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
위의 그림에서 파란색 부분이 엔진의 플라이휠과 기계적으로 물려서 돌아가면서 오일을 회전시키는 역할을 하는 펌프 임펠러(pump impeller)이다. 펌프 임펠러가 바람을 만드는 선풍기 역할을 한다. 특이한 점은 펌프가 토크컨버터의 바깥을 감싸고 있다는 것이다. 반대편 선풍기, 즉 펌프와 마주본 상태로 펌프가 돌면 이에 따라 도는 연두색 부분은 터빈 러너(turbine runner)라고 한다. 터빈 러너에 바퀴로 가는 동력축이 물려 있으며, 펌프가 유체의 흐름을 만들어내 터빈을 돌리는 형태로 엔진의 동력을 동력축으로 전달한다. 펌프와 터빈 사이에 있는 빨간색 부분은 스테이터(stator), 또는 고정자로 부른다. 스테이터는 한쪽 방향으로만 회전 가능한 단방향 클러치(one way clutch)를 사이에 두고 하우징에 고정되어 있다. 즉, 스테이터는 한쪽 방향으로만 회전할 수 있다. 펌프 임펠러, 터빈 러너, 스테이터를 각각 토크 컨버터의 3요소로 취급하며, 대부분의 토크 컨버터식 변속기에 사용한다.2.1. 스테이터
오일은 터빈 러너에 힘을 작용한 후 하우징과 날개를 따라서 흐르며, 엔진 회전방향과 반대방향으로 역류하려는 오일은 터빈 러너가 흡수한다. 만약 터빈 러너에서 엔진 회전방향과 반대로 회전하는 오일이 펌프 임펠러 안쪽으로 계속 유입될 경우, 엔진 회전방향과 반대로 움직이는 오일이 펌프 임펠러의 저항으로 작용해 펌프 임펠러의 힘이 감소하게 된다. 이를 방지하기 위해 펌프 임펠러와 터빈 러너 사이에 스테이터를 설치한다.#
이렇게 생겼는데 엔진 회전 방향과 반대로 회전하던 오일이 스테이터를 통과하면서 회전방향이 바뀌게 된다. 이렇게 회전 방향이 바뀐 오일이 펌프 임펠러에 힘을 더하면서 토크가 증가하게 된다. 만약 스테이터가 펌프 임펠러의 회전방향과 반대방향으로 회전할 경우에는 전달 효율이 떨어지기 때문에 스테이터를 설치할 때에는 단방향 클러치를 사이에 둔 스테이터 축에 설치한다.
3. 원리
두 대의 선풍기를 마주보게 세우고 한 쪽을 작동시켜 바람을 만들어내면 반대편의 선풍기가 이 바람을 맞아 따라서 도는 것과 같은 원리로 작동한다. 작동 중인 선풍기가 펌프, 바람이 유체, 반대편의 선풍기가 터빈이다. 유체는 펌프→터빈→스테이터 순으로 통과해 흐르며, 스테이터를 통과한 유체가 다시 펌프로 돌아가 힘을 받아 터빈으로 전달되며 순환한다. 토크컨버터의 펌프와 터빈의 회전 타이밍이나 속도는 동일하지 않고 터빈이 펌프보다 조금 더 늦게, 느리게 회전한다.4. 특징
토크 컨버터식 자동변속기는 유체 커플링을 이용하므로 엔진의 급격한 회전수 변화나 토크 충격이 동력 축으로 전달되지 않고, 반대로 노면이나 바퀴를 통해 전달되는 충격도 동력축을 타고 엔진으로 전달되지 않아 승차감이 안정적이다. 현재 대한민국에서 판매되는 승용차의 90% 이상이 자동변속기를 장착하고 있다. 다만 유체커플링을 사용해 간접적으로 동력을 전달하는 만큼 수동변속기처럼 직접 동력을 전달하는 방식에 비해 동력 손실이 커 연비가 좋지 않다.[1] 그래서 대부분의 차량들은 고속운행시에 토크컨버터를 거치지 않고 직접 동력축과 엔진을 연결할 수 있도록 락업 클러치를 별도로 장착한다. 락업 클러치 작동 조건을 충족하면 유체커플링을 사용하지 않고 엔진 동력을 동력축으로 바로 전달하므로 고속 연비가 개선된다.[2]아래 첫 번째 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 동영상에서는 락업 클러치의 작동 방식도 소개하는데, 고속으로 회전하는 Front Cover에 클러치가 붙을 때 발생하는 충격을 줄이기 위해 회전형 댐퍼와 스프링이 장착되어 있다. 보통 1단이지만 최근에는 2단 락업 클러치도 개발되고 있다.