לתיבות ההילוכים הידניות יתרון בגלל שניתן לנצל את רצועת הכוח של המנוע טוב יותר. הנהג קובע, בשילוב עם ההילוך, מה יהיה הסל^ד בו פועל המנוע, כמה ^ימשוך^ את ההילוך, על-פי תנאי הנסיעה ורצונותיו, ומה תהיה רמת צריכת הדלק.
אלא שדרך האדם לחפש כיצד להקל על עצמו, גם במשימות היותר מהנות. רעיונות שונים להקלה בתחום ^המציק^ ביותר בנהיגה - החלפת הילוכים ולחיצה על דוושת המצמד - צצו מהר מאד, לאחר שהמכונית, בהשראת הנרי פורד, הפכה להיות מוצר עממי. יחסית (אם 290 דולר עבור פורד מדגם T נחשבים להוצאה עממית...).
חלק גדול מהרעיונות היו נכונים בעיקרון, אך בלתי ניתנים ליישום בטכנולוגיה של תחילת המאה ה-20: לדוגמא, החלפת הילוכים ללא דוושת מצמד. הביצוע הראשון נדחה עד למועד בו ניתן היה לשלב מעבד דיגיטלי, על מנת שיבצע את ההתאמה הנדרשת בין מהירויות הסיבוב של המנוע ותיבת ההילוכים. גם אם הרנו טווינגו המקסימה לא הייתה הדוגמא לרכב ממוחשב, הרי הביצוע בגרסת ה- easy היה הנכון ביותר. (אפשר לשלב הילוכים ללא מצמד, והדבר מקובל בתיבות הילוכים מסוימות ברכב כבד. אבל נדרשת מיומנות וזה לא תמיד פרקטי). אך בל נקדים המאוחר: באנו לדון בתיבות הילוכים אוטומטיות, והיסוד להבנת פעולתן טמון ראשית כל בגלגל התנופה של המנוע ובמצמד.
גלגל התנופה והמצמד
גלגל התנופה הוא גלגל פלדה כבד, המחובר בצדו האחד לגל הארכובה ומסתובב עמו, כאשר לצדו השני, החלק והמלוטש להגדלת שטח החיכוך, מחובר המצמד.
לגלגל התנופה מספר תפקידים: לשמור על תנופת סיבוב המנוע, גם כאשר אין מהלך עבודה באחד הצילינדרים; לשמור על תנועה חלקה של המנוע, בשל העובדה כי בעירת התערובת בצילינדרים אינה שווה ואינה רציפה, לשמש להתנעת המנוע באמצעות המתנע, המתחבר אליו בעת ההתנעה; להעביר את התנועה למצמד. התכונה הפיזיקלית המאפשרת לגלגל התנופה לבצע את מלאכתו הנה מומנט ההתמד הגבוה שלו, בשל משקלו הגדול והגיאומטריה שלו.
מי שיעיף מבט במכונית צעצוע הנוסעת על-ידי מתיחת גלגליה לאחור, יבחין בגלגל מתכת בעל קוטר גדול, היושב על ציר הגלגלים. גם הוא משמש כגלגל תנופה.
משעה שגלגל התנופה מסתובב, יש לדאוג כי התנועה תעבור לגלגלים דרך תיבת ההילוכים, באמצעות חיבור ביניהם. חיבור זה חייב לאפשר עצירת הרכב בלי לגרום לעצירת המנוע. וחיבור זה הנו המצמד - הקלאץ'.
המצמד בנוי מדיסקת מתכת חלקה שעליה מודבק חומר חיכוך, בדומה לחומר המשמש את רפידות הבלמים: זהו חומר בעל מרכיבים אסבסטיים (כיום כבר לא), המצטיינים ביכולת ספיגת אנרגיה גבוהה. הדיסקה נתמכת על-ידי דיסקה נוספת, קפיצית, המופעלת באמצעות מסב לחץ, המחובר מצדו לדוושת המצמד. לחיצה על דוושת המצמד דוחפת את מסב הלחץ כנגד הדיסקה הקפיצית, וזו מושכת עמה את דיסקת המצמד. ברגע שאין חיכוך בין דיסקת המצמד לגלגל התנופה, המנוע יכול להמשיך להסתובב, בשעה שהגלגלים עומדים.
הואיל והדיסקה הקפיצית חזקה, נדרש לחץ רב מצד הנהג על הדוושה, על מנת להחזיק את המצמד מופרד מהמנוע. שחרור מיידי של המצמד יגרום להעמסת המנוע בכל משקל הרכב ויגרום לעצירת המנוע. שחרור מבוקר ואיטי, יאפשר לדיסקת המצמד להתאים את מהירותה למהירות גלגל התנופה, ולהעביר את התנועה לגיר באופן חלק. מטבע הדברים, בהיות דיסקת המצמד מבוססת חיכוך, הרי גרימת החלקה בין גלגל התנופה לדיסקת המצמד, על-ידי שימוש ממושך ב^חצי קלאץ' ^ תגרום לשחיקה מוגברת של חומר החיכוך, ואז נרגיש תחושה של ^קלאץ' מחליק^, עד שההחלקה לא תאפשר יותר את התנועה ואז הקלאץ' יהיה ^גמור^. לכך יתלווה ניחוח לא נעים ומאוחר יותר גם טלפון ממנהל הבנק.
הפעלת המצמד מבוצעת באמצעות מערכת של כבל המחובר לדוושה, ומנוף המחובר לכבל ולמזלג ההפרדה, המחובר למסב הלחץ. שיטה מתקדמת יותר הנה שימוש במצמד הידראולי, שבו הלחיצה על הדוושה מפעילה בוכנה הידראולית הדוחפת את מסב הלחץ, והשיטה המתקדמת ביותר היא זו שנהגתה בתחילה ברנו טווינגו Easy והתפתחה הלאה: ידית ההילוכים כוללת בבסיסה מתג חשמלי. הסטת הידית גורמת למתג לפקוד על מנוף חשמלי (סולנויד) או הידראולי והוא מבצע את עבודת ההפרדה. מעבד ספרתי מתאים את מהירויות המנוע והגיר, באמצעות מערכת ניהול המנוע (שליטה על ההזרקה וההצתה) ופוקד על קצב חיבור המצמד לגלגל התנופה, לאחר שילוב ההילוך.
ממיר המומנט
ומה למצמד ולתיבת הילוכים אוטומטית? הלא ידוע כי ברכב אוטומטי אין דוושת מצמד. זהו שיש. גם בתיבת הילוכים אוטומטית קיים מצמד, אלא שהוא בנוי אחרת ונקרא לכן בשם שונה: ממיר מומנט (ראו ציור משמאל).
ממיר המומנט הנו האלמנט באמצעותו מועברת התנועה מהמנוע לגיר, הוא משמש להעלאת המומנט היוצא מהמנוע, עד פי שניים או שלושה בתחילת התנועה, והוא המאפשר לנו לעצור בלי שהמנוע יכבה. ממיר המומנט מתבסס על שלושה מרכיבים: אימפלר - חלק דמוי מאוורר המוצמד לגלגל התנופה ומסתובב עם המנוע. רוטור - חלק דמוי טורבינה, המחובר לציר הכניסה לגיר, אך אינו מחובר לאימפלר. וסטטור - דיסקה מחורצת הנמצאת בטבור הרוטור. שלושת החלקים הללו טובלים בשמן מיוחד (שמן גיר) שצמיגותו אמורה לענות על תנאי העבודה.
כאשר המנוע מסתובב, האימפלר מסתובב ומסחרר את השמן שבממיר המומנט. הסטטור מנתב את השמן המסוחרר כך שיפגע בכפות הרוטור בדיוק בזוית שתגרום לו להסתובב, וכך מועברת התנועה בין המנוע לתיבת ההילוכים, ללא חיבור מכני. מהסבר זה ניתן להבין, מדוע כשהמנוע פועל בסרק, הרכב לא מתקדם: סחרור השמן אינו מספיק על מנת לסובב את הרוטור, ועל כן ממיר המומנט פועל כמצמד.
עם העלייה בסל^ד, לחץ השמן עולה, והרוטור מתחיל להסתובב. יש לזכור, עם זה, כי חלק מההספק היוצא מהמנוע הולך לאיבוד: השמן מתחמם במהלך סחרורו ופגיעתו ברוטור, והואיל וצמיגותו משתנה, על-פי הטמפרטורה, יעילותו יורדת, והרוטור אינו סובב בדיוק באותם סיבובי מנוע כמו המנוע עצמו. זו אחת הסיבות (אף כי לא היחידה), מדוע רכב בעל גיר אוטומטי מאיץ פחות טוב מרכב בעל גיר ידני ומדוע צריכת הדלק שלו גבוהה יותר. על מנת להקטין את הפסדי ההספק הנובעים מ^החלקת^ הרוטור ביחס לאימפלר, פותחו ממירים מתקדמים, בהם נוצרת הצמדה מכנית כאשר שניהם מסתובבים במהירות דומה. כמובן, זה יקרה במהירויות שיוט ולא בהאצות, בהן מתקיים הבדל גדול בין סיבובי המנוע לסיבובי הגיר.
לב תיבת ההילוכים הבסיסית - בעטיה היו תיבות ההילוכים הראשונות, ועד לא מזמן, בנות 3 הילוכים קדמיים בלבד - הנו מערכת גלגלי השיניים הפלנטרית. מערכת זו הנה המעבירה את התנועה מממיר המומנט אל ציר המוצא, לדיפרנציאל.
כיצד פועלת המערכת הפלנטרית? ראשית, היא קרויה כך משום שהיא בנויה כמערכת השמש: במרכזה גלגל שיניים בעל שיניים חיצוניות, הוא ה^שמש^. על גלגל זה מתגלגלים מספר גלגלי שיניים קטנים, הנקראים ^פלנטות^ או ^כוכבים^, היושבים על גלגל אחד ובעלי יכולת סיבוב סביב עצמם וסביב השמש, וגלגל חיצוני, בעל שיניים פנימיות, עליהן מתגלגל ה^כוכבים^.
גלגל חיצוני זה נקרא ^עטרה^ או ^קורונה^, בלעז.
הרעיון הבסיסי לפיו עובד הגיר הזה הנו, שבכל פעם בה אחד המרכיבים נעצר והתנועה מוכנסת דרך מרכיב אחר, תתקבל מהירות יציאה שונה. לדוגמא: אם נכניס את התנועה דרך השמש, נעצור את העטרה ונוציא את התנועה דרך נושא הכוכבים, נקבל את יחס ההעברה הגדול ביותר, המתאים להילוך ראשון. בדרך זו, הכנסת התנועה דרך מרכיב אחר, עצירת כל מרכיב בתורו והוצאת התנועה דרך המרכיב השלישי, תגרום ליחסי העברה שונים.
ההילוך האחורי מושג בדרך של הכנסת התנועה דרך השמש ועצירת נושא הכוכבים. הכוכבים מסתובבים אז בניגוד לכיוון תנועת השמש וכך גם מסובבים את העטרה, שממנה יוצאת התנועה, כך שמושגת תנועה הפוכה לכיוון תנועת הכניסה, אך יחס העברה קטן יותר מאשר בהילוך הראשון.
אבל איך ההילוכים מתחלפים לבד?
בתיבות הבסיסיות, בנות שלושה הילוכים, הפיקוד על שילוב ההילוכים נעשה באמצעות מערכת הידראולית, בעלת שלושה סוגי שסתומים: שסתומים ^ידניים^, המקבלים פקודות ממצב בורר ההילוכים; שסתום המקושר לסעפת היניקה במנוע; שסתומי העברה רגילים, המפוקדים על-ידי פקד בציר המוצא. פקד זה מושפע ממהירות הציר במוצא הגיר. ככל שמהירות סיבוב הציר עולה, משמע המכונית נוסעת מהר יותר. הפקד, דרכו זורם שמן ממשאבת שמן הממוקמת על גוף התיבה ומושכת שמן מעוקה בתחתיתה, נפתח עם המהירות והשמן פוקד על השסתום האחראי על ההילוך הבא לבצע את פעולתו. על כל הילוך אחראי שסתום, המכויל ללחץ שמן אחר. כאשר השסתום מקבל לחץ מספיק, הוא מפעיל בוכנה, המפעילה סרטי עצירה על החלק במערכת הפלנטרית, אותו רוצים לעצור, ומשחרר את החלק שהיה עצור קודם לכן. מערכת של מצמדים קובעת איזה חלק יקבל את התנועה מממיר המומנט, על-פי ההילוך שנבחר. בחירת הילוך באמצעות ידית ההילוכים, חוסמת את מעבר השמן לשסתום של ההילוך הגבוה מזה שנבחר, ועל כן התיבה תגיע רק עד להילוך שנבחר, אך לא למעלה מזה.
השסתום המחובר לסעפת היניקה חש את תת הלחץ (הואקום) הנוצר בה. כאשר הנהג רוצה להוריד הילוך באמצעות קיק-דאון, נוצר בסעפת היניקה תת לחץ גדול, המושך את השסתום לאחור ומאפשר מעבר שמן להילוך נמוך יותר.
שילוב למצב חניה (P), משלב שן קונית לתוך חריצים במוצא הגיר. הואיל ולא תמיד בעת העצירה השן תהיה בדיוק מול חריץ, אנו נתקלים בתופעה של התקדמות קלה של הרכב לאחר עזיבת הבלם, גם לאחר שילוב הידית למצב חניה. התקדמות זו היא על מנת שהשן תשתלב בחריץ הקרוב ביותר. שילוב השן מאפשר לנעול את תיבת ההילוכים אפילו בעליה.
כל העסק נשמע מסובך, ואכן כזה הוא: ככל שמערכת מכילה יותר רכיבים, הסיכוי לתקלה גדול יותר. ואף על פי כן, קשה שלא להתרשם מאמינות תיבות ההילוכים האוטומטיות. ועדיין לא דיברנו על פיקוד ממוחשב, תיבות הילוכים רובוטיות וסיקוונסיאליות (מה זה???)
האגדה מספרת, כי את התיבה האוטומטית במתכונת של שלושה הילוכים על בסיס מערכת פלנטרית, המציא מהנדס ארגנטינאי ב-1938.
המהנדס הציע את הפטנט לג'נרל מוטורס, שהעמידה בפניו ברירה קשה: לקבל מיידית מיליון דולר או לקבל 10 דולר על כל מכונית בה תותקן התיבה. האיש בחר באפשרות הראשונה... כך או כך, ב-1940 הציגה אולדסמוביל את התיבה האוטומטית הראשונה ברכב סדרתי, ומאז התיבה הפכה להיות ציוד חובה בכל רכב אמריקאי.
השלב הבא היה פיתוח תיבה אוטומטית בעלת ארבעה הילוכים. ההילוך הרביעי הושג באמצעות הוספת גלגל שמש, גדול יותר, בצמוד לגלגל השמש הקיים. משחק עם כיווני הכניסה, היציאה ועצירת הרכיבים הביא ליצירת הילוך יתר. תיבות אוטומטיות של 5 ו-6 הילוכים הן כבר תיבות שונות - חלקן דומות יותר לתיבות ידניות, בהן גלגלי השיניים אינם מסודרים במבנה פלנטרי, כאשר את מלאכת שילוב ההילוכים מבצע מוח רובוטי באמצעות אותם מרכיבים כמו בגיר פלנטרי - שסתומים, סרטי עצירה ומצמדים. חלקן משלב שתי מערכות פלנטריות שונות.
ויש עוד: תיבה סיקוונסיאלית, וגיר ידני עם תפעול אוטומטי, וגיר אוטומטי בתפעול ידני ותיבה רציפה סתם ותיבה רציפה עם מספר יחסי העברה קבועים ותפעול ידני. בהמשך.
