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토크컨버터
토크컨버터(Torque converter)는 유체를 사용하여 토크를 변환하여 동력을 전달하는 장치를 말한다. 자동차에 응용하면 엔진의 동력을 변속기로 전달하는 동력 전달 기구로 작용한다. 차량에 토크컨버터가 탑재되면 변속 기어가 필요 없게 되어 자동변속기에서 클러치 조작 없이 부드러운 변속을 가능하게 하고,[1] 시동 시 회전력도 커진다.
구성[편집]
토크컨버터는 터빈, 펌프 또는 임펠러(impeller), 스테이트와 락업 클러치로 구성되며 아래의 그림으로 표현할 수 있다. 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.[2]
원리[편집]
토크컨버터의 원리는 2개의 선풍기를 마주 놓고 한쪽의 선풍기에 스위치를 넣어 회전시키면 공기의 작용으로 다른 것도 회전하는 데 있다. 이 1쌍의 선풍기를 터빈휠로 하여 케이스로 덮고, 그 속에 오일을 가득 넣으면, 회전력이 더 효과적으로 전달된다. 더구나 1쌍의 터빈 사이, 즉 액체의 귀로에 해당되는 곳에 고정날개를 설치하면 회전력, 즉 토크가 증대한다.[3] 게다가 피구동측의 회전속도가 느릴 때는 토크가 증대되고, 속도가 빨라짐에 따라 토크가 작아지는 성질이 있으므로, 변속기에는 안성맞춤이다. 그렇다고는 하지만 이 유압 토크컨버터만으로는 토크 변환비가 작으므로, 보통 이것에 유압 또는 전기적으로 자동조작되는 2∼3단의 유성기어식 변속기를 짝지어 놓았다. 이것을 유압 토크컨버터 붙이 자동변속기라고 한다.[4] 자동변속기가 있는 자동차는 클러치나 기어의 조작이 필요없으며, 가속페달을 밟는 것으로 발진·가속이 가능하므로 운전하기가 매우 수월해진다.[5] 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.
스테이터[편집]
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.[2]
특징[편집]
자동변속기[편집]
자동변속기에서 토크컨버터는 유체커플링을 이용하므로 엔진의 급격한 회전수 변화나 토크 충격이 동력 축으로 전달되지 않으며 반대로 노면이나 바퀴에서 생겨나는 충격도 동력축을 통해 엔진으로 전달되지 않는다. 따라서 승차감이 좋다. 대한민국에서 판매되는 승용차의 90% 이상이 자동변속기를 장착하고 있다. 다만 유체커플링을 사용하므로 수동변속기처럼 기어를 통한 동력 전달에 비해 동력 손실이 크고 이에 따라 연비가 좋지 않다.[6] 그래서 대부분의 차량들은 고속운행시에 토크컨버터를 거치지 않고 직접 동력축과 엔진을 연결하는 직접(direct) 락업클러치(lockup clutch)라는 것이 있어서 이게 작동하게 되면 자동변속기라도 유체커플링을 사용하지 않으므로 고속에서는 저속에서보다 연비가 더 좋다. 특정 속도 이상의 고속이 되면 아래 클러치가 프런트 커버(front cover)와 붙게 되어 직접 동력을 전달하게 된다. 락업클러치는 1단으로 사용되지만 최근에는 2단 락업클러치도 개발하고 있다.[7]
각주[편집]
- ↑ 오경묵 기자, 〈한국파워트레인, 자동차 부품 세계 1위 오른다〉, 《한국경제》, 2017-02-07
- ↑ 2.0 2.1 "Torque converter", Wikipedia
- ↑ 손형익, 〈토크 컨버터 붙이 자동변속기 및 그 변속기를 이용한 자동변속방법〉, 《특허정보넷》, 2006-01-10
- ↑ 홍차, 〈토크컨버터〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-11
- ↑ 〈토크컨버터 (torque converter)〉, 《두산백과》
- ↑ zoser, 〈026_Torque Converter〉, 《네이버 블로그》, 2019-07-10
- ↑ 〈토크 컨버터〉, 《나무위키》
참고자료[편집]
- 〈토크 컨버터〉, 《나무위키》
- 자동차용어사전, 〈토크 컨버터〉, 《네이버 지식백과》
- 두산백과, 〈토크컨버터〉, 《네이버 지식백과》
- 홍차, 〈토크컨버터〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-11
- 손형익, 〈토크 컨버터 붙이 자동변속기 및 그 변속기를 이용한 자동변속방법〉, 《특허정보넷》, 2006-01-10
- 오경묵 기자, 〈한국파워트레인, 자동차 부품 세계 1위 오른다〉, 《한국경제》, 2017-02-07
- zoser, 〈026_Torque Converter〉, 《네이버 블로그》, 2019-07-10
- "Everything You Need to Know About Torque Converters", AAMCO Bay Area, 2019-12-03
- Karim Nice, "How Torque Converters Work", HowStuffWorks, 2021-04-01
같이 보기[편집]
