מי ולמה צריך תיבת הילוכים המומנט וההספק מה הם הספק ומומנט? מומנט, הוא כוח הפיתול (כוח סיבובי), ולענייננו מופעל על גל הארכובה. ככל שזרוע המומנט - קרי: רדיוס גל הארכובה - גדולה יותר, או ככל שמופעל יותר כוח על-ידי שרפת התערובת, יתקבל מומנט גדול יותר. מומנט הוא בעצם היכולת של המנוע ^לסחוב^ בעליה או לדחוף את האוטו בהילוך נתון ו/או בסל^ד נמוך; כלומר: היכולת של המנוע לסובב את הגלגלים מול התנגדות - עלייה, משקל, מהירות נמוכה שלו עצמו או של הרכב וכו'. המומנט אינו קשור ליחידות זמן.
המומנט נמדד ביחידות כוח (ק^ג) כפול מרחק (מטר אחד) ועל כן היחידות הן קג^מ - קילוגרם-מטר. בשיטה הנהוגה היום, בעיקר על-ידי הגרמנים, המומנט מוצג ביחידות ניוטון-מטר, שהן בערך עשירית מקילוגרם-מטר (9.81:1). במכוניות אמריקאיות מוצג המומנט ביחידות של ליברה-פיט (רגל), וכדי להפוך אותן לקג^מ יש לחלק ב-7.22.
ההספק הוא יכולת המנוע לבצע עבודה ביחידת זמן - ככל שההספק גדול יותר, המנוע מסוגל להביא יותר אנרגיה לידי ביטוי, בזמן נתון. הדוגמא הבולטת ביותר להספק היא ב^כמה פותחת^ (מאפס למאה קמ^ש) וב^כמה היא סוגרת?^ - נתון המהירות המרבית. היחידות בהן נמדד ההספק הן כוח סוס, השווה ל-736 וואט, או כפי שהגרמנים מקפידים לציין, בקילוואט. ההמרה בין קילוואט לכ^ס כרוכה במכפלת נתון הקילוואט ב-1.36, על מנת לקבלו בכ^ס. הקשר בין המומנט להספק נתון בקשר הבא:
הספק = מומנט xמהירות סיבוב המנוע
כלומר, שני הפרמטרים, ההספק והמומנט, תלויים בסיבובי המנוע. הקשר הוא קשר ישיר, כפי שניתן לראות מהנוסחה. הסיבה לכך שלא ניתן לראות זאת בחישוב פשוט הינה כי הסל^ד מחושב תוך שימוש בגודל הנקרא ^רדיאן^ ולא כמספר טהור של אלפי סיבובים. אופן החישוב, לפיכך, מחייב מעט ידע מתימטי.
המרחק בין שיאי המומנט וההספק נקרא רצועת הכח , והוא מעיד על ^גמישות המנוע^ – ככל שהטווח יהיה גדול יותר, המנוע יוכל לבצע יותר עבודה בטווח זה. למרות זאת, יכול להיות מצב שמנוע יהיה ^גמיש^ מאד, למרות שהוא בעל רצועת כוח צרה, שכן אם עקומת המומנט שלו שטוחה דיה, ומירב המומנט מגיע כבר בסל^דים נמוכים, המנוע יהיה גמיש ובעל יכולת תגובה טובה גם לפני רצועת הכוח. עם זה, אין היום פרמטר מקובל הקובע כמה אחוזים משיא המומנט כבר יכולים להיחשב לצורך רצועת הכוח.
ואיך כל זה קשור לגיר?
הואיל ולמנוע יש תחום חיים מובהק, בו ניתן לקבל כמעט את התפוקה המרבית ממנו, וזוהי רצועת הכוח, חשוב לנו לנהוג כאשר ברוב הזמן, הכוח - הן ההספק והן המומנט - זמין לנו. החשיבות שבזמינות באה לידי ביטוי בעת שינוי בתנאי הנסיעה, כפי שכבר אמר המר^ן ניוטון: גוף אינו יוצא ממצבו הקבוע אלא אם כן פועל עליו כוח חיצוני. וכוח חיצוני כזה יפעל בעת שינויים במהירות (האצה והאטה), בזווית הנסיעה (מעלה ומורד), בעומס (משקל) וכיו^ב.
ישבו החכמים שבעה ימים ושבעה לילות והגיעו למסקנה, כי שימוש בגלגלי שיניים בעלי יחס העברה שונה, יאפשר לשמור את המנוע בתחום רצועת הכוח (זה במכוניות. באופניים זה לקח להם פחות זמן). הכיצד?
כבר ציינו כי הספק שווה למומנט כפול מהירות סיבוב. גלגל שיניים בעל קוטר 10 ס^מ, המשולב בציר המונע על-ידי מנוע המסתובב במהירות סיבוב של 2000 סיבובים לדקה, יפיק מומנט כפול מזה של גלגל שיניים בעל קוטר של 5 ס^מ. ברם-אולם, אם ההספק היוצא מהמנוע נשמר (אנו עדיין ב-2000 סל^ד), מהירות הסיבוב של הגלגל הקטן יותר תהיה כפולה משל הגלגל הגדול יותר.
וכאן קבור הכלב: על מנת לנוע מהר יותר, נדרש גלגל שיניים קטן יותר. ככזה הוא מנפק מומנט קטן יותר. כלומר - אין ארוחות חינם: אם אתה רוצה יותר מהירות, תשלם ב^סחיבה^, ולהפך.
הפתרון המאפשר השגת מירב המומנט לצורך תחילת התנועה ולהתגברות על עליות, משקל ומכשולים (בעיקר בנהיגת שטח), מחד גיסא, אך המאפשר נסיעה מהירה בכביש ישר, הנו שילוב מספר גלגלי שיניים בתוך תיבה אחת. כאשר צריך יותר מומנט, ישולב הגלגל הגדול; וכאשר הצורך הוא מהירות, ישולבו גלגלים קטנים יותר.
תיבות ההילוכים הראשונות הכילו שני הילוכים קדמיים בלבד. ההילוך האחורי הושג (ומושג גם היום), באמצעות הפיכת כיוון סיבוב ציר המוצא מתיבת ההילוכים, באמצעות גלגל שיניים נוסף.
אופן הפעולה: הציר הירוק הנו ציר כניסת הסיבוב מהמנוע, דרך המצמד (קלאץ'). תפקיד המצמד הוא להפריד בין המנוע לגלגלים, על מנת למנוע את המצב שהֶר מרקוס זכור לטוב, התמודד עמו: עצירת הגלגלים תגרום לכביית המנוע.
אל הציר הירוק מחובר גלגל שיניים, כך שמהירות סיבוב הציר והגלגל הירוקים, הנה מהירות סיבוב המנוע.
הציר הירוק מסובב, באמצעות גלגל שיניים אדום, את הציר האדום, המשמש כציר הראשי של תיבת ההילוכים. לציר זה מחוברים גלגלי שיניים, כמספר ההילוכים בתיבה (כולל ההילוך האחורי). הגלגלים מסתובבים יחד עם הציר האדום, כאשר מהירות הסיבוב של ציר זה גם היא שווה למהירות הסיבוב של המנוע, הואיל והגלגל האדום המשולב בירוק הנו בעל אותו מספר שיניים.
מכיוון הגלגלים, שביניהם מחבר דיפרנציאל, שגם הוא נושא שראוי לפרק נפרד, מגיע הציר הצהוב. כאשר הגלגלים מסתובבים, מסתובב גם הציר הצהוב ולהפך. על הציר הצהוב מורכבים גלגלי שיניים, כמספר ההילוכים בתיבה. אלא שגלגלים אלה, הכחולים, אינם מחוברים באופן קשיח לציר הצהוב: הם יושבים על מסבים ומסתובבים חופשי על הציר. אלא שבטבורם יש שיניים פנימיות, המיועדות להשתלב בשיניים החיצוניות שבגלגלי הקולר - בסגול. גלגלי הקולר הנם גלגלי שיניים המחוברים לציר הצהוב באופן קשיח, וביניהם מחובר מזלג שילוב ההילוכים, המחובר לידית ההילוכים. במצב המתואר בציור, גלגלי הקולר אינם משולבים במי מהגלגלים הכחולים, לכן אלה מסתובבים על הציר הצהוב חופשי (פריילוף...), והמנוע המסובב את הצירים הירוק והאדום, אינו מסובב את הציר הצהוב. כך הרכב יכול לעמוד במנוע פועל וקלאץ' משוחרר.
ומה קורה כשרוצים לנוע? דחיפת ידית ההילוכים קדימה, תדחוף את הקולר לאחור, בגלל היפוך התנועה בין הידית למזלג. הקולר ישתלב בתוך הטבור המשונן שבגלגל הכחול הגדול (זוכרים? - גדול שווה כוח), והסיבוב המועבר אל הגלגל הכחול דרך הגלגל האדום, יועבר באמצעות הקולר (הסגול) לציר הצהוב. אכן, טכניקולור של ממש... הציר הצהוב יסתובב עתה במהירות התלויה בגודל הגלגל הכחול המשולב.
הסבר זה מתאים לתיבה בת שני הילוכים. בתיבה אמיתית, בת חמישה הילוכים, המבנה מורכב קצת יותר: הואיל ותבנית העברת ההילוכים היא בצורת H משולשת רגליים, עבור כל שני הילוכים מותאם מוט ומזלג שילוב אחד. הטיית ידית ההילוכים שמאלה ודחיפתה קדימה להילוך ראשון, תמשוך לאחור את המזלג השמאלי מבין השלושה ותשלב את הקולר המתאים לגלגל השיניים הגדול (ראו איור משמאל). וכך, עבור כל הילוך ישתלב מוט ומזלג אחר, קדימה או אחורה, עפ^י ההילוך הנבחר.
לא זזה רברס... - ההילוך האחורי מושג ע^י שילוב גלגל השיניים המיועד לכך, באמצעות המזלג המשמש את ההילוך הראשון, כמו ב^רנו^, או החמישי, כמו ברוב המכוניות. גלגל זה מסתובב כל העת בכיוון הפוך לכיוון הסיבוב של שאר הגלגלים, הואיל ובין הציר הראשי לציר הנושא הוכנס גלגל שיניים נוסף (הסגול), ההופך את כיוון הסיבוב. כידוע, שני גלגלי שיניים צמודים מסתובבים בכיוונים הפוכים, לכן כל הוספת גלגל שיניים בשרשרת תהפוך את כיוון הסיבוב... הציור מסביר היטב מדוע לא ניתן לשלב להילוך אחורי בזמן תנועה קדימה: הציר הצהוב מסתובב בכיוון אחד, ועל כן הקולר האחראי על שילוב ההילוך האחורי לא יצליח להשתלב. התוצאה תהיה קולות מחאה מצד התיבה, על הניסיון הנואל לבצע בה מעשה מגונה כזה. בציור ניתן לראות גם כי שלא כנהוג לחשוב, הרברס אינו הילוך ראשון הפוך - גלגל השיניים להילוך האחורי הוא נפרד ועשוי להיות בעל יחס העברה שונה מההילוך הראשון, אף כי לרוב הנטייה היא לתכנן הילוך אחורי בעל יחס העברה דומה לראשון, שכן תמיד ההילוך האחורי יידרש להזיז את הרכב ממצב עמידה.
מהו בעצם קול המחאה שהתיבה מוציאה כאשר איננו משלבים הילוך כהלכה? כאשר הקולר מנסה לשלב את שיניו בתוך הטבור המשונן של גלגל ההילוך, מהירותם צריכה להיות שוות, על מנת שלא נשמע את קול הגריסה המצמרר (על אף שאין השיניים נטחנות בפועל...). השיטות לסנכרון המהירות בין הקולר לגלגל רבות, ולכל יצרן רעיונות משלו, אך באופן כללי ניתן לומר כי שילוב הדרגתי באמצעות חתך חרוטי (קוני), מאפשר ליצור חיכוך בין הקולר לגלגל השיניים. חיכוך זה גורם להשוואת מהירויות ולשילוב חלק של שיני הקולר בשנתות טבור גלגל השיניים.
קצת על יחסי העברה - אם שילבנו הילוך ראשון, מהירות הציר הצהוב תואט ביחס למהירות סיבוב המנוע, עפ^י יחס ההעברה של גלגל זה. בציור 4 נבחר יחס סתמי של 1:4. כלומר: על כל 4 סיבובי מנוע, יבצע הציר הצהוב סיבוב אחד. המשמעות היא שהמומנט המופק מהמנוע מוכפל פי ארבעה, וזאת עוד לפני שהגענו לדיפרנציאל, שבו יש יחס העברה סופי גדול עוד יותר.
הערך של יחס ההעברה נקבע על-ידי אחד משני פרמטרים: יחס קוטרי גלגלי השיניים או היחס בין מספר השיניים של הגלגלים. בכל מקרה, היחס זהה, הואיל והשיניים זהות. להלן ערכים מקובלים ליחסי העברה בתיבת הילוכים ידנית של 5 הילוכים, ומהירות סיבוב הציר לדיפרנציאל, כאשר המנוע סובב ב-3000 סל^ד:
הילוך / יחס העברה / מהירות סיבוב במוצא הגיר
ראשון / 2.315 / 1295
שני / 1.568 / 1913
שלישי / 1.195 / 2510
רביעי / 1.000 / 3000
חמישי / 0.915 / 3278
כפי שניתן לראות, ההילוך הרביעי הוא ביחס 1:1, וההילוך החמישי נקרא ^הילוך יתר^, הואיל והוא מסובב את ציר היציאה מהתיבה במהירות סיבוב הגבוהה ממהירות סיבוב המנוע. כמובן, כל הילוך נוסף יעלה את מהירות סיבוב ציר המוצא, אך יקטין, בהתאם, את המומנט המגיע לגלגלים ואת יכולת הסחיבה של המנוע כנגד כוח חיצוני ו..כן - יעלה פלאים את מחיר התיבה.
תכנון נכון של יחסי ההעברה בתיבה, ימנע ^חורים^ במעבר בין ההילוכים ולתופעה שמתלוננים על ^הילוך שלישי חלש^. תופעה זו תקרה אם התכנון מביא לכך שבהעברת הילוך משני לשלישי, לדוגמא, יחס ההעברה נופל כך שגם הסל^ד נופל באופן משמעותי, ואנו מאבדים הספק ומומנט, הואיל והמהירות נמוכה מדי ליחס ההעברה הזה.
ישנן מספר שיטות למיקום תיבת ההילוכים ברכב: השיטה המסורתית והישנה (בסכימה משמאל), שהיום נמצאת רק במכוניות עם הנעה אחורית (ב.מ.וו, מרצדס ועוד גרוטאות ישנות כאלה...), הינה מיקום המנוע לאורך מלפנים, מאחוריו המצמד, מאחוריו תיבת ההילוכים, וממנה יוצא גל הינע לכיוון הציר האחורי, כאשר הכוח עובר לגלגלים באמצעות דיפרנציאל.
ברוב במכוניות כיום ההנעה היא קדמית, והמנוע מותקן לרוחב. התקנה כזו מחייבת את מיקום תיבת ההילוכים מעל לדיפרנציאל, על מנת להתכנס לרוחב המוכתב של תא המנוע. בשרטוט החתך משמאל ניתן לראות גיר רוחבי מודרני, בעל 5 הילוכים.
