토크 컨버터(torque converter) 이해하기

 

컨버터는 엔진 크랭크 샤프트와 볼트로 체결되어 있는 플라이 휠에 볼트로 엔진과 기계적으로 연결되어 있으며, 엔진의 속도와 같은 속도로 회전한다. 엔진이 작동하게 되면 컨버터 펌프도 회전해 중앙부의 오일을 끌어내어 날개 사이로 방출하며 컨버터 펌프의 셀과 날개의 형상은 시계방향으로 회전하는 펌프에서 방출되어 터빈을 회전시키는 힘이 전달된다.

 

엔진이 아이들링 상태일 때 오일이 펌프에서 방출되는 힘은 터빈을 회전시킬 수 있는만큼 충분한 힘을 내지 못해 차가 아이들링 상태에서 정지 상태로 있게 된다. 스로틀이 열리고 펌프의 속도가 증가함에 따라 오일의 힘이 증가되고 엔진의 동력이 더욱 효율적으로 터빈과 기어계통에 전달된다.

 

오일은 터빈에 힘을 전달한 후 터빈의 셀과 날개를 따라 흘러서 엔진 회전방향과 반대인 반시계 방향으로 회전하는 오일을 역류시키려할 때 터빈에 의해 흡수된다. 만일 터빈으로부터 오는 반시계 방향으로 회전하고 있는 오일이 컨버터 펌프의 내측 부위를 계속해 흘러든다면 엔진 회전방향과 반대방향으로 펌프의 힘이 감소하게 될 것이다.

 

이것을 방지하기 위해 펌프와 터빈 사이에 스테이터가 설치되어 있다. 스테이터는 시계 방향으로만 회전할 수 있도록 한 방향으로 고정되어 있거나 원웨이 클러치가 설치되어 반시계 방향으로 회전하지 못한다. 스테이터의 역할은 터빈으로부터 되돌아오는 오일의 회전방향을 펌프의 회전방향과 같도록 바꾸어 주는 것이다.

 

따라서 오일의 에너지는 펌프를 돌리는 엔진의 동력을 보조해 주게 되고 터빈을 회전시키는 오일의 힘이 증가하게 되어 결과적으로는 엔진으로부터 오는 동력이나 토크가 증가하게 된다.

 

○ 토크 컨버터 구조

토크 컨버터는 크게 나누어 펌프 임펠러, 스테이터, 터빈 러너로 구성되어 있으며, 분해 및 조립을 할 수 없는 비분해식이다.

 

 

- 펌프 임펠러 : 드라이브 플레이트를 통해 클랭크샤프트에 연결되어 있다. 오일 펌프 스테이터는 우측 방향으로만 회전 가능한 원웨이 클러치를 통해 컨버터 하우징에 지지되어 있다.

 

- 터빈 러너 : 펌프 임펠러에서 전달된 구동력을 파워 트레인계에 전달하는 터빈 샤프트가 서플라인과 결합하고 있다. 토크 컨버터는 액체가 가득 채워진 하우징 내에 3개 요소가 들어 있으며, 펌프 임펠러는 용접되어 있으므로 엔진이 회전하면 같이 회전한다.

 

- 스테이터 : 스테이터는 토크 컨버터에서 토크 작용이라는 중요한 작용을 하고 있다. 스테이터는 전면에 자동변속기 오일이 부딪혀서 흐름을 바꾸고 있을 때는 펌프 임펠러가 터빈 러너에 비해 많이 회전하고 있다. 즉 회전 속도의 차가 클 때이다. 차이가 크면 펌프 임펠러에서의 자동변속기 오일이 터빈 러너에서 튕겨 나온다.

 

자동변속기 오일이 스테이터에 부딪쳐 각도를 바꾸어 펌프 임펠러에 되돌아올 때 토크의 증대 작용이 일어난다(스테이터는 스테이터 축을 통해서 고정되어 있음). 이때 만약 스테이터가 스테이터 축에 고정되어 있지 않고 펌프 임펠러의 회전 방향과 반대방향으로 회전했을 때 즉 스테이터가 역회전 했을 때는 반대로 전달효율이 떨어진다. 이유는 환류가 펌프 임펠러의 회전을 방해하기 때문이다.

 

- 원웨이 클러치 : 스테이터는 펌프 임펠러와 터빈 러너의 회전 속도의 차가 클 때는 유효하지만 반대로 회전속도가 적을 때는 토크 컨버터 내의 자동변속기의 흐름에 변화가 생기게 된다. 러너로 홀러 스테이터의 전면에 자동변속기 오일이 부딪쳐 흐름의 방향을 바꾸고 있었으나 회전차가 없어지게 되면 자동변속기 오일의 흐름도 대부분 와류상태가 되어 펌프 임펠러와 터빈 러너는 같은 속도로 회전하려 한다

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이때 스테이터가 스테이터 축에 고정되어 있으면 스테이터의 뒷면에서 자동변속기 오일이 흘러 들어가 스테이터도 다른 펌프나 터빈과 함께 회전하려고 한다. 이때 스테이터를 회전시키지 않으면 전달 효율이 나빠져 토크비는 1 이하가 된다. 이것을 방지하기 위해서 스테이터에는 펌프 임펠러의 회전방향과 같은 방향으로 돌리는 힘이 작용했을 때 회전하며, 반대 방향으로 힘이 가해졌을 때 고정되는 프리장치, 즉 원웨이 클러치가 설치되어 있다.

 

- 댐퍼클러치 : 토크 컨버터는 펌프 임펠러와 터빈 러너간의 회전차에 의해서 엔진의 동력이 변속기에 전달되는 구조입니다. 이 현상은 토크가 증대되면 컨버터 레인지에서 커플링 레인지로 변환되어 펌프 임펠러와 터빈 러너가 동일한 회전을 하기 때문에 미끄럼에 의한 손실이 크고 기계식 마찰 클러치에 비해서 약 10%정도 동력전달 효율이 떨어집니다. 따라서 펌프 임펠러와 터빈 러너의 사이에 기계식 마찰 클러치 또는 커플링 레이진의 경우와 같이 댐퍼클러치에 의해서 회전차가없도록 직결시켜 동력전달 효율 및 연비의 향상을 위해서 설치된 것이 댐퍼 클러치입니다.

 

 

○ 토크 컨버터는 왜 발열하는가?

 

토크 컨버터에서는 오일 쿨러가 왜 필요한가? 그것은 가혹한 운전을 하면 자동변속기 오일이 과열하므로 이 과열된 자동변속기 오일을 냉각하기 위한 것이다. 가장 과열되는 상태는 스톨 테스트를 할 때이다. 터빈 러너는 회전하지 않고 펌프 임펠러만이 엔진회전과 같은 회전수까지 회전하고 있으므로 그 때에는 토크 컨버터 내에서 모든 엔진 출력을 받는다.

 

즉, 토크 컨버터 내에서는 자동변속기 오일이 고속으로 흐르기 때문에 생기는 마찰이나 펌프 임펠러, 터빈 러너에서의 자동변속기 오일의 충돌 등 자동변속기 오일에 전달된 운동에너지가 모두 열로 변해 자동변속기 오일의 온도를 높인다. 따라서 스톨 테스트 때에는 반드시 5초 이내로 제한하지 않으면 자동변속기 오일은 비정상으로 고온이 되어 열화하게 된다.

 

컨버터는 스톨한 후에 어느 일정속도가 될 때까지 컨버터 레인지이며 이 상태는 펌프 임펠러와 터빈 러너에 회전속도의 차가 있다. 즉, 토크 컨버터가 미끄러지고 있는 것이며 엔진에서 자동변속기 오일에 전달된 운동 에너지의 일부가 열이 되어 자동변속기 오일의 온도를 높이게 된다.

 

또 정지때 D레인지에 넣고 브레이크 페달을 밟고 있을 때에도 가벼운 스톨 상태이므로 역시 자동변속기 오일의 온도는 상승한다. 특히 이 상태가 오래 계속되면 자동변속기 오일이 과열해서 산화를 촉진시켜 열화되며 오일 실을 경화시켜 나쁜 영향을 미친다.

 

스테이터가 작동하지 않으므로 이론상으로는 미끄러지고 잇다고 생각되지만 실제로는 약 8% 정도의 슬림이 있다. 이 슬림은 엔진 출력의 손실(loss)이며 토크 컨버터 내에 방열하고 있다. 이것으로 토크 컨버터 내에서 사용되는 자동변속기 오일은 온도가 상승하기 쉽다는 것을 이해할 수 있다.