[스터디] 토크 컨버터 개요

목차 - 토크 컨버터 개요
- 자동 클러치
- 유체 클러치
   유체 클러치 구조 / 유체 클러치 작동
- 토크 컨버터
   토크 컨버터 구조 / 토크 컨버터 기능 및 원리 / 댐퍼 클러치
- 관련 영상

자동 클러치

자동변속기의 변속은 엔진의 회전력을 유성기어로 전달시켜 유성기어의 조합에 따라 변속이 이루어진다. 이를 위해 클러치 페달 조작이 필요없는 자동 클러치가 사용된다. 자동 클러치에는 유체클러치, 토크컨버터, 전자식 클러치가 있다. 이번 글에는 유체 클러치와 토크 컨버터를 중점적으로 알아보자.

 

 

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유체 클러치(Fluid Clutch)

유체 클러치는 두 개의 날개차 사이에 오일을 가득 채워져 있으며, 한쪽 날개차를 회전시키면 오일은 원심력에 의해 상대편 날개차가 회전하는 원리이다.

Fluid Coupling for Boiler Feed Pump (출처 : EBARA corporation)

 

 

1. 유체 클러치 구조

유체 클러치는 도넛형의 형태로 크랭크 축에는 임펠러(펌프)가 부착되고, 변속기 입력축에는 터빈(러너)이 설치된다. 또한 중앙 가이드 링은 오일의 와류현상을 방지하는 장치다. 유체 클러치 임펠러와 터빈의 날개는 반지름 방향으로 직선 방사형을 이루고 있다.

 

 

 

2. 유체 클러치 작동

엔진에 의해 임펠러가 회전하면 임펠러 속에 가득한 오일은 원심력에 의해 터빈으로 전달된다. 임펠러에서 발생한 오일의 운동에너지는 터빈 날개에 전달되며, 임펠러와 터빈을 순환한다. 터빈과 임펠러가 같은 회전속도가 되었을 때 오일의 순환운동이 정지된다.

 

이때, 오일의 운동에너지 크기는 '임펠러 날개'에 영향을 받는다. 임펠러의 지름이 커질수록 오일의 운동에너지가 증가하며, 임펠러의 회전수가 빠를수록 운동에너지가 증가한다.

 

 

 

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토크 컨버터(Torque Converter)

내부에 오일을 가득 채우고 자동차의 주행저항에 따라 자동적, 연속적으로 구동력을 변환시킨다. 엔진 토크를 변속기에 원활히 전달하고 토크를 변환시키며, 토크 전달 시 충격과 크랭크축 비틀림 진동을 완화하는 역할을 수행한다.

토크컨버터 (출처 : BG Product, How Does a Torque Converter Work)

 

 

1. 토크 컨버터 구조

유체 클러치와 마찬가지로 임펠러과 터빈으로 구성되어 있으며 임펠러와 터빈 사이에 스테이터가 있다. 스테이터는 오일의 방향을 바꿔, 터빈측 블레이드에서 나오는 흐름의 속도를 증가시켜 임펠러측 블레이드로 되돌아가게 한다.

 

임펠러, 터빈, 스테이터는 블레이드가 설치되어 유체의 흐름 방향을 전환하거나 유도한다. 블레이드의 형상과 입출구각은 중요한 설계 인자이다.

 

 

1.1 유체 클러치와 토크 컨버터의 차이점

1) 날개 형상

유체클러치의 날개는 각도가 없는 방사선의 모양이며, 토크 컨버터의 날개는 각도가 있는 형상이다.

 

2) 스테이터 유무

토크컨버터에는 스테이터를 두고 있으며, 스테이터는 오일의 흐름 방향을 바꿔 터빈측 날개에서 나오는 흐름의 속도를 증가시켜 임펠러측 날개로 되돌아가게 한다.

 

3) 토크 변환

유체 클러치의 토크 변환비는 1:1이 최대이다, 토크 컨버터의 토크 변환비는 2~3 : 1도 가능하다.

 

 

 

2. 토크 컨버터의 기능 및 원리

토크 컨버터에는 2가지 주요 기능이 있다.

• 엔진 토크를 변속기에 원활한 전달
• 엔진 토크를 증가

 

2.1 토크 컨버터 작동 원리

① 임펠러는 엔진 플라이휠과 기계적으로 연결되어 엔진의 회전속도와 같은 속도로 회전한다.
② 엔진과 함께 임펠러가 같이 회전하며 원심력에 따라 중앙부 오일을 터빈으로 보내 변속기축에 동력을 전달한다.
③ 터빈에서 나온 오일은 스테이터를 회전시키며, 스테이터는 오일의 회전 방향을 펌프의 회전 방향과 같도록 바꿔주며 펌프를 회전시키는 엔진의 동력을 보조하게 된다.

 

* 스테이터는 항상 펌프를 회전시키는 방향으로만 회전하며, 그 역방향은 일방향 클러치에 의해 제한되어 있다.

 

저속구간 스테이터가 정지 상태이면, 터빈의 토크($T_{t}$)는 임펠러 토크($T_{i}$)와 스테이터 토크($T_{s}$)에 의해 증폭된다. 따라서 운전자는 큰 토크가 필요한 구간에서 증폭된 토크를 얻을 수 있다.

이 후, 임펠러과 터빈의 속도가 점차 같아지고 스테이터가 회전하면 스테이터의 영향은 줄어들고 토크의 증폭 또한 중단되며 임펠러와 터빈의 토크비가 1:1을 나타나게 된다.

 

 

 

3. 댐퍼 클러치

토크 컨버터는 임펠러와 터빈 사이에 오일 슬립이 발생하여 효율이 저하된다. 따라서 효율 향상을 위하여 댐퍼 클러치를 설치하여 특정 운전 조건에서는 오일을 거치지 않고 직접 터빈으로 동력을 전달한다. '엔진 → 프런트 커버 → 댐퍼 클러치 →  변속기 입력축' 순으로 동력이 전달된다. 

 

 

 

관련 영상

토크 클러치에 대한 설명 영상이다.