토크컨버터

1 개요

토크컨버터(Torque converter)는 자동변속기에서 사용되는 장치로서 엔진과 유성기어(planetary gear) 사이에서 유체 커플링으로 동력을 전달하는 장치이다. 자동차의 주행 저항에 따라 자동적, 연속적으로 구동력을 변화시킬 수 있다.

2 구조

두 대의 선풍기가 마주 보고 하나의 선풍기가 회전해서 바람을 만들어 내면 맞은 편 선풍기가 이 바람을 맞고 따라서 도는 현상을 이용한 것이다. 위의 그림에서 파란색 부분이 엔진의 플라이휠과 기계적으로 물려서 돌아가는 부분으로 펌프 임펠러(pump impeller)라고 한다. 이 부분은 바람을 만들어 내는 선풍기라고 보면 된다. 특이한 점은 펌프가 토크컨버터의 바깥쪽을 감싸고 있다는 것이다. 펌프와 마주보고 있어서 펌프가 돌면 이에 따라 도는 선풍기, 즉 연두색 부분은 터빈 러너(turbine runner)이라고 한다. 이 터빈과 바퀴로 가는 동력축이 물려 있어서 펌프가 만들어 내는 유체의 흐름이 터빈을 돌려서 엔진의 동력을 동력축으로 전달하게 된다. 펌프와 터빈 사이에 있는 빨간색 부분을 스테이터(stator) 또는 고정자라고 한다. 스테이터는 한쪽 방향으로만 회전 가능한 일방향 클러치(one way clutch)를 통해 하우징에 지지되어 있다. 즉, 스테이터는 한 방향으로만 회전가능하고 반대방향으로는 회전 못한다.

2.1 스테이터

오일은 터빈 러너에 힘을 작용한 후 하우징과 날개를 따라서 흐르며, 엔진 회전방향과 반대방향으로 역류하려는 오일을 터빈 러너가 흡수한다. 만약, 터빈 러너에서 엔진 회전방향과 반대방향으로 회전하는 오일이 펌프 임펠러 안쪽으로 계속 들어온다면 엔진 회전방향과 반대방향으로 펌프 임펠러의 날개를 치게 되어서 펌프 임펠러의 힘이 감소하게 된다. 이를 방지하기 위해 펌프 임펠러과 터빈 러너 사이에 스테이터를 설치하게 된다.

이렇게 생겼는데 엔진 회전방향의 반대방향의 오일이 저 날개들에게 부딪쳐서 회전방향을 바꾸게 된다. 또한 이렇게 회전 방향을 바꾼 오일이 펌프 임펠러의 날개를 치므로 토크가 증가하게 된다.

하지만 이때 스테이터가 펌프 임펠러의 회전방향과 반대방향으로 회전할 경우에는 전달 효율이 떨어지기 때문에, 스테이터를 일방향 클러치 사이에 두고 스테이터 축에 설치한다.

3 원리

위의 그림에서 보듯이 유체의 흐름은 펌프→터빈→스테이터→펌프....로 반복되는 것을 알 수 있다. 토크컨버터에서 펌프와 터빈은 서로 어긋나서 회전한다. 즉 서로 마주보고 1:1로 동일한 속도로 회전하지는 않고 터빈이 펌프보다 약간 늦게 회전한다는 것이다. 그러면서 옆에서 보면 위의 그림과 같이 펌프에서 터빈, 그리고 스테이터로의 유체의 흐름이 지속되는 구조를 가지고 있다. 위의 동영상이나 아래 그림을 보면 펌프가 만들어낸 유체의 흐름이 터빈의 날개를 쳐서 회전하게 만들고 이 흐름이 스테이터를 거쳐 다시 펌프로 가는 것을 볼 수 있다.

4 특징

자동변속기에서 토크컨버터는 유체커플링을 이용하므로 엔진의 급격한 회전수 변화나 토크 충격이 동력 축으로 전달되지 않으며 반대로 노면이나 바퀴에서 생겨나는 충격도 동력축을 통해 엔진으로 전달되지 않는다. 그래서 승차감이 좋다. 현재 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. 그래서 대부분의 차량들은 고속운행시에 토크컨버터를 거치지 않고 직접 동력축과 엔진을 연결하는 Direct Lockup Clutch라는 것이 있어서 이게 작동하게 되면 자동변속기라도 유체커플링을 사용하지 않으므로 고속에서는 저속에서보다 연비가 더 좋다.

아래 첫번째 그림에서 터빈 임펠러와 Front Cover 사이에 락업 클러치가 있는 것이 보인다. 특정 속도 이상의 고속이 되면 아래 두번째 그림에서처럼 이 클러치가 Front Cover와 붙게 되어 직접 동력을 전달하게 된다. 맨 위에 있는 동영상을 보면 Lockup Clutch의 작동 방식이 보이는데 고속으로 회전하는 Front Cover에 클러치가 붙을 때 발생하는 충격을 줄이기 위해 회전형 댐퍼와 스프링이 장착되어 있다. Lockup Clutch는 1단으로 사용되지만 최근에는 2단 Lockup Clutch도 개발하고 있다.