새시 05 > 유체클러치, 토크컨버터

1. 유체 클러치(Fluid Clutch)

(1) 유체 클러치의 작동 원리

유체 클러치는 2개의 날개 차 사이에 오일을 가득 채운 후 한쪽의 날개 차를 회전시키면 오일은 원심력에 의해 상대편 날개 차를 회전시킬 수 있다. 이 작용을 이용하여 엔진의 동력을 오일의 운동 에너지로 바꾸고, 이 에너지를 다시 토크로 바꾸어 변속기로 전달하는 장치이다.

 

(2) 유체 클러치의 구조(構造)

유체 클러치는 엔진 크랭크축에 펌프[pump 또는 임펠러(impeller)], 변속기 입력축에 터빈[turbine 또는 러너(runner)]을 설치하고, 오일의 맴돌이 흐름(와류;渦流)을 방지하기 위하여 가이드 링(guide ring)을 두고 있다. 그리고 유체 클러치의 날개는 모두 반지름 방향으로 직선 방사선 상을 이루고 있다.

 

(3) 유체 클러치의 작동

엔진에 의해 펌프가 회전을 시작하면 펌프 속에 가득 찬 오일은 원심력에 의해 밖으로 튀어 나간다. 그런데 펌프와 터빈은 서로 마주보고 있으므로 펌프에서 나온 오일은 그 운동 에너지를 터빈의 날개 차에 주고 다시 펌프 쪽으로 되돌아오며, 이에 따라서 터빈도 회전하게 된다.

 

 

   

펌프가 회전할 때 오일 작용                                                                       펌프의 회전과 오일의 흐름

    이때 오일은 맴돌이 흐름(vortex flow)을 하면서 회전 흐름(rotary flow)을 한다. 그리고 오일의 순환을 최대한 이용하기 위해서는 손실을 최소화하여야 한다. 이에 따라 원형(圓形)으로 함으로서 마찰 손실과 충돌 손실을 최소화시키고 있다.

오일의 회전 및 맴돌이 흐름

   그러나 맴돌이 흐름 내부에서는 오일 충돌이 발생하여 효율을 저하시킨다. 이를 방지하기 위해 가이드 링(가이드 코어라고도 함)을 그 중심부에 두어 오일 충돌이 감소되도록 하고 있다.

유체 클러치 안에서 오일에 주어지는 운동 에너지의 크기는 아래 그림 (펌프 날개의 크기와 오일의 운동 에너지)에서와 같이 설명된다. 즉 펌프 날개 위의 A, B, C D의 각 점이 날개와 함께 90°회전하여 각 A, BCD점에 도달하였다고 하면 호 AA, BBCCDD의 길이는 A, B, C D점에서는 그 접선 방향으로 연장하여 얻은 Aa, Bb, Cc Dd의 궤적 Od로 표시된다. 이것은 날개의 각 점이 표시하는 속도가 중심으로부터 멀수록 빨라진다는 것을 의미한다. 오일의 운동 에너지는 펌프의 지름이 커짐에 따라 증가하며, 또한 같은 크기일 경우에는 회전속도가 빠를수록 증가한다. 유체 클러치는 일종의 자동 클러치이다. 따라서 터빈의 회전속도가 증가하여 펌프와 같은 속도가 되었을 때에는 오일의 순환 운동이 정지된다. 이때 토크 변환율은 11이 되어 마찰 클러치와 같은 역할을 한다.

가이드 링                                           펌프 날개의 크기와 오일의 운동 에너지

(4) 유체 클러치의 성능

      유체 클러치는 터빈의 회전속도가 펌프의 회전속도와 거의 같아 졌을 때 최대 효율로 토크를 전달한다. 펌프가 터빈보다 훨씬 빨리 회전할 때에는 터빈에 전달되는 토크 효율이 작아진다. 이것은 펌프가 터빈보다 빨리 회전할 때 오일은 터빈 날개에 매우 큰 힘으로 전달된다. 이 오일은 터빈 날개를 때리고 나서 펌프를 회전 반대 방향으로 다시 때린다. 이 힘은 펌프가 효율적으로 작용하는 것을 방해하고, 펌프와 터빈의 회전속도 차이가 클 때에는 펌프 토크의 많은 부분이 이 힘을 이겨내기 위해 사용된다. 이에 따라 유체 클러치에 의해 토크 손실이 발생한다. 이를 방지하고 유체 클러치와는 반대로 토크를 증대시키기 위해 토크 컨버터를 개발하였다.

    유체 클러치에서는 오일이 순환 운동을 하지 않으면 토크가 전달되지 않는다. 따라서 오일에 항상 순환 운동을 할만큼의 운동 에너지를 남겨 두지 않으면 안 된다. 또한 오일이 보유한 순환 운동의 에너지만큼 미끄럼(slip)이 되어 터빈이 받는 에너지는 엔진의 에너지 보다 작게 된다. 실제에 있어서 유체 클러치의 펌프와 터빈 사이의 토크 비율은 미끄럼 때문에 11이 되지 못한다. 미끄럼 값은 23%이며, 전달 효율 η는 최대 98%정도이다.

 

(5) 유체 클러치 오일의 구비 조건

점도가 낮을 것 비중이 클 것

착화점이 높을 것 내산성이 클 것

유성이 좋을 것 비등점이 높을 것

응고점이 낮을 것 윤활성이 클 것

 

2. 토크 컨버터(Torque Converter)

(1) 토크 컨버터의 개요

    토크 컨버터는 그 내부에 오일 가득 채우고 자동차의 주행 저항에 따라 자동적, 연속적으로 구동력을 변환시킬 수 있으며 그 기능은 다음과 같다.

엔진의 토크를 변속기에 원활하게 전달하는 기능

토크를 변환시키는 기능

토크를 전달 때 충격 및 크랭크축의 비틀림 완화 등의 기능을 한다.

자동차에서는 특별한 경우를 제외하고는 대부분 3요소 12상형을 사용하고 있으며 1단의 토크 컨버터로 얻을 수 있는 최대 토크 비율은 41정도이며 효율은 80% 정도이다. 최대 효율을 90% 이상 유지하려면 최대 토크 비율을 2.02.51로 해야 하며, 더욱 큰 토크 비율을 얻으려면 1단 또는 3단으로 해야 한다. 이때 최대 토크 비율은 461정도가 된다. 그러나 이것은 자동차보다도 건설 기계에서 많이 사용되고 있다. 토크 컨버터는 펌프에 의하여 엔진의 기계적 에너지를 오일의 운동 에너지로 변환하여 터빈을 구동시키고 다시 기계적 에너지로 변환시켜 변속기 입력축에 동력을 전달한다. 즉 엔진의 플라이 휠에 조립된 펌프가 회전하면 토크 컨버터 하우징 내의 오일을 원심력에 의하여 터빈으로 보내서 변속기 입력축에 동력을 전달한다. 터빈에서 나온 오일은 정지되어 있는 스테이터를 통과하면서 그 흐름 방향이 바뀌어 다시 펌프로 들어가 순환한다. 이때 펌프, 터빈, 스테이터가 받는 토크의 크기를 각각 Tp, Tt, Ts라고 하고, 그 회전 방향을 고려하여 (+), ()로 하면 다음의 식이 성립된다.

, 이 경우 마찰 등으로 인한 에너지 손실은 없는 것으로 한다. 따라서 터빈이 받는 토크, 즉 변속기 입력축이 받는 토크 Tt는 펌프를 회전시키는데 필요한 엔진의 토크 Tp에 스테이터가 오일로부터 받는 토크 Ts만큼 증가한다. 이것이 토크 컨버터를 사용하였을 때 토크를 변환시킬 수 있는 이유이다. 아래 그림의 (a)와 같은 기구에서 물을 분출할 경우를 생각하면 단위 시간에 출구로부터 질량 m의 물이 V의 흐름 속도로 분출되면 반대 방향으로 F =mV의 반발력이 생긴다. 따라서 이 물 탱크는 전진하게 될 것이다. 한편 그림의 (b)에서 날개가 평면 판일 경우에는 P의 힘만 발생하지만, 또 여기서 그림(c)과 같이 스테이터를 설치하면 2P+2R이라는 큰 힘이 발생되어 토크가 매우 크게 증대된다.

토크 증가의 원리

그러나 이 경우 엔진의 출력 L은 일정하므로 엔진으로부터의 입력 이상의 출력을 얻을 수는 없다.

엔진의 출력 L이 일정할 때 토크 T가 증가되려면 회전속도 N이 작아야 한다. 따라서 터빈의 토크 Tt가 펌프의 토크 Tp보다 크게 되려면 그 회전속도 Nt는 펌프의 회전속도 Np보다 작아야 한다. 이에 따라 마찰 등에 의한 에너지 손실이 없다고 가정하면 이들 사이에는 항상

의 관계가 성립한다. 이 관계는 2개의 크고 작은 기어로 회전시킬 경우 큰 기어 쪽은 작은 기어 쪽보다 전달 토크는 커지고, 회전속도는 낮아지는 경우와 같은 원리이다.

(2) 토크 컨버터의 구조

      토크 컨버터는 펌프[pump 또는 임펠러(impeller)], 스테이터(stator), 터빈[turbine 또는 러너(runner)]으로 구성되어 있으며 비분해 방식이다. 펌프는 구동 판을 통해 크랭크축에 연결되어 있으며, 스테이터는 한쪽 방향으로만 회전 가능한 원 웨이 클러치(one way clutch ; 일방향 클러치)를 통해 토크 컨버터 하우징에 지지되어 있다. 그리고 터빈은 펌프에서 전달된 구동력을 동력 전달 계통으로 전달하는 변속기 입력축과 스플라인으로 결합되어 있으며, 토크 컨버터는 오일이 가득 채워진 하우징 내에 이들 3요소가 들어 있다. 또 토크 컨버터는 엔진 플라이 휠에 볼트로 체결되어 있다.

토크 컨버터의 구성

(3) 토크 컨버터의 기능

토크 컨버터는 2가지 주요 기능을 가지고 있다. 그 하나는 토크 컨버터는 엔진의 동력을 오일을 통해 변속기로 원활하게 전달하는 유체 커플링의 기능이고, 또 다른 하나는 엔진으로부터 토크를 증가시켜 주는 역할을 한다.

스테이터가 없는 경우 오일의 흐름

         그리고 펌프는 엔진 플라이 휠과 기계적으로 연결되어 있으며, 엔진이 작동될 때 엔진의 회전속도와 같은 속도로 회전한다. 따라서 엔진이 작동하면 펌프도 회전을 하여 중앙부의 오일을 날개로 방출한다. 펌프의 날개 사이에서 배출된 오일은 터빈의 날개를 치게 되므로 터빈을 회전시킨다. 엔진이 공전 상태일 때에는 펌프에서 배출되는 오일의 힘은 터빈을 회전시킬 수 있는 만큼 충분하지 못하므로 공전 상태에서 정지 상태로 있게 된다. 가속 페달을 밟아 엔진이 가속되어 펌프의 속도가 증가함에 따라 오일의 힘이 증가되어 엔진의 동력이 터빈과 변속기로 전달된다. 오일은 터빈에 힘을 전달한 후 하우징과 날개를 따라서 흐르며, 엔진 회전 방향과 반대 방향으로 역류하려는 오일을 터빈이 흡수한다. 만약, 터빈에서 반시계 방향으로 회전하는 오일이 토크 컨버터 펌프의 안쪽으로 계속해 들어온다면 엔진 회전 방향과 반대 방향으로 펌프의 날개를 치게 되어 펌프의 힘이 감소하게 된다. 이것을 방지하기 위해 펌프와 터빈 사이에 스테이터가 설치되어 있다. 스테이터에는 원 웨이 클러치가 설치되어 반 시계 방향으로 회전하지 못하도록 되어 있다.

스테이터의 역할은 터빈으로부터 되돌아오는 오일의 회전 방향을 펌프의 회전 방향과 같도록 바꾸어 주는 것이다. 따라서 오일의 에너지는 펌프를 회전시키는 엔진의 동력을 보조해 주게 되며, 터빈을 회전시키는 오일의 힘을 증가시키게 되어 엔진으로부터 나오는 동력과 토크가 증가한다.

스테이터가 정지되어 있을 때의 오일의 흐름                                               스테이터가 회전할 때 오일의 흐름

 

(4) 유체 클러치와 토크 컨버터의 차이점

유체 클러치와 토크 컨버터의 날개 형상은 아래 그림과 같이 유체 클러치의 펌프와 터빈의 날개는 각도가 없이 방사선 상으로 되어 있고 토크 컨버터는 펌프와 터빈의 날개에 각도가 있으며, 또 이들 사이에는 스테이터가 있다. 또 토크 변환 비율은 유체 클러치가 11을 넘지 못하는데 비해 토크 컨버터는 231의 토크를 변환을 할 수 있다.

    그 이유는 유체 클러치에서는 펌프 날개에서 오일이 평면 모양의 터빈 날개에 다음 페이지 그림의 (a)에 나타낸 것과 같이 충돌하여 터빈에 충격력 P를 준다고 생각할 수 있다. 이때 터빈이 움직인다고 하여도 그 속도가 오일의 속도보다 빠르지 못하며, 또 충격력도 오일이 지닌 운동량보다 크게 되지 않는다. 따라서 유체 클러치에서는 전달 토크가 구동 쪽(펌프)과 피동 쪽(터빈)이 대체로 같아져 토크를 증대시키지 못한다. 그러나 날개에 각도를 두어 그림의 (b)와 같이 하고 오일을 그림에 화살표 방향으로 흐르게 하면 오일이 그 방향을 90°바꾸는 사이에 충격력 P를 피동 쪽에 주고 다시 90°의 방향 변환을 하여 유출할 때까지 반동력 R을 준다(이때 날개 면과의 사이에 마찰이 없다고 가정한다). P=R이므로 피동쪽 날개에 주는 힘을 더 증가시키려면 구동쪽 날개에도 각도를 두고 대향시키면 된다. 이와 같은 이유로 토크 컨버터는 토크를 변환시킬 수 있다. 그러나 날개에 각도를 두는 것만으로는 마찰 손실이 증가하거나 흐름의 간섭이 발생하므로 계획한 토크 변환을 얻을 수 없다. 이에 따라 실제로는 오일의 흐름 방향을 적극적으로 바꾸어 피동쪽 날개에서 나오는 흐름의 속도를 빨리 하여 구동쪽 날개로 되돌아가도록 하는 스테이터를 두고 있다.

                               날개에 각도를 둔 경우

(5) 스테이터(stator)의 작용

     스테이터는 토크 컨버터에서는 토크 변환 작용이라는 중요한 작용을 하고 있다. 스테이터는 앞쪽에 오일이 부딪쳐서 흐름 방향을 바꾸고 있는 경우는 펌프가 터빈에 비해 더 많이 회전하고 있다. 즉 회전 속도의 차이가 클 때이다. 회전 속도의 차이가 크면 펌프에서의 오일이 아래 그림과 같이 터빈에서 튕겨 나온다. 오일이 스테이터에 부딪쳐 각도를 바꾸어 펌프로 되돌아 올 때 토크 증대 작용이 일어난다(스테이터는 스테이터 축을 통해서 고정되어 있다). 이때 만약 스테이터가 스테이터 축에 고정되어 있지 않고 펌프의 회전 방향과 반대 방향으로 회전했을 때 즉 스테이터가 역회전했을 때는 전달 효율이 떨어진다. 그 이유는 역류하는 오일이 펌프의 회전을 방해하기 때문이다.

스테이터의 작용

또한 스테이터는 원 웨이 클러치(프리 휠링 또는 일방향 클러치라고도 함)를 사이에 두고 스테이터 축에 설치되어 있다. 따라서 펌프가 터빈의 회전 속도보다 빠른 동안, 스테이터는 스테이터 축에 고정되어 오일 흐름의 방향을 바꾸어 주는 역할을 한다. 그러나 터빈의 속도가 펌프 속도의 8/10(, 속도 비율 0.8) 정도로 접근되면 오일의 흐름이 스테이터 뒷면에 작용하게 되어 스테이터도 펌프나 터빈의 방향으로 같이 회전하게 된다. 이때 토크 컨버터는 유체 클러치로 작용한다.

 

(6) 토크 컨버터의 작용

토크 컨버터 각 요소에 작용하는 토크는 오일의 각 운동량과 직접적인 관계가 있다. 각 요소의 날개는 오일이 통과하는 동안 각 운동량이 변화하도록 설계되어 있으며, 이와 같은 각 운동량의 변화에 의해 각 축으로 토크가 전달된다. 토크 컨버터 내부의 오일 순환은 펌프에 의해 시작되는데, 펌프가 회전함에 따라 펌프 내에 들어있는 오일이 원심력에 의해 출구 쪽으로 분출되며 곧이어 터빈의 입구로 들어간다. 터빈에 유입된 오일은 날개 차를 지나는 동안 각 운동량이 변화되어 출구를 통하여 분출되고 이 과정에서 터빈은 펌프와 같은 방향으로 토크를 받으면서 회전하기 시작한다. 그러나 터빈의 출구로 분출된 오일은 펌프의 회전 방향과 반대 방향의 속도 성분을 지니게 되므로 스테이터를 통하여 펌프와 같은 방향의 속도 성분을 갖도록 흐름 방향을 바꾸어 펌프에 각 운동량을 더해준다. 스테이터는 반지름 변화에 의한 각 운동량의 변화보다는 터빈에서 분출되는 오일 흐름 방향을 펌프의 회전 방향과 같게 해주는 것이 주 기능이다.

토크 컨버터 내에서의 오일 흐름

1) 터빈이 정지하고 있을 때[스톨(stall)일 때]

    그림은 터빈이 정지하고 있을 때의 오일의 흐름을 보인 것이다. 펌프가 회전하면 오일은 화살표 P방향으로 나와 터빈에 운동 에너지를 전달하고 P방향으로 흘러 들어간다. 이때 스테이터는 터빈에서 흘러나오는 오일을 처음의 방향 즉, P과 같은 P방향으로 바꾸어준다. 이 스테이터에 의해 방향을 바꾼 오일은 펌프에서 새롭게 나오는 오일과 합세하여 터빈을 회전시키는 힘에 합세한다. 이 오일은 상당히 큰 운동 에너지를 가지고 있으며 펌프 날개의 뒷면에 작용하게 된다. 이때 터빈이 정지 상태(자동차가 정지 상태)에 있으므로 토크 변환 비율은 최대(231)가 된다.

 

2) 터빈이 펌프의 1/2 회전을 할 때(속도가 증가될 때)

그림은 터빈이 펌프의 1/2 회전을 할 때의 오일의 흐름을 보인 것이다. 이때에도 오일은 터빈이 정지된 경우와 마찬가지로 P방향에서 터빈에 운동 에너지를 전달하고 PP의 방향으로 흐른다. 그러나 이때에는 터빈의 회전 속도가 펌프의 1/2이므로 P의 방향이 1)의 경우의 1/2 정도 터빈의 회전 방향으로 곡선이 된다. 따라서 스테이터에 의한 오일의 흐름 방향의 변환이 감소된다. 이 경우 토크의 변환 비율은 터빈이 정지된 경우의 1/2정도(1.51)가 된다.

3) 펌프와 터빈의 회전 속도가 거의 같아졌을 때(정속 주행)

그림은 펌프와 터빈의 회전 속도가 거의 같아졌을 때 즉, 터빈과 펌프의 속도 비율(NT/NP)9/10 정도가 되었을 때의 오일 흐름을 보인 것이다. 이때에는 터빈의 회전 속도가 펌프의 회전 속도와 거의 같으므로 터빈을 떠나는 오일의 방향이 펌프의 회전 속도와 거의 같으므로 터빈을 떠나는 오일의 방향이 펌프의 회전 방향과 거의 일치한다. 따라서 스테이터는 그 뒷면에서 오일의 작용을 받아 원 웨이 클러치 작용을 하여 펌프 및 터빈과 함께 회전하게 된다. 이때 토크 컨버터로서의 기능은 정지되며 유체 클러치로서 작동하게 된다. 토크 변환 비율은 유체 클러치와 마찬가지로 11이 된다.

펌프와 터빈의 회전 속도가 거의 같아졌을 때

 

(7) 원 웨이 클러치(One Way Clutch ; 일방향 클러치)의 기능

     스테이터는 펌프와 터빈 러너의 회전 속도의 차이가 클 때는 유효하지만 반대로 회전 속도가 적을 때는 토크 컨버터 내의 오일 흐름에 변화가 생기게 된다. 오일이 터빈으로 흘러 스테이터의 앞쪽에 부딪쳐 흐름의 방향을 바꾸고 있었으나 회전 차이가 없어지면 오일의 흐름도 대부분 맴돌이 상태가 되어 펌프와 터빈은 같은 속도로 회전하려 한다. 이때 스테이터가 스테이터 축에 고정되어 있으면 스테이터의 뒷면에서 오일이 흘러 들어가 스테이터도 펌프 나 터빈과 함께 회전하려고 한다. 이때 스테이터를 회전시키지 않으면 전달 효율이 불량해져 토크 비율은 1 이하가 된다. 이것을 방지하기 위해서 스테이터에는 펌프의 회전 방향과 같은 방향으로 회전시키는 힘이 작용했을 때 회전하며, 반대 방향으로 힘이 가해졌을 때 고정시키는 원 웨이 클러치를 두고 있다.

원 웨이 클러치의 형식

  스테이터가 회전을 시작하는 시점을 클러치 포인트(clutch point)라고 한다. 이것을 경계로 하여 유체 클러치로 변환되어 토크 증대 작용이 일어나지 않기 때문에 토크 변환 비율은 1이 된다. 만약 스테이터의 원 웨이 클러치가 고착되거나 회전 방향으로 회전하지 않을 때 스톨 테스트의 결과는 양호하더라도 어느 속도(7080km/h) 이상이 되면 주행 속도가 올라가지 않고 과열하기 쉽게 된다.

스프래그형 원 웨이 클러치의 작동

(8) 토크 컨버터의 오일 회로

토크 컨버터 내에서는 펌프와 터빈 및 스테이터 사이에는 항상 오일이 순환하므로 오일의 충돌 손실(shack loss)과 마찰 손실(friction loss)이 존재하게 되는데 이로 인해 효율은 항상 1보다 작아진다. 그런데 오일의 충돌과 마찰에 의한 동력 손실은 모두 열에너지로 변환되므로 토크 컨버터 내의 오일 온도는 매우 상승하게 된다. 따라서 과도한 온도 상승을 피하기 위해 토크 컨버터 내의 오일을 외부와 연결된 냉각 회로로 순환시킬 필요성이 있다.

1) 댐퍼(록업) 클러치가 없는 토크 컨버터의 오일 회로

그림은 댐퍼 클러치가 없는 토크 컨버터 내의 오일이 외부로 순환되는 경로의 예를 나타낸 것이다. 먼저 오일이 펌프의 허브와 스테이터 축 사이로 들어오면서 펌프와 터빈의 순서로 순환되고 터빈의 허브 부분을 통해 스테이터 축 사이로 유출되어 냉각기로 보내진다.

토크 컨버터 오일의 외부 순환 회로

2) 댐퍼 클러치가 있는 토크 컨버터의 오일 회로

댐퍼 클러치가 있는 토크 컨버터는 기본적으로는 댐퍼 클러치가 없는 토크 컨버터의 구조와 같다. 다만, 댐퍼 클러치가 터빈과 토크 컨버터 커버(프런트 커버라고도 함)사이에 설치되어 있는 점이 다르다.

먼저, 댐퍼 클러치가 작동 될 경우에는 그림(a)와 같이 토크 컨버터 허브 안쪽 면과 펌프와 스테이터 축 사이를 통하여 토크 컨버터 내에 가해진다. 따라서 오일은 펌프와 터빈을 거쳐 댐퍼 클러치의 오른쪽 면에 작용하여 댐퍼 클러치 판을 왼쪽으로 밀게 된다.

한편 댐퍼 클러치의 왼쪽 면과 토크 컨버터 사이에 있던 오일은 댐퍼 클러치가 왼쪽으로 밀리게 되면 터빈 축에 마련된 오일 통로를 통하여 배출된다. 이 상태에서는 토크 컨버터 내에서 오일 흐름은 없어지고 냉각을 위한 외부 순환도 필요 없게 된다. 댐퍼 클러치를 해제시킬 경우에는 그림(b)와 같이 오일을 입력축에 마련된 오일 통로를 통하여 댐퍼 클러치 왼쪽 면에 작용시키면 오일에 의해 댐퍼 클러치를 오른쪽으로 밀면서 댐퍼 클러치 판과 토크 컨버터 커버 사이로 흘러 나가므로 댐퍼 클러치가 해제된다. 이때 오일은 댐퍼 클러치 제어 솔레노이드 밸브(DCCSV)에 의해 제어된다.

한편 댐퍼 클러치가 작동하고 있을 때에는 엔진의 동력이 댐퍼 클러치를 통하여 직접 변속기 입력축에 전달되므로 토크 컨버터에서 오일에 의한 동력 손실과 열 발생은 없게 된다. 따라서 이 경우에는 토크 컨버터 내의 오일을 외부로 순환시키지 않도록 유압 제어 계통이 설계되어 있다. 오일의 외부 순환과 함께 토크 컨버터에는 일정 수준의 압력이 가해진다. 이것은 토크 컨버터 내부의 급격한 압력 변화에 의해 발생할 수 있는 공동 현상(cavitation)을 방지하기 위함이다.

댐퍼 클러치 작동과 해제일 때의 오일 흐름

(9) 토크 컨버터의 장?단점

토크 컨버터의 고유 기능인 토크 증대 작용에 있어 저속에서의 출발 성능을 향상시켜 언덕 출발에서와 같은 경우 운전을 매우 용이하게 해 준다.

자동차가 정지하였을 때 오일의 미끄럼에 의해 엔진이 정지되지 않는다. 즉 수동 변속기와 같이 별도의 동력 차단 장치(클러치)가 필요 없다.

펌프로 입력되는 엔진의 동력이 오일을 매개로 변속기에 전달되므로 엔진으로부터 비틀림 진동을 흡수하므로 비틀림 댐퍼(torsional damper)를 설치하지 않아도 된다.

엔진의 동력을 차단하지 않고도 변속이 가능하므로 변속 중에 발생하는 급격한 토크의 변동과 구동축에서의 급격한 하중 변화도 부드럽게 흡수할 수 있다.

또한 토크 컨버터의 단점은 펌프와 터빈 사이에 항상 오일의 미끄럼이 발생하므로 효율이 매우 저하된다. 따라서 효율 향상을 위해 토크 컨버터 내에 댐퍼 클러치를 설치하여 특정 운전 조건에서는 엔진의 동력을 오일을 거치지 아니하고 직접 터빈으로 전달하도록 하고 있으며, 그 결과 댐퍼 클러치의 내부에 비틀림 댐퍼를 두어야 한다. 이와 같은 댐퍼 클러치의 설치로 인해 효율은 향상되었으나 토크 컨버터의 구조가 복잡하게 되고 무게와 가격이 상승한다. 따라서 일부에서는 비틀림 댐퍼를 설치하는 대신 댐퍼 클러치에 약간의 미끄럼을 허용하는 방식으로 비틀림 진동을 흡수하기도 한다. 이 경우 댐퍼 클러치가 작동하고 있는 상태에서는 토크 증대 작용은 없어진다.

 

3. 댐퍼 클러치(damper clutch) 

(1) 댐퍼 클러치의 기능

댐퍼 클러치는 자동차의 주행속도가 일정 값에 도달하면 토크 컨버터의 펌프와 터빈을 기계적으로 직결시켜 미끄러짐에 의한 손실을 최소화하여 정숙성을 도모하는 장치이며, 터빈과 토크컨버터 커버 사이에 설치되어있다. 동력 전달 순서는 엔진 프런트 커버 댐퍼 클러치 변속기 입력축이다.

 

(2) 댐퍼 클러치(Damper Clutch)제어와 관련 센서들의 기능

1) 댐퍼 클러치 제어 방법

자동변속기를 설치한 차량에서 동력 손실의 대부분은 토크 컨버터의 미끄러짐이 대부분이다. 이를 방지하기 위해 컴퓨터는 댐퍼 클러치가 작동하지 않는 영역의 판정과 엔진 회전속도, 터빈의 회전속도, 스로틀 밸브 열림량 보정 등의 결과를 댐퍼 클러치 제어 판정 영역과 비교하여 댐퍼 클러치의 작동, 비 작동 및 슬립율을 결정하여 댐퍼 클러치 컨트롤 솔레노이드 밸브(DCCSV ; Damper Clutch Control Solenoid Valve)의 구동 신호를 출력한다. 댐퍼 클러치 컨트롤 솔레노이드 밸브의 제어는 35Hz로 듀티 제어되며 솔레노이드 밸브의 응답성을 높이기 위해 각각의 펄스를 시작할 때 수 mS(milli second) 동안 높은 전압(12)을 부과하고 있다. 그리고 댐퍼 클러치 작동은 아래의 조건을 만족하는 경우에 이루어진다.

변속 패턴이 2, 3, 4(파워/이코노미 공통)

터빈 회전속도와 스로틀 밸브 열림량과의 관계가 작동 영역 내에 있는 경우

자동 변속기 오일(ATF)온도가 70이상

댐퍼 클러치 제어 방법

2) 댐퍼 클러치 제어 관련 센서들의 기능

오일 온도(유온) 센서:댐퍼 클러치 비 작동 영역 판정을 위해 자동 변속기 오일(ATF) 온도를 검출한다.

② 스로틀 포지션 센서(TPS)댐퍼 클러치 비 작동 영역 판정을 위해 스로틀 밸브의 열림량을 검출한다.

③ 에어컨(A/C) 릴레이 스위치(S/W)댐퍼 클러치 작동 영역 판정을 위해 에어컨 릴레이의 ON, OFF를 검출한다.

④ 점화 신호스로틀 밸브 열림량 보정과 댐퍼 클러치 작동 영역 판정을 위해 엔진 회전속도를 검출한다.

⑤ 펄스 제너레이터-B댐퍼 클러치 작동 영역 판정을 위해 변속 패턴 정보와 함께 트랜스퍼 피동 기어 회전속도를 검출한다.

⑥ 가속 페달 스위치댐퍼 클러치 비 작동 영역을 판정하기 위하여 가속 페달 스위치의 ON, OFF를 검출한다.

댐퍼 클러치 제어 흐름

3) 댐퍼 클러치 제어를 위한 정보

① 엔진 회전속도 연산엔진 회전속도 연산은 점화 펄스(2 pulse/회전)에 의해 연산한다.

② 스로틀 밸브 열림량 보정스로틀 밸브 열림량 보정은 스로틀 포지션 센서(TPS)출력 값을 기초로 하여 보정 및 에어컨 스위치를 ON으로 하였을 때 엔진의 공 회전 보정을 한다. 이들 보정에 의해 운전 상황에 의한 스로틀 밸브의 열림량과 엔진 출력 차이를 수정한다.

③ 변속 패턴변속 패턴 제어에 의해 현재 어느 변속 단에 있는가를 댐퍼 클러치 비 작동 구간 및 터빈 러너 회전속도 연산 회로에 입력한다.

④ 터빈 회전 속도 연산터빈 회전 속도 연산은 펄스 제너레이터 B와 변속 패턴에 의해 터빈 회전 속도를 연산한다.

⑤ 파워(POWER) ON/OFF 판정파워 ON/ OFF 판정은 엔진 회전속도와 스로틀 밸브 열림 상태를 TCU내의 패턴과 비교하여 파워 ON/OFF 상태를 검출한다.

댐퍼 클러치 비 작동 구간 판정 아래의 조건을 감시하여 하나라도 조건이 만족하는 경우에는 댐퍼 클러치 비 작동 구간으로 판정한다.

스로틀 밸브 열림량이 급격히 감소한 때

POWER OFF 영역 일 때

1속 또는 후진을 할 때

가속 페달을 밟고 있지 않을 때(가속 페달 스위치 ON)

자동 변속기 오일(ATF) 온도가 65이하 일 때

⑦ 댐퍼 클러치 비 작동 제어 판정컴퓨터(TCU) 내에는 그림에 나타낸 것과 같이 작동 구간 MAP과 목표 슬립량이 프로그램 되어 있고 스로틀 밸브 열림량과 터빈 회전속도에 따라 댐퍼 클러치를 작동시키도록 구동 신호를 출력한다. 댐퍼 클러치 슬립량은 엔진 회전속도와 터빈 회전속도에 의해 연산되어 목표 슬립량에 근접하도록 제어한다. 그리고 댐퍼 클러치 비 작동 명령이 입력된 경우에는 댐퍼 클러치를 작동하지 않는다.

⑧ 비교 회로댐퍼 클러치 작동 제어 판정 회로에 의해 출력된 구동 신호와 타이머로부터의 신호를 받아서 댐퍼 클러치 컨트롤 솔레노이드 밸브에 구동 신호를 출력한다.

⑨ 페일 세이프(fail safe)회로페일 세이프 회로는 컴퓨터가 장치의 이상을 감지하여 페일 세이프 상태로 한 경우 구동 신호를 정지시키는 회로이다. 이 회로에 의해 페일 세이프일 때 댐퍼 클러치는 해제된다.