چرخش میللنگ موتور خودرو، گشتاور تولید میکند؛ همان انرژیای که از پیچاندن یک جسم به دست میآید. گشتاور همان چیزی است که به شما امکان شتابگیری میدهد؛ هرچه موتور گشتاور بیشتری تولید کند، خودرو سریعتر حرکت میکند. مبدل گشتاور اجازه میدهد موتور خودروهای دارای گیربکس اتوماتیک، حتی زمانی که چرخها کاملاً متوقف میشوند، به کار خود ادامه دهد.
در این مقاله بررسی میکنیم که چرا خودروهای اتوماتیک به مبدل گشتاور نیاز دارند، مبدل گشتاور چگونه کار میکند و چه مزایا و ایراداتی دارد. منظور ما از گیربکسهای اتوماتیک در این مقاله، همان نوع سنتی است که از حدود دههی ۱۹۵۰ میلادی در خودروها محبوب بوده است. انواع جدیدتر گیربکسهای خودکار، مانند گیربکس نیمهدستی (دوکلاچه) و گیربکس CVT، از روشهای دیگری برای انتقال قدرت استفاده میکنند و اصلاً از مبدل گشتاور بهره نمیبرند.
اجزای اصلی مبدل گشتاور
درون محفظهی بسیار مستحکم مبدل گشتاور، چهار قطعهی اصلی قرار دارد:
- پمپ (Impeller)
- توربین (Turbine)
- استاتور (Stator)
- روغن گیربکس (Transmission Fluid)
محفظهی مبدل گشتاور با پیچ به فلایویل موتور متصل میشود، پس دقیقاً با همان سرعتی میچرخد که موتور میچرخد. پرههایی که بخش پمپ مبدل گشتاور را تشکیل میدهند نیز به همین محفظه متصل هستند، بنابراین آنها نیز همزمان با موتور میچرخند. یک مقطع برشخورده از این قطعه نشان میدهد که همهی اجزا چگونه در داخل مبدل گشتاور به هم متصل شدهاند.
پمپ؛ نقطهی شروع حرکت روغن
پمپ داخل مبدل گشتاور، نوعی پمپ گریز از مرکز است. وقتی میچرخد، روغن به سمت بیرون پرتاب میشود؛ دقیقاً مانند چرخهی خشککنی ماشین لباسشویی که آب و لباسها را به سمت دیوارهی بیرونی تشتک پرتاب میکند. همین پرتاب روغن به سمت بیرون، یک خلأ در مرکز ایجاد میکند که روغن بیشتری را به داخل میکشد.
سپس روغن وارد پرههای توربین میشود که به گیربکس متصل است. توربین باعث چرخش گیربکس میشود و قدرت را از طریق شفتها و دیفرانسیل به چرخهای محرک میفرستد. پرههای توربین به شکل خمیده طراحی شدهاند؛ یعنی روغنی که از بیرون وارد توربین میشود، باید قبل از خروج از مرکز توربین، مسیر خود را تغییر دهد. دقیقاً همین تغییر مسیر است که باعث چرخش توربین میشود.
برای تغییر مسیر هر جسم در حال حرکت، باید نیرویی به آن وارد شود؛ چه آن جسم یک خودرو باشد، چه یک قطره روغن. و هر چیزی که این نیرو را برای چرخاندن جسم اعمال میکند، خودش هم باید نیرویی در جهت مخالف احساس کند. پس همانطور که توربین باعث تغییر مسیر روغن میشود، روغن هم باعث چرخش توربین میشود.
روغن از مرکز توربین خارج میشود، اما این بار در جهتی متفاوت از جهت ورودش. روغن هنگام خروج از توربین، در جهت مخالف چرخش پمپ (و موتور) حرکت میکند. اگر اجازه داده شود این روغن مستقیماً به پمپ برخورد کند، سرعت موتور کاهش مییابد و انرژی هدر میرود. دقیقاً به همین دلیل است که مبدل گشتاور به یک استاتور نیاز دارد.
استاتور؛ قهرمان خاموش مبدل گشتاور
استاتور درست در مرکز مبدل گشتاور قرار دارد. وظیفهی آن هدایت مجدد روغنی است که از توربین بازمیگردد، پیش از آنکه دوباره به پمپ برخورد کند. همین کار بهطور چشمگیری بازده مبدل گشتاور را افزایش میدهد.
استاتور طراحی پرهای بسیار تهاجمی دارد که تقریباً جهت حرکت روغن را کاملاً معکوس میکند. یک کلاچ یکطرفه در داخل استاتور، آن را به یک شفت ثابت در گیربکس متصل میکند. بهخاطر همین طراحی، استاتور نمیتواند همجهت با روغن بچرخد؛ فقط میتواند در جهت مخالف بچرخد و همین موضوع باعث میشود روغن هنگام برخورد با پرههای استاتور، مجبور به تغییر مسیر شود.
اتفاق جالبی زمانی میافتد که خودرو شروع به حرکت میکند. در سرعت بزرگراهی، هم پمپ و هم توربین تقریباً با سرعت یکسانی میچرخند (پمپ همیشه کمی سریعتر است). در این حالت، روغن بازگشتی از توربین، از قبل همجهت با پمپ وارد آن میشود، پس دیگر نیازی به استاتور نیست.
هرچند توربین جهت حرکت روغن را تغییر میدهد و آن را به عقب پرتاب میکند، روغن در نهایت همچنان در همان جهت چرخش توربین حرکت میکند؛ چون سرعت چرخش توربین در یک جهت، بیشتر از سرعت پمپاژ روغن در جهت مخالف است. تصور کنید داخل بار یک وانت هستید که با سرعت ۹۶ کیلومتر بر ساعت حرکت میکند و توپی را با سرعت ۶۴ کیلومتر بر ساعت به عقب پرتاب میکنید؛ آن توپ همچنان با سرعت ۳۲ کیلومتر بر ساعت رو به جلو حرکت خواهد کرد. دقیقاً همین اتفاق در توربین میافتد: روغن در یک جهت به عقب پرتاب میشود، اما نه به همان سرعتی که در جهت مخالف حرکت میکرد.
در این سرعتها، روغن در واقع به پشت پرههای استاتور برخورد میکند و باعث میشود استاتور روی کلاچ یکطرفهی خود آزادانه بچرخد (freewheel)، بهطوریکه مانعی برای عبور روغن ایجاد نکند.
مزایا و نقاط ضعف مبدل گشتاور
علاوه بر وظیفهی بسیار مهم متوقف کردن کامل خودرو بدون خاموش شدن موتور، مبدل گشتاور در واقع هنگام شتابگیری از حالت توقف، گشتاور بیشتری هم به خودرو میدهد. مبدلهای گشتاور مدرن میتوانند گشتاور موتور را دو تا سه برابر افزایش دهند. این اثر فقط زمانی رخ میدهد که موتور بسیار سریعتر از گیربکس بچرخد.
در برخی کاربردهای پرفورمنس، خودروها مجهز به چیزی به نام مبدل گشتاور های-استال (High-Stall Torque Converter) میشوند. برخلاف مبدل معمولی خیابانی، این قطعه قدرت را در دور موتور (RPM) بسیار بالاتری به چرخها منتقل میکند. این یعنی اثر افزایش گشتاور مبدل، زمانی رخ میدهد که موتور نزدیک به اوج قدرت خود است و همین موضوع امکان شتابگیری بسیار قدرتمند از حالت سکون را فراهم میکند. البته این ویژگی برای رانندگی روزمره در ترافیک شهری چندان مطلوب نیست.
در سرعتهای بالاتر، گیربکس با حدود ۹۰ درصد سرعت موتور میچرخد. اما در حالت ایدهآل، گیربکس باید دقیقاً با همان سرعت موتور بچرخد، چون این اختلاف سرعت باعث هدررفت انرژی و تولید گرمای اضافی در مجموعه میشود. همین موضوع یکی از دلایلی است که خودروهای دارای گیربکس اتوماتیک، گاهی مصرف سوخت بیشتری نسبت به خودروهای دارای گیربکس دستی دارند.
برای مقابله با این مشکل، برخی خودروها مجهز به مبدل گشتاور با کلاچ قفلکننده (Lockup Clutch) هستند. زمانی که دو نیمهی مبدل گشتاور به سرعت یکسانی میرسند، این کلاچ آنها را به هم قفل میکند و تضمین میکند موتور و گیربکس دقیقاً با سرعت یکسان بچرخند و افت قدرت به حداقل برسد. بسیاری از گیربکسهای اتوماتیک مدرن نیز تا ۱۰ دندهی جلو اضافه کردهاند تا انتقال قدرت را بهینه کرده و بازدهی خود را به گیربکسهای دستی قدیمی نزدیک کنند.
جمعبندی
مبدل گشتاور، یکی از هوشمندانهترین راهحلهای مهندسی خودرو است که بهلطف آن، خودروهای اتوماتیک میتوانند بدون کلاچ، بدون خاموش شدن موتور و حتی با افزایش گشتاور در لحظهی شتابگیری کار کنند. با وجود پیچیدگی داخلی این قطعه، فناوریهایی مانند کلاچ قفلکننده باعث شدهاند بازدهی آن هر روز به گیربکسهای دستی نزدیکتر شود.
مطالب مشابه