همه چیز درباره مبدل گشتاور و عملکرد آن

در جعبه‌دنده‌های خودکار، وظیفه‌ی قطع‌ووصل گشتاور پیشرانه برعهده‌ی اتصال هیدرولیکی به‌نام مبدل گشتاور است.

در جعبه‌دنده‌ی دستی، وظیفه‌ی انتقال دادن یا ندادن گشتاور تولیدی پیشرانه به جعبه‌دنده برعهده‌ی کلاچ است؛ اما این قطعه در جعبه‌دنده‌های خودکار جای خود را به اتصال هیدرولیکی به‌نام مبدل گشتاور (Torque Converter) داده است.

این قطعه‌ی مکانیکی بسیار جالب در کمال سادگی، پیچیدگی‌های فنی و مهندسی حیرت‌آوری دارد که در این مقاله، ساختار و دلایل استفاده از آن در جعبه‌دنده‌های خودکار را شرح می‌دهیم.

لزوم استفاده

گشتاور تولید‌شده‌ی پیشرانه نباید به‌طوردائم به جعبه‌دنده و از آنجا به چرخ‌ها انتقال یابد. برای مثال، تصور کنید قصد دارید سرعت را کاهش دهید یا پشت چراغ قرمز توقف کنید. در این‌ حالت، اگر گشتاور تولید‌شده‌ی پیشرانه به جعبه‌دنده و چرخ‌ها انتقال یابد، کاهش سرعت یا توقف غیرممکن می‌شود؛ به‌همین‌دلیل، استفاده از کلاچ یا مبدل گشتاور در خودروها امری حیاتی است. علاوه‌براین، مبدل گشتاور می‌تواند دو تا سه برابر گشتاور خروجی پیشرانه را افزایش دهد. این ویژگی به‌خصوص هنگام آغاز حرکت بسیار اهمیت می‌یابد.

ساختار مبدل گشتاور

همان‌طورکه در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، مبدل گشتاور از چهار جز اصلی زیر تشکیل شده است که همگی درون پوسته‌ی بسیار مقاومی قرار دارند.

•  پمپ
• توربین
• استاتور
• سیال واسط

پمپ

پمپ مبدل گشتاور از نوع گریزازمرکز (سانتریفیوژ) و پوسته‌ی آن به فلایویل متصل است. اتصال پمپ به فلایویل سبب می‌شود سرعت چرخش پمپ برابر سرعت چرخش شفت خروجی از پیشرانه باشد. درست مشابه عملکرد ماشین لباس‌شویی که حین چرخش آب و لباس‌ها را به‌سمت خارج از مرکز دَوَران پرتاب می‌کند، چرخش پروانه‌ی پمپ گریزازمرکز سبب پرتاب سیال واسط به‌سمت خارج از مرکز می‌شود. این موضوع سبب ایجاد منطقه‌ی کم‌فشار در مرکز پمپ و مکش سیال به این ناحیه می‌شود.

توربین

توربین دقیقا روبه‌روی پمپ قرار دارد و مستقیما به شفت ورودی به جعبه‌دنده متصل است. سیال خارج‌شده از پمپ با فشار فراوان به توربین وارد می‌شود و ضمن برخورد با پره‌های توربین، سبب به‌حرکت‌درآمدن آن می‌شود. با چرخش توربین، شفت ورودی به جعبه‌دنده به‌گردش درمی‌آید و درنتیجه، چرخ‌دنده‌های موجود در جعبه‌دنده شروع به حرکت می‌کنند و درنهایت، سبب حرکت خودرو می‌شوند.

استاتور

سیال واسط پس از انتقال انرژی به توربین و به‌حرکت‌درآوردن آن، به‌دلیل وجود منطقه‌ی کم‌فشار در مرکز پمپ، دوباره به‌سمت پمپ مکیده می‌شود. به‌دلیل وجود انحنا در پره‌های توربین، سیال واسط در جهت متفاوت با ورود از توربین خارج و به پمپ وارد می‌شود. این اختلاف جهت سبب می‌شود سیال مکش‌شده با زاویه‌ی مناسب با پره‌های پمپ برخورد نکند و سبب کاهش چشمگیر بازدهی پمپ و ایجاد لرزش شود. برای حل این مشکل، قطعه‌ای مکانیکی میان پمپ و توربین قرار می‌گیرد که وظیفه‌ی اصلی آن هدایت سیال واسط از توربین به پمپ با زاویه‌ی مناسب است. برای جلوگیری از چرخش استاتور در خلاف جهت چرخش پمپ، استاتور به کلاچ یک‌طرفه مجهز است که تنها امکان چرخش هم‌سو با پمپ را به استاتور می‌دهد. به‌لطف استفاده از این کلاچ، سیال واسط خروجی از توربین ضمن برخورد با پره‌های استاتور به زاویه‌ی مناسب جهت ورود به پره‌ی پمپ می‌رسد.

سیال واسط

سیال به‌کاررفته در مبدل گشتاور همان روغن هیدرولیک است که در دسته‌ی روغن‌های با گرانروی (ویسکوزیته) بالا دسته‌بندی می‌شود. این سیال انرژی تولید‌شده‌ی پمپ را به توربین منتقل می‌کند و سبب چرخش شفت ورودی به جعبه‌دنده می‌شود. همانند سایر قطعات هیدرولیکی، به‌دلیل وجود سیال واسط بخشی از انرژی تولید‌شده‌ی پمپ به‌شکل گرما تلف می‌شود و این امر سبب می‌شود در اغلب مواقع، سرعت چرخش پمپ از سرعت چرخش توربین بیشتر باشد. به‌همین‌دلیل، مصرف سوخت در خودروهای مجهز به جعبه‌دنده‌ی خودکار بیشتر است. البته در نمونه‌های پیشرفته‌تر مبدل گشتاور، از کلاچ برای قفل‌کردن توربین و پمپ در سرعت‌های خاص کمک گرفته می‌شود که می‌تواند تلفات سیستم را به‌حداقل برساند.

حال که با ساختار مبدل گشتاور آشنا شدیم، به نقش آن در تجربه‌ی رانندگی با خودرو مجهز به جعبه‌دنده‌ی خودکار اشاره می‌کنیم. هنگامی‌که پشت فرمان خودرو مجهز به جعبه‌دنده‌ی خودکار می‌نشینید، برای کاهش سرعت یا متوقف‌کردن خودرو، تنها باید پای خود را از روی پدال گاز بردارید و پدال ترمز را فشار دهید. به‌محض برداشتن فشار از روی پدال گاز، سرعت چرخش پیشرانه کاهش می‌یابد و به‌تبع آن، سرعت چرخش پمپ مبدل گشتاور نیز کم می‌شود. در این وضعیت، سیال واسط با فشار کمتری به توربین وارد می‌شود و درنتیجه، سرعت چرخش توربین و شفت ورودی به جعبه‌دنده کم می‌شود و باعث کاهش سرعت خودرو می‌شود.

هنگام توقف کامل خودرو مبدل گشتاور، تنها بخش بسیار کوچکی از گشتاور پیشرانه را از خود عبور می‌دهد و تنها با فشردن پدال ترمز جلو حرکت خودرو گرفته می‌شود. به‌همین‌دلیل، در خودروهای مجهز به جعبه‌دنده‌ی خودکار تنها با رهاکردن پدال ترمز درحالی‌که نشانگر دنده روی حالت D باشد، خودرو شروع به حرکت می‌کند. به‌محض فشردن پدال گاز، سرعت چرخش پمپ افزایش می‌یابد و سیال موجود در مبدل گشتاور بخش بزرگی از گشتاور پیشرانه را به توربین و از آنجا به جعبه‌دنده منتقل می‌کند و سبب به‌حرکت‌درآمدن خودرو می‌شود.