به اهرم متصل است. اهرم نیز حلقه روی محور زرد رنگ را جابجا می کند تا آن را به یکی از دو چرخ دنده بچسباند.
موتورهای دو زمانه
موتور سیکلتها به طور کلی در 2 نوع دوزمانه و چهار زماه تولید می شوند :
موتورهای 4 زمانه در 720 درجه گردش میل لنگ 1 کار مفید ( قدرت ) دارند
موتورهای 2 زمانه در 360 درجه گردش میل لنگ 1 کار مفید ( قدرت ) دارند
هدف از طراحی موتور دو زمانه از بین بردن برخی معایب موتور چهار زمانه بود ولی خود این موتور هم دارای معایب بسیاری است که همکنون هم شاهد جمع آوری و تعویض این موتورها با موتور چهار زمانه در کشور هستیم به همین بهانه در این مطلب به عملکرد و مزایا و معایب این موتورها می پردازیم .
معایب موتور های چهار زمانه
1 : کاهش قدرت وزنی موتور ( هر چه موتور سبک تر باشد با توان ثابت دارای بازدهی بیشتری است )
2 : نامنظم بودن گشتاور وارد شده به موتور ( به علت وجود 1 کار مفید در 4 زمان است )
طرز کار موتورهای 2 زمانه
موتور دو زمانه دارای سوپاپ نیست و ورود و خروج سوخت از طریق دو دریچه A و E صورت می گیرد .
زمان اول : پیستون از نقطه مرگ بالا در انتهای متراکم کردن گاز به سمت پایین می آید در طی این حرکت ضمن انتقال نیرو به میل لنگ گاز را هم در کارتل متراکم می کند. .زمان دوم : پیستون به سمت بالا حرکت می کند و همزمان با این عمل سوخت وارد قسمت بالایی سیلندر می شود با ورود سوخت به بالای موتور عمل جاروب کردن دود آغاز می شود و دود به خارج از سیلندر انتقال می یابد .
حالا که با طرز کار این نوع موتورها آشنا شدیم مزایای آن را ذکر می کنیم :
– از لحاظ تئوری 2 برابر موتور چهار زمانه بازدهی دارد
– موتور کم صداتر و منظم تر است
– سیستم سوپاپ و روغنکاری ندارد در نتیجه هزینه آن ارزانتر است
– به علت وزن کم توان آن بیشتر از موتور چهار زمانه است
و حالا اصلی ترین قسمت معایب موتورهای 2 زمانه :
– عدم تخلیه مناسب دود به علت زمان بسیار کم تخلیه
– مصرف بالای سوخت در اثر شستشوی سیلندر موتور
– عدم وجود محل برای ذخیره کردن روغن و اختطلاط روغن با بنزین ( عامل آلودگی هوا )
– کمبود زمان خنک کاری و فرسایش سریع قطعات
ریشه لغوی موتور های چهار زمانه
این عبارت ترجمه عبارت انگلیسی Four-cycle-Engiue است و به موتورهایی اتلاق می شود که کار خود را در چهار کورس پیستون انجام می دهند. (حرکت پیستون از بالاترین مکان خود در سیلندر تا پایین ترین جای خود در سیلندر را یک کورس پیستون می گویند). در بیان فنی این موتورها را موتورهای با چرخه چهار مرحله ای می گویند که معادل عبارت Four-Stroke-cycle-Engiue است.
دید کلی
بطور کلی موتورهای احتراق داخلی بر مبنای دفعات توان در هر دور چرخش موتور به دو دسته کلی موتورهای دو زمانه و موتورهای چهار زمانه تقسیم می شوند. موتورهای دوزمانه از لحاظ ساختاری ساده ترند لیکن موتوهای چهارزمانه کارایی بیشتری دارند.
تاریخچه
اولین قدم مهم برای توسعه موتورهای چهارزمانه در اواسط قرن نوزدهم میلادی انجام گرفت. در این زمان یک مهندس فرانسوی به نام "بودور شا" چهار اصل اساسی را برای کار کردن موتورهای احتراقی ارائه کرد. که در واقع توسعه این اصول و بکارگیری آنها باعث ساخته شدن موتورهای چهارزمانه گردید. این اصول به قرار زیرند:
اتاقک احتراق باید کوچکترین نسبت سطح به حجم ممکن را داشته باشد.
1. فرآیند انبساط باید تا حد ممکن سریع انجام شود.
2. تراکم در ابتدای مرحله انبساط باید تا حد امکان زیاد باشد.
3. کورس انبساط می بایست تا حد امکان زیاد باشد.
پس از تلاشهای فراوانی که برای محقق کردن این اصول در ساخت موتورها انجام گرفت در سال 1876 یک مهندس آلمانی به نام "ان.ای.اتو" توانست موتوری را به ثبت برساند که همان چرخه چهارزمانه را به کار می بست. این چهار عمل عبارتند از :
مرحله مکش
* مرحله تراکم
* مرحله توان
* مرحله تخلیه
که در اکثر موتورهای امروزی بکار می روند.
انواع موتورهای چهار زمانه
موتورهای چهار زمانه به دو دسته کلی تقسیم می شوند که عبارتند از:
موتورهای اشتعال جرقه ای
در این موتورها برای مشتعل ساختن سوخت از یک جرقه استفاده می شود.
* موتورهای دیزل
* در این موتورها برای مشتعل ساختن سوخت از حرارت ایجاد شده در محفظه سیلندر و اتاقک احتراق استفاده می شود (این حرارت بالا به علت فشردگی زیاد سیال ایجاد می شود.
تفاوت موتورهای اشتعال جرقه ای و موتورهای دیزل در اینست که در موتورهای اشتعال جرقه ای در مرحله مکش مخلوط هوا سوخت (که اغلب بنزین یا گاز طبیعی است) وارد سیلندر می شود و پس از آنکه در مرحله تراکم این مخلوط در اتاقک احتراق فشرده شد در یک زمان مناسب (زمان بندی اشتعال )عمل انفجار مخلوط مذکور بوسیله یک جرقه انجام می گیرد.
در حالیکه در موتورهای دیزل در مرحله مکش هوای خالی به داخل محفظه سیلندر مکیده می شود و در مرحله تراکم نیز فقط هوای خالی در اتاقک انفجار فشرده می شود لیکن میزان فشردگی در موتورهای دیزل بیشتر از موتورهای اشتعال جرقه ای است. این فشردگی بالا باعث ایجاد حراست زیادی می گردد که به محض ورود سوخت در مرحله توان باعث احتراق آن می گردد.
ساختمان موتور چهارزمانه
موتورهای چهارزمانه خود گروهی از موتورهای احتراق داخلی هستند. موتورهای احتراق داخلی برای کار کردن به یک سری قطعات و سیستم ها نیازمندند. نظیر سیستم سوخت رسانی ، بدنه موتور ، سیستم سوپاپ ها ، سیستم خنک کننده و … لیکن موتورهای چهارزمانه دارای مکانسیم هایی می باشند که انجام چهار مرحله مکش ، تراکم ، توان و تخلیه را به صورت مجزا ممکن می سازد (در موتورهای دوزمانه مراحل مکش و توان و تخلیه و تراکم با هم انجام می شوند) این مکانسیم ها عبارتند از:
سیستم سوخت رسانی و تنظیم سوخت
* سیستم سوپاپ ها:که عمل ورود و خروج گازها را بطور دقیق کنترل می کند
* مانیفولد هوا و مانیفولد دود
* سیستم زمان بندی اشتعال
طرز کار
طرز کار هر دو نوع موتورهای چهارزمانه یعنی موتورهای اشتعال جرقه ای و موتورهای دیزل تا حد زیادی شبیه به هم است. لیکن در مواردی نیز با یکدیگر تفاوت دارد در ذیل اصول کلی کار موتورهای چهارزمانه را ذکر می کنیم.
* مرحله اول (مرحله مکش
در این مرحله سوپاپ ورودی هوا همزمان با حرکت رو به پایین پیستون درون سیلندر باز می شود. با این عمل مخلوط هوا و سوخت (در موتورهای اشتعال جرقه ای) و هوای خالی (در موتورهای دیزل) وارد محفظه سیلندر شده و آنجا را پر می کند.
* مرحله دوم (مرحله تراکم
این مرحله از لحظه ای شروع می شود که پیستون از پایین ترین نقطه مکانی خود شروع می کند به حرکت رو به بالا. در این مرحله هر دو سوپاپ هوا و دود بسته اند. پیستون سیال موجود در محفظه سیلندر را در داخل اتاقک احتراق واقع در سه سیلندر فشرده می کند.
* مرحله سوم (مرحله توان
در این مرحله سیال موجود در اتاقک احتراق منفجر می گردد (در موتورهای اشتعال جرقه ای اینکار بوسیله یک جرقه الکتریکی و در موتورهای دیزل بواسطه تزریق سوخت انجام می شود) در این مرحله نیز سوپاپ ها بسته اند. انرژی آزاد شده از سوختن مواد فسیلی باعث ایجاد نیروی فشارندگی پیستون می گردد که باعث پایین رفتن پیستون می شود.
* مرحله چهارم (مرحله تخلیه
در این مرحله گازهای ناشی از سوختن سیال تمام محفظه سیلندر را پر کرده اند در این مرحله سوپاپ دود باز می شود تا گازهای داغ ناشی از احتراق را از طریق مانیفولد دود از موتور خارج کند. حرکت رو به بالای سیلندر نیز به عمل تخلیه گازها کمک می کند.
پس از طی شدن این چهار مرحله که در دو دور چرخش میل لنگ انجام شده است. یک چرخه موتور چهار زمانه انجام شده است. و برای ادامه یافتن تولید توان این چرخه دوباره به ترتیب فوق و از مرحله اول از سر گرفته می شود. لازم به ذکر است که اکثر موتورهای امروزی بیش از یک سیلندر دارند که درکنار یکدیگر قرار گرفته اند. لیکن این مراحل در همه آنها بصورت همزمان اتفاق نمی افتد. مثلا هیچ وقت ممکن نیست که در دو سیلندر عمل انفجار صورت گیرد. این امر به خاطر شکل بخصوص میل لنگ و نیز …. کار کردن موتور است.
کاربرد
موتورهای چهارزمانه امروزه پرکاربردترین موتورهای احتراقی هستند که در طیف وسیعی از خودروها به کار می روند. و علت آن نیز شتاب بالای این موتورها و نیز کارآیی و انعطاف پذیری زیاد این موتورهاست.
30