토크 컨버터

Torque converter
ZF 토크 컨버터 컷어웨이
토크 컨버터의 컷어웨이 모델

토크 컨버터는 내연 기관과 같은 원동력에서 회전 구동 부하로 회전 동력을 전달하는 유체 커플링의 한 유형입니다.자동 변속기가 장착된 차량에서는 토크 컨버터가 전원을 부하에 연결합니다.일반적으로 엔진의 플렉스 플레이트와 변속기 사이에 위치합니다.수동 변속기의 동등한 위치는 기계식 클러치입니다.

토크 컨버터의 주요 특징은 출력 회전 속도가 너무 낮아서 터빈의 곡선 베인에서 나오는 오일이 원웨이 클러치에 대해 잠긴 상태에서 스테이터에서 편향되어 감속 기어와 동등한 기능을 제공할 수 있다는 것입니다.이는 단순한 유체 커플링의 기능을 뛰어넘는 기능으로 회전속도와 일치할 수 있지만 토크가 증가하지 않아 출력이 감소합니다.

유압 시스템

지금까지 자동차 변속기에서 가장 일반적인 형태의 토크 컨버터는 이 기사에서 설명한 유체 운동학 장치입니다.소형 굴착기와 같은 소형 기계에서 널리 사용되는 정수 시스템도 있다.

기계 시스템

또한 연속 가변 변속기를 위한 기계적 설계도 있으며, 토크를 배가하는 기능도 있습니다.여기에는 진자 기반 Constantinesco 토크 컨버터, Lambert 마찰 기어 디스크 드라이브 변속기 및 확장 풀리와 벨트 구동 기능이 있는 Variomatic이 포함됩니다.

사용.

기능.

연산 이론

토크 컨버터 운동 방정식은 레온하르트 오일러의 18세기 터보 기계 방정식에 의해 제어된다.

방정식은 반지름의 5제곱을 포함하도록 확장됩니다. 그 결과 토크 컨버터 특성은 장치의 크기에 따라 크게 좌우됩니다.

토크 컨버터 요소

유체 커플링은 토크를 증배할 수 없는 2-원소 구동력인 반면 토크 컨버터에는 하나 이상의 추가 요소(스테이터)가 있어 미끄러짐이 심할 때 드라이브의 특성이 변경되어 출력 토크가 증가합니다.

토크 컨버터에는 적어도 3개의 회전 요소가 있습니다. 즉, 원동기에 의해 기계적으로 구동되는 임펠러, 부하를 구동하는 터빈, 그리고 터빈에서 임펠러로 돌아오는 오일 흐름을 변경할 수 있도록 임펠러와 터빈 사이에 배치된 스테이터입니다.전형적인 토크 컨버터 설계에서는 스테이터가 어떤 조건에서도 회전하지 않도록 지시합니다. 즉, 스테이터라는 용어입니다.그러나 실제로는 스테이터가 오버런 클러치에 장착되어 있어 스테이터가 원동기에 대해 역회전을 방지하지만 전진 회전이 가능합니다.

기본 세 가지 요소 설계에 대한 수정은 특히 정상 토크보다 높은 토크 증대가 필요한 애플리케이션에서 주기적으로 통합되었습니다.가장 일반적으로, 이러한 장치는 여러 개의 터빈과 스타터의 형태를 취했으며, 각 세트는 서로 다른 양의 토크 증대를 생성하도록 설계되었다.예를 들어, Buick Dynaflow 자동 변속기는 비시프트 설계였으며, 정상 조건에서는 토크를 증가시키기 위해 컨버터에만 의존했습니다.Dynaflow는 5원소 변환기를 사용하여 중형 차량을 추진하는 데 필요한 광범위한 토크 증대를 생성했습니다.

고전적인 토크 컨버터 설계에는 엄밀하게 포함되지 않지만, 많은 자동차 컨버터에는 로크업 클러치가 포함되어 있어 순항 동력 전달 효율을 높이고 열을 낮춥니다.클러치를 작동하면 터빈이 임펠러에 잠기므로 모든 동력 전달이 기계적으로 작동하므로 유체 구동과 관련된 손실이 제거됩니다.

운용 단계

토크 컨버터에는 세 가지 작동 단계가 있습니다.

  • 멈춥니다. 원동기가 임펠러에 동력을 공급하고 있지만 터빈은 회전할 수 없습니다.예를 들어, 자동차에서 이 작동 단계는 운전자가 변속기를 기어에 넣었지만 브레이크를 계속 작동하여 차량의 움직임을 방해할 때 발생합니다.스톨 시 토크 컨버터는 충분한 입력 출력이 인가될 경우 최대 토크 증대를 생성할 수 있습니다(이 결과를 스톨 비율이라고 합니다).정지 단계는 실제로 부하(예: 차량)가 처음에 이동하기 시작할 때 짧은 시간 동안 지속됩니다. 펌프와 터빈 속도 사이에 매우 큰 차이가 있기 때문입니다.
  • 액셀러레이션.부하는 가속되고 있지만 임펠러와 터빈 속도 사이에는 여전히 비교적 큰 차이가 있습니다.이 조건에서 컨버터는 정지 상태에서 달성될 수 있는 토크보다 적은 토크 증대를 생성합니다.증배량은 펌프와 터빈 속도의 실제 차이뿐만 아니라 다양한 설계 요소에 따라 달라집니다.
  • 커플링.터빈이 임펠러 속도의 약 90%에 도달했습니다.토크 증대가 기본적으로 중지되고 토크 컨버터가 단순 유체 커플링과 유사한 방식으로 작동합니다.현대 자동차 분야에서는 일반적으로 로크업 클러치가 적용되는 이 작동 단계에서 연비를 개선하는 경향이 있습니다.

토크 컨버터가 토크를 증배할 수 있는 비결은 스테이터에 있습니다.기존의 유체 커플링 설계에서 높은 미끄러짐 기간은 터빈에서 임펠러로 돌아가는 유체 흐름을 임펠러 회전 방향과 반대하여 효율이 크게 떨어지고 상당한 폐열이 발생합니다.토크 컨버터와 동일한 조건에서 리턴 오일은 스테이터에 의해 방향 전환되어 임펠러의 회전을 방해하는 대신 보조합니다.그 결과, 원동기(prime mover)가 임펠러에 가하는 에너지에 리턴 유체의 에너지가 상당 부분 회수되어 추가됩니다.이 동작은 터빈으로 유도되는 오일 질량을 크게 증가시켜 출력 토크를 증가시킵니다.리턴 오일은 처음에는 임펠러 회전과 반대 방향으로 이동하기 때문에 스테이터도 마찬가지로 오일이 방향을 바꾸도록 강제할 때 역회전을 시도합니다. 이 효과는 원웨이 스테이터 클러치에 의해 방지됩니다.

일반 유체 커플링에 사용되는 방사형 직선 블레이드와 달리, 토크 컨버터의 터빈과 스테이터는 각이지고 구부러진 블레이드를 사용합니다.스테이터의 날개 모양은 오일의 경로를 변경하여 임펠러 회전과 일치하도록 합니다.터빈 블레이드의 일치 곡선은 스테이터가 제 역할을 할 수 있도록 리턴 오일을 스테이터로 올바르게 유도하는 데 도움이 됩니다.블레이드의 모양은 사소한 차이로 인해 컨버터의 성능이 크게 달라질 수 있으므로 중요합니다.

토크 증대가 발생하는 정지 및 가속 단계에서는 원웨이 클러치의 작용으로 인해 스테이터가 정지 상태를 유지합니다.그러나 토크 컨버터가 커플링 단계에 가까워지면 터빈에서 돌아오는 오일의 에너지 및 부피가 점차 감소하여 스테이터의 압력도 감소합니다.커플링 단계에 들어가면 리턴 오일이 역방향으로 회전하고 이제 임펠러 및 터빈 방향으로 회전하며, 이 효과는 스테이터를 전진 회전시킵니다.이때 스테이터 클러치가 해제되고 임펠러, 터빈 및 스테이터가 모두(거의) 하나의 유닛으로 회전합니다.

불가피하게 마찰과 난류로 인해 유체의 운동 에너지 중 일부가 손실되어 컨버터가 폐열을 발생시킵니다(수냉에 의해 많은 용도로 소산됨).펌프 손실이라고도 하는 이 효과는 스톨 상태 또는 그 부근에서 가장 두드러집니다.현대 설계에서 블레이드 지오메트리는 낮은 임펠러 속도에서 오일 속도를 최소화하므로 터빈이 과열 위험이 거의 없이 장시간 정지할 수 있습니다(자동 변속기가 장착된 차량이 기어를 계속 작동한 상태에서 교통 신호로 정지하거나 교통 체증으로 정지하는 경우처럼).

효율성 및 토크 증대

토크 컨버터는 100% 커플링 효율을 달성할 수 없습니다.고전적인 3요소 토크 컨버터는 §와 유사한 효율 곡선을 가지고 있습니다. 즉, 스톨 시 효율이 0이며, 일반적으로 가속 단계에서는 효율이 증가하고 커플링 단계에서는 효율이 낮습니다.컨버터가 커플링 단계로 진입할 때 효율이 손실되는 것은 스테이터에 의해 발생하는 난류 및 유체 흐름 간섭의 결과이며, 앞서 언급한 바와 같이 일반적으로 스테이터를 원웨이 클러치에 장착함으로써 이를 극복할 수 있습니다.

원웨이 스테이터 클러치의 이점에도 불구하고 컨버터는 동등한 크기의 유체 커플링과 동일한 수준의 효율을 커플링 단계에서 달성할 수 없습니다.(어셈블리의 일부로 회전하더라도) 스테이터의 존재로 인해 항상 약간의 전력 흡수 난류가 발생하기 때문에 일부 손실이 발생합니다.그러나 대부분의 손실은 곡선 및 각도가 있는 터빈 블레이드에 의해 발생하며, 터빈 블레이드는 반경 방향으로 직선인 블레이드뿐만 아니라 유체 질량으로부터 운동 에너지를 흡수하지 않습니다.터빈 블레이드 형상은 컨버터의 토크 곱셈 능력에서 중요한 요소이기 때문에 토크 곱셈과 커플링 효율 사이의 균형은 불가피합니다.시장의 힘과 정부의 명령에 의해 연비의 꾸준한 개선이 요구되는 자동차 분야에서는 로크업 클러치를 거의 보편적으로 사용함으로써 순항 시 컨버터가 효율 방정식에서 제외됩니다.

컨버터에 의해 생성되는 최대 토크 증배량은 터빈 및 스테이터 블레이드의 크기와 형상에 따라 크게 달라지며, 컨버터가 작동 정지 단계에 있거나 그 근처에 있을 때만 생성됩니다.일반적인 스톨 토크 증배율은 대부분의 자동차 애플리케이션에서 1.8:1 ~ 2.5:1입니다(Buick Dynaflow 및 쉐보레 터보글라이드에 사용되는 다중 요소 설계는 더 많은 것을 생산할 수 있습니다).산업용, 철도용 또는 중형 해상 전력 전송 시스템용으로 설계된 전용 변환기는 최대 5.0:1의 곱셈이 가능합니다.일반적으로 최대 토크 곱셈과 효율 사이에는 트레이드오프가 있습니다. 즉, 높은 스톨 비율 변환기는 커플링 속도보다 상대적으로 비효율적인 반면 낮은 스톨 비율 변환기는 가능한 토크 곱셈을 덜 제공하는 경향이 있습니다.

토크 컨버터의 특성은 동력원의 토크 곡선과 의도된 용도에 세심하게 일치해야 합니다.스테이터 및/또는 터빈의 블레이드 형상을 변경하면 장치의 전반적인 효율뿐만 아니라 토크 스톨 특성이 변경됩니다.예를 들어 드래그 레이싱 자동 변속기는 고속 스톨 속도를 내기 위해 개조된 컨버터를 사용하여 오프라인 토크를 개선하고 엔진의 동력 대역에 더 빨리 진입할 수 있습니다.고속도로 차량은 일반적으로 저단 스톨 토크 컨버터를 사용하여 발열을 제한하고 차량의 특성에 보다 확실한 느낌을 제공합니다.

한때 일부 제너럴 모터스 자동 변속기에서 발견된 설계 특징은 가변 피치 스테이터로, 엔진 속도와 부하 변화에 따라 블레이드의 공격 각도가 달라질 수 있습니다.그 결과 컨버터에 의해 생성되는 토크 증대의 양이 다양해졌습니다.정상 공격 각도에서 스테이터는 변환기가 적당한 양의 곱셈을 발생시키지만 효율은 더 높습니다.운전자가 갑자기 스로틀을 열 경우 밸브가 스테이터 피치를 다른 공격 각도로 전환하여 효율성을 희생하면서 토크 증대를 증가시킵니다.

일부 토크 컨버터는 다양한 범위의 토크 증대를 제공하기 위해 여러 개의 스태터 및/또는 여러 개의 터빈을 사용합니다.이러한 다중 요소 변환기는 자동차 변속기보다 산업 환경에서 더 흔하지만, Buick의 Triple Turbon Dynaflow와 쉐보레의 Turboglide와 같은 자동차 애플리케이션도 존재했습니다.뷰익 다이너플로우는 저속 기어의 토크 컨버터와 함께 유성 기어 세트의 토크 승수 특성을 활용했으며 차량 속도가 증가할 때 두 번째 터빈만 사용하여 첫 번째 터빈을 바이패스했습니다.이러한 배치로 피할 수 없는 트레이드오프는 저효율이었고 결국 이러한 변속기는 기존의 3요소 토크 컨버터를 갖춘 보다 효율적인 3단 유닛을 위해 중단되었습니다.또한 토크 컨버터의 효율은 매우 낮은 속도에서 최대가 되는 것으로 나타났다.

로크업 토크 컨버터

위에서 설명한 바와 같이 토크 컨버터 내부의 충격 손실은 효율을 떨어뜨리고 폐열을 발생시킵니다.현대 자동차 분야에서는 일반적으로 임펠러와 터빈을 물리적으로 연결하는 로크업 클러치를 사용하여 이 문제를 방지하고 컨버터를 완전히 기계적 결합으로 전환합니다.그 결과, 미끄러짐이 없고, 전력 손실도 거의 없습니다.

로크업 원리를 최초로 적용한 것은 1949년에 도입된 Packard의 울트라매틱 변속기로, 고속 가속을 위해 가속 페달을 밟았을 때 또는 차량이 감속했을 때 컨버터를 정속 주행 속도로 잠그고 잠금을 해제합니다.이 기능은 1950년대에 생산된 일부 Borg-Warner 변속기에도 적용되었습니다.그 후 몇 년 동안 그것은 그것의 추가적인 복잡성과 비용 때문에 인기를 잃었다.1970년대 후반부터 연비 개선 요구에 따라 로크업 클러치가 다시 나타나기 시작했고, 현재는 자동차 분야에서 거의 보편적으로 사용되고 있습니다.

용량 및 장애 모드

기본 유체 커플링과 마찬가지로 변환기의 이론적 토크 용량은 2 5({ r에 비례합니다. 서r {{ r은 유체의 질량 밀도(kg/m3), {{N은 임펠러 속도(rpm),는 직경(m)[1]입니다.실제로 최대 토크 용량은 변환기 구성 요소에 사용되는 재료의 기계적 특성뿐만 아니라 변환기의 열 방출 능력(종종 수냉을 통해)에 의해 제한됩니다.강도, 신뢰성 및 생산 경제성을 높이기 위해 대부분의 자동차 컨버터 하우징은 용접 구조입니다.산업용 유닛은 일반적으로 볼트 하우징으로 조립됩니다. 볼트 하우징은 검사 및 수리 프로세스를 용이하게 하지만 컨버터 생산 비용을 증가시킵니다.

고성능, 레이싱 및 헤비듀티 상업용 컨버터에서는 용해된 황동을 솔기와 조인트로 끌어당겨 블레이드, 허브 및 고리형 링 사이에 더 강력한 결합을 생성하는 용해로 브레이징이라는 프로세스를 통해 펌프와 터빈이 더욱 강화될 수 있습니다.용해로 브레이징 공정은 블레이드가 허브 또는 환상 링과 만나는 지점에서 작은 반경을 생성하므로 이론적으로 난류가 감소하여 그에 상응하는 효율이 증가합니다.

컨버터에 과부하가 걸리면 몇 가지 장애 모드가 발생할 수 있으며, 그 중 일부는 잠재적으로 위험할 수 있습니다.

  • 과열:지속적인 높은 수준의 미끄러짐은 컨버터의 방열 능력을 압도하여 컨버터 내부에 유체를 유지하는 엘라스토머 씰이 손상될 수 있습니다.이로 인해 장치가 누출되고 오일 부족으로 인해 기능이 중지됩니다.
  • 스테이터 클러치 고착:원웨이 스테이터 클러치의 내측 및 외측 요소는 영구적으로 함께 잠기므로 결합 단계 중에 스테이터가 회전하지 않습니다.대부분의 경우 클러치 구성 요소의 심한 부하와 그에 따른 왜곡에 의해 고착이 촉진됩니다.결국 접합부의 갈증이 일어나 발작을 일으킨다.스테이터 클러치가 고착된 컨버터는 커플링 단계에서 효율성이 매우 떨어지며, 자동차의 경우 연료 소비량이 급격히 증가합니다.이러한 조건 하에서 컨버터 과열이 발생하는 것은 보통입니다.
  • 스테이터 클러치 파손:갑자기 전원을 공급하면 스테이터 클러치에 충격 부하가 걸려 파손이 발생할 수 있습니다.이 경우 스테이터는 펌프와 반대 방향으로 자유롭게 역회전하며 동력 전달이 거의 이루어지지 않습니다.자동차의 경우, 그 영향은 변속기의 심각한 미끄러짐과 유사하며, 차량은 자체 동력으로는 거의 움직일 수 없습니다.
  • 블레이드 변형 및 플래그멘테이션:컨버터의 갑작스런 부하 또는 과도한 가열이 가해지면 펌프 및/또는 터빈 블레이드가 변형되거나 허브 및/또는 고리형 링에서 분리되거나 조각으로 분해될 수 있다.적어도 이러한 고장은 상당한 효율 손실을 초래하여 스테이터 클러치 고장에 따른 증상과 유사한 증상을 발생시킵니다.극단적인 경우 컨버터가 파괴될 수 있습니다.
  • 벌룬: 과도한 부하, 매우 갑작스러운 부하 적용 또는 매우 높은 RPM에서 토크 컨버터를 장시간 작동하면 내부 압력 및/또는 관성에 의해 가해지는 스트레스로 인해 컨버터 하우징의 모양이 물리적으로 왜곡될 수 있습니다.극단적인 상황에서 벌룬이 발생하면 컨버터 하우징이 파열되어 뜨거운 오일과 금속 파편이 광범위하게 분산됩니다.

제조원

현재의

과거.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Hydrodynamic couplings and converters. Automotive Handbook (3rd ed.). Robert Bosch. 1993. p. 539. ISBN 0-8376-0330-7.
  2. ^ "Espacenet - Original document". Worldwide.espacenet.com. 1933-03-07. Retrieved 2014-07-21.
  3. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2010-03-02. Retrieved 2009-10-31.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  4. ^ "The Sydney Morning Herald - Google News Archive Search". Archived from the original on 2016-05-12.

외부 링크

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