کلاچ لاک آپ (Lock-up Clutch) چیست و چه وظیفه‌ای در توربین دارد؟

کلاچ لاک آپ (Lock-up Clutch) یکی از اجزای کلیدی در مبدل‌های گشتاور مدرن است که نقشی حیاتی در بهینه‌سازی انتقال قدرت ایفا می‌کند. همان‌طور که در مقاله عملکرد تورک کانورتر (مبدل گشتاور) اشاره شد، این سیستم وظیفه دارد در سرعت‌های خاص، اتصال هیدرولیکی بین موتور و گیربکس را به یک اتصال مکانیکی مستقیم تبدیل کند. استفاده از Tourqe Converter Clutch یا همان کلاچ قفل‌کننده، با حذف لغزش (Slip) در توربین، باعث کاهش مصرف سوخت و جلوگیری از اتلاف انرژی می‌شود.

با توجه به سطح تخصصی این مقاله، بررسی دقیق مکانیزم Lock-up و وظیفه آن در بهبود راندمان سیستم‌های انتقال قدرت، نیازمند دانش پیش‌زمینه در حوزه گیربکس‌های اتوماتیک است.

یادآوری
گیربکس‌های اتوماتیک خودروها دارای مبدل گشتاور به‌عنوان یک وسیله کوپلینگ هستند. وظایف اصلی مبدل گشتاور عبارت‌اند از:

جداکردن موتور از جعبه‌دنده، زمانی که موتور در درجا روشن است،
و
انتقال گشتاور به جعبه‌دنده زمانی که موتور در حال افزایش سرعت است.

مبدل گشتاور این امکان را به موتور می‌دهد که در زمان توقف خودرو در حالت آرام حرکت کند، حتی اگر گیربکس دنده درگیر باشد. همانطور که از نام آن پیداست، مبدل گشتاور، گشتاور ورودی موتور را به گشتاور خروجی بالاتر تبدیل می‌کند (تقویت می‌کند). این ویژگی خاص مبدل گشتاور در سیستم کلاچ در گیربکس‌های دستی امکان‌پذیر نیست.

کلاچ لاک آپ (Lock-up Clutch) چیست؟

کلاچ lockup که با نام‌های کلاچ لاک آپ، کلاچ Lock up ، کلاچ Lock-up و کلاچ تورک کانورتر (tourque Converter clutch) یا TCC شناخته می‌شود در بیشتر تورک کانورترهای گیربکس‌های از اتومات از نوع AT و CVT این کلاچ مشاهده می‌شود. اگرچه ممکن است زمان عملکرد آن در این دو نوع گیربکس کمی متفاوت باشد. شکل 1 نمونه ای از کلاچ را نشان می‌دهد.

1-صفحه کلاچ (پیستون)2-صفحه دمپر 3- فنرهای پیچشی 4- صفحه اصطکاکی (لنت)
شکل 1- نمونه یک مجموعه کلاچ Lockup داخل مبدل گشتاور

وظیفه کلاچ لاک آپ در گیربکس اتوماتیک

به‌صورت کلی شاید بتوان گفت وظیفه کلاچ lockup افزایش راندمان تورک کانورتر است. شکل 2 دلایل مهم و تاثیر گذار استفاده از کلاچ lock up را معرفی می‌کند.

شکل 2- نحوه کمک به افزایش راندمان با استفاده از کلاچ lock-up

تورک کانورتر مانند یک دستگاه کوپلینگ هیدرولیک عمل می‌کند. نیروی مکانیکی منتقل شده از موتور احتراق داخلی توسط پمپ به نیروی هیدرولیک و توسط توربین به نیروی مکانیکی تبدیل می‌شود. همه این تبدیل‌های قدرت با مقداری تلفات همراه است که شاید بتوان آن را تحت عنوان کلی لغزش مطرح کرد. اثر این لغزش به دو صورت نمود پیدا می‌کند

1. هنگامی که دور توربین به پمپ نسبت به هم کمی تأخیر ناشی از لغزش داشته باشد بخشی از انرژی صرف غلبه بر اصطکاک لایه‌های سیال خواهد شد و در نتیجه راندمان افت خواهد کرد.
2. اصطکاک بین لایه‌های سیال و برخورد سیال به پره‌های پمپ، توربین و استاتور سبب افزایش دمای مایع هیدرولیک خواهد شد. افزایش دما باعث تغییرات جرم حجمی در آن دما شده و (اصطلاحاً سیال جرم حجمی کمتری پیدا می‌کند) در نهایت گشتاور قابل‌انتقال توسط سیال افت کرده و منجر به کاهش بازده خواهد شد
   بنابراین، برای افزایش بازده سیستم باید تمهیدی اندیشیده شود. استفاده از کلاچ لاک آپ یکی از مهم‌ترین این روش‌ها است. نمودار شکل 3 محدوده عملکرد کلاچ lockup را نشان می‌دهد.

A: کلاچ آزاد است – انتقال گشتاور از طریق سیال به توربین
B: کلاچ نیمه‌فعال است (شبیه به حالت نیم کلاچ)
C: کلاچ درگیر است – انتقال گشتاور از طریق کلاچ به توربین
شکل 3- نمودار عملکرد مبدل گشتوار و کلاچ لاک آپ نسبت به دور موتور و باز بودن دریچه گاز

همانطور که مشاهده می‌شود در دورهای متوسط به بالا معمولاً کلاچ lockup فعال است. در دورهای پایین موتور حتی اگر به‌صورت ناگهانی پدال گاز فشرده شود باز هم کلاچ فعال نخواهد شد. به‌صورت کلی باید گفت معمولاً در سرعت‌های متوسط به بالا زمانی که تغییرات سرعت حرکت محسوس نباشد (معروف است به حالت کروز) کلاچ لاک آپ فعال می‌شود تا از اتلاف انرژی ناشی از لغزش جلوگیری کند.
شکل 4 از دیدگاه دیگری عملکرد تورک کانورتر و کلاچ ان را مورد بررسی قرار داده است.

شکل 4- نمودار محدوده عملکرد کلاچ و مبدل نسبت تغییرات دور و گشتاور

همانطور که در شکل 4 مشاهده می‌شود عملکرد مبدل گشتاور بین شروع حرکت تا نسبت دور حدود 90 درصد اتفاق می‌افتد، در این محدوده دور مخصوصاً در اوایل کار، ضریب تبدیل گشتاور تا حدود 2.5 برابر نیز می‌رسد. با افزایش دور توربین این نسبت به مرور کاهش پیدا می‌کند.
بازده عملکرد محدوده تبدیل گشتاور تا حدود 90 % نیز بالا می‌رود از نسبت دور به بعد عملکرد کلاچ lockup شروع می‌شود در این حالت با قفل شدن توربین هم نسبت گشتاور و هم نسبت دور ثابت می‌شود. در این زمان بازده با سرعت زیادی افزایش پیدا می‌کند.
برای فعال شدن کلاچ در زمانی که دمای مایع هیدرولیک بالا رفته است هم از سنسور اندازه گیری دما اشتفاده می‌شود. هنگامی که دما از حد تعریف شده بالاتر رفت کلاچ فعال می‌شود در نتیجه شفت گیربکس مستقیماً به فلایویل متصل شده (از طریق پوسته تورکانورتر) و فرایند کلاچ شدن انجام می‌شود.

انواع مبدل گشتاور (توربین) بر اساس عملکرد کلاچ Lock-up

کلاچ مبدل گشتاور (TCC) با اتصال پمپ به توربین از طریق یک سیستم کلاچ از نوع کلاچ تر (Wet Clutch)، موتور را به‌صورت مکانیکی به جعبه‌دنده قفل می‌کند. روش‌های مختلفی برای قفل‌کردن کلاچ lockup وجود دارد. این تفاوت‌ها تابعی از مدار هیدرولیک است که تحریک کلاچ را کنترل می‌کند. باتوجه‌به این دیدگاه سه نوع عملکرد کلاچ یا تورک کانورتر وجود دارد که آن را در شکل 5 مشاهده می‌کنید.

شکل 5- دسته بندی مبدل‌های گشتاور از نظر تعداد مراحل کاری برای کلاچ

همانطور که در شکل 5 مشاهده می‌شود از این نظر می‌توان تورک کانورترها را به انواع دو کاناله ، سه کاناله و چهار کاناله تقسیم بندی کرد. مدل‌های دو کاناله، دو مرحله کاری دارند یک مرحله درگیر نبودن کلاچ و مرحله دیگر مرحله وصل شدن کلاچ است.
نوع دو کاناله نسبت به انواع دیگر در مبدل‌های گشتاور متداول‌تر است. در این نوع، کلاچ مبدل گشتاور با معکوس کردن جریان سیال گیربکس‌اتوماتیک (ATF) از طریق مبدل فعال می‌شود.

درگیرشدن و جداشدن کلاچ قفل بستگی به جهتی دارد که مایع هیدرولیک وارد مبدل گشتاور می‌شود. مایع گیربکس‌اتوماتیک می‌تواند از جلوی کلاچ قفل یا بین پمپ و توربین، پشت کلاچ وارد شود. با کنترل فشار پشت و جلوی کلاچ، درگیری و جداشدن کلاچ قفل را کنترل می‌کنیم. شکل 6 شماتیک این دو حالت را نشان می‌دهد.

A: حالت آزاد بودن کلاچ B: حالت درگیر بودن کلاچ
1- پمپ 2- صفحه کلاج لاک آپ (پیستون) 3-لنت اصطکاکی 4- توربین
5- درپوش جلویی تورک کانورتر 6- کلاچ یک طرفه روی استاتور 7- استاتور
شکل 6 -شماتیک عملکرد کلاچ مبدل گشتاور

همانطور که مشاهده می‌شود، در یک سیستم فعال‌سازی کلاچ مبدل گشتاور دوفازی، کلاچ lockup بر روی توپی (هاب) توربین، جلوی توربین نصب می‌شود.

A: حالت آزاد بودن کلاچ lock up B: حالت درگیر بودن کلاچ Lock up
شکل 7- نحوه اعمال نیروی روغن اتومات به صفحه (پیستون) کلاچ lockup

در شکل 7 کاملاً واضح است که در زمانی که می‌خواهیم کلاچ فعال شود فشار سیال را طوری هدایت می‌کنیم که به قسمت جلویی کلاچ که گاهی به ان پیستون نیز گفته می‌شود نیرو وارد شود.
این نیرو کلاچ را به عقب هدایت می‌کند تا اینکه با پوسته تورک کانورتر درگیر شود، پوسته بیرونی تورک کانورتر به فلایویل بسته شده بنابراین گشتاور از طریق فلایویل به پوسته تورک کانورتر و سپس به بدنه کلاچ منتقل می‌شود.

همانطور که اشاره شد قسمت مرکزی صفحه کلاچ به توپی توربین متصل شده است (هزار خار) بنابراین با چرخش کلاچ، توربین نیز با همان سرعت خواهد چرخید که می‌توان گفت توربین با فلایویل قفل شده و سرعت توربین و پمپ یکسان خواهد بود. فنرهای پیچشی روی کلاچ از انتقال ضربه‌های ناگهانی هنگام درگیری جلوگیری خواهند کرد.
برای هدایت مایع هیدرولیک به طرفین (پیستون) کلاچ Lockup از دو روش استفاده می‌شود. در سیستم‌های قدیمی از شیرهای هیدرولیکی استفاده می‌شد که این شیرها مجموعه ساعتی گیربکس قرار می‌گرفت. در بیشتر جعبه‌دنده‌های اتومات امروزی از شیر برقی برای این کار استفاده می‌شود.
نحوه عملکرد انواع شیرهای هیدرولیکی و برقی در مقاله مجزا تشریح می‌شود. در  آموزش گیربکس اتومات ساختار، عملکرد و روش عیب‌یابی کلاچ لاک آپ در کنار سایر اجزا توسط اساتید مجرب به‌صورت عملی در کارگاه‌های دانشگاه شریف تدریس می‌شود.

نویسنده : مهندس بهروز خطیبی