유체 커플링

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1. 개요
2. 역사
3. 작동 원리 및 특징
4. 응용 분야
5. 제조
6. 특허
참조

1. 개요

유체 커플링은 밀폐된 용기 안의 두 터빈 임펠러 사이에서 유압유의 흐름을 이용하여 동력을 전달하는 장치이다. 헤르만 푈팅어의 1905년 특허를 시작으로, 1930년대에 자동차 및 디젤 기관차에 적용되었으며, 이후 산업 현장, 철도, 항공 분야 등 다양한 곳에서 활용되었다. 유체 커플링은 토크와 회전수를 조절하여 동력 전달 시 충격을 완화하는 장점이 있지만, 에너지 효율이 낮다는 단점도 있다. 최근에는 토크 컨버터가 자동차 분야에서 유체 커플링을 대체하고 있다.

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유체 커플링
개요
유체 커플링 다이어그램
종류	하이드로다이내믹, 하이드로비스커스
작동 원리	유체 운동 에너지 전달
주요 구성 요소	임펠러, 터빈, 케이싱
적용 분야	자동차, 산업 기계, 선박 등
작동 원리 상세
작동 유체	오일 (일반적으로 미네랄 오일)
에너지 전달 방식	임펠러 회전 -> 유체 운동 에너지 증가 -> 터빈 회전
슬립 (Slip)	입력 및 출력 속도 차이 (필수적)
슬립률	일반적으로 2~6%
하이드로다이내믹 유체 커플링 (Hydrodynamic Fluid Coupling)
특징	일정한 유체 흐름으로 토크 전달
장점	부드러운 시동 과부하 보호 진동 감쇠
단점	에너지 손실 (슬립으로 인한) 낮은 효율
적용 분야	대형 펌프 컨베이어 벨트 발전 설비
하이드로비스커스 유체 커플링 (Hydroviscous Fluid Coupling)
특징	유체의 점성을 이용하여 토크 전달, 슬립 제어 가능
장점	정밀한 토크 제어 빠른 응답 속도 낮은 슬립률
단점	복잡한 구조 높은 비용 냉각 시스템 필요
적용 분야	고정밀 기계 시험 장비 특수 차량
응용 분야별 특징
자동차	자동 변속기, 부드러운 출발 및 변속
산업 기계	모터 보호, 과부하 방지, 진동 감소
선박	주 엔진과 프로펠러 연결, 충격 완화
유체 커플링의 장단점
장점	부드러운 시동 및 정지 과부하 보호 진동 및 충격 흡수 토크 증폭 가능
단점	에너지 손실 (슬립으로 인한 효율 감소) 제한적인 토크 전달 용량 작동 유체 온도 상승 문제 정기적인 유지 보수 필요
참고 사항
주의 사항	작동 유체 관리 (오염 방지, 적정 온도 유지) 중요
관련 기술	유체 역학, 윤활 공학

2. 역사

헤르만 푈팅어는 AG 불칸 공장의 수석 디자이너였는데, 그의 연구에서 유체 커플링이 시작되었다.^[2] 1905년, 푈팅어는 유체 커플링과 토크 컨버터를 모두 포함하는 특허를 출원했다.

1920년대, 영국의 엔지니어 해롤드 싱클레어는 런던 버스를 타면서 겪었던 갑작스러운 움직임을 완화하기 위해 유체 커플링 특허 유한회사를 설립하고, 불칸-베르케의 구스타프 바우어 박사와 협력하여 차량 변속기에 푈팅어 커플링을 적용하는 연구를 진행했다.^[2] 1926년 10월, 싱클레어는 런던 제너럴 버스 회사와 논의하고, Associated Daimler 버스 섀시에 대한 시험을 거쳤다. 이후 퍼시 마틴은 이 원리를 다임러 그룹의 자가용차에 적용하기로 결정했다.^[3]

1930년, 영국 코번트리의 다임러 컴퍼니는 유체 커플링과 윌슨 자동 변속기를 조합한 변속 시스템을 버스와 자사의 주력 차량에 도입하기 시작했다. 1933년까지 이 시스템은 대형 상업용 차량부터 소형차까지 그룹에서 생산된 모든 새로운 다임러, 란체스터, BSA 차량에 사용되었다. 곧 다임러의 군용 차량으로 확대되었으며 1934년에는 싱어 일레븐에 Fluidrive라는 이름으로 탑재되었다. 이 커플링은 불칸-싱클레어 및 다임러 특허에 따라 제작되었다고 설명되어 있다.^[3]

1939년, 제너럴 모터스는 유체 커플링을 사용한 자동변속기인 하이드라매틱 드라이브를 출시했는데, 이는 대량 생산된 자동차에 장착된 최초의 완전 자동 자동차 변속 시스템이었다.^[2]

1930년대에는 유체 커플링을 사용하는 디젤 기관차도 생산되기 시작했다.^[4]

3. 작동 원리 및 특징

유체 커플링은 밀폐된 용기 안에 오일과 두 개의 임펠러로 구성된다. 입력축에 연결된 터빈(펌프 임펠러)이 회전하면 오일의 유동이 발생하고, 이 유동이 출력축에 연결된 터빈(러너)을 회전시켜 동력을 전달한다. 이러한 작동 원리는 유압 모터와 유사하며, 오일의 압력과 유량을 조절하여 전달 토크와 회전수를 조절할 수 있어 무단 변속기로 사용된다.

유체 커플링의 개념도 (실제로는 입력 측과 출력 측이 거의 접해 있다). 입력 측(녹색)의 회전이 액체의 유동을 통해 출력 측(빨강)으로 전달된다.

유체 커플링의 구성 요소는 다음과 같다.

하우징(''shell'')^[8]: 드라이브 샤프트 주변에 오일이 새지 않도록 밀봉되어 있으며 유체와 터빈을 포함한다.
두 개의 터빈(팬 모양):
입력 샤프트에 연결: ''펌프'', ''임펠러''^[8], ''1차 휠'', ''입력 터빈''^[8]
출력 샤프트에 연결: ''터빈'', ''출력 터빈'', ''2차 휠''^[8], ''러너''

입력단과 출력단의 각속도 차이에 의해 출력 터빈에 순수한 힘이 발생하여 토크를 생성한다. 입력 및 출력 각속도에 차이가 있으면 폴로이드 성분이 있고, 각속도가 동일하면 순수한 구심력이 없으며 유체의 움직임은 원형이며 회전축과 동축이다(즉, 환면의 가장자리를 따라).

스톨 속도는 출력 터빈이 잠겨 있고 최대 입력 토크가 가해질 때 펌프가 회전할 수 있는 최대 속도이다. 스톨 조건에서는 엔진의 모든 동력이 유체 커플링에서 열로 소모되어 손상을 초래할 수 있다.

스텝-회로 커플링은 출력축 정지 시 오일의 일부를 저장소에 모아 입력축의 드래그를 줄이는 방식이다. 이는 아이들링 시 연료 소비를 줄이고 차량의 크리핑 경향을 줄인다. 출력축이 회전을 시작하면 오일은 원심력에 의해 저장소에서 밖으로 쏟아져 나와 커플링의 본체로 돌아가 정상적인 동력 전달이 복원된다.^[5]

유체 커플링은 입력 및 출력 각속도가 동일할 때 출력 토크를 생성할 수 없어 100%의 동력 전달 효율을 달성할 수 없다.^[6] 부하가 걸린 유체 커플링에서는 슬립이 발생하기 때문에 유체 마찰 및 난류로 인해 항상 일부 동력이 손실되어 열로 소산된다.

입력 측 회전수를

n_{1}

, 출력 측 회전수를

n_{2}

로 했을 때

s=1-n_{2}/n_{1}

로 정의되는 s를 슬립이라고 부르며 효율의 지표로 한다. 기계적으로 연결된 커플링과 비교하여, 유체 커플링은 부하가 커지면 슬립이 많아지고, 전달 효율이 떨어지는 경향이 있다.

3. 1. 유압유

유체 커플링은 운동적으로 작동하므로 낮은 점도의 유체가 선호된다.^[6] 일반적으로 다등급 엔진 오일 또는 자동변속기 오일이 사용된다. 유체의 밀도를 높이면 주어진 입력 속도에서 전달할 수 있는 토크의 양이 증가한다.^[7] 그러나 유압유는 다른 유체와 마찬가지로 온도 변화에 따라 점도가 변하므로, 변속 성능의 변화를 최소화하려면 높은 점도 지수를 가진 엔진 오일 또는 자동변속기 오일을 사용해야 한다.

3. 2. 유압 제동 (리타더)

유체 커플링은 마찰력(점성 및 유체/용기 모두)을 통해 회전 에너지를 열로 소산시키는 유압 브레이크 역할을 할 수 있다. 유체 커플링이 제동에 사용될 때 이를 ''리타더''라고도 한다.^[8]

3. 3. 스쿠프 제어

유체 커플링이 제대로 작동하려면 유체가 올바르게 채워져 있어야 한다. 유체가 부족하면 전체 토크를 전달할 수 없고, 과열되어 씰(seal)이 손상될 수 있다.

유체 커플링이 유체가 부족한 상태에서도 안전하게 작동하도록 설계된 경우에는, 임펠러와 연결되지 않은 넉넉한 유체 저장소를 통해 채우기 레벨을 조절하여 전달 토크를 제어한다. 경우에 따라 부하의 속도도 제어할 수 있다.

채우기 레벨 제어는 '스쿠프'를 사용하여 수행된다. 스쿠프는 고정된 중앙 허브를 통해 회전하는 커플링으로 들어가는 비회전 파이프이다. 스쿠프를 이동, 회전 또는 확장시켜 커플링에서 유체를 퍼 올려 커플링 외부의 보관 탱크로 돌려보낸다. 오일은 필요할 때 커플링으로 다시 펌핑될 수 있으며, 일부 설계에서는 중력 공급을 사용한다. 스쿠프의 작동은 커플링의 회전에 의해 구동되어 유체를 보관 탱크로 들어 올린다.

스쿠프 제어는 매우 큰 토크를 쉽고 단계 없이 제어하는 데 사용될 수 있다. 펠 디젤 기관차는 1950년대 영국의 실험용 디젤 철도 기관차로, 네 개의 엔진과 네 개의 커플링을 사용하여 각 엔진을 독립적으로 스쿠프 제어하여 순차적으로 작동시켰다. 이는 가변 속도 구동을 제공하는 데 일반적으로 사용된다.^[9]^[10]

4. 응용 분야

유체 커플링은 자동차, 항공기 등에서 무단 변속 기구를 겸한 클러치로 이용되어 왔다. 액체를 통해 동력 전달이 이루어지므로 시동 시나 급정지 시 충격이 완화되기 때문이다. 하지만, 오일의 내부 마찰이나 온도 상승으로 인해 에너지 효율이 좋지 않다는 단점도 있어, 최근 자동차에서는 토크 컨버터가 더 많이 사용되고 있다.

4. 1. 산업 현장

유체 커플링은 회전력을 사용하는 많은 산업 분야,^[11]^[12] 특히 큰 관성을 갖는 기계 구동 장치나 지속적인 주기적 부하가 걸리는 장비에 사용된다.

4. 2. 철도

셀프-체인징 기어스는 영국 철도용 반자동 변속기를 제작했으며, 보이트는 유체 커플링과 토크 컨버터의 다양한 조합을 포함하는 디젤 동차용 터보 변속기를 제조한다.^[1] 유체 커플링은 일부 디젤 기관차의 동력 전달 시스템의 일부로 사용된다.^[1]

4. 3. 자동차

1940년대 후반부터 자동차 분야에서 유체 커플링은 토크 컨버터로 대체되었으나, 그 이전에는 일부 반자동 변속기 및 자동변속기에 사용되었다. 데이믈러는 윌슨 프리셀렉터 기어박스와 함께 유체 플라이휠을 사용한 것으로 가장 잘 알려져 있다.^[3] 데이믈러는 1958년 메제스틱과 함께 자동 기어박스로 전환하기 전까지 자사의 고급차 전반에 걸쳐 유체 플라이휠을 사용했다. 데이믈러와 알비스는 모두 군용 차량과 장갑차로도 유명했으며, 일부는 프리셀렉터 기어박스와 유체 플라이휠의 조합을 사용했다.

1939년 제너럴 모터스는 대량 생산된 자동차에 장착된 최초의 완전 자동 자동차 변속 시스템인 하이드라매틱 드라이브를 출시했는데^[2], 하이드라매틱은 유체 커플링을 사용했다.

자동차 응용 분야에서 펌프는 일반적으로 엔진의 플라이휠에 연결된다. 커플링의 인클로저는 플라이휠 자체의 일부일 수 있으며, 엔진의 크랭크축에 의해 회전한다. 터빈은 변속기의 입력 샤프트에 연결된다. 변속기가 기어에 들어가 있는 동안, 엔진 속도가 증가하면 토크는 유체의 움직임에 의해 엔진에서 입력 샤프트로 전달되어 차량을 추진한다. 이와 관련하여 유체 커플링의 동작은 수동 변속기를 구동하는 기계식 클러치의 동작과 매우 유사하다.

4. 4. 항공

항공 분야에서 유체 커플링이 가장 두드러지게 사용된 사례는 DB 601, DB 603, DB 605 엔진이다.^[1] 이 엔진들은 원심 압축기용 기압 제어 유압 클러치로 사용되었다. 라이트 터보컴파운드 왕복 엔진에서는 세 개의 동력 회수 터빈이 엔진 배기 가스에서 에너지의 약 20% (약 500hp)를 추출한 후, 세 개의 유체 커플링과 기어를 사용하여 저 토크 고속 터빈 회전을 저속, 고 토크 출력으로 변환하여 프로펠러를 구동했다.^[1]

5. 제조

유체 커플링은 생산이 비교적 간단한 부품이다. 예를 들어, 터빈은 알루미늄 주조 또는 강철 스탬핑으로 제작될 수 있으며, 하우징 또한 주조, 스탬핑 또는 단조 강철로 제작될 수 있다.

산업용 유체 커플링 주요 제조업체는 다음과 같다.

보이트(Voith)^[14]
트랜스플루이드(Transfluid)^[15]
트윈디스크(TwinDisc)^[16]
지멘스(Siemens)^[17]
파라그 (Parag)^[18]
플루이도맷 (Fluidomat)^[19]
롤랜드 일렉트릭 (Reuland Electric)^[20]
TRI 트랜스미션 앤 베어링 (TRI Transmission and Bearing Corp.)^[21]

6. 특허

20세기 유체 커플링 개발과 관련된 주요 특허는 다음과 같다.

특허 번호	출판일	발명자	링크
GB190906861	1909년 12월 2일	헤르만 푀팅거(Hermann Föttinger)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=GB&NR=190906861A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19091202&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US1127758	1915년 2월 9일	야콥 크리스티안 한센-엘레함머(Jacob Christian Hansen-Ellehammer)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=1127758A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19150209&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US1199359	1916년 9월 26일	헤르만 푀팅거(Hermann Föttinger)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=1199359A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19160926&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US1472930	1923년 11월 6일	프리츠 마이어(Fritz Mayer)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=1472930A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19231106&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
GB359501	1931년 10월 23일	포이트(Voith)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=GB&NR=359501A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19311023&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US1937364	1933년 11월 28일	해럴드 싱클레어(Harold Sinclair)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=1937364A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19331128&DB=EPODOC&locale=en_EP]
US1987985	1935년 1월 15일	슈미에스케(Schmieske) 및 바우어(Bauer)	[http://worldwide.espacenet.com/searchResults?compact=false&ST=singleline&query=US1987985&locale=en_EP&DB=worldwide.espacenet.com]
US2004279	1935년 6월 11일	헤르만 푀팅거(Hermann Föttinger)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=2004279A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19350611&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US2127738	1938년 8월 23일	프리츠 쿠겔(Fritz Kugel)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=2127738A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19380823&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US2202243	1940년 5월 28일	노아 L. 앨리슨(Noah L Alison)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=2202243A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19400528&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US2264341	1941년 12월 2일	아서(Arthur) 및 싱클레어(Sinclair)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=worldwide.espacenet.com&II=0&ND=3&adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=19411202&CC=US&NR=2264341A&KC=A]
US2491483	1949년 12월 20일	가우바츠(Gaubatz) 및 돌자(Dolza)	[http://worldwide.espacenet.com/searchResults?compact=false&ST=singleline&query=US2491483&locale=en_EP&DB=worldwide.espacenet.com]
US2505842	1950년 5월 2일	해럴드 싱클레어(Harold Sinclair)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=2505842A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19500502&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]
US2882683	1959년 4월 21일	해럴드 싱클레어(Harold Sinclair)	[http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=US&NR=2882683A&KC=A&FT=D&ND=3&date=19590421&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP]

참조

_[1] 웹사이트 Fluid coupling http://encyclopedia2[...]
_[2] 서적 Light and Heavy Vehicle Technology https://books.google[...] Butterworth-Heinemann
_[3] 서적 Daimler Century: The Full History of Britain's Oldest Car Maker https://books.google[...] Patrick Stephens
_[4] 서적 Illustrated Encyclopedia of World Railway Locomotives https://books.google[...] Dover Publications
_[5] 서적 Railwayman's Diesel Manual: A Practical Introduction to the Diesel-powered Locomotive, Railcar and Multiple-unit Powered Train for Railway Staff and Railway Enthusiasts https://books.google[...] Ian Allan Publishing
_[6] 웹사이트 Why is the output speed of a turbo coupling always lower than the input speed? http://www.voithturb[...]
_[7] 웹사이트 Does the type of operating fluid influence the transmission behaviour? http://www.voithturb[...]
_[8] 웹사이트 Fluid couplings glossary http://www.voithturb[...]
_[9] 웹사이트 Variable Speed Coupling: Type SC http://fluidomat.com[...] 2018-07-02
_[10] 웹사이트 Variable Speed Fluid Drives for Pumps https://turboresearc[...]
_[11] 웹사이트 Industry/Sector Industrial and other uses of fluid couplings http://www.voithturb[...]
_[12] 웹사이트 Process Uses of fluid coupling by process http://www.voithturb[...]
_[13] 서적 Hydrodynamic couplings and converters Robert Bosch
_[14] 웹사이트 Voith: Fluid Coulings http://voith.com/en/[...]
_[15] 웹사이트 Transfluid: Fluid couplings http://www.transflui[...]
_[16] 웹사이트 TwinDisc: Fluid couplings http://www.twindisc.[...] 2013-02-05
_[17] 웹사이트 Siemens: Hydrodynamic couplings http://www.automatio[...] 2009-03-02
_[18] 웹사이트 fluid-coupling - http://www.fluid-cou[...] 2018-04-16
_[19] 웹사이트 Fluidomat http://www.fluidomat[...]
_[20] 웹사이트 Welcome to Reuland http://www.reuland.c[...] 2018-04-16
_[21] 웹사이트 TRI Transmission and Bearing Corp http://www.turborese[...]

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