پس از توليد قدرت در موتور نياز است آن را به سيستم انتقال قدرت منتقل كنيم. متناسب با نوع جعبه دنده(مكانيكي_ اتوماتيك)سيستم كلاچ انتخاب مي شود. در گيربكس هاي مكانيكي (دستي)از كلاچ هاي ا صطكا كي -صفحه ا ي استفاده مي شود.
قصد داريم شما را با نوع ديگري از كلاچ ها به نام مبدل هاي گشتاور (كلاچ هاي هيدروليكي) كه در جعبه دنده هاي اتوماتيك به كار مي روند، آشنا سازيم.
موتور از راه كلاچ به جعبه دنده مرتبط شده است و بدون اين ارتباط قادر نخواهد بود به طور كامل بايستد، مگراين كه موتور را خاموش كنيم. درخودروها ى مجهز به انتقال قدرت اتوماتيك، هيچ نوع ارتباط مكانيكي بين موتور و گيربكس در سيستم كلاچ وجود ندارد كه انتقال قدرت را از موتور قطع كند چون اين انتقال توسط سيال عامل -روغن- صورت مي گيرد. در عوض ،اين سيستم به عنوان يك گيربكس بي نهايت دنده داراي مزاياي بسياري است. مبدل گشتاور ممكن است درنگاه اول زياد مفيد به نظر نرسد ولى نكات جالبي درون آن وجود دارد كه به توضيح آن ها مي پردازيم.
در اين مقاله عناوين زير را بررسي خواهيم كرد:
1-دليل نياز به مبدل گشتاور در گيربكس هاي اتوماتيك
2- اصول عملكرد مبدل هاي گشتاور و انواع آن
3- مزايا و معايب اين كلاچ ها
كلاچ هيدروليكي:
يك گيربكس به تنهايي نمي تواند به صورت تمام اتوماتيك عمل كند، مگر اين كه شامل مكانيزمي باشد كه بتواند به طور اتوماتيك ارتباط موتور و گيربكس را قطع و وصل كند.
وسايلي كه اين كار را انجام مي دهد كوپلينگ هاي هيدروليكي و مبدل هاي گشتاور هستند.قبل از اختراع مبدل هاي گشتاور ازكلاچ هاي هيدروليكي در خودروها استفاده مي شد ولي به علت وجود گشتاور معكوس در دورهاي پايين كه منجر به كاهش دور موتور و درنهايت خاموشي مي شد با اضافه كردن قطعه اي به نام استاتور و بهينه كردن فرم پره ها كلاچي به نام مبدل گشتاور ضروري دانسته شد. اصول عملكرد اين كلاچ ها بسيار ساده است و با اين مثال ساده مي توان آن را توضيح داد: هرگاه دو دستگاه پنكه برقي را روبه روي همديگر قرار داده و يكي را با جريان برق به حركت درآوريم پس از مدتي پروانه پنكه ديگر هم شروع به حركت كرده و بعد از گذشت مدتي سرعت دوراني آن تقريبا به پنكه ديگر مي رسد. در اين جا انتقال دور و گشتاوربه وسيله سيال عامل هوا صورت مي گيرد. در تمامي انواع كلاچ هاي هيدروليكي هم از اين اصل ساده استفاده شده. در هر نوع كلاچ هيدروليكي گشتاور موتور به گيربكس منتقل مي شود اما مبدل گشتاور قادر به افزايش گشتاور موتور است در حالي كه كوپلينگ هيدروليكي اين توانايي را ندارد.
كوپلينگ هيدروليكي:
كوپلينگ هيدروليكي شامل يك پمپ -ايمپلر- و يك توربين با پره هاي داخلي است كه روبه روي هم قرار گرفته اند. پمپ به وسيله يك صفحه به فلايويل متصل و توربين نيز به شافت ورودي گيربكس متصل است. پمپ عضو محرك و توربين عضو متحرك است و هر دو در يك محفظه آب بندي شده قرار دارند. روغن به وسيله پمپ داخل گيربكس به داخل محفظه كوپلينگ ارسال مي شود. زماني كه ايمپلر به وسيله موتور مي چرخد پره هايش روغن را گرفته و به سوي توربين پمپ مي كند. سيال در داخل كوپلينگ دو مسير را طي مي كند : جريان گردابي وجريان دوراني.
جريان دوراني سيال ، مسير دايره اي است كه در نتيجه چرخش ايمپلر ايجاد مي شود. به عبارت ديگر سيال حول دايره اي كه محور آن ميل لنگ و محور ورودي گيربكس است جريان مي يابد. از طرفي هنگامي كه سيال در مسير دايره اي حركت مي كند، نيروي گريز از مركز آن را به سوي كناره هاي ايمپلر پرتاب مي كند. به خاطر انحناي ايمپلر هنگامي كه سيال به كناره هاي خروجي ايمپلر مي رسد به دور خود مي چرخد و به سوي توربين جاري مي شود. سپس سيال در يك مسير چرخشي ثانويه كه با مسير جريان دوراني اوليه زاويه 90 در جه مي سازد جاري مي شود.
جريان روغن در اين مسير را جريان گردابي مي نامند. سيال در كوپلينگ هيدروليكي به طور همزمان هر دو مسير دوراني و گردابي را مي پيمايد. جريان دوراني كه به وسيله ايمپلر ايجاد مي شود گشتاور چرخشي موتور را حمل مي كند. گشتاور بدون جريان گردابي كه سيال را از ايمپلر تا توربين حركت مي دهد نمي تواند به گير بكس منتقل شود. نيروي چرخشي پره هاي ايمپلر به صورت تركيبي از جريان هاي گردابي و چرخشي سيال بر روي پره هاي توربين اعمال مي شود. سيالي كه ايمپلر در حال چرخش را ترك مي كند و به سوي توربين جاري مي شود هنگام خروج تنها داراي حركت گردابي و يا دوراني نيست بلكه داراي تركيبي از هر دو حركت است. مسير جريان هاي تركيب شده يك نيروي برآيند توليد مي كند كه از ايمپلر تحت زاويه خاصي به سوي توربين خارج مي شود. هنگامي كه نيروي سيال پرتاب شده به سوي توربين به قدر كافي باشد، توربين مي چرخد و شافت ورودي گيربكس را مي گرداند.
مبدل گشتاور:
مبدل گشتاور يك نوع كوپلينگ هيدروليكى است كه اجازه مى دهد موتور به مقدار كمى آزادانه و جداگانه از جعبه دنده بچرخد. اگر موتور به طور آهسته در حال گردش باشد ، مانند زمانى كه خودرو درپشت چراغ قرمز توقف كرده، مقدار گشتاور منتقل شده داخل مبدل گشتاور خيلى كم است بنابراين براى نگه داشتن خودرو فقط يك فشار كم روى پدال ترمز لازم است. مبدل گشتاور شامل سه عضو است كه در داخل محفظه اي بسته قرار دارد و به وسيله پمپ گيربكس پر از روغن مي شود. اين سه عضو عبارتند از:
Impler - ايمپلر
Turbine - توربين
Stator - استاتور
تعداد پره هاي پمپ و توربين برابر نيستند و براي جلوگيري از ايجاد ضربه و تشديد درچرخش آن ها معمولا دو تا سه پره با هم اختلاف دارند.
انرژي روغن هايي كه به وسيله پمپ ارسال مي شود توسط پره هاي مبدل جذب شده و جريان سرگردان بين ايمپلر و توربين، به وسيله پره هاي ايمپلر جذب شده و از طريق جريان گردابي ودوراني مشابه كوپلينگ هيدروليكي به طرف توربين پرتاپ مي شوند.
بزرگ ترين اختلاف بين جريان روغن درون مبدل درمقايسه با كوپلينگ اين است كه در مبدل هنگام كم بودن سرعت افزايش گشتاور ايجاد مي شود. افزايش گشتاور هنگامي كه روغن پره هاي توربين را ترك و به قسمت مقعر پره هاي استاتور برخورد مي كند ايجاد مي شود. اين پره ها مسير روغن خارج شده از توربين را اصلاح مي كنند. بنابراين روغن هاي در حال پمپ شدن از سوي ايمپلر را به تيغه بعدي توربين هدايت مي كنند. نيروي جريان روغن از استاتور، با شتاب دادن به جريان روغن در حال ارسال از ايمپلر مقدار گشتاور منتقل شده از ايمپلر به توربين را افزايش مي دهد. اين حالت مرحله افزايش گشتاور ناميده مي شود.مقطع پمپ به بدنه مبدل گشتاور متصل است. اين عضو هم دور با موتور چرخيده و روغن را به داخل توربين پمپ مي كند. درشكل زير مقطع برش خورده توربين كه به شفت ورودي گيربكس متصل شده، نشان داده شده است. انرژي روغن هاي پرتاب شده توسط پمپ به وسيله توربين جذب شده و تبديل به حركت دوراني مي شود. هزار خار وسط جايى است كه به آن شفت ورودي گيربكس متصل مى شود. براى تغيير مسير صحيح يك شي متحرك، شما بايد نيرويى به آن اعمال كنيد. مهم نيست كه شي يك خودرو است و يا يك قطره سيال، هر نيرويى كه باعث تغيير مسير شي شود،عكس العملى دارد كه باعث تغيير مسير منشا نيرو مى شود بنابراين توربين باعث تغيير مسير سيال مى شود و سيال باعث چرخش توربين مى شود.
سيالى كه از مركز توربين خارج مى شود، در يك مسير متفاوت نسبت به زمانى كه وارد شده بود، حركت مى كند. اگر سيال اجازه داشته باشد به پمپ ضربه بزند،باعث اتلاف نيرو و كندي كار موتور مى شود.عضو سوم استاتور است، اين عضو در مركز مبدل قرار داشته و سيال بازگشتى از توربين را به پمپ مى فرستد و سبب مي شود راندمان مبدل گشتاور بهبود يابد. در وسط استاتور يك كلاچ يك طرفه وجود دارد كه به هزار خار استاتور متصل است. وظيفه آن هدايت دوباره سيال خروجى از توربين است قبل از اين كه به پمپ ضربه بزند. اين امر به طور چشمگيرى راندمان مبدل گشتاور را افزايش مى دهد. كلاچ يك طرفه -داخل استاتور- استاتور را به يك شافت ثابت در گيربكس ارتباط مى دهد- مسيرى كه كلاچ اجازه دارد گردش كند در شكل زير ديده مى شود-. به خاطر اين طرح هنگامى كه سيال به پره هاى استاتور برخورد مى كند استاتور نمى تواند با نيروى سيال براى تغيير مسير ، بچرخد و فقط مى تواند در جهت مخالف بچرخد. در سرعت 40 مايل بر ساعت يا 64 كيلومتر بر ساعت ، پمپ و توربين تقريبا با سرعت يكسان مى چرخند(پمپ هميشه كمى سريع تر گردش مى كند. )در اين نقطه، سيال از توربين برگشته، وارد پمپ متحرك در مسير يكسان مى شود،درنتيجه نيازى به استاتور نيست.
افزايش گشتاور زماني صورت مي گيرد كه جريان گردابي يك چرخش كامل از ايمپلر به توربين و دوباره از طريق استاتور به ايمپلر انجام دهد. اين حالت بدين معنا است كه تورك كنورتور، گشتاور موتور را به تناسب نسبت سرعت بين ايمپلر وتوربين افزايش مي دهد. در نسبت سرعت هاي پايين هنگامي كه ايمپلر با سرعت زياد اما توربين به آرامي مي چرخد جريان گردابي شديد است لذا افزايش گشتاور نيز زياد خواهد بود. به محض اين كه توربين سريع تر بچرخد و به سرعت ايمپلر برسد جريان دوراني افزايش مي يابد كه در اين صورت ، هم جريان گردابي و هم افزايش گشتاور كاهش مي يابد. هنگامي كه نسبت سرعت به 90 درصد برسد افزايش گشتاور كمترين مقدار است.در اين هنگام، جريان روغن در مبدل تقريبادوراني مي شود و زاويه خروج جريان روغن از توربين به استاتور به خط مستقيم نزديك تر مي شود. در نتيجه جريان روغني كه به قسمت محدب-پشت پره استاتور-برخورد مي كند بيشتر از قسمت مقعر است. هنگامي كه سرعت جريان روغن افزايش يابد به طوري كه بتواند استاتور رادرجهت عقربه هاي ساعت بگرداند، ايمپلر، توربين و استاتور در يك جهت و تقريبا با يك سرعت مي چرخند. اين مرحله كوپلينگ مبدل ناميده مي شود.
از مزاياي مهم استفاده از مبدل هاي گشتاور نسبت به كلاچ هاي معمولي اين است كه انتقال گشتاور درخودروهاي شامل مبدل ها به نرمي صورت مي گيرد و نياز به تنظيم خاصي ندارد. همچنين اين خودروها مي توانند با دنده درگير نيز متوقف شده و يا حركت كنند، بنابراين در اين زمينه به مهارت خاصي از جانب راننده نياز ندارد اما با اين حال در دورهاي بسيار پايين و در لغزش صد درصد هم به علت وجود لزجت ، هنوز مقداري گشتاور روي محور خروجي وجود دارد. شايد از بزرگ ترين معايب اين مبدل ها اين است كه در دنده هاي درگير نيز مقداري لغزش خواهيم داشت و همانند كلاچ هاي اصطكاكي در هنگام درگيري مداوم راندمان صد درصد را نخواهيم داشت. راندمان يك كلاچ هيدروليك را اين گونه مي توان محاسبه كرد :
× 100توان محور ورودي كلاچ / توان محور خروجي كلاچ = راندمان كلاچ هيدروليك در مبدل هاي گشتاور جديد براي جبران اين نقيصه از مبدل هاي اصطكاكي استفاده مي شود. در اين نوع مبدل ها از مزياي كلي مبدل هاي گشتاور استفاده شده با اين تفاوت كه جهت رفع لغزش درهنگام درگيري دائمي، سيستم كلاچ اصطكاكي ( Lock up Clutch)كه در كنار مبدل گشتاور قرار دارد، مورد استفاده قرار مي گيرد، در واقع در اين حالت زماني كه دور توربين به 98 درصد دور پمپ مي رسد ،اين كلاچ عمل كرده و درنتيجه پمپ ، توربين و استاتور كلا به يك جسم صلب تبديل شده و با يك دور شروع به چرخش مي كنند.
از ديگر مزاياي مبدل هاي گشتاور نسبت به كلاچ هاي اصطكاكي اين است كه تقريبا تمامي نوسانات سيستم انتقال قدرت يا موتور در اين نوع سيستم مستهلك مي شود و عملا به مانند يك فلايويل هيدروليكي عمل مي كند. همچنين به علت عدم وجود سايش بر روي قطعات متحرك، نيازبه تعمير و نگهداري كمتري دارد.
مزايا:
1- توقف خودرو بدون خاموش شدن
2- افزايش دو تا سه برابري گشتاور موتور قبل از ورود به گيربكس
3- جذب ارتعاشات موتور
4- درگيري آرام درهنگام تعويض دنده
5- افزايش محدوده الاستيسيته موتور (جبران كمبود گشتاور در زمان كاهش دور)
6-افزايش طول عمر موتور
7- نياز به مهارت كمتر در رانندگي
معايب:
1- نياز به دور آرام بالاتر از گيربكس هاي مكانيكي
2- افزايش دماي متوسط موتور
3- اتلاف بخشي از قدرت موتور
4- تاخير در شتاب گيري
