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토크컨버터

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martinyj (토론 | 기여)님의 2021년 8월 26일 (목) 17:36 판
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Torque converter insider.jpg

토크컨버터(Torque converter)는 유압방식을 적용한 변속장치로서 유체를 매개로 원동축(原動軸)과 부하(負荷)를 결합하여 동력을 전달하며 부하의 변동에 따라 자동으로 변속을 추진하는 유체변속장치이다.

개요

자동차엔진의 동력은 변속기를 통해 구동축으로 전달하며 변속기는 수동변속기와 자동변속기로 분류한다. 수동변속기를 적용한 자동차에서 엔진 동력은 클러치를 통해 변속기로 전달되며 자동변속기를 적용한 자동차는 클러치 없이 토크 컨버터라는 부품을 적용하여 엔진과 변속기사이에서 기계적인 연결이 없이 엔진동력을 구동축으로 전달한다. 토크컨버터는 엔진의 플랙스플레이트(Flexplate)와 변속기 사이에 위치하며 대체로 수동변속기의 클러치 위치와 근사하다.

토크컨버터의 주요 특징은 출력 회전속도가 낮아질 때 토크를 증대하여 터빈의 굽힘 날개에서 액체가 흘러나오게 하며 이로서 단일 방향 클러치와 물려 있는 스테이터를 디플렉트(deflect)하여 감속기어와 상당한 기능을 실현하는데 있다. 이는 단순한 유체 커플링의 한계를 넘어서는 특징으로 회전속도에 매칭하면서 토크를 증대하지 않는 방식으로 출력을 감소시킨다.

구성

토크 컨버터는 터빈, 펌프 또는 임펠러(impeller), 스테이트와 락업 클러치(현대 토크 컨버터에만 적용됨) 구성되며 아래의 그림으로 표현할 수 있다.

Torque Converter Separated.jpg

유체 커플링은 2개 요소 드라이브 장치이며 토크를 증가하는 능력이 없다. 하지만 토크컨버터는 적어도 하나의 액외 요소가 스테이터가 있으며 스테이터는 터빈에서 돌아오는 유체가 펌프와 부딪히기 전에 이를 유도하여 스테이트의 날개깃에 부딪히게 하며 이로서 출력 토크를 증대시킨다.

토크컨버터에는 적어도 3개의 회전 요소가 들어 있다. 임펠러는 기계적으로 엔진에 의해 구동되며 터빈은 부하를 구동하고 스테이터는 임펠러와 터빈 사이에 위치하면서 터빈에서 임펠러로 돌아오는 유체의 흐름을 유도한다. 전통적인 토크컨버터의 디자인은 스테이터라는 이름 그대로 어떤 조건하에서도 스테이트의 회전을 금지한다. 실제상 스테이터는 오버러닝 클러치에 탑재되어 엔진 회전방향과 상대되는 방향의 회전이 못하게 되어 있으며 같은 방향의 회전만 가능하다.

엄격하게 말하면 전통적인 토크컨버터 디자인의 한 부분이 아니지만 많은 자동차 토크컨버터에는 락업클러치(lock-up clutch)가 포함되어 순항 동력 전달 효율을 향상시키고 발열을 감소시킨다. 클러치의 역할은 터빈을 임펠러에 고정하여 동력 전달이 기계적으로 이루어지게 하며 유체 구동과 관련된 손실을 제거한다.

작동원리

토크컨버터의 작동은 3단계로 이루어진다.

□ 이동정지(Stall) - 엔진이 동력을 임펠러에 공급하지만 터빈은 회전하지 않는다. 예하면 한 자동차에서 운전자가 변속기를 기어에 걸었지만 지속적으로 브레이크를 밟는 방식으로 자동차의 이동을 제한할 때 이러한 작동단계가 발생한다.

□ 가속(Acceleration) - 부하는 엑셀러레이팅이 추진되고 있지만 임펠러와 터빈 속도 사이에는 여전히 큰 차이가 있는 경우에 컨버터는 토크를 증대시킨다. 단, 토크의 증대는 이동정지될 정도보다는 작다. 늘어나는 토크는 펌프와 터빈 속도 차이와 여러 디자인 감안 사항들에 따른다.

□ 커플링 - 터빈 속도가 임펠러 속도의 90%에 근접할 때 토크의 증대는 중지되며 토크컨버터는 간단한 유체 커플링과 유사하게 작동한다. 현대 자동차들에는 통상적으로 이 단계에 락업클러치를 적용시키며 이로서 연료의 효율성을 향상시킨다.

토크컨버터가 토크를 증대시키는데 있어 관건적인 역할은 스테이터가 담당한다. 전통적인 유체 커플링 디자인에서 터빈으로부터 임펠러로 돌아오는 유체 흐름은 임펠러의 회전방향과 반대되며 이로 인해 효율이 떨어지고 폐열이 발생한다. 같은 조건하에 있는 토크컨버터에서 유체의 흐름은 스테이터에 의해 유도되어 방해를 일으키는 대신 임펠러를 회전시킨다. 따라서 돌아오는 유체의 많은 에너지는 회수되어 임펠러에 인가되는 엔진의 에너지에 합류된다. 이러한 작동은 터빈에 들어가는 유체의 양을 증가시키며 출력 토크를 증대시킨다. 초기의 유체 이동 방향이 임펠러 회전방향과 반대되기에 스테이터에도 이에 따라 반대 방향으로 회전하려고 하지만 단일 방향 스테이터 클러치가 이를 막아 준다.

이동정지와 가속단계에 토크의 증대가 발생하며 스테이터는 단일 방향 클러치의 구속으로 정지 상태를 유지한다. 하지만 토크컨버터가 커플링단계에 접근할 때 터빈에서 돌아오는 유체의 에너지와 부피는 점차적으로 줄어들며 스테이터에 인가되어 있던 압력도 줄어든다. 일단 커플링 단계에 진입하면 돌아오는 유체의 방향은 반대로 돌아서며 임펠러와 터빈의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하며 이는 스테이터를 앞으로 회전하도록 시도한다. 이 때 스테이터 클러치가 역할하여 임펠러, 터빈과 함께 유니트로 회전한다.

토크컨버터 제조사

□ 현재

  • 아이신, 자동차용
  • 앨리슨 변속기(Allison Transmission),
  • 보그워너(BorgWarner), 자동차용
  • 익세디(Exedy), 자동차용
  • 이스즈(Isuzu), 자동차용
  • Jatco(일본 닛산자동차 1차 벤더), 자동차용
  • Schaeffler Group(독일), 자동차용
  • 스바루(Subaru), 자동차용
  • 트윈 디스크(Twin Disc), 차량과 선박 및 오일필드 애플리케이션
  • 벨레오(Valeo), 자동차용
  • Voith Turbo-Transmissions(독일), 디젤 기관차
  • ZF 프리드리히스하펜(ZF Friedrichshafen), 자동차용

각주

참고자료

같이 보기


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