Nykyaikaisen momentinmuuntimen laite ja toimintaperiaate

Ensimmäinen vääntömomentinmuunnin ilmestyi yli sata vuotta sitten. Tätä tehokasta vääntömomentin sujuvaa siirtoa käytetään nykyään monilla konetekniikan alueilla, eikä autoteollisuus ole poikkeus. Ajaminen on nyt paljon helpompaa ja mukavampaa, koska kytkinpoljinta ei enää tarvitse käyttää. Momenttimuuntimen laite ja toimintaperiaate, kuten kaikki nerokkaatkin, ovat hyvin yksinkertaisia.

Tarina

Ensimmäistä kertaa saksalaisen insinöörin Hermann Fettinger patentoi vääntömomentin siirtämisen periaatteen kierrättämällä nestettä kahden juoksupyörän välillä ilman jäykkää liitäntää. Tämän periaatteen mukaisesti toimivia laitteita kutsutaan nestekytkimiksi. Tuolloin laivanrakennuksen kehitys vaati suunnittelijoita etsimään tapa siirtää vääntömomentti asteittain höyrykoneesta suuriin vesipotkuriin. Tiiviisti kytkettynä vesi hidasti terien nykimistä käynnistyksen aikana, mikä aiheutti liiallisen taaksepäin kohdistuvan kuormituksen moottorille, akseleille ja niiden liitoksille.

Myöhemmin modernisoituja nestekytkimiä alettiin käyttää Lontoon linja-autoissa ja ensimmäisissä dieselmoottoreissa niiden sujuvan käynnistyksen varmistamiseksi. Ja vielä myöhemmin nestekytkimet helpottivat autonkuljettajien elämää. Ensimmäinen vääntömomentin muuntimella varustettu automalli Oldsmobile Custom 8 Cruiser rullaa kokoonpanolinjalta General Motorsissa vuonna 1939.

Laite ja toimintaperiaate

Vääntömomentinmuunnin on toroidin muotoinen suljettu kammio, jonka sisälle pumppaus-, reaktori- ja turbiinipyörät sijoitetaan koaksiaalisesti lähelle toisiaan. Momentinmuuntimen sisäinen tilavuus on täytetty nesteellä automaattista vaihteistoa varten, joka kiertää ympyrässä pyörästä toiseen. Pumpun pyörä on valmistettu muuntimen kotelosta ja liitetty tiukasti kampiakseliin, ts. pyörii moottorin nopeudella. Turbiinipyörä on kiinteästi kytketty automaattivaihteiston tuloakseliin.

Niiden välissä on reaktoripyörä tai staattori. Reaktori on asennettu vapaakytkimelle, jonka avulla se voi pyöriä vain yhteen suuntaan. Reaktorin siipillä on erityinen geometria, jonka vuoksi turbiinipyörästä pumpun pyörään palannut nestevirta muuttaa suuntaa, mikä lisää pumpun pyörän vääntömomenttia. Tämä on ero momentinmuuntimen ja nestekytkimen välillä. Jälkimmäisessä ei ole reaktoria, ja vastaavasti vääntömomentti ei kasva.

Toimintaperiaate Vääntömomentinmuunnin perustuu vääntömomentin siirtämiseen moottorista vaihteistoon kiertävän nestevirran avulla ilman jäykkää liitäntää.

Käyttävä juoksupyörä yhdistettynä moottorin pyörivään kampiakseliin luo nestevirtauksen, joka osuu vastakkaisen turbiinipyörän siipiin. Nesteen vaikutuksesta se käynnistyy ja välittää vääntömomentin vaihteiston tuloakselille.

Moottorin kierrosnopeuden kasvaessa juoksupyörän pyörimisnopeus kasvaa, mikä johtaa turbiinipyörää kuljettavan nestevirran voiman kasvuun. Lisäksi reaktorin siipien läpi palaava neste saa lisää kiihtyvyyttä.

Nestevirta muuttuu juoksupyörän pyörimisnopeuden mukaan. Turbiinin ja pumppupyörien nopeuksien tasaantumisen hetkellä reaktori estää nesteen vapaata kiertoa ja alkaa pyöriä asennetun vapaapyörän ansiosta. Kaikki kolme pyörää pyörivät yhdessä, ja järjestelmä alkaa toimia nestekytkentätilassa lisäämättä vääntömomenttia. Lähtöakselin kuormituksen kasvaessa turbiinipyörän nopeus hidastuu suhteessa pumppauspyörään, reaktori on tukossa ja alkaa jälleen muuttaa nestevirtausta.

Edut

1. Tasainen liike ja aloittaminen.
2. Vähentää tärinää ja vaihteiston kuormitusta moottorin epätasaisesta käytöstä.
3. Mahdollisuus lisätä moottorin vääntömomenttia.
4. Ei tarvitse huoltoa (elementtien vaihto jne.).

Rajoitukset

1. Alhainen hyötysuhde (johtuen hydraulihäviöiden puuttumisesta ja jäykästä liitoksesta moottoriin).
2. Huono ajoneuvodynamiikka, joka liittyy energian ja ajan kustannuksiin nestevirran purkamiseksi.
3. Korkeat kustannukset.

Lukitustila

Vääntömomentin muuntimen tärkeimpien haittojen (alhainen hyötysuhde ja heikko ajoneuvodynamiikka) selvittämiseksi on kehitetty lukitusmekanismi. Sen toimintaperiaate on samanlainen kuin klassinen kytkin. Mekanismi koostuu lukituslevystä, joka on kytketty turbiinipyörään (ja siten vaihdelaatikon tuloakseliin) vääntövärähtelyvaimentimen jousien kautta. Levyn pinnalla on kitkapäällyste. Vaihteiston ohjausyksikön käskystä levy painetaan muunninkotelon sisäpintaa vasten nestepaineella. Vääntömomentti alkaa siirtyä suoraan moottorista vaihteistoon ilman nesteen osallistumista. Täten saavutetaan häviöiden väheneminen ja suurempi hyötysuhde. Lukko voidaan ottaa käyttöön millä tahansa vaihteella.

Slip-tila

Vääntömomentinmuuntimen lukitus voi myös olla epätäydellinen ja toimia ns. "Liukastustilassa". Estolevyä ei ole painettu kokonaan työpintaa vasten, jolloin kitkapehmuste liukastuu osittain. Vääntömomentti välitetään samanaikaisesti estolevyn ja kiertävän nesteen kautta. Tämän tilan käytön ansiosta auton dynaamiset ominaisuudet paranevat merkittävästi, mutta samalla liikkeen tasaisuus säilyy. Elektroniikka varmistaa, että lukituskytkin kytketään mahdollisimman aikaisin kiihdytyksen aikana ja vapautetaan mahdollisimman myöhään, kun nopeutta pienennetään.

Ohjatulla liukumoodilla on kuitenkin merkittävä haitta, joka liittyy kytkimen pintojen kulumiseen, jotka lisäksi altistuvat vakaville lämpötilavaikutuksille. Kulutustuotteet pääsevät öljyyn heikentäen sen työominaisuuksia. Liukumismoodin ansiosta momentinmuunnin on mahdollisimman tehokas, mutta samalla vähentää merkittävästi sen käyttöikää.