토크 컨버터

왜 배우는가: 토크 컨버터는 자동변속기와 건설기계 동력전달계통의 핵심 장치이므로 구성, 원리, 장단점을 함께 묻는 문항이 자주 나온다. 토크 증대와 효율 저하가 서로 반대로 움직인다는 관계를 이해해야 여러 교시의 문항에 같은 틀로 답할 수 있다.

출제 이력: 제135회 1교시 13번, 제120회 2교시 5번, 제119회 2교시 4번, 제111회 1교시 7번, 제108회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

토크 컨버터는 유체의 운동에너지로 엔진의 회전력을 변속기에 전달하고, 필요할 때 토크를 증대시키는 유체 커플링 계열 장치이다.

토크 컨버터는 기계식 변속기의 마찰 클러치와 기어 변속 기능을 한 장치에서 함께 맡는 것으로 이해하면 된다. 엔진 쪽 펌프와 변속기 쪽 터빈은 기계적으로 직접 맞물리지 않고 작동유를 매개로 연결되므로, 회전 충격이 흡수되고 정지 상태에서도 엔진은 꺼지지 않는다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 토크 컨버터
• 유체 커플링
• 펌프(임펠러)
• 터빈(러너)
• 스테이터
• 토크 증대
• 실속비

2. 개념 풀이

토크 컨버터의 정식 정의는 내연기관과 같은 원동기의 회전력을 회전 구동 부하로 전달하는 유체 커플링의 일종이다. 자동변속기를 쓰는 자동차에서는 엔진의 플렉스플레이트와 변속기 사이에 위치하여 원동기와 자동변속기의 기어열을 연결하는 역할을 한다. 기계식 클러치가 하던 연결과 단속을 기름의 흐름으로 대신한다는 점이 이 개념의 핵심이다.

원리는 에너지 보존과 토크·회전속도의 관계로 풀이한다. 마찰 등 손실이 없다고 가정하면 엔진의 출력은 일정하므로, 토크가 커지려면 회전속도는 작아져야 한다. 따라서 터빈의 토크가 펌프의 토크보다 크려면 터빈의 회전속도가 펌프의 회전속도보다 작아야 하며, 이 관계는 큰 기어와 작은 기어가 맞물릴 때 토크와 회전속도가 반비례하는 것과 같은 원리이다.

구조는 펌프, 스테이터, 터빈 세 요소로 구성된다. 펌프는 구동판을 통해 크랭크축에 연결되어 작동유를 밀어내고, 터빈은 그 기름의 운동에너지를 받아 변속기 입력축을 돌린다. 스테이터는 터빈에서 펌프로 되돌아오는 기름의 방향을 바꾸는 날개열이며, 한쪽 방향으로만 도는 원 웨이 클러치를 통해 하우징에 지지된다. 세 요소는 기름이 가득 찬 밀폐 하우징 안에 들어 있는 비분해 방식이다.

토크 증대는 스테이터가 맡는다. 기름이 스테이터 날개에 부딪혀 방향을 바꾸면서 반력을 받고, 이 반력이 펌프 쪽 회전력에 더해져 터빈에 전달되는 토크를 키운다. 스테이터가 없으면 유체 커플링과 같은 동작만 남아 토크는 증대되지 않고 입력과 출력 토크가 같아진다.

토크 증대 정도는 운전 상태에 따라 달라진다. 차량이 정지하여 터빈이 멈춘 상태를 실속(stall)이라 하며, 이때 토크 증대가 가장 크고 입력 토크 대비 출력 토크의 비인 실속비가 가장 크다. 자동차용 컨버터의 실속 토크비는 1.8~2.5:1 수준이다. 산업용 특수 컨버터는 이보다 큰 값을 낼 수 있다.

가속 단계에서는 펌프와 터빈의 회전속도 차가 아직 커서 토크 증대가 일어나지만, 실속 상태보다는 증대 폭이 작다. 속도비가 커질수록 토크 증대 폭은 줄어든다. 이 점에서 토크 증대는 속도 차이에서 생기는 현상이며, 속도 차이가 줄어드는 만큼 토크비는 1에 가까워진다.

터빈 회전속도가 펌프의 약 90% 수준에 이르면 토크 증대는 거의 사라지고, 컨버터는 단순한 유체 커플링과 비슷하게 동작한다. 이 구간을 커플링 점이라 한다. 현대 자동차에서는 이 단계에서 록업 클러치를 걸어 펌프와 터빈을 기계적으로 직결하는데, 이렇게 하면 기름의 미끄럼 손실이 없어져 연료 효율이 좋아진다.

토크 증대와 효율은 서로 상충한다. 실속비가 큰 컨버터는 실속 근처에서 토크를 많이 키우지만 커플링 속도 부근에서는 효율이 낮다. 실속비가 작은 컨버터는 효율은 좋지만 키울 수 있는 토크가 적다. 설계자는 차량이나 건설기계의 용도에 맞춰 실속비와 효율의 균형을 정한다.

건설기계에서는 굴착, 적재, 주행이 번갈아 일어나 부하가 급변하는 경우가 많다. 토크 컨버터는 이때 기름의 미끄럼으로 충격을 흡수하고 엔진 과부하를 줄인다. 다만 미끄럼 손실은 열로 바뀌므로 작동유 온도 관리와 냉각기가 함께 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

토크 컨버터가 등장한 배경은 수동 변속기의 조작 부담이다. 수동 변속기는 출발과 변속마다 클러치 페달과 기어 레버를 조작해야 하며, 도시의 정체 구간에서는 이 조작이 반복되어 운전자의 피로와 클러치 마모가 커진다. 자동변속기는 이 조작을 자동화하는 장치이므로, 그 동력 연결부에 클러치 조작 없이 동력을 부드럽게 이어 주는 장치가 필요해졌다.

기어만으로 구성된 변속기는 정지 상태에서 엔진과 바퀴를 부드럽게 연결하기 어렵다. 엔진이 멈추지 않으면서 차량이 정지하려면 엔진 쪽과 변속기 쪽 사이에 미끄러짐을 허용하는 연결 요소가 있어야 한다. 토크 컨버터는 작동유의 흐름을 이용해 이 미끄러짐을 자연스럽게 만들므로, 운전자가 가속 페달만 밟아도 정지 상태에서 출발할 수 있다.