תיבת הילוכים

תיבת הילוכים היא מערכת מכנית שמחברת בין המנוע (ההתקן המניע) לבין גלגלי הרכב או התקן מונע אחר. תפקיד התיבה הוא לשנות את היחס בין מהירות הסיבוב של המנוע לבין המומנט (כוח הסיבוב) המועבר. כשהמהירות עולה המומנט קטן, ולהפך; לכן שינוי יחס ההילוכים מאפשר להגדיל מומנט בהילוכים נמוכים ולהניע את הרכב מהר בהילוכים גבוהים.

תיבות הילוכים נפוצות בכלי תחבורה. ניתן לראות את שינויים בנסיעה על ידי השוואת מד הסיבובים של המנוע (סל"ד, סיבובים לדקה) ומד המהירות. בעת העלאת הילוך מד הסיבובים יורד באופן חד ואז עולה בהדרגה שוב.

גלגלי שיניים הם היסוד בעבודה של תיבות הילוכים. הם משנים מהירות ומתחלקים במומנט: יחס גודל של גלגלים משפיע על מספר הסיבובים ועל המומנט. לדוגמה, גלגל שיניים גדול פי שלוש על גל קטן יגרום לגל הקטן להסתובב פי שלוש מהר יותר, אך המומנט יקטן פי שלוש. בנוסף, שילוב גלגלים יכול לשנות כיוון הסיבוב.

גלגל שיניים בעל שן ישרה (Spur): זול יחסית, אין שילוב רך בין השיניים ולכן יוצר רעש יבבה.
גלגל שיניים בעל שן אלכסונית, חלזוני (Helical): השיניים מתלבשות טוב יותר. זה שקט ויעיל יותר, ויקר יותר.

- תיבת הילוכים.
- דיפרנציאל: מפחית יחס בין סבבת הפיניון לגלגל העטרת, לדוגמה כ־1 ל־3.
- צמיג: מחלק את המומנט ברדיוס הצמיג כדי לקבל את הכוח על הכביש.

המצמד מקשר ומנתק בין המנוע לתיבה. בדרך כלל יש שתי דסקיות שמוצמדות זו לזו. לחיצה על דוושת המצמד מפרידה ביניהן ומנתקת את תיבת ההילוכים מהמנוע. המטרה היא לאפשר התחלה חלקה, עצירה והחלפת הילוכים.

במעבר הילוכים צריך להתאים את סל"ד המנוע לסל"ד המתאים בגל הקצר של התיבה. אם המנוע פועל במהירות גבוהה מדי ביחס למה שמצפה הגל, יש להפריד אותו, לשנות הילוך, וליישר את הסל"ד לפני חיבור המצמד מחדש. לדוגמה: במהירות 20 קמ"ש המנוע בהילוך ראשון עשוי לפעול ב־3,000 סל"ד, ובהילוך שני באותה מהירות ב־2,000 סל"ד. לכן יש לנתק, להוריד סל"ד, ואז לשלב.

- לשמור את המנוע בתחום הסל"ד היעיל שלו (אזור שבין שיא המומנט לשיא ההספק).
- למנוע מהמנוע להגיע לסל"ד מזיק (הקו האדום).
- להכפיל מומנט מתחת לתחום מסוים כדי לאפשר התחלת נסיעה.
- להתאים סופו של יחס ההילוכים למומנט המתנגד בתנועה, מה שמגביל את המהירות המקסימלית.
- בלי הילוכים מתאימים המנוע לא יוכל לתת די מומנט להתחלה או יגיע במהירות גבוהה מדי לסל"ד המקסימלי.

בתיבה ידנית יש גל קצר (Input Shaft) שיוצא מהמצמד. עליו גלגל שיניים המחובר בגל כניסה. על גל הנגדי (Layshaft) יש כמה גלגלי שיניים המקבילים לאלה שבגל היציאה (Output Shaft). גלגלי השיניים על גל היציאה משולבים תמידית, אך אינם מחוברים קשיח לגל. כדי לחבר גלגל שן לגל במצב אחד, משתמשים בשיניים שנקראות Dog tooth (שיני כלב). שיניים אלו מתחברות בצורה קשיחה כאשר דוחפים אותן לצד הגלגל.

בעת החלפת הילוך בתיבה כזו נהוג לעיתים להשתמש בשיטת "גז ביניים" (Double-clutch):
1) לשחרר מצמד ולהעביר לנייטרל.
2) לתת גז כדי להביא את המנוע לסל"ד של ההילוך הבא.
3) ללחוץ מצמד ולשלב את ההילוך.
4) לשחרר מצמד.
הסיבה היא להתאים את הסל"ד של גלגלי השיניים כדי לאפשר חיבור חלק.

בתיבות מודרניות ישנם סינכרונים, שרוולים מתכתיים רכים שעוזרים להתאים מהירויות בין גלגלי השיניים לפני שהשיניים מתחברות. הסנכרונים מקלים על ההחלפה ללא גז ביניים. הם נשחקים עם הזמן, מה שעלול להקשות על השילוב ולגרום לרעש גריסה כאשר הסנכרון לא מצליח להתאים מהירויות.

העברה מהירה משפרת את זמן ההחלפה על ידי שינויים במוטות והילוכים של ידית ההילוכים. קיצור המוט מקצר את תנועה הדרושה לשינוי, אך דורש כוח רב יותר. חומרים איכותיים בתיבה משפרים תחושת הידית ומפחיתים חופש.

ההילוך האחורי בדרך כלל אינו מסונכרן ונבנה משיניים ישרות כדי לשנות את כיוון הסיבוב. לעיתים הוא קצר ומספק מומנט רב, ולכן פחות מהיר. בגלל שיניים ישרות ושילוב לא מסונכרן הוא יכול להרעיש בנסיעה לאחור או לגרוס אם משולב לא נכון. לכן נהוג לעבור לנייטרל לפני המעבר לאחור.

בכל צמד הילוכים, מצמדים או סינכרונים מחוברים למוט. הזזת המוט משביתה מצמד אחד ומשלבת את השני. כשידית ההילוכים במרכז היא בנייטרל, ואין הילוכים משולבים.

בתיבה סדרתית המנגנון הפנימי דומה לידני, אך הממשק שונה: דחיפת ידית קדימה מעלה הילוך, משיכה מורידה הילוך. זוהי צורה מקובלת באופנועים ובכלי מרוץ. חשוב להבחין בינה לבין תיבה מנומטית (טיפטרוניק) שבה המנגנון הפנימי איננו ידני אלא אוטומטי.

תיבה זו משתמשת בשיני כלב במקום סנכרונים. היא חזקה וקטנה יותר במשקל. יש תיבות כאלו בציוד תחרותי או במשאיות. משום שאין סנכרונים, לעיתים דורשים גז ביניים, אך לעיתים השיניים החזקות מאפשרות החלפה מהירה ללא סנכרון. חסרונות: רעש במעבר לאחור, ועלות ייצור גבוהה יותר.

תיבה אוטומטית מחליפה הילוכים ללא התערבות הנהג. התיבה האוטומטית הפלנטרית מבוססת על ממיר מומנט (ממיר שמן הידראולי) ומערכת גלגלי שיניים פלנטרית. יש גם תיבות רובוטיות המחקות תיבה ידנית עם בקרה אלקטרונית.

יתרונות: קלות שימוש וירידה בעומס הנהג, חשובה במיוחד בנהיגה עירונית ובעליות.
חסרונות: מורכבות מכנית ואלקטרונית גבוהה, יקרה יותר לתיקון, ולעתים פחות יעילה בדלק בהשוואה לתיבה ידנית.

התיבה משתמשת בגלגלים פלנטריים, בשסתומים ושמן. שסתומי השמן שולטת אילו מצמדים ננעלים וכך נוצר יחס ההעברה. ממיר המומנט יוצר קישור דרך נוזל, מה שגורם לאובדן כוח מסוים לעומת חיבור מצמד ישיר. לטכנולוגיות מודרניות יש מצמד גישור שנועל את הממיר כשהרכב בשיוט.

תיבות רובוטיות יכולות להיות מבוססות על תיבה ידנית רגילה עם בקרה אוטומטית של המצמד, או על שני מצמדים (Dual-clutch). בתיבות דו־מצמדיות שתי תיבות קטנות מחוברות יחד, וכל אחת מחוברת במצמד משלה. המחשב משלב באופן מקדים את ההילוך הבא בתיבה השנייה וכך מעביר הילוך חלק ומהיר. תיבות אלו מציעות חיסכון בדלק וביצועים טובים, ולעתים מאפשרות שליטה ידנית.

ב־CVT היחס בין המניע למונע משתנה באופן רציף, ולא באמצעות הילוכים נפרדים. עיצוב נפוץ משתמש בזוגות חרוטים (גלגלות) וקו גומייה או שרשרת. כשהחרוטים מתקרבים או מתרחקים היחס משתנה. היתרון הוא שמנוע יכול להישאר בקבוע במהירות סיבוב בזמן שהרכב מאיץ. גם ב־CVT נעשה שימוש בממיר מומנט.

גם באופניים יש מערכת הילוכים. השרשרת מעבירה כוח בין גלגלי שיניים בגדלים שונים. כשגלגל השיניים המחובר לדוושות גדול יחסית למה שבציר הגלגל, מקבלים מהירות גדולה. כשהמראה ההפוכה קורה מקבלים יותר מומנט לעלייה. שינוי ההילוכים נעשה על ידי משיכת כבלים שמזיזים את השרשרת בין גלגלי השיניים.

תיבת הילוכים מחברת בין המנוע לגלגלים. היא משנה מהירות ואת כוח הסיבוב. כוח הסיבוב נקרא "מומנט". סל"ד הוא מספר הסיבובים של המנוע בדקה.

גלגלי שיניים עושים את העבודה. גלגל גדול ביחס לקטן מעלה את המהירות אבל מקטין את הכוח.

שיניים ישרות: זולות ורגישות לרעש.
שיניים אלכסוניות (חלזוניות): שקטות ויעילות יותר.

- מצמד (קלאץ'): מפריד ומחבר בין המנוע לתיבה. הוא עוזר להתחיל לנסוע ולהחליף הילוכים.
- דיפרנציאל: מוריד יחס בין שיני ההנעה ושולח כוח לצמיגים.

כדי שהמנוע יעבוד בטווח טוב. התיבה מגדילה כוח כשצריך ועושה את הרכב למהיר כשאפשר.

בתיבה ידנית יש גלגלי שיניים ומשן כלב (Dog tooth). לפעמים הנהג צריך "גז ביניים" כדי להתאים את מהירות המנוע לפני השילוב. בתיבות חדשות יש סנכרון. זה חלק שמאיץ את גלגל השיניים כדי שהם ישתלבו בלי רעש.

ההילוך לאחור משנה את כיוון הסיבוב. הוא בדרך כלל פחות שקט ודורש זהירות בשילוב.

תיבה אוטומטית מחליפה הילוכים לבד. זה נוח לנהג.
תיבה רובוטית יכולה להיות עם שני מצמדים. זה מאפשר העברה מהירה וחלקה.
תיבה רציפה (CVT) משנה יחס בצורה חלקה, בלי הילוכים נפרדים.

באופניים משנים הילוך על ידי הזזת השרשרת בין גלגלי שיניים. הילוך קל עוזר לעלות גבעות. הילוך קשה מתאים למהירות גבוהה.