آشنایی با تورک کانورتور (Torque Converter)؛ مبدل گشتاور چگونه کار می‌کند؟

تورک کانورتور چیست و چگونه کار می‌کند؟ ما پیش از این در مقاله انواع جعبه‌دنده‌ ها به معرفی کلی گیربکس‌های موجود روی خودروها پرداختیم. یکی از محبوب‌ترینِ این سیستم‌ها، گیربکس اتوماتیک AT است که برخلاف مدل‌های دستی، از کلاچ هیدرولیکی بهره می‌برد. قلب تپنده این گیربکس، قطعه‌ای به نام مبدل گشتاور یا همان تورک کانورتور (Torque Converter) است که وظیفه انتقال قدرت و تنظیم گشتاور موتور را بر عهده دارد.

در این مقاله قصد داریم به بررسی دقیق اجزای این مبدل، از جمله تکنولوژی مهم کلاچ لاک آپ (Lock-up Clutch) بپردازیم. سطح این مقاله متوسط است؛ بنابراین داشتن پیش‌زمینه در مورد سیستم کلاچ معمولی و عملکرد سیستم‌های هیدرولیکی به درک بهتر مطالب کمک می‌کند. البته نگران نباشید، زیرا تمامی مباحث فنی به ساده‌ترین شکل ممکن بیان شده است تا برای همه علاقه‌مندان به دنیای خودرو قابل درک باشد.

تفاوت انتقال قدرت در گیربکس دستی و اتوماتیک (AT)

از دیده راننده مهم‌ترین تفاوت بین گیربکس‌های دستی و اتوماتیک وجود یا عدم وجود پدال کلاچ است. همانطور که در مقاله مجموعه کلاچ شرح داده شد. هنگامی که راننده می‌خواهد تعویض دنده را در خودروها با گیربکس دستی انجام دهد. مجموعه کلاچ به‌صورت موقت ارتباط بین موتور و جعبه‌دنده را قطع می‌کند. در این حالت جعبه‌دنده خود را با دور چرخ‌ها راحت‌تر تطبیق می‌دهد. اما در سیستم‌های دنده‌اتومات این‌طور نیست. پدال کلاچی وجود ندارد، پس سؤال این است چگونه هماهنگ‌سازی بین دنده‌ها، سرعت خودرو و سرعت دوران موتور اتفاق می‌افتد؟ سریع‌ترین پاسخ استفاده از واحد تورک کانورتر است.

تورک کانورتور چیست؟ (Torque Converter) یا مبدل گشتاور

در ساده‌ترین تعریف می‌توان گفت همانطور که از اسم آن پیدا است، واسط بین عضو تولیدکننده گشتاور (در اینجا موتور) و سایر اجزا سیستم انتقال قدرت است. به‌عبارت‌دیگر مبدل گشتاور یک کوپلینگ است که موتور را با سیستم انتقال متصل می‌کند.

تورک کانورتورها معمولاً از کوپلینگ‌های هیدرولیکی استفاده می‌کنند. اگرچه ممکن است در مصارف خاص از نوع مکانیکی نیز استفاده شود. این عضو در خودروها با سیستم جعبه‌دنده AT و CVT استفاده می‌شود. در هر دو نوع از کوپلینگ هیدرولیکی یا به قول بازار کلاچ هیدرولیکی استفاده می‌کند. شکل 1 استفاده از مبدل گشتاور را در دو جعبه‌دنده AT و CVT نشان می‌دهد.

شکل 1- کاربرد تورک کانورتر در دو نوع جعبه‌دنده

انواع مبدل گشتاور و کاربرد آن‌ها در گیربکس‌های اتوماتیک

باتوجه‌به اینکه مبدل گشتاور مکانیکی به‌عنوان کلاچ کاربردی خاصی در خودرو ها ندارد؛ بنابراین می‌توان گفت تورک کانورتر هیدرولیکی دسته‌بندی خاصی ندارد.

طرز کار تورک کانورتور؛ چگونه گشتاور منتقل می‌شود؟

به شکل 2 توجه کنید.

شکل 2- اساس کار مبدل گشتاور هیدرولیکی

همانطور که در شکل 2 مشاهده می‌شود اساس کار بسیار ساده است. هنگامی که پنکه محرک (شماره 1)حرکت می‌کند هوا (سیال) را به حرکت در میاورد و ایجاد باد می‌کند. باد به پره‌های پنکه متحرک (شماره2) برخورد می‌کند و باعث حرکت پره‌های پنکه دوم خواهد شد. قطعاً سرعت گردش پره‌های پنکه دوم بسیار کمتر از پره‌های پنکه اول است.

اگر سیال را از حالت گازی (هوا) به حالت مایع (روغن) تبدیل کنیم سرعت دوران بیشتر خواهد شد. نکته جالب در این سیستم آن است که اگر پره‌های پنکه دوم را به طریقی متوقف کنیم هیچ فشاری به پره‌های پنکه اول وارد نخواهد شد. این همان چیزی است در مکانیزم انتقال قدرت به آن نیاز داریم.

بررسی اجزای تورک کانورتور (از ایمپلر تا کلاچ لاک آپ)

اجزا اصلی تورک کانورتر هیدرولیکی در شکل 3 نشان داده شده است.

1- توربین 2- پمپ 3- استاتور 4- پوسته
شکل 3- اجزا اصلی تورک کانورتر

شکل 3 اجزا اصلی مبدل گشتاور را نشان می‌دهد.

• پمپ –Pump (Impeller) 
• توربین –Turbine
• استاتور – Stator- Guide wheel

پمپ (شماره 2) متصل به پوسته (شماره 4) است. پوسته مبدل به فلایویل وصل شده است. هنگامی که فلایویل می‌چرخد، پوسته و پمپ نیز می‌چرخد. مایع هیدرولیک از طریق پره‌های پمپ به سمت بیرون پرتاپ می‌شوند. جهت حرکت جریان مایع هیدرولیک به سمت توربین هدایت می‌شود، پس از برخورد به پره‌های توربین باعث حرکت توربین می‌شود.

توربین به صورت هزارخار به شفت ورودی گیربکس متصل است؛ بنابراین با چرخش شفت توربین شفت ورودی جعبه‌دنده نیز خواهد چرخید. مجدداً مایع هیدرولیک در مسیر برگشت ابتدا به استاتور و سپس به پره‌های پمپ برخورد میکن و در نتیجه این چرخش تا زمانی که پمپ در حال حرکت است ادامه پیدا خواهد کرد.

A: حالت خاموش بودن موتور B: لحظه روشن‌شدن موتور و حرکت پمپ C: حرکت سیال بین پمپ و توربین
1- مایع هیدرولیک 2- جهت پرتاب مایع هیدرولیک 3- پمپ 4- توربین
شکل 4- وضعیت‌های مختلف سیال بین پمپ و توربین از نمای بالا

1- حلقه مجزاکننده 2- پره
A: بدون استفاده از حلقه مجزاکننده B: با استفاده حلقه مجزاکننده
C: جریان آشفته سیال D: جریان منظم سیال
شکل 5- تاثیر استفاده از حلقه مجزاکننده در توربین و پمپ

1- جهت سیال خروجی از پمپ 2- جهت جریان ورودی به توربین
2- جهت جریان خروجی از توربین 4-نحوه تغییر جهت جریان با کمک استاتور
A: پمپ B: استاتور C: توربین
شکل 6- جهت و نحوه حرکت مایع هیدرولیک داخل تورک کانورتر

در واقع وجود استاتور در مسیر برگشت سیال جلو اعمال نیروی منفی بر پمپ را می‌گیرد شکل 7 این موضوع را بهتر نشان می‌دهد.

A: جهت جریان از توربین به پمپ
B: جهت جریان پس از برخورد با پره‌های استاتور
C: جهت جریان اگر استاتور وجود نداشته باشد
1-پره‌های پمپ
شکل 7- تفاوت وجود یا عدم وجود استاتور در جهت برگشتی سیال به پمپ

شکل 8 این موضوع را از نمای دیگری نشان می‌دهد.

A: جهت جریان برگشت به پمپ بدون استفاده از استاتور
B: جهت جریان برگشت با کمک استاتور
1- جهت حرکت پمپ 2- موقعیت استاتور
شکل 8- تاثیر وجود استاتور در مبدل گشتاور

موارد ذکر شده اجزا اصلی در تورک کانورتر است؛ اما به‌مرور بخش‌های دیگری نیز به این واحد اضافه شدند. شکل 9 نمونه ای از یک مبدل گشتاور واقعی را نشان می‌دهد.

A: از سمت موتور B: به سمت گیربکس
1- پمپ 2-استاتور 3- توربین 4- کلاچ لاک آپ 5- پوسته
6-توپی توربین 7- کلاچ اور ران 8- نافی تورک کانورتر
شکل 9- اجزا نمونه مبدل گشتاور

با مقایسه شکل 9 و 6 مشاهده می‌شود 2 عضو مهم دیگر نیز مشخص شده اند.

کلاچ یک‌طرفه یا اورران (Overrunning Clutch)؛ کنترل چرخش استاتور

کلاچ اورران (overrunning clutch) یا کلاچ دور بالا یا اصطلاحاً کلاچ یک‌طرفه (شماره 7) ،این کلاچ دو حالت عملکرد دارد. یکی در زمانی که موتور تازه روشن شده است و حرکت نمیکند در این حالت استاتور با کمک این کلاچ حالت قفل (ثابت) پیدا میکند. دلیل این کار تفاوت نیروی سیال از سمت پمپ به توربین با نیروی سیال از سمت توربین و استاتور به پمپ است در این حالت رولبرینگ و فنر به حالت قفلی بین پوسته بیرونی و داخلی کلاچ در امده و استاتور قفل میشود. به‌مرور که سرعت خودرو افزایش پیدا میکند.

کم کم سرعت توربین به سرعت پمپ نزدیک میشود در این حالت کلاچ دوربالا حالت خلاص پیدا میکند و اجازه میدهد استاتور متناسب با نیروی اعمالی به پره آن حرکت آزادانه داشته باشد. در صورت کاهش سرعت خودرو، سرعت توربین کاهش پیدا میکند این کاهش سرعت توربین است اجازه می دهد تا جریان روغن تغییر جهت دهد. واحد کلاچ دور بالا روی استاتور حالت ضربه زنی حاصل از تغییر نیروی بین دو واحد توربین و پمپ را تا حد زیادی کاهش میدهد.

کلاچ لاک آپ (Lock-up Clutch)؛ کلید کاهش مصرف سوخت در تورک کانورتور

کلاچ لاک آپ (lockup clutch) کلاچ مبدل گشتاور (Tourqe Converter Clutch) (TCC)، کلاچ لاک آپ، لغزش 5 تا 10 درصدی را که بین پمپ و توربین در مرحله کوپلینگ کامل ایجاد می‌شود، از بین می‌برد. درگیر شدن یک کلاچ بین پمپ و توربین تا حد زیادی باعث بهبود مصرف سوخت و افزایش راندمان حرارتی می‌شود. انواع مختلفی از کلاچ لاک آپ در تورک کانورترها استفاده می‌شود. معمولاً کلاچ‌های لاک آپ با یک مدار فرمان هیدرولیکی یا الکتریکی فعال و غیر فعال می‌شوند.

نظر به طولانی شدن مطالب عملکرد کلاچ لاک آپ در یک مقاله مجزا تشریح خواهد شد. در دوره‌های آموزش گیربکس‌های اتومات این موارد و روش عیب‌یابی آنها زیر نظر اساتید مجرب و به صورت عملی در کارگاه مکانیک خودرو دانشگاه شریف آموزش داده می‌شود.

نویسنده : مهندس بهروز خطیبی