Şanzıman, Vites Kutusu Nedir, ne işe yarar?

Şanzuman, Türkçe karşılığı ile “Hız Değiştirme Kutusu”, bir aracın hızını uygun dişli dönüşümü veya günümüzdeki farklı güç aktarma organları ile ayarlamaya, aracın geri ve ileri hareketini düzenlemeye yarayan bir motorlu araç aktarma organıdır.

Gelişen otomotiv ekosistemi, iş makinaları, çeşitli motorlu araçlar ile birlikte onlarca farklı çalışma prensibine, işe uygunluğuna, ekonomik ve kolay kullanılabilir oluşuna bağlı olarak farklı şanzıman tipleri ortaya konulmuştur. Aşağıdaki görselde bunlardan birkaçını ve motordan aldığı gücü tekerleklere aktaran vites kutusu yani şanzıman kutusunu görebilirsiniz.

Peki bu yeşil renkli bu üç farklı güç aktarım prensibinde ve her koşulda aynı şekilde mi karşımıza çıkıyor? Hayır, şanzıman teknolojisi her ne kadar manuel adını verdiğimiz düz vites yani kullanıcının bir, iki, üçüncü, … şeklinde devam eden vites değerlerine göre vites atıp tekerleklere uygun hız ve torku aktarabildiği şanzıman tipi olarak karşımıza sıkça çıksa da onlardan çok fazla ve çok çeşitte var. Bunlardan en bilinen varyasyonlar otomatik ve yarı otomatik şanzıman tipleridir.

Şanzıman Tipleri Nelerdir

 Tüm otomobil üreticileri tarafından, dünya genelinde kabul görmüş ve günümüzde birçok araçta kullanılan şanzıman tipleri;

• Manuel şanzımanlar : Debriyaj, balata sistemi ve vites değiştirme sistemi ile kullanıcı tarafından vites atılmak sureti ile aracın hızını ve moment yani tork dengesini ayarlamayı sağlayan şanzımanlardır.
• Otomatik şanzımanlar : Kullanıcının üzerinden debriyaj, baskı balata kontrolü ve vites atma sorumluluğunu almış, gelişmiş tork konvertörlü şanzımanlardır. Bu şanzımanlarda, araç uygun motor devir aralıklarında kendi kendine hızını ayarlayacak dişli grubuna istenen tork ve hız değerlerine göre bir şanzıman beyni tarafından yönlendirilir. Genelde boş ( N ), ileri ( D ), geri ( R ) ve park ( P ) konumları ile kullanıcı tarafından şanzımanın ne yapacağına karar verilir. Bu maddede bahsedilen şanzıman tam otomatik şanzımandır.
• Yarı Otomatik şanzımanlar : Kullanıcının debriyaja basma yükümlülüğünü ortadan kaldıran şanzımanlardır. Robotik veya otomotikleştirilmiş düz vites şanzımanlarda denilebilir.
• CVT şanzımanlar : Genelde japon araçlarında sıkça kullanılan bu şanzıman tipi, yeni ve otomatik şanzımanların kötü yanlarını yok ederek hem kullanıcıya debriyaj ve vites atma sorumluluğunu yüklemiyor hem de sürekli olarak vites değiştiren bir sisteme sahip. Bu sistemde bir zincir veya kayış vasıtası ile dişli rolü üslenen iki kasnak arasında güç aktarımı sağlanıyor.

Şanzımanın Amacı Nedir

Hepimiz, araç kullanırken motorun çalışma devrini gösteren motor çalışma devir göstergesini, motor sesi ile ilk tanıştığımızda, onu tanımadan, aracı tanımadan önce takip etmişizdir. İşte bu devir göstergesine gösterilen 1000,2000,3000,… şeklinde devam eden dakikadaki devir sayısı tekerleklerimizin değil, motorumuzun devrini gösterir. Motorumuz gaza bastıkça devrini arttırır fakat vites attığımızda ise düşük devirden seyrine devam eder, peki nedir bu durumun sebebi nedir? Motor birinci viteste iken 3000 devirde 30 km/s giderken neden ikinci viteste 2000 devirde 30 km/s şeklinde bir hızla aracı ileriye iter, bunu hiç düşündük mü? Şimdi bu konuya açıklık getirirken, şanzımanın da araç üzerindeki görevi ve üslendiği rolü tanımış olalım.

Yukarıdaki görselde aktarılmak istenen temel düşünce motor devir saatindeki devir, motorun içindeki, pistonların eksantirik bir şekilde bağlanıp çevirdiği krank mili denilen, volan dişlisi ile bir balata vasıtası ile şanzımana bağlanan mil parçasının devrini gösterdiğidir. Yani motor göstergesindeki motor dönü sayısı tekerleklerin dönü sayısı değildir. Peki tekerlekler nasıl dönüyor?

Şanzıman Tork ve Hız Dengesini Sağlıyor

Bir motorun gücünü ifade etmek için genelde kaç beygir olduğundan bahsedilir. Bu güç motorda iki farklı şekilde karşımıza çıkabilir bunlardan birincisi motorun yük taşıma, zorluklar karşısında stabil kalıp, devrini koruyabilme becerisi olan Tork diğeri ise Hızdır. Bir motorun en yüksek, yani aracın kataloğunda da belirttiği üzere Nm cinsinden ifade edilen maksimum tork değerine Tork – Devir grafiğinde gösterilen tepe değerin X ekseninde karşılığı olan devir aralığında ulaşır. Yani motor bu devir aralığında zorluklar ile baş edebilmede en kuvvetli, en güçlü halindedir.

İdeal bir motor-  ki piyasadaki elektrikli motorlar haricinde hiçbir içten yanmalı motor bu grafiğe tam anlamı ile yaklaşamamıştır – ikinci grafikte olduğu gibi torkun arttıkça hızın azaldığı veya hızları azaldıkça tork değerleri düşen motorlardır.

Bunu şöyle açıklamak gerekir, elimizde güç değdiğimiz paramız var, paramızı tork dediğimiz suya, hız dediğimiz yiyeceğe yatırıp yaşamımızı sürdürebiliriz. Fakat tüm paramızı torka yatırırsak yani suya bu durumda aç kalırız. Diğer türlü tüm paramızı hıza yani yiyeceğe yatırırsak, bu durumda da susuz kalırız. İşte bunun dengesini iyi sağlamalı ve hem susuz kalmamalı hem de aç kalmamlıyız. Motorda da bunu sağlamak için “Şanzıman” dediğimiz vites kutuları geliştirilmiştir. Motor hem en yüksek torku alabileceğimiz 2000 – 4000 devirler arasında tutulsun hem de hızlanabilsin.

Dişiler ve Dişli Oranları

Dişliler mekanik sistemler için keşfi yapılmış en önemli güç aktarım elemanlarıdır. Hem sürekli temas halinde olabilirler hem de uygun yağlama sistematiği, ortam şartları ile uzun ömürlü olarak görevlerini yerine getirebilirler.

Yukarıdaki basit dişli örneğinde Birinci Dişlimiz 3000 dev/dk ve 3000 Nm Tork ile çevirilirken, ikinci dişli ile temas halindedir. Hesaplar sonucunda ikinci dişlinin 6000 dev/dk ile daha hızlı bir şekilde döneceği fakat daha az güçte yani 150 Nm gibi bir Tork ile dönü hareketine devam edeceği sonucuna ulaşılıyor. Peki ya bu turuncu dişli motorumuzun volan dişlisi olsaydı ve mavi dişli şanzıman içerisindeki dişlilerden biri olsaydı tekerleklerimiz 150 Nm güçle 6000 dev/dk ile belki de 500 km/s hızla hareket edebilir miydi? Hayır, çünkü 150 Nm güç teorikte olsa motorun daha önceden aktardığımız Tork – Devir grafiğine göre kabul edilebilir bir değer değil. Grafikten okunursa 120 Nm gibi bir çıkış alınır, bu durumda tekerleklerde 60 Nm Tork olur. 60Nm tork ile 1 tonluk bir aracın 500 km/s hızla gitmesi en azından bir dakikadan fazla mümkün değildir. Bu yüzden yaşama dair örneğimizde de belirttiğimiz üzere aç ve susuz kalmamalı, 500 km/s hızla gitmek uğruna 60 Nm torka düşmemeliyiz. Yani hem torku yüksek tutmalı hem de hızımızı ideal hızlara ulaştırmalıyız. Şanzıman da bu amaca hizmet etmek için içinde farklı oranlarda güç aktarımı sağlayacak farklı çaplarda dişliler barındırır. Bu sayede Tork ve Hız dengesini ayarlar. Hem aracın 1 tonluk ağırlığını, yolcu yükü ile çekebilecek hem de eğimleri, engelleri aşabilme kabiliyetini sağlayacak farklı hızlar, farklı torklar yaratabilecek bir dişli yapısı olmalıdır.

Bir Vites Kutusu ve Birden fazla Dişli

Sabah, aracımızı ilk çalıştırdığımızda, devrin 800 ila 1200 devir arasında olduğunu görürüz, işte burada aracın motoru ile şanzıman bağlı değil, araç boştadır. Bu yüzden motor bir yükün altında değildir, kendi haline döner. Fakat debriyaja bastığımızda balata vasıtası ile şanzıman vites kolu ile aktif ettiğimiz ve bağladığımız dişli grubu ile motorun dönüsünü şaft yolu ile diferansiyel sayesinde dik gelen dönüyü yatay hale getirerek tekerleklere aktarır. İşte bu serüvende, motor tekerlekleri hareket ettirmek zorunda ve ilk kalkışta aracın yükünü taşımak zorunda kalır. Şimdi hem motor hem de şanzımandaki dönü olayını inceleyelim.

1. Sürücü, DEBRİYAJ PEDALI’na bastığında BALATA motor ile şanzıman arasındaki bağlantıyı keser ve sürücü vites kolu ile rahat bir şekilde vites atıp, hangi şanzıman dişlisi üzerinden ÇIKIŞ MİLİ ile tekerleklere güç aktarımını sağlar.
2. Sürücü, ayağını DEBRİYAJ PEDALINDAN yavaşça çeker ve motorun aniden yük altına girmesini engelleyerek, seçtiği dişli üzerinden tekerleklere güç aktarımını sağlar ve hareket eder.

Sürücü yaptığı bu hareket ile Giriş Dişlisinden sayaç miline ve dişlisine aktarılan dönü hareketinin, vites dişlilerinden en büyüğü olan büyük dişlinin yani birinci vites dişlisi üzerinden aktarılmasına karar verdi, şimdi bu tekerleklere iletilen gücün nasıl iletildiğine bir göz atalım.

Yukarıda tekerleklere iletilen güç yolunu yeşil grup ile gösterdikten sonra asıl güç yolunu izole ettik şimdi 3000 devir ve 3000 devirde torku maksimum olan bir motorun birinci viteste tekerleklerinde ne kadar dönü ve tork olacağını hesaplayabiliriz. En azından sürtünmeleri, aracın tüm kayıplarını yok sayarak bunu yapabiliriz.

Yukarıda tekerleklere iletilen güç yolunu yeşil grup ile gösterdikten sonra asıl güç yolunu izole ettik şimdi 3000 devir ve 3000 devirde torku maksimum olan bir motorun birinci viteste tekerleklerinde ne kadar dönü ve tork olacağını hesaplayabiliriz. En azından sürtünmeleri, aracın tüm kayıplarını yok sayarak bunu yapabiliriz.

1’inci Vites İçin Hesaplama Sonuçları

Birinci vites için dişli çevriminde motordan 3000 dev/dk ve 300 Nm güç alırken, tekerlekler 250 dev/dk ve 3600 Nm ile ivmelendi. Bunun sonucunda yüksek tork, düşük hız elde ettik, yani aracımız şu an çok yükü, çok fazla eğimde düşük hızda ilerletebilir, aynı durumda, aracın en küçük dişli üzerinden hareketini deneseydik ne olurdu düşündünüz mü?

5’inci Vites İçin Hesaplama Sonuçları

Beşinci viteste giden bir arabada motor çıkışından alınan tork ve hız değerlerinin olduğu gibi 1/1 oranında tekerleklere aktarıldığını varsaydık. Bu durumda sizce 3000 dev/dk ile giden arabamız, 300 Nm tekerleklerdeki tork ile %5 eğimli bir yokuşu çıkabilir mi ya da devir/tork eğrisinde istenilen aralıkta bulunabilir mi? Evet, bu sefer çok su içtik, aç kaldık. Yani elimizdeki parayı, gücü uygun kullanamadık, aracımızı stop ettirdik.

İşte tüm bunlar olmasın diye, yokuş çıkarken, en çok torkun gerektiği 1 tonluk aracı ilk harekete geçirirken, yüksek torka ihtiyaç duyarız, aynı zamanda ivmelenmenin gerektiği yerde tork önemlidir.

Tekerleklere uygun tork ve hızı aktarmak için ise Şanzıman adı verilmiş bu içerisinde dişli sisteminin taşıyan, baskı balata sayesinde istendiğinde, kullanıcı tarafından istenilen dişli üzerinden tekerleklere güç aktarımını sağlayacak aktarım organları geliştirilmiş, geliştirilmeye devam etmektedir.