مبدل گشتاور چیست و چگونه کار می‌کند؟

از اولین مواردی که در آموزش رانندگی با خودروی مجهز به گیربکس دستی باید به آن مسلط شد، استفاده از پدال کلاچ، شروع حرکت نرم و تعویض دنده‌های آرام است. کلاچ، برای برخی افراد حکم دروازه‌ی بهشت و برعکس برای برخی دیگر مانند ورودی جهنم است؛ درواقع امروز کلاچ و گیربکس‌های دستی و اتوماتیک، می‌تواند تفاوت رانندگان قدیمی و جدید را مشخص کند. وظیفه‌ی کلاچ، ایجاد پل ارتباطی بین گیربکس، سیستم انتقال قدرت و پیشرانه است. اگر در خودروهای مجهز به گیربکس دستی کلاچ وجود نداشته باشد، تنها راه توقف کامل، خاموش کردن کامل پیشرانه است. این قطعه می‌تواند جذاب‌ترین لحظات رانندگی و تعویض دنده‌های دوست‌داشتنی را رقم بزند و در عین حال، برای بسیاری از افراد کابوس رانندگی در ترافیک باشد.

همانطور که مشخص است، در خودروهای مجهز به گیربکس اتوماتیک، خبری از کلاچ و پدال سوم نیست. بنابراین ارتباط بین گیربکس و پیشرانه چگونه برقرار می‌شود؟ مسئول این پیوند، قطعه‌ای جالب به‌نام «مبدل گشتاور» یا تورک کانورتر (Torque Converter) است. شاید اگر تصاویر این قطعه را ببینید، به‌نظرتان چندان جذاب نباشد اما در محفظه‌ی دونات شکل مبدل گشتاور، اتفاقات جالبی می‌افتد که در ادامه‌ی این مطلب، به آن می‌پردازیم. امیدواریم پس از خواندن این مطلب، اطلاعات کاملی از دلیل نیاز گیربکس‌های اتوماتیک به مبدل گشتاور، نحوه‌ی عملکرد آن و فواید و کاستی‌های این قطعه به‌دست آورید.

همانطور که اشاره شد، کلاچ در گیربکس‌های دستی مسئول حرکت و توقف است؛ در واقع پیشرانه باید بدون تکیه بر گیربکس به عملکرد خود ادامه و در مواقع مورد نیاز، پل ارتباطی بین آن‌ها برقرار شود. مبدل گشتاور جایگزین کلاچ در گیربکس‌های اتوماتیک است. مبدل گشتاور را می‌توان یک کوپلینگ هیدرولیک (مدل‌های هیدرواستاتیک و مکانیکی هم وجود دارد) تعریف کرد که مرز بین پیشرانه و گیربکس را مشخص می‌کند. زمانی که پیشرانه با سرعت و دور موتور کم فعالیت می‌کند، مانند هنگام توقف کامل در ترافیک یا چراغ قرمز، گشتاور ورودی به مبدل گشتاور کم است و بنابراین برای متوقف نگه داشتن خودرو با کمی فشار بر پدال ترمز، این کار انجام می‌شود. به محض اینکه پدال گاز فشرده می‌شود، با بالا رفتن دور موتور گشتاور بیشتری به مبدل گشتاور وارد شده تا انتقال قدرت به محورها و چرخ‌ها افزایش پیدا کند.

مبدل گشتاور به چهار جزء تقسیم می‌شود:

• پمپ
• توربین
• استاتور
• روغن گیربکس

محفظه‌ی مبدل گشتاور به فلای‌ویل (Flywheel) متصل بوده که بنابراین سرعت گردش آن با پیشرانه برابر است؛ پره‌های تعبیه شده در پمپ نیز به محفظه متصل هستند و بنابراین این قسمت نیز برابر با سرعت پیشرانه چرخش می‌کند. پمپ موجود از نوع سانتریفیوژی است و مانند مرحله‌ی خشک‌کن ماشین لباسشویی که لباس‌ها و مخلوط آب و مایع شوینده‌ را به دیواره‌ هدایت می‌کند، با چرخش روغن را به خارج از محور مرکزی پخش می‌کند. با این چرخش ایجاد شده، حالت خلاء به‌وجود می‌آید و روغن به سمت مرکز کشیده می‌شود. پس از گردش، ایجاد حالت خلاء و مکش روغن به مرکز، روغن به تیغه‌های توربین که به گیربکس متصل است، وارد می‌شود. وظیفه‌ی توربین چرخش در گیربکس است که با انجام این عمل، انتقال قدرت به محورها انجام می‌شود تا خودرو حرکت کند. درواقع روغنی که به توربین وارد می‌شود قبل از خارج شدن از مرکز آن باید تغییر جهت دهد؛ همین تغییر جهت دادن باعث چرخش توربین و درنهایت حرکت خودرو می‌شود.

علم فیزیک به ما آموزش داده است که برای تغییر جهت حرکت هر شئ در حال حرکت، باید به آن نیرو وارد شود. مهم نیست که این شئ در حال حرکت یک خودروی کامل یا یک قطره روغن باشد؛ یادمان باشد که واردکننده‌ی نیرو به شئ در حال حرکت نیز، در جهت مخالف تحت فشار قرار می‌گیرد. بنابراین، توربین باعث تغییر جهت حرکت روغن و روغن باعث چرخش توربین می‌شود. روغن خروجی از توربین، در جهت مخالف ورودی حرکت می‌کند؛ روغن در خلاف جهت چرخش پمپ و پیشرانه از توربین خارج می‌شود. اگر روغن خروجی از توربین به پمپ مبدل گشتاور برسد، سرعت حرکت و کارایی پیشرانه کاهش پیدا می‌کند. برای جلوگیری از این اتفاق، استاتور وارد عمل می‌شود. استاتور که بخش ثابت مبدل گشتاور بوده در مرکز آن قرار گرفته است، کار آن تغییر دادن جهت روغن خروجی از توربین و جلوگیری از ورود آن به پمپ است. استاتور برای موفقیت در وظیفه‌ی خود که به‌طرز قابل توجهی کارایی مبدل گشتاور را بالا می‌برد، از طراحی منحصربه‌فرد در تیغه‌ها بهره می‌برد تا به‌طور کامل جهت حرکت روغن را تغییر دهد.

یک کلاچ یک طرفه اتصال بین استاتور و شفت ثابت گیربکس را ممکن می‌کند تا چرخش همزمان روغن و استاتور اتفاق نیافتد و در حقیقت، استاتور فقط جهت مخالف گردش روغن حرکت کند. حاصل این طراحی، برخورد روغن به تیغه‌های استاتور و تغییر جهت حرکت آن است. البته این شرایط در زمانی که خودرو با سرعتی حدود ۶۰ تا ۶۵ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، کمی تغییر می‌کند. در این زمان، پمپ که همیشه سرعت حرکت بیشتری دارد، با سرعت تقریباً مشابه توربین چرخش می‌کند؛ به همین خاطر، روغن خروجی از توربین به پمپی که حالا هم‌جهت گردش دارد، وارد می‌شود. در این شرایط نیازی به استاتور نیست. با اینکه توربین جهت حرکت روغن را تغییر و به خارج متمایل می‌کند، درنهایت هم‌جهت با گردش توربین می‌شود؛ دلیل این امر، سرعت چرخش بیشتر توربین در جهت مخالف روغن پمپ شده است.

به‌طور کلی می‌توان عملکرد مبدل گشتاور را در سه مرحله خلاصه کرد:

• توقف: زمان بسیار کوتاهی که تفاوت سرعت گردش پمپ و توربین بالا است. مثلاً زمانی که گیربکس در حالت حرکت قرار دارد و همزمان پدال ترمز فشرده شده است.
• شتا‌گیری: زمان شروع حرکت خودرو که تفاوت سرعت پمپ و توربین کمتر می‌شود.
• کوپلینگ: خودروی در حال حرکت با سرعت بالاتر از ۶۰ کیلومتر بر ساعت و نزدیک شدن سرعت گردش توربین و پمپ که در این شرایط مکانیزم کلاچ قفل شونده وارد عمل می‌شود.

دقیقاً به همین دلیل است که خودروهای مجهز به گیربکس اتوماتیک در مقایسه با خودروهای گیربکس دستی، کمی بیشتر بنزین مصرف می‌کنند. در گیربکس‌های اتوماتیک مدرن، مبدل گشتاور به همراه مکانیزم کلاچ قفل‌شونده نصب شده است تا این مورد با کاهش دادن لغزش و حرارت (معمولاً در سرعت‌های بالای ۶۰ کیلومتر بر ساعت)، برطرف شود. مبدل گشتاور می‌تواند دچار مشکلات بزرگ و کوچک نیز شود. افزایش حرارت و نشتی روغن، نقص کلاچ یک طرفه و عملکرد استاتور، شکستگی و تغییر شکل تیغه‌ها و پره‌های استاتور، توربین و پمپ و درنهایت انفجار کامل محفظه بر اثر حرارت زیاد در دورموتورهای بالا از مشکلات مبدل گشتاور هستند.

با افزایش تقاضای خودروهای مجهز به گیربکس اتوماتیک، تعداد تولیدکنندگان این قطعه افزایش پیدا کرده است. علاوه بر خودروسازان مطرح ژاپنی سوبارو و ایسوزو، برندهای تجاری دیگر شامل Valeo، BorgWarner، Twin Disc، Jato، Aisin AW، LuK USA LLC و Exedy مبدل‌های گشتاور خودروهای سبک و سنگین را تولید می‌کنند. رولز رویس و پکارد از تولیدکنندگان سابق مبدل گشتاور هستند.