เกียร์รถยนต์

Posted on : 09-11-2012 | By : Author | In : การดูแลรักษารถ

เกียร์รถยนต์ไม่ว่าจะเป็นเกียร์กระปุก หรือเกียร์พวงมาลัย ก็มีการทำงานเหมือนกันทุกประการ ต่างกันที่การออกแบบคันสำหรับเข้าเกียร์เท่านั้น  เกียร์รถยนต์ทำหน้าที่ถ่ายกำลังจากเครื่องยนต์ไปยังเพลา และล้อรถยนต์ ห้องเกียร์จะตั้งอยู่ต่อจากคลัทช์  ซึ่งเป็นตัวสำหรับเชื่อมหรือตัดการส่งกำลังจากเครื่องมายังระบบส่งกำลัง

เนื่องจากกำลังของเครื่องยนต์แต่ละเครื่อง มีขีดจำกัดในทางราบและไม่ไดบรรทุกของหนัก แรงต้านต่อการวิ่งของรถยนต์มีน้อย รถจึงสามารถวิ่งด้วยความเร็วสูงได้ แต่ในทางเอียงชัน หรือรถที่บรรทุกของหนัก แรงต้านต่อการเคลื่อนที่ของรถยนต์มีมาก จึงต้องการแรงบิดหรือทอร์ค(torque) สูง  การที่จะมีแรงบิดสูงโดยที่ไม่ทำให้เครื่องทำงานเกินกำลังก็คือ การทดรอบให้รอบความเร็วที่ล้อลดลงโดยการเข้าเกียร์ต่ำ  ถ้าหากเรายังคงใช้เกียร์สูง เครื่องยนต์จะดับ เพราะกำลังของเครื่องไม่พอ (เนื่องจากกำลังมีค่าเท่ากับแรงบิดคูณรอบความรเซ)

โดยปกติแล้ว ความเร็วสูงสุดของรถยนต์จะขึ้นกับรองสูงสุดของเครื่องยนต์ ที่ความเร็วสูงสุดของรถยนต์นั้นรอบความเร็วของที่เพลารถยนต์จะเท่ากับรอบความเร็วของเครื่องยนต์ นั่นคือการทดรอบที่ห้องเกียร์เท่ากับ 1:1 แต่รอบความเร็วของล้อจะเท่ากับ 1 ใน 4 ของรอบเครื่องยนต์ ทั้งนี้เพราะที่เฟืองท้ายของรถยนต์ทั่วไปมีการทดรอบความเร็ว 1:4

หลักของการส่งกำลังโดยเกียร์

เกียร์ที่เข้าคู่กันได้นั้น จะต้องเป็นเกียร์ชนิดเดียวกันมีระบบมุมเดียวกัน และความกว้างของฟันเท่ากัน อัตราส่วนรอบความเร็วของเกียร์ที่เข้าคู่กัน จะเป็นสัดส่วนกลับกับจำนวนฟันของตัวเกียร์ทั้งสอง และเนื่องจากความกว้างของฟันเกียร์ต้องเท่ากัน ดังนั้นอัตราส่วนรอบความเร็วของเกียร์จะเป็นสัดส่วนกลับกับเส้นผ่าศูนย์กลาง ของวงกลมพิทช์(วงกลมซึ่งมีจุดศูนย์กลางที่ศูนย์กลางของตัวเกียร์ และมีเส้นรอบวงผ่านจุดขบกันของฟันเกียร์บนเส้น ซึ่งโยงระหว่างศูนย์กลางของเกียร์ทั้งสอง)ของเกียร์ทั้งสองด้วย

จากรูปที่ 2

รอบความเร็วของเกียร์ ก  = จำนวนฟันของเกียร์ ข

รอบความเร็วของเกียร์ ข      จำนวนฟันของเกียร์ ก

= เส้นผ่าศูนย์กลางพิทช์ของเกียร์ ข

เส้นผ่าศูนย์กลางพิทช์ของเกียร์ ก

แต่           แรงบิดที่เกียร์ ก = เส้นผ่าศูนย์กลางพิทช์ของเกียร์ ก

แรงบิดที่เกียร์ ข = เส้นผ่าศูนย์กลางพิทช์ของเกียร์ ข

จะเห็นว่า  รอบความเร็วเกียร์ ก = แรงบิดที่เกียร์ ข

รอบความเร็วเกียร์ ข     แรงบิดที่เกียร์ ก

หรือ         รอบความเร็วของเกียร์ ก x แรงบิดที่เกียร์ ก

      =      รอบความเร็วของเกียร์ ข x แรงบิดที่เกียร์ ข

การทดรอบของเกียร์รถยนต์

ในห้องเกียร์ของรถยนต์ ประกอบด้วยเกียร์หลายชุดสวมอยู่บนเพลา 2 อัน ดังรูปที่ 3 เกียร์เหล่านี้ขบกันอยู่ตลอดเวลา  การโยกคันเกียร์เพื่อเข้าเกียร์หนึ่งเกียร์ใดก็คือการทำให้เกียร์ตัวนั้นๆ ยึดกับเพลา เกียร์ชุดนั้นก็จะทำหน้าที่ส่งกำลังในขณะที่ชุดอื่นหมุนฟรี  โปรดสังเกตว่าเกียร์ชุดที่สวมบนเพลาล่างจะติดตายกับเพลา แต่เกียร์ชุดบนจะสวมโดยมีแบริ่ง ซึ่งทำให้เกียร์หมุนฟรีบนเพลาได้

เกียร์แต่ละคู่จะมีขนาดต่างกัน เพื่อให้สามารถทดรอบได้หลายแบบ ถ้าเป็นรถยนต์แบบ 4 เกียร์ ก็จะต้องมีเกียร์ทั้งหมด 4 คู่ และเกียร์ถอยหลังอีก 1 ชุด ซึ่งประกอบด้วยเกียร์ 3 ตัว ดังรูป

การส่งกำลังของเกียร์แต่ละชุด

ในที่นี้จะยกตัวอย่างเกียร์ของรถยนต์ 4 เกียร์ ซึ่งเป็นแบบที่ใช้กันมากที่สุด

รูปที่ 4 ขณะเกียร์ว่าง กลไกซึ่งทำหน้าที่จับให้ตัวเกียร์ตัวหนึ่งตัวใดยึดติดกับเพลา จะอยู่ในตำแหน่งซึ่งไม่ได้จับกับเกียร์ตัวใดเลย  ดังนั้นเกียร์ทุกชุดจะหมุนฟร ทำให้ไม่มีการส่งกำลังไปสู่เพลา

รูปที่ 5 เมื่อเข้าเกียร์หนึ่ง เกียร์ตัวใหญ่ทางด้านขวาจะถูกจับให้ยึดกับเพลา การส่งกำลังจะส่งผ่านเกียร์คู่นี้ ดังแสดงด้วยเส้นลูกศร  โดยทั่วไปเกียร์คู่นี้จะมีขนาดเป็นอัตราส่วน 3:5:1 ดังนั้นรอบความเร็วของเครื่องจะเป็น 3.5 เท่า ของรอบความเร็วของเพลา และเป็น 3.5×4=14 เท่า ของรอบความเร็วของล้อรถ เพราะอัตราทดรอบที่เฟืองท้าย =4:1

รูปที่ 6 เมื่อเปลี่ยนเกียร์จากเกียร์หนึ่ง ไปยังเกียร์สอง เกียร์ตัวที่สองจะถูกจับให้ยึดกับเพลาแทน และการส่งกำลังจะส่งผ่านเกียร์คู่ที่สองนี้ โดยทั่วไป อัตราทดรอบของเกียร์สองจะเท่ากับ 2:1 ดังนั้นรอบความเร็วของเครื่องจะเป็น 2 เท่า ของรอบความเร็วของเพลา และเป็น 2×4 =8 เท่าของรอบความเร็วของล้อรถ

รูปที่ 7 ทำนองเดียวกันเมื่อเข้าเกียร์สาม เกียร์ตัวที่ 3 ก็จะถูกจับให้ยึดกับเพลา การทดรอบของเกียร์สามนี้เป็นอัตราส่วน 1:4:1 ดังนั้นความเร็วของเครื่องจะเป็น 1.4 เท่าของความเร็วของเพลา และเป็น 1.4×4=5.6 เท่าของความเร็วของล้อรถ

รูปที่ 8 ขณะเข้าเกียร์สี่ คอลลาร์ซึ่งเป็นตัวจับให้เกียร์ยึดกับเพลาจะถูกเลื่อนไปจับกับเกียร์ตัวขับทางซ้ายสุด ดังนั้นเพลาตัวตามทางขวาจะหมุนด้วยความเร็วเท่ากับเพลาตัวขับทางซ้าย  นั่นคือรอบความเร็วของเพลารถยนต์เท่ารอบความเร็วของเครื่อง และรอบความเร็วที่ล้อรถจะเป็น 1 ใน 4 ของรอบความเร็วเครื่อง

รูปที่ 9 เมื่อเข้าเกียร์ถอยหลัง คันเกียร์จะไปเลื่อนให้เกียร์ตัวเล็กอีกตัวหนึ่งเลื่อนเข้าไปขบกับเกียร์ คู่ทางขวาสุดในรูป (เกียร์คู่นี้ระยะระหว่างเกียร์ห่างกัน ขบกันไม่ถึงต้องส่งกำลังผ่านเกียร์ตัวเล็กอีกตัวหนึ่ง) การที่มีเกียร์ขบเพิ่มอีกหนึ่งตัว  ทำให้ทิศการหมุนของเพลากลับไปตรงข้ามล้อรถจึงหมุนกลับทิศทำให้รถถอยหลัง โปรดสังเกตว่าในขณะถอยหลัง เราไม่ต้องการความเร็วสูงเราจึงใช้เกียร์ตัวเล็กๆ ขับเกียร์ตัวใหญ่

รูปที่ 10 กลไกการเข้าเกียร์

รูปที่ 10 แสดงกลไกเข้าเกียร์และเปลี่ยนเกียร์ คันเกียร์จะเป็นตัวไปเขี่ยคาน ซึ่งต่อไปถึงคอลลาร์ให้เคลื่อนที่ เพื่อให้คอลลาร์นี้ไปจับกับเกียร์ตัวที่เราต้องการให้เป็นตัวส่งกำลังขณะเข้าเกียร์ 1 คอลลาร์ตัวซ้ายจะถูกเขี่ยไปทางซ้าย จับกับเกียร์ตัวที่ 1 และเมื่อโยกคันเกียร์ไปทิศตรงข้าม จะเป็นการเข้าเกียร์ 2

เมื่อเข้าเกียร์ 3 คอลลาร์ตัวทางขวาจะถูกเขี่ยให้ไปทางซ้ายจับกับเกียร์ตัวที่ 3 และเมื่อโยกคันเกียร์ไปทิศตรงข้าม ก็จะเข้าเกียร์ 4

คันเกียร์จะเขี่ยให้เกียร์ตัวเล็ก สำหรับกลับทิศทางเลื่อนเข้าไปขบกับชุดเกียร์ถอยหลัง

เมื่อความเร็วของชิ้นส่วนทั้งสองเท่ากัน การเข้าเกียร์จะกระทำได้นิ่มนวล ความเสียดทานระหว่างผิวของกรวยทำให้ชิ้นส่วนทั้งสองหมุนด้วยความเร็วเท่ากัน

ซีนโครเมช

ระบบเกียร์แบบเก่าซึ่งไม่มีซีนโครเมช ตัวคอลลาร์จะมีลักษณะเป็นฟันๆ ที่ด้านข้างของตัวเกียร์ (ดังรูปที่ 14) ซึ่งจะไปจับกับฟัน หรือด๊อก (dogs) การเปลี่ยนเกียร์จากเกียร์หนึ่งไปอีกเกียร์หนึ่งจะต้องพยายามทำให้เร็วที่สุด  ทั้งนี้การเปลี่ยนเกียร์จะมีเสียงดังจากการขบคลาดกันของฟันเกียร์ ขณะที่เกียร์เริ่มจะขบกัน ในลักษณะเช่นนี้ฟันเกียร์จะเสียหายเร็ว เกียร์แบบใหม่จึงเพิ่มระบบซีนโครเมช (synchromesh) เข้าไปเพื่อให้เกียร์คู่ที่จะขบกัน มีความเร็วเท่ากันก่อนที่จะเลื่อนให้ฟันของมันขบกัน  หลักการของมันก็คือใช้ความเสียดทานพื้นที่รูปกรวย ดังรูปที่ 15 ทำให้ความเร็วของคอลลาร์ และของตัวเกียร์ที่จะขบกันมีความเร็วเท่ากันก่อน และเมื่อมันมีความเร็วเท่ากันแล้ว จึงเลื่อนให้คอลลาร์เข้าไปจับกับฟัน หรือด๊อกซึ่งอยู่ที่ด้านของตัวเกียร์นั้นๆ

เกียร์รถยนต์ในปัจจุบันนี้ บางบริษัทก็ออกแบบให้มีซีนโครเมชสำหรับเกียร์เดินหน้าทุกเกียร์ แต่ของบางบริษัทจะไม่มีซีนโครเมช สำหรับเกียร์หนึ่ง เพราะถือว่าเกียร์หนึ่งใช้กับความเร็วต่ำ สำหรับเกียร์ถอยหลังนั้น ซีนโครเมชไม่มีความจำเป็น เพราะก่อนที่เราจะเข้าเกียร์ถอยหลัง เราต้องหยุดรถก่อน การเข้าเกียร์จึงไม่เกิดปัญหาเรื่องความเร็วของเกียร์ที่จะจับกันไม่เท่ากัน

ที่มา:นีรนาท

 

 

บทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจ:

Share this :

  • Stumble upon
  • twitter

Comments are closed.