토크 컨버터는 회전을 전달하고 토크를 증폭시키며 클리핑으로 초저속 주행을 하기도 합니다.
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클러치
수동 변속기와 조합해 사용하는 클러치를 마찰 클러치라고 합니다. 클러치는 같은 축에 있는 두 회전축을 이용해 토크를 전달하거나 차단하는 단속 장치입니다. 마찰 클러치의 기본형은 마주 보도록 배치된 두 장의 원판으로, 각각 회전축에 고정되어 있습니다.
두 원판이 떨어져 있으면 회전은 전달되지 않습니다. 그리고 입력측이 고속으로 회전하고 출력측이 정지해 있는 상태에서 두 원판을 다짜고까 밀착시키면 커다란 충격이 발생합니다. 자동차의 경우 엔진이 정지해버립니다.
그러나 두 원판은 매우 근접한 위치에 두면 두 원판의 회전 속도 차이 때문에 마찰이 발생하고 조금씩 회전이 전달됩니다.이에 따라 출력측의 회전속도가 조금씩 높아집니다. 이렇게 해서 회전 속도의 차이가 줄어들면 두 원판을 밀착시켜도 충격이 발생하지 않으며, 모든 회전을 전달할 수 있습니다.
클러치 디스크
실제 자동차 클러치의 경우, 입력측의 원판으로 엔진의 플라이휠이 사용됩니다. 한편 출력측의 우너판은 클러치 디스크라고 하며, 플라이 휠과 마주보는 면에 마찰이 잘 발생하도록 마찰재를 붙입니다. 디스크를 덮는 클러치 커버의 안에는 스프링이 있어서, 그 힘이 디스크를 플라이휠 쪽으로 누릅니다.
클러치 페달
클러치 페달을 밟으면 스프링의 힘보다 강한 힘에 클러치 디스크가 플라이휠에서 떨어져 회전의 전달이 차단됩니다. 페달에서 발을 조금씩 뗴어 클러치 디스크와 플라이휠이 조금씩 닿게 하면 회전이 전달되기 시작합니다. 이 상태를 흔히 반클러치라고 합니다. 회전 속도가 비슷해 졌을 떄 페달에서 발을 완전히 뺴면 회전이 온전히 전달됩니다.
토크 컨버터
자동 변속기나 CVT와 함께 사용되는 단속기구가 유체 클러치의 일종인 토크 컨버터입니다. 가령 작동하고 있는 선풍기 앞에 바람개비를 놓으면 바람개비가 회전합니다. 이것이 유체 클러치의 기본 원리로, 액체나 기체처럼 흐를 수 있는 물질을 이용해 회전을 전달합니다. 오일같은 액체가 효율이 더 좋기 때문에 토크 컨버터에는 액체를 이용합니다.
날개차
선풍기와 바람개비의 경우, 공기는 바람개비를 통과한 뒤에도 계속 흘러갑니다. 요컨대 아직 운동에너지가 남아 있기 때문에 모든 회전을 전달하지 못합니다. 그러나 유체가 순환하도록 길을 만들고 그 안에 압력측과 출력측의 날개차를 설치하면 효율이 상승합니다
먼저, 압력측 날개차가 보낸 유체는 출력측의 날개차를 회전시킵니다. 그리고 날개차를 통과한 후에도 아직 운동 에너지가 남아있는 유체는 순환해서 입력측 날개차의 후방으로 되돌아와 입력측의 날개차를 밀고 다시 출력측의 날개차 쪽으로 갑니다.
출력쪽 날개차의 회전 속도가 입력측보다 느린 경우, 유체의 순환을 통해 토크가 증폭됩니다. 출력측 날개차가 정지 상태에서 회전하기 시작했다면, 입력측 날개차의 회전 때문에 출력측 날개차의 회전속도가 점점 증가하며, 최종적으로는 양쪽 모두 같은 속도로 회전합니다.
임펠러
실제 토크 컨버터의 경우, 케이스 안에 펌프 임펠러라는 입력측 날개차와 터빈 러너라는 출력측 날개차가 장착되어 있으며, 그 사이에 스테이터라는 날개차가 있습니다. 이 스테이터 덕분에 펌프 임펠러에서 터빈 러너로 보내진 유체가 효율적으로 펌프 임펠러의 뒤쪽으로 돌아 들어갑니다.
자동변속기나 CVT의 최대 변속비를 매우 크게 만들더라도 엔진의 회전을 갑자기 전달하면 순간적으로 커다란 부하가 걸려 엔진이 멈추거나 급발진합니다. 그러나 엔진과 변속기 사이에 토크 컨버터가 있으며 회전을 서서히 전달할 수 있습니다. 게다가 회전 속도의 차이가 클수록 토크의 증폭이 커지므로 발진할 때 유리합니다.
또한 정차 중에도 엔진과 변속기를 완전히 떨어트려 놓을 필요가 없습니다.
선풍기 앞에 있는 바람개비의 날개에 손가락을 대면 비교적 작은 힘으로 회전을 멈출 수 있습니다. 토크 컨버터의 경우도 이와같습니다. 입력측의 토크가 작고 출력측에 힘이 걸려 있으면 회전이 전달되지 않습니다. 이때 운동에너지는 날개차나 케이스와 접촉한 유체의 마찰 때문에 열에너지로 변환됩니다.
즉, 아이들링처럼 엔진의 토크가 작고 브레이크 페달을 밟아서 구동륜의 위치를 고정해 변속기가 회전하지 못하도록 하면 정지상태를 유지할 수 있습니다.
클리핑
브레이크 페달에서 발을 떼면 가속 페달을 밟지 않아도, 즉 엔진의 토크를 높이지 않아도 토크 컨버터의 토크 증폭 작용으로 클리핑이라는 초저속 주행이 가능합니다. 경사가 그리 심하지 않다면 오르막길에서 발진할 때도 자동차의 위치를 유지할 수 있습니다.
로크업 클러치
토크 컨버터에서는 마찰 때문에 손실이 발생합니다. 따라서 입출력의 회전속도에 차이가 없더라도 토크를 온전히 전달하지는 못합니다. 이런 손실을 줄이고자 로크업 기구가 장착되어 있습니다. 회전 속도에 차이가 없어지면 로크업 클러치를 작동시켜 입력측과 출력측을 직접 연결합니다.
- 클리핑 : 오르막길에서 발진할 떄 브레이크 페달에서 발을 뗴어도 클리핑 현상이 나타나 자동차가 후진하지 않기 때문에 여유를 두고 가속페달을 밟을 수 있습니다. 브레이크 페달에서 발을 떼면 가속 페달을 밟지 않아도 초저속으로 주행할 수 있습니다. 주차 등을 할 때 편리합니다.
- 로크업 클러치 : 회전 속도의 차이가 클때는 유체 클러치로 작동해 토크를 증폭시키고 회전 속도의 차이가 없어지면 로크업 클러치를 작동시켜 토크를 온전히 전달합니다.