תיבת הילוכים

תיבת הילוכים היא מערכת תמסורת מכנית המתאמת בין "התקן מניע" (מנוע כלשהו, כמו מנוע בנזין או מנוע דיזל) לבין "התקן מונע" כלשהו ומאפשרת לשנות את היחס בין המהירות שלהם ובין עוצמת המומנט שהם מפעילים זה על זה, בניגוד לתמסורת קבועה. מהירות הסיבוב עומדת ביחס הפוך למומנט המופעל, ולכן שילוב תיבת ההילוכים להילוך נמוך מגביר את מומנט ההתקן המניע, ומאפשר לו להתגבר ביתר קלות על ההתנגדות שההתקן המונע מפעיל נגדו.

אחד ממנגנוני תיבת ההילוכים

תיבות הילוכים נפוצות בכלי תחבורה: ניתן להבחין בהשפעת המעבר בין ההילוכים השונים ברכב על ידי התבוננות במחוג מד סיבובי המנוע (מד הסיבובים לדקה) והשוואתו למחוג מד המהירות. בזמן האצת הרכב, מד המהירות עולה בהדרגה, ואילו מד סיבובי המנוע עולה בהדרגה בכל הילוך נתון, ובעת העלאת הילוך (למשל מהילוך ראשון להילוך שני), הוא יורד בבת אחת ומתחיל לעלות בהדרגתיות שוב בהילוך החדש ככל שההאצה במהירות נמשכת. דבר זה נובע משינוי יחס הגדלים של גלגלי השיניים המשולבים בתיבת ההילוכים, המאפשר למנוע להניע את כלי הרכב במהירות רצויה, תוך הורדת סיבובי המנוע לרמה נמוכה יותר ככל שפוחתת ההתנגדות שמפעיל נגדו כלי הרכב.

סוגי תיבות הילוכים:

• תיבת הילוכים ידנית, בה החלפת הילוך נעשית על ידי הנהג באמצעות מוט ההילוכים ודוושת המצמד.
• תיבת הילוכים רובוטית, בה החלפת ההילוך נעשית על ידי המכונית, אך היא בנויה כמו תיבה ידנית לכל דבר.
• תיבת הילוכים חצי־אוטומטית (או "אוטו־קלאץ'"), בה החלפת הילוך נעשית על ידי הנהג אך הפעלת המצמד נעשית על ידי הרכב.

• תיבת הילוכים אוטומטית (המכונה לעיתים תיבה פלנטרית), היא תיבה הכוללת מנגנון המאפשר לרכב להחליף הילוך באופן עצמאי, ללא צורך בהתערבות מצד הנהג.
• תיבת הילוכים רציפה (CVT), הפועלת כתיבה אוטומטית ללא התערבות הנהג, אך בעלת מנגנון פנימי רציף השונה מהתיבה האוטומטית.

מערכת גלגלי שיניים פלנטרית. מערכות כאלו משמשות בתיבת הילוכים אוטומטית

גלגל שיניים

ערך מורחב – גלגל שיניים

כיוון תנועת הגלגלים והחישוב לכך - הגדילו תמונה זו

כדי להבין בצורה טובה כיצד פועלת תיבת הילוכים, יש להבין את אופן פעולתם של גלגלי השיניים. תפקידם של גלגלי השיניים הוא להגדיל את המומנט תוך הפחתה של המהירות או להגדיל את המהירות תוך הפחתה של המומנט. אם גלגל שיניים שהיקפו שלושים סנטימטר (או שלושים שיניים), יסובב גלגל שיניים שהיקפו עשרה סנטימטר (או עשר שיניים), הרי שהמהירות הסיבובית שתתקבל, כלומר מספר הסיבובים ליחידת זמן, תהיה פי שלושה מהמהירות שנכנסה. אבל, המומנט שיתקבל יקטן פי שלושה מהמומנט שנכנס. דבר נוסף המתקבל על ידי שילוב גלגלי שיניים – האפשרות לשנות את כיוון הסיבוב. למשל, אם גלגל שיניים אחד מסתובב עם כיוון השעון, גלגל השיניים שיוצמד אליו יסתובב נגד כיוון השעון. כיוון תנועת גלגלי השיניים השתנה, אך המהירות הסופית נותרה זהה.

סוגי גלגלי שיניים

קיימים שני סוגי גלגלי שיניים עיקריים בתיבת הילוכים:

1. גלגל שיניים בעל שן ישרה (Spur): גלגל שיניים זה זול יחסית. החיסרון המשמעותי בו הוא שאין שילוב טוב בין גלגלי השיניים, לכן גלגלי השיניים מכים זה את זה, ויוצרים על ידי ההכאה קול יבבה, כמו זו הנשמעת בעת נסיעה מהירה בהילוך אחורי במכונית.
2. גלגל שיניים בעל שן אלכסונית, חלזוני (Helical): בגלגלי שיניים אלו יש שילוב טוב בין השיניים, דבר התורם לפעולה שקטה ויעילה. גלגל שיניים זה יקר יותר מגלגל שיניים בעלי שן ישרה.

חלקי מערכת העברת הכוח בה יש שינוי במהירות הסיבוב

1. תיבת הילוכים.
2. דיפרנציאל: בעל יחס הפחתה די גדול (בערך 1 ל־3) בין הסבבת (Pinion) לבין גלגל העטרת (Ring gear או Crown).
3. צמיג: יש לחלק את המומנט שמגיע מהדיפרנציאל ברדיוס הצמיג כדי למצוא את הכוח שמגיע אל הכביש.

מצמד (קלאץ')

ערך מורחב – מצמד

המצמד מקשר בין המנוע לבין תיבת ההילוכים, ומאפשר לנתק את המנוע (ההתקן המניע) מתיבת ההילוכים וההתקן המונע המחובר אליה (למשל, גלגלי הרכב). ברוב המקרים, המצמד מורכב משתי דסקיות המוצמדות בכוח זו לזו. באפשרות הנהג לגרום להפרדה בין שתי דסקיות אלו, מה שקוטע את התנועה הסיבובית מהמנוע אל הגלגלים דרך תיבת ההילוכים. המצמד נועד כדי להפריד ולחבר את המנוע בצורה הדרגתית: בזמן התחלת הנסיעה, בעצירה, ועל מנת להחליף הילוכים. המנוע צריך להיות מופרד מתיבת ההילוכים בעת החלפת ההילוך כי עבור מהירות נתונה של הגלגלים, יש הבדל בין הסל"ד של גל הקצר של תיבת ההילוכים בהילוך אחד לבין הסל"ד בהילוך השני. כדי לשנות מהירות זו, צריך לנתק את המנוע על-מנת לא לשנות את המהירות הזו יחד עם כל העומס של המנוע. אחר כך, מתאימים את הסל"ד של המנוע לסל"ד של גל הקצר של תיבת ההילוכים לפני שמחברים בחזרה את המצמד.

לדוגמה, בהילוך ראשון במהירות של 20 קמ"ש מנוע הרכב פועל ב־3,000 סל"ד ובהילוך שני, במהירות זו, המנוע פועל ב־2,000 סל"ד בלבד. לכן, צריך להפריד את המנוע מהגלגלים, לשלב להילוך הבא (כלומר להוריד את הסל"ד של תיבת ההילוכים ל-2,000), לחכות שהסל"ד של המנוע ירד, ואז בערך ב־2,000 סל"ד, לשלב את המצמד שוב. (המנוע לא יכול להתגבר על הפער הזה של 1,000 סל"ד לכן צריך להפריד אותו, להגיע לסל"ד הנכון, ורק אז לשלב).

מטרותיה של תיבת ההילוכים

1. לכל מנוע יש תחום סל"ד (סיבובים לדקה) שבו הוא אופטימלי (בין שיא המומנט לשיא ההספק), ההילוכים בנויים כך שישמרו את המנוע בתחום הסל"ד היעיל במהירויות הנסיעה השונות.
2. אם מנוע מגיע לסף כלשהו של סל"ד (באזור הקו האדום), הוא עלול להינזק בצורה בלתי הפיכה. לכן, על ידי שימוש נכון בתיבת ההילוכים שומרים עליו שלא ייהרס.
3. מתחת לתחום סל"ד מסוים, המומנט של המנוע נמוך מאוד, ולכן יש להכפיל אותו, על מנת שיהיה מספיק מומנט להתחיל את הנסיעה (דרושה תוספת מומנט בגלל כוחות חיכוך שונים שפועלים רק כשהרכב ללא תנועה).
4. למה אין לרכב אינסוף הילוכים? הסיבה לכך היא שעל המכונית בתנועתה פועלים כוחות הגדלים ככל שהמהירות עולה. לכן צריך להתאים את המומנט של ההילוך הסופי למומנט שמתנגד לתנועת הרכב. ככל שהרכב יגביר את המהירות ויעלה הילוכים שיקטינו את המומנט, תאוצת הרכב תקטן – עד להשוואה בין מומנט המנוע (דרך מערכת העברת הכוח) לבין המומנט שמתנגד לתנועת המכונית. במילים אחרות, מהירות הרכב הסופית מוגבלת במקרים רבים בגלל שלל כוחות הפועלים על הרכב.
5. אם ניצור יחס הפחתה ארוך אחד בתיבת הילוכים (הילוך אחד), הרכב לא יוכל להתחיל לנוע, כי לא יהיה די מומנט לתחילת הנסיעה בסל"ד הנמוך. ואילו בהילוך ראשון רגיל, כבר בתחילת הנסיעה המנוע נמצא בסל"ד מספיק גבוה, בו יש כבר די מומנט לתחילת הנסיעה (כמו כן, ככל שיש יותר מומנט, הרכב מאיץ טוב יותר).
6. אם ניצור יחס הפחתה אחד קצר, אז המהירות הסופית תהיה מוגבלת מפני שיש למנוע סל"ד מרבי שאחריו הוא ייהרס (באזור הקו האדום).

תיבת הילוכים ידנית

תיבת הילוכים בסיסית

בתיבת ההילוכים קיים גל קצר (Input Shaft) שיוצא מהמצמד וממשיך מעט לתוך תיבת ההילוכים, בקצהו מחובר גלגל שיניים. גם על הגל הנגדי (Layshaft) מחובר גלגל שיניים. לאורכו של הגל הנגדי ישנם עוד כ־5 גלגלי שיניים. לכל גלגל שיניים בגל הנגדי יש גלגל שיניים מקביל על גל שלישי (Output Shaft) שהוא המשכו של הגל הראשוני (אך אינו מחובר אליו). גלגל שיניים זה משולב אליו תמידית.

גלגלי השיניים על הגל השלישי אינם מחוברים לגל בצורה קשיחה. כלומר, הם יכולים לנוע אף אם הגל לא נע. וכן, לעצור אף אם הגל נע. כדי לחבר את גלגלי השיניים לגל (בכל פעם גלגל שיניים אחד בלבד), ישנם שיניים שנקראות Dog tooth, שיניים אלו מחוברות בצורה קשיחה אל הגל וכאשר הן ידחפו הן יתחברו אל גלגל השיניים מן הצד, מה שגורם לו להתחבר בצורה קשיחה אל הגל.

גלגל השיניים מחובר בצורה בלתי קשיחה, בעוד שיני הכלב מחוברות בצורה קשיחה

כעת הכוח עובר דרך ארבעה גלגלי שיניים מן הכניסה אל תיבת ההילוכים ועד היציאה: גלגל השיניים על הגל הראשוני, גלגל השיניים המקביל אליו, גלגל השיניים על הגל השני וגלגל השיניים המקביל, על הגל השלישי (גל היציאה). במבנה תיבת הילוכים כזה, יש לשלב הילוכים בשיטת "גז ביניים" (Double-clutch):

1. לחיצה על המצמד והעברת הילוך להילוך סרק.
2. מתן גז, כך שהמנוע יעבוד בסל"ד של ההילוך הבא.
3. לחיצה על המצמד והגז יחד והעברה להילוך הבא.
4. שחרור דוושת המצמד.

הסבר הפעולות:

1. העברה להילוך סרק משחררת את גלגל השיניים משיני הכלב (והפרדת המנוע מהגלגלים – יש נתק בתיבת ההילוכים).
2. האצת גלגל השיניים למהירות של שיני הכלב (שנמצאת ביחס ישר למהירות הרכב, כי שיני הכלב תמיד "מחוברות" לגלגלים). לדוגמה, אם צריך להוריד מהילוך שני לראשון: בהילוך ראשון במהירות של 20 קמ"ש מנוע הרכב פועל ב־3,000 סל"ד. ובהילוך שני, במהירות זו, המנוע פועל ב־2,000 סל"ד בלבד. יש להאיץ את גלגל השיניים (של ההילוך הבא – הילוך ראשון) למהירות פרופורציונית ל־20 קמ"ש, קרי 3,000 סל"ד. כעת שיני הכלב, שנמצאות במהירות פרופורציונית ל־20 קמ"ש (כי הן מחוברות לגלגלים שנעים ב־20 קמ"ש) נמצאות באותה מהירות בדיוק של גלגל השיניים.
3. כעת יש לשלב את ההילוך הבא.
4. שחרור המצמד, כדי לחבר חזרה את המנוע לגלגלים.

בצורה זאת ניתן להעביר הילוך ללא שימוש במצמד (גם בתיבות הילוכים רגילות), אך אין זה מומלץ, משום שביצוע גז הביניים אינו מושלם בדרך כלל (מבחינת דיוק סל"ד).

תיבת הילוכים עם סנכרון (Synchronism)

בתיבות ההילוכים החדשות יותר (כלומר, במכוניות של ימינו), ישנו סנכרון בנוסף לשיני הכלב, הסנכרון הוא כעין שרוול העשוי מתכת רכה (מבנהו המדויק של הסנכרון משתנה בין יצרני הרכב השונים). בצדו של גלגל השיניים (במקום שמורכבות השיניים שמשתלבות עם שיני הכלב) ישנה בליטה קצרה. כאשר משלבים הילוך, השרוול עולה על הבליטה, הם מתחברים (אך לא בצורה קשיחה), ואז גלגל השיניים מואץ למהירות של שיני הכלב. כעת שיני הכלב נמצאות במהירות של גלגל השיניים, ולכן הם משתלבים יחדיו (ללא שימוש בגז ביניים).

שיני כלב עם סנכרון

אולם, מכיוון שהסינכרונים עשויים ממתכת רכה, הם נשחקים לאחר זמן מה ושילוב ההילוך הופך קשה יותר, מה שמצריך את החלפת המצמדים הסינכרוניים, או שימוש בגז ביניים. אם משלבים להילוך לא נכון, הסנכרון יאלץ להאיץ יותר את גלגל השיניים מה שיגרום לבלאי מהיר יותר של הסנכרון, או במקרה הגרוע, אם הסנכרון לא הצליח להתאים את מהירות שיני הכלב למהירות גלגל השיניים, גלגל השיניים יפגוש את שיני הכלב במהירות, מה שישחק אותן (ישמע רעש של גריסה). כמו כן, עלול להיווצר מצב שאי אפשר לשלב את ידית ההילוכים להילוך הרצוי (לדוגמה, שילוב להילוך ראשון מחמישי בעת נסיעה מהירה לא יצליח).

העברה מהירה (Quick Shift)

התקן העברה מהירה הוא אביזר שיפור המאפשר החלפת הילוכים מהירה יותר. ההבדל בין תיבת הילוכים רגילה לתיבה עם העברה מהירה הוא בעיקר במבנה המוטות המקשרים, שם יש הבדל במנוף קטן שמחובר לידית. כאשר משנים את אורכו של המוט התנועה הופכת להיות מהירה יותר. מאידך, הקיצור מחייב הפעלת כוח רב יותר שעלול ליצור קשיים בהחלפת הילוך כאשר השמן התעשייתי בתיבת ההילוכים קר. הבדל נוסף הוא באיכות החומרים כדוגמת טבעות מתכת איכותיות יותר המונעות חופש בידית. בעיה אחרת היא חומרתו של שילוב שגוי להילוך לא מתאים, שעלול להרוס את המנוע. דרך נוספת להעברת הילוכים מהירה יותר, מושגת בעזרת קיצור ידית ההילוכים כך שהתנועה הנדרשת קצרה יותר. שיטה זו לא משנה את המבנה של המוטות המקשרים והשיפור בזמן ההחלפה פחות משמעותי.

הילוך אחורי

ידית הילוכים

ההילוך האחורי בדרך כלל אינו מסונכרן ואינו נטוי (הליקלי - helical) (אלא עשוי משן ישרה). הוא בנוי מגלגל שיניים על הגל הנגדי וגלגל שיניים מקביל לו על גל היציאה (אך הם אינם משולבים כמו שאר השיניים, אלא יש ביניהם מרחק), בשילוב ההילוך מוסט גלגל שיניים שלישי (על גל נוסף - Idler Shaft) שמתחבר ביניהם, מה שהופך את כיוון הסיבוב. הילוך זה בדרך כלל קצר יותר מההילוך הראשון – מה שנותן יותר כוח, אך פוגם במהירות הסופית שלו. מכיוון שגלגלי השיניים של הילוך זה אינם עשויים משיניים חלזוניות – מטעמים כלכליים, הוא משמיע קול יבבה צורם בנסיעה מהירה לאחור. מכיוון שהילוך זה אינו מסונכרן – והשילוב מתבצע על ידי הסטת גלגל שיניים, אם ישלבו להילוך אחורי תוך כדי נסיעה – ישמע רעש של גריסה מגלגלי השיניים. גם אם ישלבו להילוך אחורי בעצירה, אך מיד לאחר תנועה לפנים, עלול להיווצר קושי בשילוב, וזאת מפני שגלגלי השיניים שבתיבת ההילוכים ממשיכים לנוע מכוח האינרציה בזמן שהמנוע מנותק מהם (שדוושת המצמד לחוצה). לכן, מומלץ לשלב להילוך סרק לפני השילוב להילוך האחורי, לשחרר את המצמד, כך שגלגלי השיניים ינועו לאט יותר, ורק אז לשלב אליו. קיימים כלי רכב בהם ניתן (לרוב באופן תאורטי) לשלב יותר מיחס העברה אחד בנסיעה לאחור, אפשרות זאת מתקבלת בדרך כלל על ידי תיבה נפרדת המשנה את כיוון העברת הכוח, ושילוב יחסי העברה שונים (המשמשים גם בנסיעה קדימה) (במשאית יונימוג ובטנקים למשל).

מנגנון השילוב

בתיבת ההילוכים, כל צמד מצמדים סינכרונים (או רק המצמדים – בתיבת הילוכים ללא סינכרון), מחוברים יחד במוט. למשל, המצמדים של הילוך ראשון ושני מחוברים יחד במוט, כך, שאם נזיז את המוט לאחור, המצמד של ההילוך הראשון ישתלב, והמצמד של ההילוך השני יצא משילוב. אם המוט יושאר באמצע, שני מצמדים אלו לא יהיו משולבים. כל פעם יכול להיבחר רק הילוך אחד שישולב. במצב הילוך סרק, ידית ההילוכים תהיה במרכז (אך לאו דווקא באמצע), כך שכל המצמדים יהיו רפויים. כדי להעביר את תנועתה של ידית ההילוכים אל תיבת ההילוכים, משתמשים בדרך כלל במוטות ("שטנגות") שתפקידם לקשר בין ידית ההילוכים לבין מוטות השילוב של תיבת ההילוכים. ידית ההילוכים אינה מורכבת תמיד מעל תיבת ההילוכים.

תיבת הילוכים סדרתית (Sequential gearbox)

כדי להקל על הנהג למצוא את ההילוך הנכון, ישנן תיבות הילוכים שמנגנון השילוב הפנימי שלהן מאפשר העלאת הילוך על ידי דחיפת ידית ההילוכים קדימה, והורדת הילוך על ידי משיכת ידית ההילוכים אחורה. מבנה תיבת הילוכים זו זהה למבנה תיבת ההילוכים הרגילה – למעט מנגנון השילוב. המנגנון בנוי מגלגלי שיניים המורכבים על מוטות קצרים מחורצים, על ידי הזזת ידית ההילוכים הם מסתובבים, ומוטות השילוב, שנעים בחריצים, עוברים להילוך הנכון. מנגנון שילוב דומה נמצא גם באופנועים.

יתרונות:

• בתיבת הילוכים ידנית רגילה, כדי להחליף הילוך נדרשות לעיתים מספר פעולות. למשל, כדי להעביר מהילוך רביעי לחמישי באמצעות מוט הילוכים סטנדרטי עם 5 הילוכים, צריך לדחוף את המוט קדימה, ימינה ואז שוב קדימה. בתיבה הסדרתית, צריך רק לדחוף קדימה או למשוך אחורה.
• אין צורך לחשוב על הפעולות הנדרשות, רק לדחוף או למשוך.
• בתיבת הילוכים ידנית רגילה, צריך לזכור איזה הילוך משולב כעת – כדי למצוא את ידית ההילוכים. בתיבה סיקוונסיאלית, היא תמיד באותו מקום.
• לעולם לא יתבצע שילוב להילוך שגוי (למשל, במקום להעביר להילוך חמישי – הורדה שגויה לשלישי, מה שעלול לגרום להרס המנוע).
• חיסכון במקום: ישנה מסילה אחת לתנועה קדימה ואחורה, בעוד שבתיבות הילוכים רגילות יש שלוש או ארבע מסילות.

חסרונות:

• ישנם מקרים בהם דילוג על הילוך מתבקש על ידי תנאי הדרך. לדוגמה נהיגה בשטח חולי, בו צבירת מהירות באמצעות דילוג מהילוך ראשון לשלישי מונעת שקיעה. בתיבה הסיקוונסיאלית נדרשות שתי העברות שהופכות את ההחלפה לאיטית יותר. דוגמה נוספת היא בלימה באמצעות כוח המנוע שמחייבת לעיתים הורדה של מספר הילוכים בבת אחת.
• מיקום ידית ההילוכים לא נותן אינדיקציה על ההילוך הנוכחי, מה שעלול לגרום לבלבול, למשל כאשר הרכב נעצר וצריך לנתק את המצמד.

חשוב להבדיל בין תיבת הילוכים סדרתית לבין תיבת הילוכים מנומטית (Manumatic), המוכרת גם בשם המסחרי "טיפטרוניק". לתיבת הילוכים סדרתית יש מצמד רגיל, ומכלול פנימי של תיבת הילוכים ידנית. לעומת זאת, בתיבה מנומטית, המכלול הפנימי הוא של תיבת הילוכים אוטומטית, לנהג אין שליטה על ה"מצמד האוטומטי" (ממיר המומנט), ומחשב הרכב הוא הקובע, בסופו של דבר, על העלאת הילוך בתיבות מסוימות (Over rolling), וכן על הורדת ההילוך. בנוסף, העברת ההילוך לוקחת יותר זמן.

תיבה עם שיני כלב (Dog transmission)

מבנה התיבה: בתיבה זו מורכבים גלגלי שיניים בעלי שן ישרה הממלאים את מקומם של גלגלי השיניים החלזוניים והרגישים. תיבת הילוכים זו אינה מצוידת בסינכרונים, אלא בשיני כלב בלבד, ומכאן שמה. החלל שנוצר מהוצאת הסינכרונים מנוצל כמרחב נוסף לגלגלי השיניים ומאפשר את הרחבת השן ב־20% וכך תורם לחוזקה של תיבת ההילוכים. תיבות אלו מיוצרות בדרך כלל מחומרים איכותיים יותר, גלים חזקים יותר ומיסבים טובים יותר התורמים להפחתת החיכוך. כמו כן, המשקל עשוי להיות נמוך יותר ובכך לתרום לתגובות מצערת טובות יותר עקב משקל חלקים מסתובב קטן יותר.

החלפת הילוך: בחלק מתיבות ההילוכים האלו צריך להעביר הילוך על ידי גז ביניים, בגלל המחסור בסינכרונים. עם זאת קיימות תיבות הילוכים שאינן מצוידות בסינכרונים ובכל זאת מאפשרות להעביר הילוך ללא שימוש בגז ביניים, וזאת בגלל חוזקן הרב של שיני הכלב, המאפשרות העברת הילוך מהירה מהרגיל כיוון שבתיבה מסונכרנת ידית ההילוכים נעה פעמיים (שילוב סינכרון ושילוב שיני הכלב) וכאן השילוב הוא רק באמצעות שיני הכלב.

חסרונות: לתיבת הילוכים כזו יש מספר חסרונות:

• רעש צורמני בשעת הנסיעה. בגלל, השימוש בגלגלי שיניים בעלי שן ישרה, מה שגורם לרעש כמו של הילוך אחורי. רעש כזה מפריע לנסיעה יום יומית, אך פחות מורגש בנהיגת מרוצים וראלי – בגלל הרעש החיצוני של הנסיעה. את בעיית הרעש אפשר היה למנוע בעזרת שימוש בגלגלי שיניים בעלי שיניים אלכסוניות, אבל, הן יקרות יותר ורגישות יותר למכות.
• נדרשת מיומנות גבוהה יותר בהחלפת ההילוכים.

הילוכים אוטומטיים

תיבת הילוכים אוטומטית היא תיבה בה הנהג לא מעורב בתהליכים הכלולים בהעברת ההילוכים אלא הם מתבצעים באופן אוטומטי על ידי מערכת. התיבה האוטומטית הנפוצה ברכבים עממיים היא התיבה האוטומטית הפלנטרית מבוססת ממיר מומנט ובעלת 4 ל-9 יחסי ההעברה (הילוכים). כיום ניכרת עלייה בתפוצת תיבות ההילוכים הרובוטיות מבוססות מנגנון הדומה לתיבות הידניות אך עם מערכת רובוטית נשלטת אלקטרונית שמפעילה את המצמד ומשנה את ההילוך, כמו כן הן מאפשרות מעבר למצב קבלת קלט מהנהג איזה הילוך רצוי עליו (חצי אוטומטי).

יתרונות ההילוכים האוטומטיים

היתרון של תיבות הילוכים אוטומטיות טמון בפשטות השימוש ברכב וירידת הנטל על הנהג. הנהיגה ברכב בעל תיבת הילוכים אוטומטית פשוטה בהרבה מנהיגה ברכב בעל תיבת הילוכים ידנית מכיוון שאין צורך להשתמש במצמד או להעביר הילוכים. כדי לנוע לפנים, בכל מהירות, יש להסיט את מוט ההילוכים לסימון Drive או D, וללחוץ על דוושת התאוצה. ההקלה מורגשת באופן משמעותי בעיקר בנהיגה עירונית עמוסת תנועה ובמיוחד כאשר הכביש משופע שהרי אז נחסך הצורך לבצע תכופות "זינוק בעלייה".

חסרונות ההילוכים האוטומטיים

אחד החסרונות של המנגנון האוטומטי נעוץ בכך שהמנגנון בתיבות האוטומטית השונות סבוך יותר מבחינה מכנית ועשוי לכלול בקרים אלקטרוניים רבים. על כן הוא נוטה יותר להתקלקל, יקר יותר לתיקון ומעלה בדרך כלל את מחירו הראשוני של כלי הרכב. חיסרון נוסף הוא שמצב אוטומטי מלא (שהוא המצב היחידי בתיבה פלנטרית) מאפשר לנהג שליטה פחותה במנוע והתנהגות הרכב. לשם השוואה, תיבות הילוכים ידניות מאפשרות להגביל את התיבה להילוך מסוים כדי לשלוט באופן מדויק במידת כוח המנוע המתקבלת. חיסרון נוסף של תיבה פלנטרית הוא יעילות פחותה שמעלה את צריכת הדלק ומפחיתה את ביצועי הרכב. חיסרון זה אינו קיים בתיבות הילוכים רובוטיות.

תיבת הילוכים אוטומטית פלנטרית

גלגל השיניים הגדול (אדום) נקרא טבעת (Ring), ארבעת גלגלי השיניים (כחול) מחוברים לנושא המזלות (Planet Carrier), וגלגל השיניים הפנימי (צהוב) נקרא שמש (Sun)

תיבת ההילוכים האוטומטית, מתבססת על גלגלי שיניים, מערכות מצמדים ושמן ייעודי. כדי לשלוט על ההילוכים, נעזרת התיבה בשני נתונים:

• מהירות הרכב - מומרת ללחץ שמן בעזרת התקן הממוקם בציר היציאה של תיבת ההילוכים. ככל שמהירות הסיבוב של הציר תהיה גבוהה יותר, כך לחץ השמן יהיה גבוה יותר.
• מאמץ המנוע - יכול להימדד בשני אופנים:
  1. בהתאם למידה בה נלחצת דוושת התאוצה על ידי הנהג.
  2. בהתאם לריק הנוצר במנוע. הריק נוצר בזמן שהבוכנות של המנוע שואבות אוויר מתוך סעפת היניקה של המנוע. אם המצערת פתוחה, הריק שייווצר יהיה קטן יותר.

על פי היחס בין שני הנתונים האלה, יודעת התיבה האוטומטית להעביר הילוכים. לדוגמה, כאשר הרכב מאיץ, דוושת התאוצה לחוצה עד סופה, ורק כאשר מהירות הרכב תהיה מספיק גבוהה, ההילוך יוחלף (כלומר, ככל שהדוושה לחוצה יותר, תידרש מהירות גבוהה יותר כדי להעביר הילוך). כאשר הנהג מרפה מדוושת התאוצה, נדרשת מהירות נמוכה יותר לעבור להילוך הבא, ולכן, התיבה תעבור להילוכים הבאים (כמו שקורה בירידה במדרון).

גלגלי השיניים בתיבת ההילוכים האוטומטית משולבים זה בזה בקביעות. כאשר, בהילוכים השונים, גלגלי השיניים יסתובבו לכיוונים שונים. גלגלי השיניים מורכבים כממסרה פלנטרית. כך שעל ידי נעילת גלגלי השיניים, ניתן להשיג יחס הפחתה שונה (מהירות שונה). השמן המוזרם ממשאבת השמן (בעזרת הפיקוד של השסתומים), שולט על מצמדים שנועלים גלגלי שיניים מסוימים למקומם, כך שיחס ההפחתה משתנה.

התיבה הפלנטרית היא מנגנון פחות יעיל מאשר הילוכים ידניים, זאת משתי סיבות: ראשית, עד לאמצע העשור השני של המאה ה-21 לתיבות אוטומטיות היו פחות הילוכים מאשר תיבה ידנית מקבילה. הדבר יצר הבדל ניכר בתצרוכת הדלק וביכולת ההאצה של הרכב. סיבה נוספת היא מנגנון שנקרא "ממיר מומנט", אשר מחליף את המצמד. מנגנון זה יוצר חיבור בלתי-ישיר בין המנוע לתיבת ההילוכים, כדי לאפשר ניתוק חופשי ביניהם ללא התערבות הנהג (הניתוק, הנחוץ בעת עצירה ובעת העברת הילוך, נעשה בתיבת הילוכים ידנית באמצעות המצמד). בעוד שמצמד יוצר חיבור פיזי ישיר בין המנוע לתיבת ההילוכים, ממיר המומנט מעביר את הכוח דרך ממסר שמן הידראולי, דבר שגורם לאיבוד כוח ניכר, עשרה אחוזים לערך, וכתוצאה, לתאוצה גרועה ולצריכת דלק מוגברת. כיום בממירי המומנט החדישים יש מצמד גישור אשר נועל את ממיר המומנט בשיוט ומאפשר חיסכון מה בצריכת הדלק. תיבה אוטומטית היא מנגנון סבוך בהרבה לעומת תיבת הילוכים ידנית: יש בה שסתומים הידראוליים וחשמליים רבים, יחידת פיקוד אלקטרונית, ממיר מומנט ורכיבים רבים אחרים הנוטים להתקלקל בתכיפות גבוהה יותר מאשר תיבה ידנית, בעיקר בשל התחממות הנוזל ההידראולי בעומס ואובדן תכונותיו המסככות.

תיבת הילוכים רובוטית

תיבת הילוכים ידנית-רובוטית היא מנגנון אחר הדומה מבחינת המשתמש לתיבת אוטומטית, אך בעל מימוש פנימי שונה בתכלית. ישנם מספר מנגנונים כאלה, חלקם בנויים כמו תיבה ידנית רגילה, עם מצמד אחד ופיקוד אוטומטי, והם ידועים בנסיעה לא חלקה, בגלל השינויים החדים בתאוצה שנגרמים מניתוק וחיבור המצמד. מנגנונים אחרים פועלים בדרך מעט שונה, והם כוללים שני מצמדים (תיבת DSG של קונצרן פולקסווגן הייתה הראשונה מסוג זה במכוניות נוסעים). תיבה כזו נראית מבחינת המשתמש כמו תיבה אוטומטית, אך למעשה מבוססת על שתי תיבות הילוכים ידניות נפרדות (לכל אחת מצמד משלה), לכל אחת בין שלושה לארבעה הילוכים, ובסך הכל שישה או שבעה הילוכים. תיבה אחת כוללת את ההילוכים שמספרם אי זוגי, והשנייה כוללת את אלה שמספרם זוגי, ובכל רגע נתון מחוברת תיבה אחת למנוע באמצעות המצמד המתאים. מחשב התיבה צופה את ההילוך הבא שצריך לשלב ומשלב אותו מראש בתיבה הלא פעילה, וכאשר נדרשת החלפת הילוך המחשב מנתק את המצמד של התיבה הפעילה ומחבר את המצמד השני. כך מתקבלת העברת הילוך חלקה יותר מאשר בתיבה רובוטית עם מצמד יחיד. תיבה כזו נחשבת יעילה יותר מתיבה ידנית, הן מבחינת מהירות העברת ההילוכים והן מבחינת חיסכון בדלק. ברוב התיבות מסוג זה קיים גם מצב שליטה ידני, בנוסף למצב הנהיגה האוטומטי, וחלקן כוללות אף תוכנית לנהיגה ספורטיבית.

תיבת הילוכים רובוטית מצוינת ברישיון רכב בישראל כתיבת הילוכים אוטומטית.

תיבת הילוכים רציפה

ערך מורחב – תיבת הילוכים רציפה

תיבת הילוכים רציפה מבוססת רצועה

בתיבת הילוכים רציפה (המכונה CVT) החלפת ההילוכים מבוצעת באופן אוטומטי, אך בשונה מהתיבה האוטומטית הפלנטרית, יחסי ההעברה בתיבה זו רציפים בין שני יחסי העברה, נמוך וגבוה, שהוגדרו כחלק מתכנון התיבה. ישנם מספר תכנונים המספקים העברה רציפה. לדוגמה, תיבה המורכבת משני זוגות חרוטים הפונים זה מול זה, ממוקמים זה מעל זה וגומייה או שרשרת ביניהם. צמד חרוטים אחד הוא המניע והשני הוא המונע וביחד הם יוצרים מנגנון הדומה לגלגלת מורכבת בעלת גודל גלגל משתנה. כאשר צמד חרוטים אחד מתקרב זה אל זה, השני מתרחק, כיוון שאורך הגומיה קבוע. כך, כאשר החרוטים המניעים רחוקים אחד מהשני מתקבל הילוך נמוך וכאשר הם מתקרבים מתקבל הילוך גבוה יותר. עקב רציפות יחסי ההעברה בתיבה רציפה, בעת האצה קבועה נמצא המנוע במהירות סיבוב קבועה, בעוד יחסי ההעברה גדלים ואיתם מהירות כלי הרכב. בדומה לתיבה האוטומטית הפלנטרית, גם בתיבה רציפה נעשה שימוש בממיר מומנט.

הילוכים באופניים

ערך מורחב – הילוכים (אופניים)

גם אופניים מצוידים במערכת הילוכים. החל מאופניים המצוידים בהילוך אחד קבוע, וכלה באופניים המצוידים במספר רב של הילוכים. על פי רוב, השילוב בין גלגלי השיניים נעשה בעזרת שרשרת. באופניים בהם יש הילוך אחד קבוע, גלגל השיניים המניע (המחובר לדוושות), גדול מגלגל השיניים המונע (המחובר לציר הגלגל האחורי). באופניים בעלי מספר הילוכים, נמצאים על אחד הצירים או על שניהם מספר גלגלי שיניים בגדלים שונים. כאשר גלגל השיניים הגדול ביותר הוא המונע, וגלגל השיניים הקטן ביותר הוא המניע (גלגל השיניים המחובר לדוושות), תתקבל מהירות נסיעה איטית, אך מומנט רב יועבר לפני הדרך (כביש, מסלול עפר וכדומה), כך שהרוכב יוכל להאיץ גם בשטח משופע. כאשר גלגל השיניים הגדול ביותר הוא המניע, וגלגל השיניים הקטן ביותר הוא המונע, תתקבל מהירות נסיעה גבוהה.

אופן פעולת ההילוכים באופניים

כדי לקבל יחסי העברה שונים, יש לשלב זוגות גלגלי שיניים שונים. דבר זה מושג על ידי הסטת השרשרת בין גלגלי השיניים. כדי להסיט את השרשרת, משתמש רוכב האופניים בידיות קטנות, הנמצאות, על פי רוב, על כידון האופניים. הידיות מותחות כבלי מתכת דקים המתוחים לאורך שלדת האופניים. כבלי המתכת מזיזים מנגנונים שתפקידם להסיט את השרשרת בין גלגלי השיניים השונים. ישנם שני מנגנונים להסטת השרשרת:

• זרוע מתכת קצרה (במקרה שגלגלי השיניים נמצאים על הציר של הדוושות) המסיטה את השרשרת ימינה ושמאלה בין גלגלי השיניים הקדמיים.
• השרשת עוברת דרך גלגל שיניים קטן, גלגל שיניים זה מורכב על זרוע מתכתית, כך שהכבלים הדקים מסיטים את הזרוע ימינה ושמאלה ומאפשרים לשרשרת להימצא על אחד מגלילי השיניים המצויים על ציר הגלגל האחורי.

לכל ציר עם גלגלי שיניים יש ידית האחראית להסטת השרשרת. הידיות בהם משתמש הרוכב כדי להחליף את ההילוכים מופיעות בתצורות שונות:

• ידיות בהן ישנה הסטה קבועה בין הילוך להילוך (מצוידות במחוג קטן המורה על ההילוך).
• ידיות המותחות את הכבלים ללא מרווח קבוע בין הילוך להילוך. במקרה כזה, נדרש הרוכב להסיט לבד את הידית עד שירגיש בהעברת ההילוך.
• ידיות עם הסטה קבועה. אך לכל ציר יש שתי ידיות, אחד להעלות הילוך ואחד להוריד.
• מערכת העברת הילוכים המורכבת על ידיות האחיזה בדומה להפעלת המצערת באופנוע.

קישורים חיצוניים

• איך עובדת תיבת הילוכים (מתוך Howstuffworks)
• איך עובדת תיבת הילוכים סיקוונסיאלית (מתוך Howstuffworks)
• הסבר על Dog gear
• סרטון אנימציה על תיבת הילוכים, סרטון באתר יוטיוב
• תיבת הילוכים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)