Czym w automatach zastępuje sprzęgło konwerter momentu obrotowego?

Konwertor momentu to hydrodynamiczny element przenoszenia napędu, który w klasycznej skrzyni automatycznej zastępuje sprzęgło mechaniczne i umieszczony jest między silnikiem a skrzynią biegów; przenosi moment bez szarpania silnika na postoju, mnoży moment wytwarzany przez silnik przy ruszaniu w stosunku 1,8:1 do 2,5:1, a w czasie jazdy tworzy bezstratne połączenie mechaniczne za pomocą sprzęgła blokującego. Krótko mówiąc, wykonuje wszystkie trzy zadania sprzęgła w jednym korpusie: rozłącza, łagodnie łączy i w razie potrzeby zwiększa moment obrotowy.

Co zastępuje sprzęgło i dlaczego nie jest pełnym sprzęgłem?

W skrzyni manualnej połączenie między silnikiem a skrzynią biegów ustanawia i przerywa kierowca pedałem sprzęgła. W automacie zadanie to wykonuje nie kierowca, lecz zamknięty worek przykręcony do silnika (zamocowany na kołach zamachowym lub flexplate): płyn wewnątrz przenosi ruch obrotowy otrzymany od silnika na wał wejściowy skrzyni biegów. Ten układ pozwala pojazdowi na biegu zatrzymać się przy wyłączonym silniku; podczas gdy silnik nadal pracuje, skrzynia biegów pozostaje swobodnie rozłączona.

Dlaczego więc płyn zamiast suchego sprzęgła? Ponieważ sprzęgło mechaniczne, dopóki jest w kontakcie, jest albo całkowicie zablokowane, albo się ślizga - a przy poślizgu okładzina nagrzewa się i zużywa. W sprzęgle płynnym nie ma czegoś takiego jak punkt styku; poślizg jest naturalnym środowiskiem pracy konstrukcji i naturalnie tłumi też drgania silnika. Co więcej, proste sprzęgło płynne przenosi moment jedynie nieco obniżonego. Konwertor momentu wyróżnia się tym, że dzięki znajdującemu się w nim statorowi potrafi zwiększyć moment przy niskich obrotach wyjściowych; czyli jest elementem, który przy niskiej prędkości obrotowej zmusza się do działania jak adaptacyjna przekładnia redukcyjna.

Właśnie tutaj tkwi sekret automatycznej skrzyni sterowanej komputerowo, zdolnej decydować niezależnie od pedału kierowcy: konwertór oferuje kontrolowane i bezpieczne okno poślizgu, na jakie sprzęgło nie może sobie pozwolić; skrzynia biegów nigdy nie doświadcza nieoczekiwanego szoku mechanicznego.

Pompa, turbina i stator: jak mnoży się moment? Jak mnoży się moment obrotowy?

Konwertor ma trzy obracające się/nieobracające się komponenty. Pompa (impeller) jest połączona z silnikiem i działa jak pompa odśrodkowa: podczas obrotu wyrzuca płyn na zewnątrz, tworząc w centrum podciśnienie, które zasysa nowy płyn. Wyrzucony płyn uderza w zakrzywione łopatki turbiny, zmienia kierunek i obracając turbinę przekazuje moc na wał wejściowy skrzyni biegów.

Prawdziwa inteligencja ukryta jest w trzecim elemencie. Płyn wypływający z turbiny porusza się w kierunku przeciwnym do obrotów silnika; w prostym sprzęgle hydrokinetycznym ta cofająca się energia zamienia się jedynie w ciepło. Stator znajduje się między pompą a turbiną i, przekierowując ten płyn, zasila pompę pod optymalnym kątem. Dzięki temu energia cofającego się płynu jest odzyskiwana, a moment wyjściowy sumuje się z momentem wytwarzanym przez silnik. Mówiąc z punktu widzenia równowagi mechanicznej: płyn opuszczający turbinę trafia w stator, a ponieważ na niego napiera, wywiera na korpus, w którym stator jest zamocowany, moment o kierunku przeciwnym; ta różnica przenosi się bezpośrednio na stronę wyjściową jako zysk momentu.

Dwa detale są krytyczne z punktu widzenia inżynierii. Po pierwsze, geometria łopatek: w turbinie i statorze stosuje się skośne, zakrzywione łopatki, a niewielkie zmiany geometrii znacząco wpływają na wydajność. Po drugie, rozmiar: równania ruchu konwertera opierają się na równaniu turbinowym Eulera, sięgającym 18. wieku, a ponieważ właściwości zależą od 5. potęgi promienia, moment obrotowy jest teoretycznie proporcjonalny do gęstości płynu, kwadratu obrotów i piątej potęgi średnicy. Niewielkie powiększenie średnicy znacznie bardziej zwiększa zdolność przenoszenia momentu.

Ważne jest również, aby stator nie pozostał bezczynny: stator jest zamontowany na sprzęgle jednokierunkowym. Podczas ruszania i przyspieszania płyn popycha go z tyłu, a stator pozostaje nieruchomy; gdy następuje przejście do fazy sprzęgłowej, ciśnienie płynu maleje i stator zaczyna się swobodnie obracać - obrót w przeciwnym kierunku blokuje sprzęgło jednokierunkowe.

Trzy fazy pracy: Stall, przyspieszanie i sprzęgło

Najlepiej odczytywać zachowanie konwertera w trzech fazach. W fazie stall (zatrzymania) bieg jest włączony, hamulce trzymają pojazd, turbina się nie obraca, ale pompa obraca się z silnikiem; przy wystarczającej mocy wejściowej uzyskuje się tu maksymalne wzmocnienie momentu, a ten stosunek nazywa się współczynnikiem stall. W zastosowaniach motoryzacyjnych typowa wartość to 1,8:1-2,5:1; w specjalnych konwerterach przemysłowych, morskich i heavy-duty współczynnik ten sięga nawet 5,0:1. Całkowity efekt przełożenia w stallu może być zaskakujący: przełożenie skrzyni biegów 2,46:1 w połączeniu ze współczynnikiem stall 2,2:1 daje przy pełnym zatrzymaniu całkowite wzmocnienie 5,41:1 na kołach; po przejściu do fazy sprzęgłowej liczba ta spada do 2,73:1.

W fazie przyspieszania w miarę wzrostu obciążenia różnica obrotów między pompą a turbiną jest jeszcze duża; wzmocnienie momentu występuje, ale poniżej wartości stall. W tym obszarze dominuje spiralny przepływ wirowy płynu od pompy przez stator do turbiny - to właśnie ten reżim, w którym wzmocnienie momentu osiąga szczyt.

Fazę sprzęgłową (coupling) wchodzi się, gdy turbina osiąga około 90% obrotów pompy: gdy pompa wykonuje 10 obrotów, turbina wykonuje 9, czyli typowy poślizg wynosi około 1,11:1. W tym punkcie wzmocnienie momentu faktycznie ustaje; ruch spiralny płynu ustępuje miejsca przepływowi obrotowemu, w którym oba koła obracają się razem, a stator przechodzi w swobodny obrót. Między wzmocnieniem momentu a sprawnością istnieje wyraźny kompromis: konwertery o wysokim współczynniku stall pracują mniej wydajnie w okolicy obrotów sprzęgła. Ci, którzy oczekują osiągów, muszą wybrać mnożnik, a ci, którzy oczekują ekonomii - charakterystykę o małym poślizgu.

Sprzęgło blokujące: Drugie sprzęgło eliminujące poślizg

Przeniesienie napędu za pomocą płynu nie ma żadnych nadprzyrodzonych właściwości: poślizg oznacza bezpośrednią utratę sprawności i ciepło. Właśnie dlatego istnieje sprzęgło blokujące (lock-up clutch) wewnątrz konwertera. Podczas jazdy blokuje turbinę mechanicznie bezpośrednio z pompą, przekazując całą moc drogą mechaniczną; strata w płynie i wytwarzanie ciepła znikają, obroty nieco spadają, a do kół prowadzona jest bardziej bezpośrednia linia napędu.

Jego historia jest ciekawa. Pierwsze zastosowanie motoryzacyjne sięga 1949 roku wraz ze skrzynią Packard Ultramatic: blokowała się, gdy pojazd osiągał prędkość marszową, a rozłączała przy wciśnięciu gazu lub podczas zwalniania. W latach 50. spotykano go również w niektórych skrzyniach Borg-Warner, później jednak porzucono go ze względu na koszty i złożoność. W połowie lat 70., gdy priorytety przesunęły się w stronę efektywności paliwowej, pomysł powrócił; Chrysler przedstawił nowoczesną wersję w 1978 roku. W literaturze technicznej powszechne użycie konwerterów blokujących w epoce nowożytnej datuje się niekiedy na rok 1981; różnica wynika z tego, że pierwsze zastosowanie i masowa adopcja przypadły na różne okresy.

Współczesna dyskusja dotyczy natomiast kalibracji: włączanie blokady tak wcześnie, jak to możliwe, daje oszczędność paliwa w jeździe miejskiej, ale w zamian oznacza rezygnację z zalety mnożenia momentu konwertera. W wysokowydajnych samochodach ulicznych blokada zwykle nie jest dodatkiem ekonomicznym, lecz elementem zapewniającym silnemu konwerterowi sensowność w codziennym użytkowaniu. Wraz ze wzrostem liczby biegów zmniejsza się obciążenie konwertera mnożnikiem, dlatego we współczesnych automatach o 6-10 biegach wczesna i częsta blokada stała się standardem; w tradycyjnych automatach konwerter świadomie pozostaje niezablokowany przez większość jazdy, natomiast w skrzyniach CVT jest prawie zawsze zablokowany powyżej około 8 km/h, ponieważ tam zadanie mnożenia momentu należy już do wariatora.

Wpływ na charakterystykę jazdy i znane tryby awarii

Konwerter jest cichym bohaterem, który kształtuje charakter skrzyni automatycznej. Podczas włączania sprzęgła blokującego zapewnia płynność; w fazach bez blokady silnik absorbuje drgania i drgania skrętne poprzez płyn. Ta zdolność absorpcji nie jest jednak nieskończona: drgania skrętne silnika to główne ograniczenie inżynieryjne, które ogranicza zakres stosowania blokady. Nagłe „chwytanie" zamiast poślizgu, czyli zjawisko stick-slip, powoduje drgania przenoszone na cały układ napędowy - to właśnie to zjawisko zaburza odczucie komfortu kierowcy.

Najczęściej słyszaną skargą jest drganie konwertera (shudder): zwykle odczuwany w zakresie ~64-72 km/h krótki szarpnięcie, gdy sprzęgło się blokuje. W stanie częściowej blokady powstaje, gdy sprzęgło pracuje nie ślizgając się, lecz trzymając; zużyta tarcza sprzęgła oraz brudny/zepsuty ATF to główne przyczyny i w większości przypadków wymiana oleju skrzyni rozwiązuje problem. Ustąpienie dolegliwości po wciśnięciu pedału gazu lub naciśnięciu hamulca to typowa wskazówka: gdy konwerter się zamyka, strefa poślizgu znika. W praktyce źródłem większości ustęp konwertera blokującego nie jest sam konwerter, lecz korpus zaworów, sterowanie elektroniczne lub solenoid załączania.

Istnieją też poważniejsze tryby awarii:

• Przegrzewanie: próby wydostania się kołysaniem przód-tył w śniegu lub błocie utrzymują konwerter długo w reżimie stall; nowoczesna geometria łopatek minimalizuje prędkość płynu przy niskich obrotach, co zmniejsza to ryzyko, ale go nie eliminuje.
• Zablokowanie sprzęgła statora: gdy stator przestaje się swobodnie obracać, konwerter w fazie sprzęgania pracuje z bardzo niską sprawnością; wyraźny wzrost zużycia paliwa to klasyczny objaw.
• Pęknięcie sprzęgła statora: Nagłe przyłożenie mocy (na przykład zdarzenia typu neutral start przy rozruchu) może złamać sprzęgło jednokierunkowe.

Krótka historia: Jak konwerter uratował automat?

Wzrost znaczenia konwertera momentu w motoryzacji przyspieszył po II wojnie światowej, dzięki doświadczeniom z Hydra-Matic w pojazdach wojskowych. W 1948 roku w Buick Dynaflow sprzęgła płynne zaczęły być zastępowane konwerterami momentu; Dynaflow był śmiałą konstrukcją, która w pojedynczym przełożeniu opierała się całkowicie na mnożeniu momentu w pięcioelementowym konwerterze. Nastąpiły po nim 1949 Packard Ultramatic oraz 1950 Chevrolet Powerglide: w tych dwubiegowych skrzyniach zadanie mnożenia momentu w dużej mierze przejmował konwerter.

W latach 50. ustalono równowagę: trzybiegowe automaty BorgWarnera oraz Chrysler TorqueFlite oparty na zespole zębatek planetowych Simptona uczyniły konwerter nieodzownym składnikiem automatów. Próby wieloelementowych konwerterów (Buick Triple Turbine Dynaflow, Chevrolet Turboglide) porzucono z powodu niskiej sprawności; ich miejsce zajęły układy trzybiegowej skrzyni plus trójelementowy konwerter. Ciekawym szczegółem tamtej epoki było również łopatki o zmiennym kącie natarcia: przy nagłym wciśnięciu gazu zmienia się kąt natarcia statora - rezygnuje się ze sprawności na rzecz mnożenia momentu; to mechaniczny przodek dzisiejszej filozofii adaptacyjnej kalibracji.

Często zadawane pytania

Jak konwerter momentu mnoży moment?

Płyn opuszczający wirnik porusza się w kierunku przeciwnym do obrotów silnika; stator przekierowuje ten płyn zgodnie z obrotami pompy, odzyskując jego energię. Dzięki temu na wał wyjściowy dociera moment większy niż ten wytwarzany przez silnik; przy ruszaniu różnica ta wynosi od 1,8:1 do 2,5:1.

Dlaczego w automatach jest konwerter momentu zamiast sprzęgła?

Ponieważ konwerter zamienia poślizg z usterki w tryb pracy: pozwala pojazdowi stać na włączonym biegu, tłumi drgania, mnoży moment i wykonuje te trzy zadania w sposób ciągły i bezpieczny bez ingerencji kierowcy. Manualna sprzęgło w tych realizuje tylko jedno z nich, a mianowicie zrywanie i zestawianie połączenia.

Jak wygląda drganie konwertora?

To krótkie szarpnięcie przypominające lekkie niewyważenie koła, ale występujące tylko w określonym zakresie prędkości (zwykle 64-72 km/h) i wyczuwane w momencie blokowania. Nasila się przy lekkim gazie i w większości przypadków znika, gdy mocniej wciśniemy pedał gazu; można je usunąć wymianą oleju.

Podsumowanie: Trzy zadania konwertora w jednym zdaniu

W klasycznym automacie konwertor momentu realizuje funkcję rozłączania sprzęgła za pomocą płynu, funkcję zwiększania momentu za pomocą statora, a wymóg sprawności - za pomocą sprzęgła blokującego. Ten układ, który przy przeciągnięciu mnoży moment nawet dwukrotnie, w fazie sprzęgnięcia żyje z 10-procentową stratą, a przy zablokowaniu zeruje poślizg, jest jedynym elementem, który w jednym korpusie niesie komfort i ekonomię automatu.

Źródła

• Torque converter - Wikipedia
• Torque Converters: The Backbone of Modern Automotive Technology - Gears Magazine
• Understanding Torque Converters - Hot Rod
• Torque converter torque multiplication - Engineering Stack Exchange
• Torque converter clutch - x-engineer.org pngu
• The Evolution of Lock-Up Torque Converters - Motor State
• Czym jest drganie konwertera momentu? - Roadrunner Converters
• The torque converter can of worms - Transmission Digest
• Aggressive Torque Converter Clutch Slip Control (Otanez 2009) - JSTOR