자동차학과, 자동차 정비 기능사 등 차의 모든것 자동차 셰시 핵심 요점 19장. 유체클러치와 토크컨버터 2

19장. 유체클러치와 토크컨버터 2

 
나. 토크컨버터

(1) 개요

토크컨버터는 토크 증대 작용이 있어 저속 출발 성능을 향상시켜 언덕 출발에서와 같
은 경우 운전을 매우 용이하게 해 준다. 즉 엔진의 회전수가 적을 때는 토크가 증대되
고, 속도가 빨라짐에 따라 토크가 작아지는 성질이 있어 자동변속기에 매우 적합한 장
치이다. 토크컨버터는 엔진의 동력을 오일을 매개로 하여 변속기에 전달되므로 수동 변
속기와 같이 클러치 조작이나 변속등의 조작이 필요 없으며, 가속페달을 밟는 것만으로
도 발진이나 가속이 가능하다. 또한 자동차가 정지하였을 때에도 토크건버터 내 오일의
미끄럼에 의해 엔진이 정지되지 않는다. 따라서 자동변속기에서 빼놓을 수 없는 것이
바로 토크컨버터이다. 토크컨버터의 기능은 다음과 같다.
① 엔진의 토크를 변속기에 원활하게 전달하는 기능(클러치 역할)
② 토크를 변환시키는 기능(토크 증대 역할)
③ 토크를 전달 때 충격 및 크랭크축의 비틀림 완화 기능(플라이 휠 역할)

(2) 원리

토크컨버터(torque converter)는 말 그대로 엔진의 회전력을 변환시키는 장치로 유
체 클러치의 일종이다. 토크컨버터는 [그림 4-9]의 (a)와 같은 유체클러치에 그림(b)
와 같이 선풍기 A와 B를 관으로 연결하여 에너지를 회수하여 재사용하는 경우에 비유할 수 있다.

그림(b)의 경우 선풍기 B에 동력을 전달하고 나온 에너지를 회수함으로서 선풍기 A
가 다시 선풍기 B에 동력을 전달하는 반복 과정에 의해 그림(a)의 경우보다 더 강력한
에너지를 전달할 수 있을 뿐만 아니라 회전력을 증대할 수도 있다. 토크컨버터에는 그
림(b)의 에너지 회수관 역할을 하는 스테이터를 설치하여 토크를 증대한다.

(3) 구성

토크컨버터는 엔진과 자동변속기 사이에 설치되며, 비 분해 방식으로 내부에는 오일
이 가득 채워져 있다. 주요 구성품으로는 펌프(pump), 스테이터(stator), 터빈(turbine)
이 있다. 펌프는 컨버터 하우징 내에 용접하여 설치되며 하우징은 엔진의 구동 플레이
트에 볼트로 체결된다. 스테이터는 한쪽 방향으로만 회전 가능한 원 웨이 클러치(one
way clutch)로 토크컨버터 하우징에 지지되어 있다. 터빈은 변속기 입력축의 스플라인
에 결합되어 펌프로부터의 구동력을 변속기로 전달한다. 또한 토크컨버터에는 댐퍼클
러치(또는 록업 클러치)가 내장되어 동력손실 방지 및 연비를 향상시키는 역할을 한다.

토크컨버터의 형식은 여러 가지가 있지만, 자동차에는 대부분 3요소 1단 2상형을 사
용하고 있다. 일반적으로 3요소 1단 2상형의 토크컨버터로 얻을 수 있는 토크 변환율은
2~3:1 정도이며 전달효율은 약 80% 정도이다.

3요소 1단 2상형의 의미 이 형식은 구조는 간단하지만 비교적 높은 효율을 얻을 수 있어 승용차에 많이 사용 된다. - 3요소 : 펌프, 터빈, 스테이터를 가르킨다 - 1단 : 펌프와 터빈이 한 조를 이룬 상태를 말한다 - 2상형 : 스테이터의 작용상태를 말하는 것으로서 스테이터가 전혀 회전하지 않는 것을 단상, 터빈의 회전력이 일정수준에 도달하면 스테이터가 회전하는 경 우와 같이 오버러닝 클러치 형태로 되어있는 것을 2상 이라 한다

① 스테이터
토크컨버터의 토크변환율은 터빈이 정지하
고 있을 때 최대인 2∼3:1이 되고, 펌프와 터
빈의 회전속도가 같아지면 유체클러치와 같
이 1:1이 된다. 이는 터빈에 에너지를 전달
한 후 펌프측으로 다시 유입되는 환류에너지
의 크기 차이 때문이다. 환류에너지는 펌프
의 회전속도가 터빈보다 빠르고, 그 속도 차
이가 크면 클수록 커지게 된다. 즉, 펌프가
회전을 하게 되면 펌프의 오일이 원심력에 의해 튀어나가 터빈의 날개에 부딪치게
되는데, 이때 회전중인 터빈의 경우라면 펌프로부터 유입되는 오일의 운동에너지
를 흡수하기 때문에 환류되는 오일의 운동에너지도 적게 된다. 하지만 정지중인 터
빈의 경우에는 펌프로부터 유입되는 오일의 운동에너지를 흡수하지 못하기 때문에
매우 큰 힘으로 터빈을 날개에 부딪치게 되지만 환류되는 오일의 운동에너지 역시
최대가 된다. 따라서 토크컨버터의 펌프와 터비의 사이에는 스테이터를 설치하여
터빈으로부터 되돌아오는 오일의 방향을 펌프의 회전 방향과 같도록 바꾸어 오일
의 운동에너지가 최대가 되도록 함으로서 최대의 토크 증대 효과를 얻고 있다. 즉
스테이터는 토크컨버터의 토크 증대 역할을 수행하게 된다.
② 원 웨이 클러치 기능
스테이터는 원 웨이 클러치(one way clutch)를 사이에 두고 스테이터 축에 설치되어 있다. 펌프가 터빈의 회전 속도보다 빠른 경우, 스테이터는 스테이터 축에 고정
되어 오일 흐름의 방향을 바꾸어 주는 역할을 한다. 그러나 터빈 속도가 펌프 속도
의 80%(속도 비율 0.8) 정도가 되면 오일의 흐름이 스테이터 뒷면에 작용하게 되
면 스테이터는 펌프나 터빈의 방향으로 같이 회전하게 된다. 이때 스테이터를 회
전시키지 않으면 전달 효율이 불량해져 토크 비율은 1 이하가 된다. 이를 방지하
기 위해 터빈의 회전속도가 증가하여 오일의 흐름이 스테이터 뒷면에 작용하게 되
면 스테이터를 회전하 시키기 위해 원 웨이 클러치를 두고 있다. 원웨이 클러치는
프리 휠링 또는 일방향 클러치라고도 한다.
스테이터가 회전을 시작하는 시점을 클러치 포인트(clutch point)라고 한다. 이것
을 경계로 하여 토크컨버터는 유체 클러치로 작용하여 토크 증대 작용이 일어나지
않기 때문에 토크 변환 비율은 1이 된다.

 
(4) 작동

토크컨버터 내의 오일 순환은 펌프의 회전에 의해 시작된다. 엔진의 구동 플레이트
에 의해 펌프가 회전을 시작하면 펌프 내의 오일은 원심력에 의해 펌프의 날개 사이로
튀어나가 터빈의 입구로 들어간다. 터빈에 유입된 오일은 터빈 날개에 부딪쳐 에너지를
전달하고 출구를 통해 분출된다. 이 과정에서 터빈은 펌프와 같은 방향으로 힘을 받으
면서 회전하기 시작한다. 그러나 터빈의 출구로 분출된 오일은 유체클러치에서와 같이
펌프의 회전 방향과 반대 방향의 속도 성분을 가지게 되어 펌프의 회전을 방해하게 된
다. 따라서 토크컨버터에는 펌프와 터빈 사이에 스테이터를 설치하여 이러한 오일의 흐
름(환류)을 펌프와 같은 방향이 되도록 바꾸어, 펌프에 운동 에너지를 더함으로서 토크
를 증대할 수 있다. 즉, 유체클러치에서 펌프의 운동에 방해적인 흐름이었던 오일의 환
류 에너지를 스테이터에 의해 효과적으로 이용하고 있다.

① 터빈이 정지하고 있을 때
터빈이 정지 상태(stall)는 자동차가 정지 상태이므로 펌프가 회전하면 오일은 화
살표 P
1방향으로 나와 터빈에 운동 에너지를 전달하고 P2방향으로 흘러 들어간다.
이때 스테이터는 터빈에서 흘러나오는 오일을 처음의 방향 즉, P1과 같은 P3방향(
환류 오일)으로 바꾸어 준다. 스테이터에 의해 방향이 바뀐 유체에너지는 상당히
큰 운동 에너지를 가지고 있으며 펌프 날개의 뒷면에 작용하게 됨으로서 펌프에
추가적인 운동에너지를 공급하여 토크가 최대로 증대된다. 이때 토크 변환율은 최
대(2∼3:1)가 된다.

② 터빈이 펌프의 1/2로 회전 할 때
이 때에도 오일은 터빈이 정지된 경우와 마찬가지로 P1방향에서 터빈에 운동 에너
지를 전달하고 P2및 P3의 방향으로 흐른다. 그러나 이때에는 터빈의 회전 속도가
펌프의 1/2이므로 P2의 방향이 1)의 경우의 1/2 정도 터빈의 회전 방향으로 곡선이
된다. 따라서 스테이터에 의한 오일의 흐름 방향의 변환이 감소된다. 이 경우 토
크 변환 율은 터빈이 정지된 경우의 1/2정도(1.5:1)가 된다.
 
③ 펌프와 터빈의 회전 속도가 거의 같아졌을 때
이때는 정속 주행 상태로 터빈의 회전 속도가 펌프의 회전 속도와 거의 같으므로
터빈을 떠나는 오일의 유출 속도도 펌프의 회전 속도와 거의 같아지게 된다. 따라
서 유출되는 오일의 방향도 펌프의 회전 방향과 거의 일치한다. 따라서 터빈으로
부터 환류되는 오일의 운동에너지는 스테이터 뒷면에 작용해 스테이터는 오버러

닝 클러치의 작용에 의해 펌프 및 터빈과 함께 회전하게 된다. 이때 토크컨버터로
서의 기능은 정지되며 유체 클러치로서 작동하게 된다. 이는 토크컨버터로의 기능
이 중지되는 것은 스테이터에 의한 오일 흐름의 변화가 없어지기 때문이다. 이때
의 토크 변환율은 유체 클러치와 마찬가지로 1:1이 된다.

(5) 토크컨버터와 유체클러치의 차이

유체클러치와 토크컨버터의 차이는 펌프와 터빈의 날개 형상과 스테이터의 유무로 설
명할 수 있다. 유체클러치의 펌프와 터빈의 날개는 [그림 4-17]의 (a)와 같이 각도가 없
이 방사선 상으로 되어 있는 반면 토크컨버터는 날개에 각도가 있다.
 
따라서 유체 클러치에서는 [그림 4-18]의 (a)와 같이 유체가 평면 모양의 터빈 날개
에 충돌해 충격력 P를 준다고 생각할 수 있다. 이 경우 터빈이 움직인다 해도 그 속도
가 유체의 속도보다 빠르게 될 수 없고 또 충격력도 유체가 가지는 운동량보다 크게 되
지 않는다. 따라서 유체 클러치에서는 펌프과 터빈의 전달 토크가 대체로 동일하게 되
어 토크를 증대시키지 못한다.

그러나 그림(b)와 같이 날개에 각도를 두고 오일을 흐르게 하면 유입되는 과정에서
충격력 P를 주고, 다시 90도의 방향 변환을 해 유출되는 과정에서 반동력 R을 준다. 이
때 날개면의 마찰이 없다고 가정하면 P=R이므로 터빈의 날개에 주는 힘을 더 증가시키
려면 그림(c)와 같이 스테이터를 설치하여 대향 시키면 유체의 운동에너지를 재활용할
수 있으므로 토크를 증대시킬 수 있다.

따라서 스테이터가 없는 유체클러치의 토크 변환율은 1:1로 입력 토크를 증대 할 수
없지만, 이에 비해 스테이터가 있는 토크컨버터의 토크 변환율은 2~3:1로 입력 토크보다 출력 토크를 증대시키는 작용이 있다.

유체 충격력 비교 유체의 충격력은 유체의 충격력이 가해지 는 부분이 평판일 때와 곡면판일 때 다르 게 나타난다. 그림(a)와 같이 평판에서는 유체의 충격력이 한 점에 부분적으로 가 해지고 나머지는 비산되어 버린다. 그러나 곡면판에서는 유체가 보다 넓은 면적과 접 촉을 하면서 충격력이 가해지므로 곡면판 이면서 접촉면적이 클수록 충격력이 강하게 전달됨을 알 수 있다 .