토크컨버터

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1. 개요

토크 컨버터는 레온하르트 오일러의 터보머신 방정식을 기반으로 작동하며, 유체 클러치와 유사하지만 토크 증폭 기능을 갖춘 장치이다. 펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터의 세 가지 주요 요소로 구성되며, 자동차 자동 변속기, 건설 기계, 산업용 동력 전달 장치 등 다양한 분야에 사용된다. 록업 클러치를 통해 효율을 높이고, 과열, 스테이터 클러치 문제, 블레이드 변형, 벌루닝 등의 고장 모드가 발생할 수 있다. 아이신 AW, 앨리슨 트랜스미션, 보그워너, ZF 프리드리히샤펜 등 여러 제조사에서 생산한다.

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토크컨버터
개요
유형	유체 커플링
용도	동력 전달
주요 구성 요소	임펠러 (펌프) 터빈
작동 유체	자동 변속기 오일 (ATF)
특징	토크 증폭 가능 미끄러짐 발생
작동 원리
동력 전달	엔진 -> 임펠러 -> 작동 유체 -> 터빈 -> 변속기
토크 증폭	스테이터 (고정 날개)를 통해 유체의 흐름을 조절하여 토크 증폭
구조
주요 부품	임펠러 (Impeller) 터빈 (Turbine) 스테이터 (Stator) 록업 클러치 (Lock-up Clutch) (선택 사항)
작동 방식
유체 흐름	임펠러 회전 -> 유체 가속 -> 터빈 회전 -> 스테이터 -> 임펠러
록업 클러치 작동	특정 속도 이상에서 록업 클러치를 작동시켜 기계적으로 연결, 효율 향상
장점 및 단점
장점	부드러운 동력 전달 진동 및 충격 흡수 토크 증폭 (특정 조건에서)
단점	에너지 손실 (미끄러짐으로 인한) 낮은 효율 (특히 저속에서) 록업 클러치 미적용 시 연비 저하
응용 분야
자동차	자동 변속기 차량
산업 기계	건설 기계, 산업용 펌프 등
철도 차량	디젤 액압 동차
관련 기술
자동 변속기	토크 컨버터를 사용하는 변속기 시스템
유체 커플링	토크 컨버터의 기본 원리를 이용한 동력 전달 장치
주의사항
작동유 관리	정기적인 작동유 교환 필요 작동유 부족 또는 오염 시 성능 저하 및 고장 발생 가능성 증가
기타
참고	토크 컨버터는 자동 변속기의 핵심 부품 중 하나이다. 록업 클러치를 통해 효율을 향상시킬 수 있다.

2. 작동 원리

토크 컨버터의 운동 방정식은 레온하르트 오일러의 18세기 터보머신 방정식에 의해 설명된다.^[1]^[2]

: $\tau = \sum \left [ r \times \frac{d}{dt} \left ( m \cdot v \right ) \right ]$

이 방정식은 반경의 5제곱을 포함하도록 확장될 수 있으며, 그 결과 토크 컨버터의 특성은 장치의 크기에 매우 의존적이다.

토크 컨버터는 유체 클러치와 달리, 입력 측과 출력 측의 회전 차이에 따라 토크를 증폭시키는 기능을 가지고 있다. 이러한 특징 때문에 단순한 클러치가 아닌 컨버터(변환기)라고 불린다.

액체를 매개로 작동하기 때문에 유연성이 있으며, 일시적으로 출력 측만 정지시키는 등 자동 클러치처럼 이용할 수 있다. 출력축이 정지한 상태를 스톨이라고 하며, 이 때 입력은 모두 열로 변환된다. 따라서 시스템에 따라 오일 쿨러와 같은 액체 냉각기가 필요하다. 기계식 클러치에 비해 토크 컨버터는 부하가 커지면 슬립이 많아져 전달 효율이 떨어진다.

단독으로는 큰 감속비를 효율적으로 얻기 어렵기 때문에, 넓은 속도 영역에 대응하기 위해 기계식 트랜스미션과 조합하여 사용된다. 자동차 자동변속기의 주요 부품이지만, 닛산 푸가 하이브리드, 스카이라인 하이브리드 등과 같이 시동 시부터 토크가 크고 회전 제어가 쉬운 전동기에 그 역할을 대체시키고 연비 향상을 위해 생략되는 경우도 있다.

2. 1. 구성 요소

토크 컨버터는 토러스형 용기 내부에 '''펌프 임펠러''', '''터빈 런너''', '''스테이터(고정 날개)'''로 구성되며, 점도가 낮은 오일이 채워져 순환한다.^[1]^[2]

펌프 임펠러: 입력 측에 연결되어 오일 흐름을 만든다.
터빈 런너: 펌프 임펠러가 만든 오일 흐름의 관성력을 받아 출력축을 구동한다.
스테이터: 터빈 런너에서 나오는 오일(반환류)을 정류하여 남은 운동 에너지를 펌프 임펠러에 환원, 토크 증폭 작용을 한다.

유체 클러치와 달리 토크 컨버터는 스테이터를 통해 높은 슬립(slippage) 조건에서 출력 토크를 증가시킨다. 펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전 속도가 비슷해지면(자동차 등이 속도를 낸 상황) 스테이터의 토크 증폭 효과는 약해진다. 이때 원웨이 클러치가 스테이터를 터빈 런너와 함께 회전시켜 효율을 유지한다.

1970년대 아이신, 지야토코 등 일본 자동 변속기 전문 회사들이 설립되고, 1973년 오일 쇼크 이후 자원 및 에너지 절약이 강조되면서 록업 기구가 등장했다. 록업 기구는 변속이 필요 없는 영역에서 기계식 클러치로 입출력축을 직결, 전달 효율을 높인다. 록업 기구는 AT 장착 차량에 탑재되어 유체의 점성 및 미끄러짐에 의한 손실을 보완, 연비 성능을 향상시켰다.

마쓰다의 'SKYACTIV-DRIVE' AT는 발진 직후를 제외한 모든 변속 단에서 상시 록업을 하여 전달 효율과 연비를 높인다. 록업 시 발생하는 문제를 해결하기 위해 제어 컴퓨터 프로그램 개선 및 대용량 댐퍼 기구를 록업 기구 자체에 설치했다.

최근 자동차용 토크 컨버터는 록업 운용을 전제로 하는 습식 클러치로서의 측면이 강해지고 있다. 이에 따라 펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터는 소형화, 박형화되고 록업 관련 요소(클러치, 댐퍼)의 비중이 커지고 있다.

2. 2. 작동 단계

토크 컨버터는 다음과 같은 세 단계로 작동한다.^[1]^[2]

'''스톨(Stall)''': 원동기가 임펠러에 동력을 가하지만 터빈은 회전할 수 없는 상태이다. 예를 들어 자동차에서 운전자가 변속기를 기어에 넣었지만 브레이크를 계속 밟아 차량의 움직임을 막고 있을 때 발생한다. 스톨 상태에서 토크 컨버터는 충분한 입력 동력이 가해지면 최대 토크 증폭을 생성할 수 있는데, 이 때의 증폭비를 ''스톨비''라고 한다. 스톨 단계는 실제로 부하(예: 차량)가 처음 움직이기 시작할 때 잠시 지속되며, 이는 펌프와 터빈 속도 사이에 매우 큰 차이가 있기 때문이다.
'''가속''': 부하는 가속되고 있지만 여전히 임펠러와 터빈 속도 사이에 비교적 큰 차이가 있다. 이 조건에서 컨버터는 스톨 조건에서 얻을 수 있는 것보다 적은 토크 증폭을 생성한다. 증폭량은 펌프와 터빈 속도의 실제 차이뿐만 아니라 다양한 다른 설계 요소에 따라 달라진다.
'''커플링''': 터빈이 임펠러 속도의 약 90%에 도달한 상태이다. 토크 증폭은 본질적으로 중단되었고 토크 컨버터는 단순한 유체 커플링과 유사한 방식으로 작동한다. 현대 자동차에서는 일반적으로 이 작동 단계에서 록업 클러치가 작동되는데, 이는 연비를 개선하는 효과가 있다.

토크 컨버터가 토크를 증폭하는 능력의 핵심은 스테이터에 있다. 일반적인 유체 커플링 설계에서는 높은 슬립 기간 동안 터빈에서 임펠러로 돌아오는 유체의 흐름이 임펠러 회전 방향과 반대되어 상당한 효율 손실과 폐열 발생을 초래한다. 토크 컨버터에서는 반환 유체가 스테이터에 의해 방향이 변경되어 임펠러 회전을 방해하는 대신 돕게 된다. 그 결과 반환 유체의 에너지 상당 부분이 회수되어 원동기에 의해 임펠러에 가해지는 에너지에 추가된다. 이 작용은 터빈으로 향하는 유체의 질량을 실질적으로 증가시켜 출력 토크를 증가시킨다. 반환 유체는 처음에 임펠러 회전과 반대 방향으로 이동하므로 스테이터는 유체가 방향을 바꾸도록 강요하면서 반대 회전을 시도하며, 이는 원웨이 스테이터 클러치에 의해 방지된다.

일반 유체 커플링에 사용되는 방사형으로 곧은 날과 달리 토크 컨버터의 터빈과 스테이터는 각진 곡선형 날을 사용한다. 스테이터의 날 모양은 유체의 경로를 변경하여 임펠러 회전에 일치하도록 강제한다. 터빈 블레이드의 일치하는 곡선은 반환 유체가 스테이터로 올바르게 향하도록 하여 스테이터가 제 역할을 수행하도록 돕는다. 블레이드의 모양은 중요하며 약간의 변동으로도 컨버터의 성능에 상당한 변화가 발생할 수 있다.

토크 증폭이 발생하는 스톨 및 가속 단계 동안 스테이터는 원웨이 클러치의 작용으로 정지 상태를 유지한다. 그러나 토크 컨버터가 커플링 단계에 접근함에 따라 터빈에서 반환되는 유체의 에너지와 부피가 점차 감소하여 스테이터에 대한 압력도 감소한다. 커플링 단계에 들어가면 반환 유체의 방향이 바뀌어 이제 임펠러와 터빈의 방향으로 회전하며, 이는 스테이터를 정방향으로 회전시키려는 효과를 낸다. 이 시점에서 스테이터 클러치가 해제되고 임펠러, 터빈 및 스테이터가 모두 (거의) 하나의 유닛으로 회전한다.

불가피하게, 유체의 일부 운동 에너지는 마찰 및 난류로 인해 손실되어 컨버터가 폐열을 생성한다 (많은 경우 수냉으로 발산). 펌핑 손실이라고도 하는 이 효과는 스톨 조건 또는 스톨 조건 근처에서 가장 두드러진다. 현대적인 설계에서는 블레이드 형상이 임펠러 속도가 낮을 때 오일 속도를 최소화하여 터빈이 과열될 위험 없이 장기간 스톨될 수 있도록 한다 (자동 변속기가 장착된 차량이 기어를 넣은 상태에서 신호등 또는 교통 체증에서 정지하는 경우와 같이).

2. 3. 효율 및 토크 증폭

레온하르트 오일러의 18세기 터보머신 방정식은 토크 컨버터의 운동 방정식을 나타낸다.^[1]^[2]

:

\tau = \sum \left [  r \times \frac{d}{dt} \left ( m \cdot v \right ) \right ]

이 방정식은 반경의 5제곱을 포함하도록 확장될 수 있다. 따라서 토크 컨버터의 특성은 장치 크기에 크게 영향을 받는다.

Hrovat는 펌프, 터빈, 스테이터 및 에너지 보존 방정식을 도출하여 4개의 1차 미분 방정식으로 토크 컨버터의 성능을 정의했다.

:

I_i \dot{\omega_i} + \rho S_i \dot{Q} = -\rho (\omega_i R_i^2 + R_i \frac{Q}{A}\tan{\alpha_i} - \omega_\mathrm{s} R_\mathrm{s}^2 - R_\mathrm{s} \frac{Q}{A} \tan{\alpha_\mathrm{s}} ) Q + \tau_i

:

I_\mathrm{t} \dot{\omega_\mathrm{t}} + \rho S_\mathrm{t} \dot{Q} = -\rho (\omega_\mathrm{t} R_\mathrm{t}^2 + R_\mathrm{t} \frac{Q}{A}\tan{\alpha_\mathrm{t}} - \omega_i R_i^2 - R_i \frac{Q}{A} \tan{\alpha_i} ) Q + \tau_\mathrm{t}

:

I_\mathrm{s} \dot{\omega_\mathrm{s}} + \rho S_\mathrm{s} \dot{Q} = -\rho (\omega_\mathrm{s} R_\mathrm{s}^2 + R_\mathrm{s} \frac{Q}{A}\tan{\alpha_\mathrm{s}} - \omega_\mathrm{t} R_\mathrm{t}^2 - R_\mathrm{t} \frac{Q}{A} \tan{\alpha_\mathrm{t}} ) Q + \tau_\mathrm{s}

:

\rho (S_\mathrm{p} \dot{w_\mathrm{p}} + S_\mathrm{t} \dot{w_\mathrm{t}}+ S_\mathrm{s} \dot{w_\mathrm{s}}) + \rho \frac{L_\mathrm{f}}{A} \dot{Q} =\rho (R_\mathrm{p}^2 w_\mathrm{p}^2 + R_\mathrm{t}^2 w_\mathrm{t}^2 + R_\mathrm{s}^2 w_\mathrm{s}^2 - R_\mathrm{s}^2 w_\mathrm{p} w_\mathrm{s} - R_\mathrm{p}^2 w_\mathrm{t} w_\mathrm{p} - R_\mathrm{t}^2 w_\mathrm{s} w_\mathrm{t})+ w_\mathrm{p} \frac{Q}{A} \rho (R_\mathrm{p} \tan{a_\mathrm{p}} - R_\mathrm{s} \tan{a_\mathrm{s}})+ w_\mathrm{t} \frac{Q}{A} \rho (R_\mathrm{t} \tan{a_\mathrm{t}} - R_\mathrm{p} \tan{a_\mathrm{p}})+ w_\mathrm{s} \frac{Q}{A} \rho (R_\mathrm{s} \tan{a_\mathrm{s}} - R_\mathrm{t} \tan{a_\mathrm{t}})

P_L

여기서

$\rho$ 는 밀도이다.
$A$ 는 유동 면적이다.
$R_\mathrm{p}$ 는 펌프 반경이다.
$R_\mathrm{t}$ 는 터빈 반경이다.
$R_\mathrm{s}$ 는 스테이터 반경이다.
$a_\mathrm{p}$ 는 펌프 출구 각도이다.
$a_\mathrm{t}$ 는 터빈 출구 각도이다.
$a_\mathrm{s}$ 는 스테이터 출구 각도이다.
$I$ 는 관성이다.
$L_\mathrm{f}$ 는 유체 관성 길이이다.

Kotwicki는 더 간단한 상관 관계를 제시했다.

유체 클러치는 두 개의 요소로 구성되어 토크를 증폭할 수 없는 반면, 토크 컨버터는 최소한 한 개의 추가 요소인 고정자(stator)를 포함하여 높은 슬립(slippage) 상태에서 출력 토크를 증가시킨다.

토크 컨버터는 동력원에 의해 구동되는 임펠러, 부하를 구동하는 터빈, 그리고 터빈에서 임펠러로 돌아오는 오일 흐름을 변경하는 고정자의 세 가지 회전 요소를 갖는다. 고전적인 토크 컨버터 설계에서는 고정자가 회전하지 않도록 규정하지만, 실제로는 오버러닝 클러치에 장착되어 전방 회전은 허용하고 동력원에 대한 반대 방향 회전은 방지한다.

기본적인 세 요소 설계 외에도, 특히 높은 토크 증폭이 필요한 경우 여러 개의 터빈과 고정자를 사용하는 경우가 있다. 예를 들어, 뷰익 Dynaflow 자동 변속기는 변속 기능 없이 토크 증폭을 위해 컨버터에만 의존했으며, 다섯 개의 요소를 갖춘 컨버터를 사용하여 무거운 차량을 추진했다.

많은 자동차 컨버터에는 순항 시 동력 전달 효율을 개선하고 열 발생을 줄이기 위해 록업 클러치가 포함되어 있다. 록업 클러치는 터빈을 임펠러에 고정시켜 모든 동력 전달이 기계적으로 이루어지도록 하여 유체 구동 관련 손실을 제거한다.

토크 컨버터는 100% 결합 효율을 달성할 수 없다. 3요소 토크 컨버터는 ∩ 모양의 효율 곡선을 가지며, 정지 상태에서는 효율이 0이고 가속 단계에서 효율이 증가하며 결합 단계에서는 효율이 낮아진다. 효율 저하는 스테이터에 의해 생성되는 난류와 유체 흐름 간섭의 결과이며, 일방향 클러치에 스테이터를 장착하여 이를 극복한다.

일방향 스테이터 클러치의 장점에도 불구하고, 컨버터는 동일 크기의 유체 커플링만큼 결합 단계에서 높은 효율을 달성할 수 없다. 스테이터는 항상 일부 동력을 흡수하는 난류를 생성하기 때문이다. 또한 곡선형 및 각진 터빈 블레이드는 방사형으로 직선인 블레이드만큼 운동 에너지를 잘 흡수하지 못한다. 터빈 블레이드 형상은 컨버터의 토크 증폭 능력에 중요하므로, 토크 증폭과 결합 효율 사이의 상충 관계는 불가피하다. 자동차 분야에서는 연료 효율성 개선 요구에 따라 록업 클러치의 사용이 일반화되어 크루징 운전 중 컨버터가 효율 방정식에서 제외되도록 돕고 있다.

컨버터가 생성하는 최대 토크 증폭량은 터빈 및 스테이터 블레이드의 크기와 형상에 크게 의존하며, 컨버터가 정지 상태에 있거나 그 근처에 있을 때만 생성된다. 일반적인 스톨 토크 증폭 비율은 대부분의 자동차 적용 분야에서 1.8:1에서 2.5:1 사이이다. 뷰익 다이나플로우 및 쉐보레 터보글라이드에 사용된 다중 요소 설계는 더 많은 토크를 생성할 수 있었다. 산업, 철도 또는 대형 해양 동력 전달 시스템용 특수 컨버터는 최대 5.0:1의 증폭이 가능하다. 일반적으로 최대 토크 증폭과 효율 사이에는 상충 관계가 존재한다.

토크 컨버터의 특성은 동력원과 적용 분야의 토크 곡선에 맞춰야 한다. 스테이터 및/또는 터빈의 블레이드 형상을 변경하면 토크-스톨 특성과 장치의 전반적인 효율이 변경된다. 예를 들어, 드래그 레이싱 자동 변속기는 높은 스톨 속도를 생성하도록 수정된 컨버터를 사용하여 출발 시 토크를 개선하고 엔진의 동력 대역으로 빠르게 진입한다. 일반 도로 주행 차량은 낮은 스톨 토크 컨버터를 사용하여 열 발생을 제한하고 차량 특성에 견고한 느낌을 제공한다.

과거 일부 제너럴 모터스 자동 변속기에서는 가변 피치 스테이터가 사용되었는데, 블레이드의 받음각을 엔진 속도 및 부하에 따라 변경하여 컨버터의 토크 증폭량을 조절했다.

일부 토크 컨버터는 더 넓은 범위의 토크 증폭을 제공하기 위해 여러 개의 스테이터 및/또는 터빈을 사용한다. 이러한 다중 요소 컨버터는 산업 환경에서 더 흔하지만, 뷰익의 트리플 터빈 다이나플로우 및 쉐보레의 터보글라이드와 같은 자동차 적용 분야도 있었다. 뷰익 다이나플로우는 저속 기어에 토크 컨버터와 유성 기어 세트의 토크 증폭 특성을 활용하고, 차량 속도가 증가함에 따라 첫 번째 터빈을 바이패스하고 두 번째 터빈만 사용했다. 이러한 방식은 낮은 효율로 인해 단종되었고, 기존의 3요소 토크 컨버터가 있는 3단 변속기가 선호되었다. 토크 컨버터의 효율은 매우 낮은 속도에서 최대가 된다.

토크 컨버터는 유체 클러치와 달리 입력 측과 출력 측의 회전 차이에 따라 토크를 증폭시킨다. 이러한 이유로 단순한 클러치가 아닌 컨버터(변환기)라고 불린다.

유체 클러치와 마찬가지로 액체를 매개로 하므로 유연성이 있고, 출력 측만 정지시키는 등 자동 클러치처럼 이용 가능하다. 출력축이 정지한 상태를 스톨이라 하며, 그 사이의 입력은 모두 열로 변환된다. 따라서 시스템에 따라 오일 쿨러 등의 액체 냉각기가 필요하다. 기계식 클러치에 비해 토크 컨버터는 부하가 커지면 슬립이 많아지고 전달 효율이 떨어진다.

단독으로는 큰 감속비를 효율적으로 얻을 수 없으므로, 넓은 속도 영역에 대응하기 위해 기계식 트랜스미션과 조합하여 사용된다.

자동차의 자동변속기에서 중요한 부품이지만, 닛산의 푸가 하이브리드, 스카이라인 하이브리드 등과 같이 시동 시부터 토크가 크고 회전 제어가 쉬운 전동기에 그 역할을 대체시키고 연비 향상을 위해 생략되기도 한다.

외각은 토러스형 용기이며, 내부는 '''펌프 임펠러''', '''터빈 런너''', '''스테이터(고정 날개)'''로 구성되고, 비교적 점도가 작은 오일이 채워져 순환한다.

입력 측에 연결된 펌프 임펠러가 오일 흐름을 만들고, 마주한 터빈 런너가 그 흐름의 관성력을 받아 출력축을 구동한다.

둘 사이에 위치한 스테이터는 터빈 런너로부터의 배출류(반환)를 정류하여 남은 운동 에너지를 펌프 임펠러에 환원시켜 토크 증폭 작용을 발생시킨다.

펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전 속도가 가까워지면(자동차 등에서는 어느 정도 속도가 올라간 상황) 스테이터에 의한 토크 증폭 효과가 옅어지고 스테이터 자체가 오일 흐름을 방해하므로, 원웨이 클러치를 스테이터에 설치하여 스테이터를 터빈 런너와 함께 회전시켜 효율을 유지한다.

AT 전문 메이커인 아이신(아이신・워너)와 지야토코(일본 자동 변속기)가 설립된 1970년대 무렵부터 본격적인 일본 메이커의 AT 개발이 시작되었고, 1973년의 오일 쇼크를 계기로 자원・에너지 절약이 강조되었다. 변속 작용이 필요 없는 영역에서 기계식 클러치로 입출력축을 직결하여 전달 효율을 높이는 록업 기구가 생겼고, 록업 기구가 AT 장착 차에 탑재되면서 유체의 점성 및 미끄러짐에 의한 손실을 보완하는 연비 성능이 확립되었다.

스포츠 주행에서의 전달 효율을 더욱 높이기 위해 기존 AT를 사용하면서 제어하는 컴퓨터의 프로그램을 개량하여 1단과 변속 시 이외에 상시 록업하는 제어도 시행된다(렉서스 IS-F 등). 록업에 의해 토크 증폭 작용이 없어지는 것이 단점으로 여겨질 수 있지만, 실제로는 토크 증폭 작용은 전달 손실로 낭비되는 에너지를 토크로 회수하는 것이며, 직결되는 록업 시의 손실 제로와는 전달 효율 면에서 비교가 되지 않는다. 상시 록업은 엔진의 토크 변동이 흡수되지 않고 전달되어 저속 영역에서는 진동과 소음이 증가하므로, 적합한 기어비 설정 및 수동 변속기의 클러치처럼 록업 기구에 댐퍼 기구를 갖추는 것을 전제로 한다.

마쓰다가 악셀라에서 처음 채용한 가솔린 엔진만으로 하이브리드 자동차에 필적하는 연비를 목표로 한 AT 'SKYACTIV-DRIVE'에서도, 전달 효율 향상과 연비 억제를 위해 발진 직후 이외의 모든 변속 단에서 상시 록업을 한다. 록업 시의 폐해 대책으로 제어 컴퓨터 프로그램 개량 외에 록업 기구 자체에 대용량 댐퍼 기구를 설치하고 있다.

록업은 전달 효율을 향상시키지만 쇼크 등을 발생시키기 쉽고 쾌적성을 해치기 쉽다. 엔진 회전이 낮은 회전수로 록업하면 파워트레인의 고유 진동수와 차체의 공진 주파수가 가까워져 진동이 발생하기 쉽다. 또한 직결의 경우 저차속 영역에서는 토크 변동이 커져 댐퍼에서의 흡수에도 한계가 있다. 그래서 록업을 하지 않았던 저속 영역이나 감속 시에 록업 클러치를 미세하게 미끄러뜨리는(슬립시키는) 정도로 연결하고, 록업 클러치의 마찰 특성에 크게 영향을 미치는 ATF도 슬립 제어를 하는 AT에 대응하는 품목을 사용했다. 이로 인해 록업 시에 더 생기는 쇼크를 억제하고 쾌적성과 전달 효율의 양립을 꾀한 슬립 제어 부착 록업 기구가 개발되었고, 록업 영역이 저속 측으로 확대될 수 있었으며, 실용 영역에서의 록업 작동률은 크게 향상되었다. 액셀 오프 시에 록업을 하기 쉬워지고 엔진의 '''연료 차단 기능'''(엔진 회전수가 일정 이상에서 액셀이 꺼져있는 경우 엔진에 대한 연료 공급이 자동적으로 멈추어 연료 소비를 억제하는 기능)를 사용하기 쉬워지고, 재더의 발생 확률이 적어진다는 장점도 있다. 각 회사 AT에서 마찰재 및 제어 등이 다르므로, 같은 슬립 제어에 대응하는 ATF라도 사양 차이가 존재한다. 따라서 범용품이 아닌 순정품 또는 확실한 적합 확인이 완료된 ATF 사용이 바람직하다.

무단 변속의 토크 컨버터 부착 CVT 차에서는 원심식 또는 전자식 등의 자동 클러치 대신 토크 컨버터를 사용하므로 정지, 저속 주행 시 이외에는 록업시키는 것이 일반적이다. 이러한 차종에서는 록업 기구의 온오프가 쇼크로 전달되는 경우가 있다. 토크 컨버터 부착 CVT에서도 앞서 언급한 슬립 제어가 적용되고 있다. CVT 이외에도 저속 주행 시의 거동 등 문제를 일으키기 쉬운 DCT에 토크 컨버터를 적용함으로써 대응하는 경우도 있다.

자동차 분야에서의 토크 컨버터는 전달 효율 향상, 스텝 AT의 다단화, CVT에의 적용 등으로부터 유체 이음을 포함한 토크 컨버터 본래의 기능보다도 록업 운용을 전제로 한 여장성이 높은 습식 클러치라는 측면이 강해지고 있다. 따라서 토크 컨버터에 관련된 요소(펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터)의 축소・박형화, 대신 록업에 관련된 요소(클러치, 댐퍼)가 차지하는 비율이 커지고 있다.

3. 록업 클러치

록업 클러치는 토크 컨버터의 효율을 높이는 데 사용되는 기술이다. 토크 컨버터 내부의 추진 손실은 효율을 떨어뜨리고 폐열을 발생시키는데, 록업 클러치는 임펠러와 터빈을 물리적으로 연결하여 컨버터를 순수한 기계적 커플링으로 변환한다. 그 결과 슬립이 없어지고, 거의 동력 손실이 발생하지 않는다.^[1]

자동차 분야에서 토크 컨버터는 전달 효율 향상, 스텝 AT의 다단화, CVT 적용 등으로 인해 유체 이음을 포함한 토크 컨버터 본래의 기능보다는 록업 운용을 전제로 한 여장성이 높은 습식 클러치라는 측면이 강해지고 있다. 이에 따라 토크 컨버터 관련 요소(펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터)는 축소・박형화되고, 록업 관련 요소(클러치, 댐퍼)가 차지하는 비율이 커지고 있다.

3. 1. 작동 방식

토크 컨버터 내부의 추진 손실은 효율을 떨어뜨리고 폐열을 발생시킨다. 현대 자동차에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적으로 록업 클러치를 사용하여 임펠러와 터빈을 물리적으로 연결한다. 이렇게 하면 컨버터는 순수한 기계적 커플링으로 변환되어 슬립이 없어지고, 거의 동력 손실이 발생하지 않는다.^[1]

록업 원리가 처음으로 자동차에 적용된 것은 1949년에 출시된 패커드의 울트라매틱 변속기였다.^[2] 이 변속기는 순항 속도에서 컨버터를 록업하고, 급가속을 위해 스로틀을 끝까지 밟거나 차량 속도가 감소할 때 록업을 해제했다. 이 기능은 1950년대에 생산된 일부 보그 워너 변속기에도 적용되었지만, 추가적인 복잡성과 비용 때문에 이후 몇 년 동안 인기를 잃었다. 1970년대 후반에 연비 개선에 대한 요구에 부응하여 록업 클러치가 다시 등장하기 시작했으며, 현재 자동차에 거의 보편적으로 사용되고 있다.^[2]

토크 컨버터는 바깥쪽은 토러스형 용기이며, 내부는 '''펌프 임펠러''', '''터빈 런너''', '''스테이터(고정 날개)'''로 구성된다.^[3] 그리고 내부에는 비교적 점도가 작은 오일이 채워져 순환한다.^[3]

입력 측에 연결된 펌프 임펠러가 오일 흐름을 만들면, 마주한 터빈 런너가 그 흐름의 관성력을 받아 출력축을 구동한다.^[4] 펌프 임펠러와 터빈 런너 사이에 위치한 스테이터는 터빈 런너로부터의 배출류(반환)를 정류하여 남은 운동 에너지를 펌프 임펠러에 환원함으로써 토크 증폭 작용을 발생시킨다.^[5]

펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전 속도가 가까워지면 (자동차 등에서는 어느 정도 속도가 올라간 상황), 스테이터에 의한 토크 증폭 효과가 옅어지고 스테이터 자체가 오일 흐름을 방해한다.^[6] 따라서 원웨이 클러치를 스테이터에 설치하여 스테이터를 터빈 런너와 함께 회전시켜 효율을 유지한다.^[6]

1973년 오일 쇼크를 계기로, 자원 및 에너지 절약이 중요해졌다. 변속 작용이 필요 없는 영역에서 기계식 클러치에 의해 입출력축을 직결하여 전달 효율을 높이는 록업 기구가 생겼고, AT 장착 차에 탑재되면서 유체의 점성 및 미끄러짐에 의한 손실을 보완하는 연비 성능이 확립되었다.

스포츠 주행에서의 전달 효율을 더욱 높이기 위해 기존 AT를 사용하면서 제어하는 컴퓨터의 프로그램을 개량하여, 1단과 변속 시 이외에 상시 록업하는 제어도 행해지는 경우가 있다(렉서스 IS-F 등). 록업에 의해 토크 증폭 작용이 없어지는 것이 단점으로 여겨지는 경우가 있지만, 실제로는 토크 증폭 작용은 전달 손실로 낭비되는 에너지를 토크로 회수하는 것이며, 직결되는 록업 시의 손실 제로와는 전달 효율 면에서 비교가 되지 않는다. 또한, 상시 록업은 엔진의 토크 변동이 흡수되지 않고 전달되어, 특히 저속 영역에서는 진동과 소음이 증대되기 때문에, 적합한 기어비 설정 및 수동 변속기의 클러치와 마찬가지로 록업 기구에 댐퍼 기구를 갖는 것을 전제로 한다.

마쓰다가 악셀라에서 처음 채용한 가솔린 엔진만으로 하이브리드 자동차에 필적하는 연비를 목표로 한 AT 'SKYACTIV-DRIVE'에서도, 전달 효율 향상과 연비 억제를 위해 발진 직후 이외의 모든 변속 단에서 상시 록업을 하고 있다. 록업 시의 폐해 대책으로, 제어 컴퓨터의 프로그램 개량 외에 록업 기구 자체에 대용량의 댐퍼 기구를 설치하고 있다.

록업은 전달 효율을 향상시키지만 쇼크 등을 발생시키기 쉽고, 쾌적성을 해치기 쉽다. 엔진 회전이 천 수백 회전 정도의 낮은 회전수로 록업하면, 파워트레인의 고유 진동수와 차체의 공진 주파수가 가까워지기 때문에 진동이 발생하기 쉬워진다. 또한 직결의 경우, 저차속 영역에서는 토크 변동이 커지므로, 댐퍼에서의 흡수에도 한계가 있다. 그렇기 때문에 쾌적성을 확보하면서 록업 영역을 확대하는 것은 어려웠다. 그래서 종래 록업을 하지 않았던 저속 영역이나 감속 시에, 록업 클러치를 미세하게 미끄러뜨리는(슬립시키는) 정도로 연결하고, 록업 클러치의 마찰 특성에 크게 영향을 미치는 ATF도 슬립 제어를 하는 AT에 대응하는 품목을 사용했다. 이로 인해 록업 시에 더 생기는 쇼크를 억제하고, 쾌적성과 전달 효율의 양립을 꾀한 슬립 제어 부착 록업 기구가 개발되었고, 록업 영역이 저속 측으로 확대될 수 있었으며, 실용 영역에서의 록업 작동률은 크게 향상되었다. 액셀 오프 시에 록업을 하기 쉬워지고 엔진의 '''연료 차단 기능'''(엔진 회전수가 일정 이상에서 액셀이 꺼져있는 경우 엔진에 대한 연료 공급이 자동적으로 멈추어 연료 소비를 억제하는 기능)을 사용하기 쉬워지고, 재더의 발생 확률이 적어진다는 장점도 있다. 각 회사 AT에서 마찰재 및 제어 등이 다르기 때문에, 같은 슬립 제어에 대응하는 ATF라도 사양의 차이가 존재한다. 이 때문에 범용품이 아닌 순정품 또는 확실한 적합 확인이 완료된 ATF의 사용이 바람직하다.

무단 변속의 토크 컨버터 부착 CVT 차에서는, 원심식 또는 전자식 등의 자동 클러치 대신 토크 컨버터를 사용하기 때문에, 정지, 저속 주행 시 이외에는 록업시키는 것이 일반적이다. 이러한 차종에서는 록업 기구의 온오프가 쇼크로 전달되는 경우가 있다. 토크 컨버터 부착 CVT에서도 앞서 언급한 슬립 제어가 적용되고 있다. CVT 이외에도 저속 주행 시의 거동 등 문제를 일으키기 쉬운 DCT에 토크 컨버터를 적용함으로써 대응하는 케이스도 있다.

자동차 분야에서의 토크 컨버터는 전달 효율 향상, 스텝 AT의 다단화, CVT에의 적용 등으로부터 유체 이음을 포함한 토크 컨버터 본래의 기능보다도 록업 운용을 전제로 한 여장성이 높은 습식 클러치라는 측면이 강해지고 있다. 이 때문에 토크 컨버터에 관련된 요소(펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터)의 축소・박형화, 대신 록업에 관련된 요소(클러치, 댐퍼)가 차지하는 비율이 커지고 있다.

3. 2. 장점 및 단점

토크 컨버터 내부의 추진 손실은 효율을 감소시키고 폐열을 발생시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 현대 자동차에서는 록업 클러치를 사용하여 임펠러와 터빈을 물리적으로 연결, 컨버터를 순수한 기계적 커플링으로 변환한다. 그 결과 슬립이 없어지고, 거의 동력 손실이 발생하지 않는다.

록업 원리가 자동차에 처음 적용된 것은 1949년 패커드의 울트라매틱 변속기였다. 이 변속기는 순항 속도에서 컨버터를 록업하고, 급가속을 위해 스로틀을 끝까지 밟거나 차량 속도가 감소할 때 록업을 해제했다. 이 기능은 1950년대에 생산된 일부 보그 워너 변속기에도 적용되었다. 그러나 추가적인 복잡성과 비용 때문에 이후 몇 년 동안 인기를 잃었다. 1970년대 후반, 연비 개선 요구에 부응하여 록업 클러치가 다시 등장하기 시작했으며, 현재 자동차에 거의 보편적으로 사용되고 있다.

3. 3. 슬립 제어 록업

현대 자동차에서는 록업 클러치를 사용하여 임펠러와 터빈을 물리적으로 연결, 컨버터를 순수한 기계적 커플링으로 변환하여 추진 손실을 줄인다. 이로 인해 슬립이 없어지고, 거의 동력 손실이 발생하지 않는다.^[1]

1949년에 출시된 패커드의 울트라매틱 변속기는 록업 원리가 처음 자동차에 적용된 사례이다.^[2] 이 변속기는 순항 속도에서 컨버터를 록업하고, 급가속을 위해 스로틀을 끝까지 밟거나 차량 속도가 감소할 때 록업을 해제했다.^[2] 1950년대에 생산된 일부 보그 워너 변속기에도 이 기능이 적용되었으나, 추가적인 복잡성과 비용 때문에 이후 몇 년 동안 인기를 잃었다.^[2] 1970년대 후반, 연비 개선 요구에 따라 록업 클러치가 다시 등장하여 현재 자동차에 거의 보편적으로 사용되고 있다.^[2]

1973년 오일 쇼크를 계기로 자원 및 에너지 절약이 강조되면서, 변속 작용이 필요 없는 영역에서 기계식 클러치로 입출력축을 직결하여 전달 효율을 높이는 록업 기구가 생겨났다. 록업 기구는 AT 장착 차에 탑재되어 유체의 점성 및 미끄러짐에 의한 손실을 보완하는 연비 성능을 확립했다.

스포츠 주행에서의 전달 효율을 더욱 높이기 위해, 기존 AT를 사용하면서 제어 컴퓨터의 프로그램을 개량하여 1단과 변속 시 이외에 상시 록업하는 제어도 이루어지는 경우가 있다(렉서스 IS-F 등). 록업은 엔진의 토크 변동이 흡수되지 않고 전달되어 저속 영역에서 진동과 소음이 증대될 수 있으므로, 적합한 기어비 설정 및 록업 기구에 댐퍼 기구를 갖는 것을 전제로 한다.

마쓰다가 악셀라에서 처음 채용한 가솔린 엔진만으로 하이브리드 자동차에 필적하는 연비를 목표로 한 AT 'SKYACTIV-DRIVE'는 전달 효율 향상과 연비 억제를 위해 발진 직후 이외의 모든 변속 단에서 상시 록업을 한다. 록업 시 폐해 대책으로 제어 컴퓨터 프로그램 개량 외에 록업 기구 자체에 대용량 댐퍼 기구를 설치하고 있다.

록업은 전달 효율을 향상시키지만 쇼크 등을 발생시키기 쉬워 쾌적성을 해치기 쉽다. 그래서 쾌적성을 확보하면서 록업 영역을 확대하기 위해, 종래 록업을 하지 않았던 저속 영역이나 감속 시에 록업 클러치를 미세하게 미끄러뜨리는(슬립시키는) 정도로 연결하는 슬립 제어 부착 록업 기구가 개발되었다. 슬립 제어를 하는 AT에 대응하는 ATF도 사용되었다. 이를 통해 록업 시 쇼크를 억제하고 쾌적성과 전달 효율을 양립시킬 수 있었으며, 실용 영역에서의 록업 작동률이 크게 향상되었다. 또한 액셀 오프 시 록업을 하기 쉬워져 엔진의 '''연료 차단 기능'''을 사용하기 쉬워지고, 재더 발생 확률이 적어진다는 장점도 있다.

무단 변속의 토크 컨버터 부착 CVT 차에서는 원심식 또는 전자식 등의 자동 클러치 대신 토크 컨버터를 사용하기 때문에 정지, 저속 주행 시 이외에는 록업시키는 것이 일반적이다. 토크 컨버터 부착 CVT에서도 슬립 제어가 적용되고 있다. CVT 이외에도 저속 주행 시 거동 등 문제를 일으키기 쉬운 DCT에 토크 컨버터를 적용하는 경우도 있다.

4. 다양한 토크 컨버터 시스템

토크 컨버터는 유체 클러치와 비슷하지만, 입력 측과 출력 측의 회전 차이에 따라 토크를 증폭시키는 기능이 있다는 점에서 '컨버터(변환기)'라고 불린다.

자동변속기에서 토크 컨버터는 중요한 부품이지만, 닛산의 푸가 하이브리드, 스카이라인 하이브리드 등과 같이 시동 시부터 토크가 크고 회전 제어가 쉬운 전동기가 토크 컨버터의 역할을 대신하고, 연비 향상을 위해 생략되는 경우도 있다.^[1]

4. 1. 유압 시스템

자동변속기에서 토크 컨버터는 유체역학적 장치이다. 유압 구동 시스템과 같은 소형 굴삭기와 같은 소형 기계에 널리 사용되는 정압식 시스템도 있다.

토크 컨버터의 외부는 토러스형 용기이며, 내부는 '''펌프 임펠러''', '''터빈 런너''', '''스테이터(고정 날개)'''로 구성된다. 내부에는 점도가 비교적 작은 오일이 채워져 순환한다.

입력 측에 연결된 펌프 임펠러가 오일 흐름을 만들면, 마주보는 터빈 런너가 그 흐름의 관성력을 받아 출력축을 구동한다. 펌프 임펠러와 터빈 런너 사이의 스테이터는 터빈 런너로부터의 배출류(반환)를 정류하여 남은 운동 에너지를 펌프 임펠러에 환원, 토크 증폭 작용을 발생시킨다.

펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전 속도가 비슷해지면 (자동차 등에서는 어느 정도 속도가 올라간 상황), 스테이터에 의한 토크 증폭 효과가 옅어지고 스테이터 자체가 오일 흐름을 방해한다. 따라서 원웨이 클러치를 스테이터에 설치하여 스테이터를 터빈 런너와 함께 회전시켜 효율을 유지한다.

1973년 오일 쇼크 이후, 자원 및 에너지 절약이 강조되면서 변속 작용이 필요 없는 영역에서 기계식 클러치로 입출력축을 직결, 전달 효율을 높이는 록업 기구가 생겨났다. 이 록업 기구는 AT 장착 차에 탑재되어 유체의 점성 및 미끄러짐에 의한 손실을 보완, 연비 성능을 향상시켰다.

스포츠 주행에서 전달 효율을 더욱 높이기 위해, 기존 AT를 사용하면서 제어 컴퓨터의 프로그램을 개량하여 1단과 변속 시를 제외하고 상시 록업하는 제어도 이루어지기도 한다(렉서스 IS-F 등). 록업은 토크 증폭 작용을 없애는 단점이 있지만, 실제로는 토크 증폭 작용은 전달 손실로 낭비되는 에너지를 토크로 회수하는 것이며, 직결되는 록업 시의 손실 제로와는 전달 효율 면에서 비교가 되지 않는다. 또한, 상시 록업은 엔진의 토크 변동이 흡수되지 않고 전달되어, 특히 저속 영역에서는 진동과 소음이 커지기 때문에, 적절한 기어비 설정 및 수동 변속기의 클러치처럼 록업 기구에 댐퍼 기구를 설치해야 한다.

마쓰다가 악셀라에서 처음 채용한 가솔린 엔진만으로 하이브리드 자동차에 필적하는 연비를 목표로 한 AT 'SKYACTIV-DRIVE'는 전달 효율 향상과 연비 억제를 위해 발진 직후를 제외한 모든 변속 단에서 상시 록업을 한다. 록업 시의 문제점 해결을 위해 제어 컴퓨터 프로그램 개량 외에 록업 기구 자체에 대용량 댐퍼 기구를 설치했다.

록업은 전달 효율을 높이지만, 충격 등을 발생시켜 쾌적성을 해치기 쉽다. 엔진 회전이 낮은 상태에서 록업하면 파워트레인의 고유 진동수와 차체의 공진 주파수가 가까워져 진동이 발생하기 쉽다. 또한, 직결의 경우 저속 영역에서 토크 변동이 커져 댐퍼의 흡수에도 한계가 있다. 따라서 쾌적성을 유지하면서 록업 영역을 확대하는 것은 어려웠다. 그래서 기존에 록업을 하지 않던 저속 영역이나 감속 시에 록업 클러치를 미세하게 미끄러뜨리는(슬립시키는) 정도로 연결하고, 록업 클러치의 마찰 특성에 크게 영향을 미치는 ATF도 슬립 제어를 하는 AT에 대응하는 품목을 사용했다. 이를 통해 록업 시 충격을 줄이고 쾌적성과 전달 효율을 양립시킨 슬립 제어 부착 록업 기구가 개발되었고, 록업 영역이 저속 측으로 확대되어 실용 영역에서의 록업 작동률이 크게 향상되었다. 액셀 오프 시에 록업을 하기 쉬워지고 엔진의 연료 차단 기능(엔진 회전수가 일정 이상에서 액셀이 꺼져있는 경우 엔진에 대한 연료 공급이 자동적으로 멈추어 연료 소비를 억제하는 기능)을 사용하기 쉬워지고, 재더의 발생 확률이 적어진다는 장점도 있다. 각 회사 AT에서 마찰재 및 제어 등이 다르므로, 같은 슬립 제어에 대응하는 ATF라도 사양의 차이가 있다. 따라서 범용품이 아닌 순정품 또는 확실한 적합 확인이 완료된 ATF를 사용하는 것이 좋다.

무단 변속의 토크 컨버터 부착 CVT 차에서는, 원심식 또는 전자식 등의 자동 클러치 대신 토크 컨버터를 사용하므로, 정지 및 저속 주행 시를 제외하고는 록업시키는 것이 일반적이다. 이러한 차종에서는 록업 기구의 온오프가 충격으로 전달되는 경우가 있다. 토크 컨버터 부착 CVT에도 슬립 제어가 적용되고 있다. CVT 이외에도 저속 주행 시의 거동 등 문제를 일으키기 쉬운 DCT에 토크 컨버터를 적용하는 경우도 있다.

자동차 분야에서 토크 컨버터는 전달 효율 향상, 스텝 AT의 다단화, CVT에의 적용 등으로부터 유체 이음을 포함한 토크 컨버터 본래의 기능보다는 록업 운용을 전제로 한 여장성이 높은 습식 클러치라는 측면이 강해지고 있다. 따라서 토크 컨버터 관련 요소(펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터)는 축소/박형화되고, 록업 관련 요소(클러치, 댐퍼)가 차지하는 비율이 커지고 있다.

4. 2. 기계 시스템

토크 컨버터에는 여러 기계적 설계가 존재하며, 이 중 다수는 기계식 무단 변속기와 유사하거나 그 역할을 수행한다. 예를 들어 펜듈럼 기반의 콘스탄티네스코 토크 컨버터, 램버트 마찰 기어 디스크 드라이브 변속기, 그리고 팽창 풀리와 벨트 드라이브를 갖춘 바리오매틱 등이 있다.

토크 컨버터의 외부는 토러스형 용기이며, 내부는 '''펌프 임펠러''', '''터빈 런너''', '''스테이터(고정 날개)'''로 구성된다. 이 안에는 비교적 점도가 낮은 오일이 채워져 순환한다.

펌프 임펠러: 입력 측에 연결되어 오일 흐름을 생성한다.
터빈 런너: 펌프 임펠러가 만든 오일 흐름의 관성력을 받아 출력축을 구동한다.
스테이터: 터빈 런너에서 나오는 오일(반환류)을 정류하여 남은 운동 에너지를 펌프 임펠러에 환원시켜 토크 증폭 작용을 일으킨다.

펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전 속도가 비슷해지면 (예: 자동차가 어느 정도 속도를 낸 상황), 스테이터에 의한 토크 증폭 효과는 줄어들고 스테이터 자체가 오일 흐름을 방해하게 된다. 이를 방지하기 위해 원웨이 클러치를 스테이터에 설치하여 스테이터가 터빈 런너와 함께 회전하도록 하여 효율을 유지한다.

1970년대 아이신(아이신・워너)과 지야토코(일본 자동 변속기)와 같은 AT 전문 회사들이 설립되면서 일본 자동차 제조사들의 AT 개발이 본격화되었다. 1973년 오일 쇼크 이후 자원 및 에너지 절약이 강조되면서, 변속이 필요 없는 영역에서 기계식 클러치를 통해 입출력축을 직접 연결하여 전달 효율을 높이는 록업(lock-up) 장치가 등장했다. 록업 장치는 AT 장착 차량에 탑재되어 유체의 점성 및 미끄러짐으로 인한 손실을 보완하고 연비 성능을 향상시켰다.

스포츠 주행 시 전달 효율을 더욱 높이기 위해, 기존 AT를 유지하면서 제어 컴퓨터의 프로그램을 개선하여 1단 변속 외에는 상시 록업하는 제어 방식도 사용된다 (렉서스 IS-F 등). 록업은 토크 증폭 작용을 없애는 단점이 있지만, 실제로는 토크 증폭은 전달 손실로 낭비되는 에너지를 토크로 회수하는 것이므로, 직결되는 록업 시의 손실이 없는 것과는 전달 효율 면에서 비교가 되지 않는다. 상시 록업은 엔진의 토크 변동을 흡수하지 못하고 전달하여 저속 영역에서 진동과 소음을 증가시킬 수 있다. 따라서 적절한 기어비 설정과 수동 변속기의 클러치처럼 록업 장치에 댐퍼를 설치하는 것이 필요하다.

마쓰다가 악셀라에 처음 적용한 가솔린 엔진만으로 하이브리드 자동차에 필적하는 연비를 목표로 한 AT인 'SKYACTIV-DRIVE'는 전달 효율 향상과 연비 개선을 위해 발진 직후를 제외한 모든 변속 단에서 상시 록업을 적용한다. 록업 시 발생하는 문제점을 해결하기 위해 제어 컴퓨터 프로그램 개선과 함께 록업 장치 자체에 대용량 댐퍼를 설치했다.

록업은 전달 효율을 높이지만, 충격 등을 유발하여 쾌적성을 저해할 수 있다. 엔진 회전이 낮은 상태에서 록업을 하면 파워트레인의 고유 진동수와 차체의 공진 주파수가 가까워져 진동이 발생하기 쉽다. 또한, 직결 시 저속 영역에서는 토크 변동이 커져 댐퍼로 흡수하는 데 한계가 있다. 따라서 쾌적성을 유지하면서 록업 영역을 확대하는 것은 어려웠다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 기존에 록업을 하지 않던 저속 영역이나 감속 시에 록업 클러치를 미세하게 미끄러뜨리는(슬립) 방식으로 연결하고, 록업 클러치의 마찰 특성에 큰 영향을 미치는 ATF도 슬립 제어를 지원하는 제품을 사용했다. 이를 통해 록업 시 발생하는 충격을 줄이고 쾌적성과 전달 효율을 모두 확보한 슬립 제어 부착 록업 장치가 개발되었다. 이로 인해 록업 영역이 저속 영역으로 확대되었고, 실용 영역에서의 록업 작동률이 크게 향상되었다. 또한, 가속 페달을 뗀 상태에서 록업이 쉬워져 엔진의 '''연료 차단 기능'''(엔진 회전수가 일정 이상일 때 가속 페달을 떼면 엔진 연료 공급이 자동으로 중단되어 연료 소비를 줄이는 기능)을 사용하기 쉬워졌고, 재더 발생 확률이 낮아지는 장점도 있다. 각 회사 AT마다 마찰재 및 제어 방식이 다르므로, 동일한 슬립 제어를 지원하는 ATF라도 사양 차이가 존재한다. 따라서 범용 제품이 아닌 순정품 또는 확실한 적합 확인이 완료된 ATF를 사용하는 것이 좋다.

무단 변속 토크 컨버터 부착 CVT 차량에서는 원심식 또는 전자식 자동 클러치 대신 토크 컨버터를 사용하므로 정지 및 저속 주행 시를 제외하고는 록업을 하는 것이 일반적이다. 이러한 차종에서는 록업 장치의 on/off가 충격으로 전달될 수 있다. 토크 컨버터 부착 CVT에도 앞서 언급한 슬립 제어가 적용되고 있다. CVT 외에도 저속 주행 시의 움직임 등 문제를 일으키기 쉬운 DCT에 토크 컨버터를 적용하여 대응하는 경우도 있다 (아큐라・TLX・아큐라・ILX의 8단 DCT 모델).

자동차 분야에서 토크 컨버터는 전달 효율 향상, 스텝 AT의 다단화, CVT 적용 등으로 인해 유체 커플링을 포함한 토크 컨버터 본래의 기능보다는 록업 운용을 전제로 한 내구성이 높은 습식 클러치로서의 측면이 강해지고 있다. 이 때문에 토크 컨버터 관련 부품(펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터)은 축소 및 박형화되고, 록업 관련 부품(클러치, 댐퍼)이 차지하는 비율이 커지고 있다.

5. 용도

토크 컨버터는 자동변속기의 핵심 부품으로, 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.

자동차, 버스, 온/오프로드 트럭과 같은 차량^[1]
포워더 및 기타 대형 차량^[1]
선박 추진 시스템^[1]
컨베이어 구동, 거의 모든 현대식 지게차, 윈치, 굴착 장비, 건설 장비, 디젤-유압식 철도 기관차와 같은 산업용 동력 전달 장치^[1]

토크 컨버터는 유체 클러치와 달리, 입력 측과 출력 측의 회전 차이에 따라 토크를 증폭시키는 작용을 한다. 이 때문에 단순한 클러치가 아닌 컨버터(변환기)라고 불린다.^[1] 액체를 매개로 하기 때문에 동작에 유연성이 있고, 일시적으로 출력 측만 정지시킬 수 있는 등 자동 클러치처럼 이용할 수 있다.^[1] 출력축이 정지한 상태를 스톨이라고 하며, 그 사이의 입력은 모두 열로 변환된다.^[1] 이 때문에 시스템에 따라 오일 쿨러 등의 액체 냉각기가 필요하다.^[1] 기계적으로 연결된 클러치와 비교하여 토크 컨버터는 부하가 커지면 슬립이 많아지고, 전달 효율이 떨어지는 경향이 있다.^[1]

단독으로는 큰 감속비를 효율적으로 얻을 수 없으므로, 넓은 속도 영역에 대응하기 위해서는 기계식 트랜스미션과 조합하여 사용된다.^[1] 대형 자동차의 보조 브레이크로 탑재되는 유체식 리타더는 토크 컨버터를 응용한 것이다.^[1]

5. 1. 자동차

자동변속기는 자동차에 사용되는 중요한 부품이지만, 닛산의 푸가 하이브리드, 스카이라인 하이브리드 등과 같이, 시동 시부터 토크가 크고 회전 제어도 쉬운 전동기에 그 역할을 대체시키고, 연비 향상을 위해 생략되는 예도 있다.

1970년대 무렵부터 본격적인 일본 메이커의 자동변속기(AT) 개발이 시작되었고, 1973년 오일 쇼크를 계기로 자원 및 에너지 절약이 강조되었다. 변속이 필요 없는 영역에서 기계식 클러치로 입출력축을 직결하여 전달 효율을 높이는 록업 기구가 AT 장착 차량에 탑재되면서, 유체의 점성 및 미끄러짐에 의한 손실을 보완하는 연비 성능이 확립되었다.

스포츠 주행에서 전달 효율을 더욱 높이기 위해 기존 AT를 사용하면서 제어 컴퓨터의 프로그램을 개량하여, 1단과 변속 시를 제외하고 상시 록업하는 제어도 이루어진다(렉서스 IS-F 등). 록업으로 토크 증폭 작용이 없어지는 것이 단점으로 여겨지기도 하지만, 실제로는 토크 증폭 작용은 전달 손실로 낭비되는 에너지를 토크로 회수하는 것이며, 직결되는 록업 시의 손실 제로와는 전달 효율 면에서 비교가 되지 않는다. 또한, 상시 록업은 엔진의 토크 변동이 흡수되지 않고 전달되어 저속 영역에서 진동과 소음이 커지므로, 적절한 기어비 설정 및 수동 변속기의 클러치처럼 록업 기구에 댐퍼 기구를 갖추는 것이 전제된다.

마쓰다가 악셀라에서 처음 채용한, 가솔린 엔진만으로 하이브리드 자동차에 필적하는 연비를 목표로 한 AT 'SKYACTIV-DRIVE'에서도 전달 효율 향상과 연비 억제를 위해 발진 직후를 제외한 모든 변속 단에서 상시 록업을 한다. 록업 시의 문제점 대책으로 제어 컴퓨터 프로그램 개량 외에 록업 기구 자체에 대용량 댐퍼 기구를 설치하고 있다.

록업은 전달 효율을 향상시키지만 쇼크 등을 발생시켜 쾌적성을 해치기 쉽다. 엔진 회전이 천 수백 회전 정도의 낮은 회전수로 록업하면 파워트레인의 고유 진동수와 차체의 공진 주파수가 가까워져 진동이 발생하기 쉽다. 또한 직결의 경우 저차속 영역에서 토크 변동이 커져 댐퍼의 흡수에 한계가 있다. 따라서 쾌적성을 확보하면서 록업 영역을 확대하는 것은 어려웠다. 그래서 종래 록업을 하지 않던 저속 영역이나 감속 시에 록업 클러치를 미세하게 미끄러뜨리는(슬립) 정도로 연결하고, 록업 클러치의 마찰 특성에 큰 영향을 미치는 ATF도 슬립 제어를 하는 AT에 대응하는 품목을 사용했다. 이로 인해 록업 시에 발생하는 쇼크를 억제하고 쾌적성과 전달 효율을 양립하는 슬립 제어 부착 록업 기구가 개발되어 록업 영역이 저속 측으로 확대되었으며, 실용 영역에서의 록업 작동률이 크게 향상되었다. 액셀 오프 시에 록업을 하기 쉬워지고 엔진의 '''연료 차단 기능'''(엔진 회전수가 일정 이상에서 액셀이 꺼져 있을 때 엔진에 대한 연료 공급이 자동적으로 멈추어 연료 소비를 억제하는 기능)을 사용하기 쉬워져 재더 발생 확률이 적어진다는 장점도 있다.

무단 변속 토크 컨버터 부착 CVT 차에서는 원심식 또는 전자식 등의 자동 클러치 대신 토크 컨버터를 사용하므로 정지, 저속 주행 시를 제외하고는 록업시키는 것이 일반적이다. 토크 컨버터 부착 CVT에도 앞서 언급한 슬립 제어가 적용되고 있다. CVT 외에도 저속 주행 시의 거동 등 문제를 일으키기 쉬운 DCT에 토크 컨버터를 적용하여 대응하는 경우도 있다.

자동차 분야에서 토크 컨버터는 전달 효율 향상, 스텝 AT의 다단화, CVT 적용 등으로 인해 유체 이음을 포함한 토크 컨버터 본래의 기능보다도 록업 운용을 전제로 한 여장성이 높은 습식 클러치라는 측면이 강해지고 있다.

카운터 샤프트를 사용한 기어 기구나 유성 기어 기구와 조합하여 승용차의 자동 변속기에 사용된다. 1990년대 후반 이후, 승용차용으로는 벨트식 CVT와 조합하는 사례도 늘고 있다. 이 조합에서는 발진 시 토크 증폭 효과를 활용하여 응답성을 향상시키거나, 크리프 등 기존 AT와 같은 거동을 할 수 있다.

5. 2. 건설 기계

건설 기계에는 포워더를 비롯한 대형 차량, 컨베이어 구동, 거의 모든 현대식 지게차, 윈치, 굴착 장비 등이 있다.^[1]

5. 3. 산업용

자동변속기는 자동차, 버스, 온/오프로드 트럭과 같은 차량, 포워더 및 기타 대형 차량, 선박 추진 시스템에 사용된다.^[1]
컨베이어 구동, 거의 모든 현대식 지게차, 윈치, 굴착 장비, 건설 장비, 디젤-유압식 철도 기관차와 같은 산업용 동력 전달 장치에도 사용된다.^[1]

5. 4. 철도

카운터 샤프트를 사용한 기어 기구 또는 유성 기어 기구와 조합하여 승용차나 철도용 디젤 차량, 액체식 디젤 기관차의 자동 변속기에 사용된다. 일본의 철도용으로는 초기에 기계식 변속 기구를 갖지 않고, 저중속역은 모두 토크 컨버터가 담당하고, 고속역에서는 직결하는 형식(2단 수동 전환식)이 보급되었다. 이 방식은 2018년(헤이세이 30년) 현재도 구 국철 시대에 제조된 기동차의 대부분에서 실용화되고 있다(키하 183계, 키하 185계, 키하 40형 등).^[1] 자세한 내용은 기동차·디젤 기관차의 동력 전달 방식#액체식(유체식) 문서를 참조하면 된다.^[1] 참고로 철도용 변속기에서 "변속"과 "직결"의 표현은 자동차에서의 "변속"(변속비>1.000)과 "직결"(변속비=1.000)과는 달리, "변속"은 토크 컨버터를 사용한 동력 전달, "직결"은 록업에 의한 동력 전달을 가리킨다.^[1]

5. 5. 기타

자동변속기는 자동차, 버스, 온/오프로드 트럭과 같은 차량에 사용된다.^[1]
포워더 및 기타 대형 차량.^[1]
선박 추진 시스템.^[1]
컨베이어 구동, 거의 모든 현대식 지게차, 윈치, 굴착 장비, 건설 장비, 디젤-유압식 철도 기관차와 같은 산업용 동력 전달 장치.^[1]
카운터 샤프트를 사용한 기어 기구 또는 유성 기어 기구와 조합하여 승용차나 철도용 디젤 차량, 액체식 디젤 기관차의 자동 변속기에 사용된다.^[1]
1990년대 후반 이후, 승용차용으로는 벨트식 CVT와 조합하는 사례도 늘고 있다.^[1] 이 조합에서는 발진 시 토크 증폭 효과를 활용하여 응답성을 향상시키거나, 크리프 등 기존 AT와 같은 거동을 할 수 있다.^[1]

한편, 일본의 철도용으로는 초기에 기계식 변속 기구를 갖지 않고, 저중속역은 모두 토크 컨버터가 담당하고, 고속역에서는 직결하는 형식(2단 수동 전환식)이 보급되었다.^[1] 이 방식은 2018년(헤이세이 30년) 현재도 구 국철 시대에 제조된 기동차의 대부분에서 실용화되고 있다(키하 183계, 키하 185계, 키하 40형 등).^[1] 자세한 내용은 기동차·디젤 기관차의 동력 전달 방식#액체식(유체식)을 참조.^[1] 참고로 철도용 변속기에서 "변속"과 "직결"의 표현은 자동차에서의 "변속"(변속비>1.000)과 "직결"(변속비=1.000)과는 달리, "변속"은 토크 컨버터를 사용한 동력 전달, "직결"은 록업에 의한 동력 전달을 가리킨다.^[1]

또한 대형 자동차의 보조 브레이크로 탑재되는 유체식 리타더는 이 토크 컨버터를 응용한 것이다.^[1]

6. 고장 모드

토크 컨버터에 과부하가 걸리면 다음과 같은 여러 가지 고장 모드가 발생할 수 있으며, 그 중 일부는 위험할 수 있다.^[3]

'''스테이터 클러치 고착''': 일방향 스테이터 클러치의 내부 및 외부 요소가 영구적으로 함께 잠겨, 커플링 단계에서 스테이터가 회전하는 것을 방지한다. 이는 주로 심한 부하 및 그에 따른 클러치 구성 요소의 왜곡으로 인해 발생하며, 결국 결합 부품의 걸림 현상을 유발한다. 스테이터 클러치가 고착된 컨버터는 커플링 단계에서 매우 낮은 효율을 보이며, 자동차의 경우 연료 소비가 급격히 증가한다. 이러한 조건에서 컨버터가 과열되는 경우가 많다.
'''스테이터 클러치 파손''': 기어를 체결하기 전에 변속기를 중립으로 놓고 엔진 RPM을 증가시키는 것과 같이 매우 급격한 동력 전달(일반적으로 "중립 시동"이라고 함)은 스테이터 클러치에 충격 부하를 유발하여 파손을 초래할 수 있다. 이 경우 스테이터는 펌프의 반대 방향으로 자유롭게 회전하며 동력 전달이 거의 이루어지지 않는다. 자동차에서는 변속기 슬립이 심한 경우와 유사한 효과가 나타나며, 차량은 자체 동력으로 움직일 수 없게 된다.

6. 1. 과열

지속적인 높은 수준의 슬립은 컨버터의 열 발산 능력을 압도하여 컨버터 내부의 유체를 유지하는 엘라스토머 실에 손상을 줄 수 있다.^[3] 승용차의 경우, 눈이나 진흙에 갇혀 상당한 힘을 사용하여 전진과 후진을 반복하며 차를 앞뒤로 흔들어 빠져나오려 할 때 과열이 발생할 수 있다. 이 경우 변속기 오일이 빠르게 과열되며, 스테이터 클러치에 반복적인 충격이 가해진다. 또한 변속기 오일이 과열되면 점성이 손실되어 변속기가 손상될 수 있다. 이러한 상황은 드물게 토크 컨버터 누출을 유발하여 결국 유체 부족으로 인해 작동이 중단될 수 있다.

6. 2. 스테이터 클러치 문제

토크 컨버터에 과부하가 걸리면 여러 가지 고장 모드가 발생할 수 있으며, 그 중 일부는 위험할 수 있다.

'''과열''': 지속적으로 높은 수준의 슬립이 발생하면 컨버터가 열을 발산하는 능력을 넘어서서 컨버터 내부의 유체를 유지하는 엘라스토머 실에 손상을 줄 수 있다. 승용차의 경우 눈이나 진흙에 갇혀 상당한 힘으로 전진과 후진을 반복하여 차량을 앞뒤로 흔들어 운동량을 얻어야 하는 경우가 대표적이다. 이 경우 변속기 오일이 빠르게 과열되고, 스테이터 클러치에 반복적인 충격이 가해진다. 또한 변속기 오일이 과열되면 점성이 손실되어 변속기가 손상될 수 있다. 드물게는 이러한 과도한 사용이 토크 컨버터 누출을 유발하여 결국 유체 부족으로 작동이 중단될 수 있다.^[3]
'''스테이터 클러치 고착''': 일방향 스테이터 클러치의 내부 및 외부 요소가 영구적으로 잠겨 커플링 단계에서 스테이터가 회전하지 못하게 된다. 대개 심한 부하와 그에 따른 클러치 구성 요소의 왜곡으로 인해 발생하며, 결국 결합 부품의 걸림이 발생하여 고착된다. 스테이터 클러치가 고착된 컨버터는 커플링 단계에서 효율이 매우 낮아지며, 자동차의 경우 연료 소비가 급격히 증가한다. 이러한 조건에서 컨버터가 과열되는 경우가 많다.^[3]
'''스테이터 클러치 파손''': 기어를 체결하기 전에 변속기를 중립으로 놓고 엔진 RPM을 증가시키는 것과 같이 매우 급격한 동력 전달(일반적으로 "중립 시동"이라고 함)은 스테이터 클러치에 충격 부하를 유발하여 파손을 초래할 수 있다. 이 경우 스테이터는 펌프의 반대 방향으로 자유롭게 회전하며 동력 전달이 거의 이루어지지 않는다. 자동차에서는 변속기 슬립이 심한 경우와 유사한 효과가 나타나며, 차량은 자체 동력으로 움직일 수 없게 된다.^[3]
'''블레이드 변형 및 파편화''': 급격한 부하 또는 컨버터의 과도한 가열을 받으면 펌프 및/또는 터빈 블레이드가 변형되거나 허브 및/또는 환형 링에서 분리되거나 파편으로 부서질 수 있다. 최소한 이러한 고장은 효율 감소로 이어져 스테이터 클러치 고장과 유사한 증상을 나타낸다. 극단적인 경우 컨버터가 치명적으로 파괴될 수 있다.^[3]
'''벌루닝''': 과도한 부하, 매우 급격한 부하 적용 상태에서 장시간 작동하거나 매우 높은 RPM으로 토크 컨버터를 작동하면 내부 압력 및/또는 관성에 의해 컨버터 하우징의 모양이 물리적으로 왜곡될 수 있다. 극단적인 조건에서 벌루닝은 컨버터 하우징이 파열되어 뜨거운 오일과 금속 파편이 넓은 지역으로 격렬하게 분산되도록 한다.^[3]

6. 3. 블레이드 변형 및 파편화

급격한 부하 또는 컨버터의 과도한 가열을 받으면 펌프 및/또는 터빈 블레이드가 변형되거나 허브 및/또는 환형 링에서 분리되거나 파편으로 부서질 수 있다.^[3] 최소한 이러한 고장은 효율 감소를 야기하여 스테이터 클러치 고장과 유사한 증상(덜 두드러지지만)을 나타낸다. 극단적인 경우, 컨버터가 치명적으로 파괴될 수 있다.^[3]

6. 4. 벌루닝

과도한 부하, 매우 급격한 부하가 가해지는 조건에서 장시간 작동하거나 매우 높은 RPM으로 토크 컨버터를 작동하면 내부 압력 및/또는 관성에 의해 컨버터 하우징의 모양이 물리적으로 왜곡될 수 있다. 극단적인 조건에서 벌루닝은 컨버터 하우징이 파열되어 뜨거운 오일과 금속 파편이 넓은 지역으로 격렬하게 분산되도록 한다.^[3]

7. 제조사

제조사	적용 분야
아이신 AW (Aisin AW)	자동차^[1]
앨리슨 트랜스미션 (Allison Transmission)	버스, 쓰레기 수거차, 소방차, 건설, 유통, 군사 및 특수 용도^[2]
보그워너 (BorgWarner)	자동차^[3]
엑세디(Exedy)	자동차^[4]
이스즈 (Isuzu)	자동차^[5]
JATCO (Jatco)	자동차^[6]
LuK USA LLC (Schaeffler Group)	포드, GM, 앨리슨 트랜스미션, 현대 자동차용 토크 컨버터 생산
스바루 (Subaru)	자동차
트윈 디스크 (Twin Disc)	차량, 선박 및 유전 응용 분야
발레오 (Valeo)	포드, GM, 마쓰다, 스바루용 토크 컨버터 생산
보이트 터보 변속기 (Voith turbo transmissions)	많은 디젤 기관차 및 디젤 동차
ZF 프리드리히샤펜 (ZF Friedrichshafen)	자동차, 임업 기계, 도시 버스

참조

_[1] 논문 Bond Graph Modeling and Computer Simulation of Automotive Torque Converters https://doi.org/10.1[...] 1985
_[2] 논문 Dynamic Models for Torque Converter Equipped Vehicles https://doi.org/10.4[...] 1982
_[3] 서적 Hydrodynamic couplings and converters Robert Bosch
_[4] 웹사이트 Espacenet - Original document http://worldwide.esp[...] Worldwide.espacenet.com 1933-03-07
_[5] 웹사이트 Mekydro Transmission | InterTrains.co.uk http://www.intertrai[...] 2009-10-31
_[6] 뉴스 The Sydney Morning Herald - Google News Archive Search https://news.google.[...] 1930-02-20

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