자동차공학)동력전달장치 자동 클러치(Auto Clutch)

자동 클러치(auto clutch)는 엑셀레이터 페달을 밟는 상태에 따라 차의 주행속도와 힘의 전달 모두가 자동적으로 변화되기 때문에 오토 클러치라고도 한다. 자동차의 자동변속기에는 주로 토크 컨버터가 사용되고 일부 무단변속기에 전자기 클러치가 사용되고 있다.

 

1. 유체 클러치

2. 토크 컨버터

3. 전자기 클러치

 

1. 유체 클러치

유체 클러치(fluid clutch)는 유체 커플링(fluid coupling)이라고도 하며 엔진 회전력의 전달에  유체를 이용한 것이다. 유체 커플리의 작동원리는 펌프실 내에 펌프 날개와 터빈 날개를 서로 맞대 놓고 유체를 완전히 채운 다음 펌프 날개가 회전하여 어느 속도에 이르면 터빈 날개도 회전한다는 것이다. 즉 엔진의 회전력을 유체의 운동에너지로 바꾸고 이 에너지가 다시 터빈의 동력으로 바꾸어 변속기에 전달되는 것이다. 

유체 클러치는 엔진의 출력 축(구동 축)과 연결되어 있는 펌프 임펠러(pump impellor)와 변속기의 입력 축(피구동 축)에 연결되어 있는 터빈 런너(trubine runner)의 2개의 날개차로 구성되어 있다. 엔진에 의해 펌프 임펠러가 회전하면 그 속에 들어 있는 오일이 회전하여 원심력에 의해 펌프 임펠러 바깥둘레로 분출된다. 분출된 오일의 운동에너지는 터빈 런너의 바깥둘레에서 중심방향으로 들어가 터빈 런너에 충돌하여 회전력으로 변환된다. 회전력은 엔진 회전수의 제곱에 비례하기 때문에 엑셀레이터를 밟아 회전수가 증가하면 회전력(전달 토크)도 급속히 증가하게 된다. 이때, 회전력이 터빈 런너에 걸리는 저항보다 작으면 오일의 슬립으로 회전력이 전달되지 않지만, 크면 터빈 런너가 회전을 시작하여 변속기에 동력을 전달하게 되어 차량이 움직이기 시작한다.

펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전속도의 차를 슬립이라고 한다. 차가 움직이기 전까지는 100% 슬립하지만 차량의 출발과 동시에 슬립은 급속히 감소하고 차량이 일정한 속도로 주행할 때의 슬립은 2% 정도이다.

유체 클러치는 엔진의 회전속도가 낮을 때는 오일의 슬립으로 출력이 전달되지 않지만 구조가 간단한 것에 비해서는 동력전달 용량이 크다는 장점이 있다. 그러나 가속 등판 시에는 슬립에 의한 동력 손실과 회전력(토크)의 증가가 없으므로 출력이 부족하여 자동차에는 사용되지 않고 있다.

 

2. 토크 컨버터

자동변속기 차량은 자동 클러치로 유체 클러치의 개량형인 토크 컨버터(torque converter)를 사용하고 있다. 유체 클러치는 토크 변환이 1:1을 넘지 못하나 토크 컨버터는 토크(회전력)를 2~4:1로 증대시킬 수 있고, 저속 토크가 커서 차량을 원활하게 발진할 수 있다. 토크 변환기의 구조와 작동은 유체 클러치와 비슷하나 펌프 임펠러와 터빈 런너 외에 고정자(스테이터, stator)라는 부품이 하나 더 추가되어 있고, 토크를 변환시켜 전달한다는 점이 크게 다르다.

 

- 작동원리

토크 컨버터의 작동원리는 유체 클러치와 유사하지만 스테이터 역할이 나타나는 점이 다르다. ㅅ테이터가 없는 유체 커플링의 작동은 다음과 같다. 엔진이 회전하면 펌프 임펠러도 함께 회전하여 펌프 내의 오일이 원심력에 의하여 외측으로 밀려나가 터빈 런너의 외측으로부터 중심을 향하여 흐르게 된다.

 

-토크 컨버터의 성능 곡선

 

속도비 = 터빈축 회전수 / 펌프축 회전수

토크비 = 터빈축 토크 / 펌프축 토크

효율 = 출력 / 입력 X 100

 

토크 컨버터는 속도비가 0일 때는 터빈축 회전수가 0이므로 정지된 상태이며, 이 점을 실속점(stall point)라 하고 토크비는 최대가 된다. 터빈 회전속도가 점차로 증가하면서, 즉 속도비가 점차로 증가하면 토크비는 낮아지나 효율은 증가함을 알 수 있다. 토크비가 점점 낮아져서 어느 속도비에서는 1이 되는데, 이점을 클러치 포인트(clutch point)라 한다. 이 이상의 속도비에서는 스테이터 앞면에 유체가 작용하게 되고, 이 때는 원웨이 클러치 작용에 의하여 자동적으로 토크 컨버터는 유체 커플링으로 바뀌게 된다. 따라서 토크 컨버터는 스테이터의 공전이 시작될 때까지를 컨버터 레인지, 시작한 시점을 클러치 포인트, 시작한 다음을 커플링 레인지라고 한다.

이와 같은 토크 컨버터는 1대로 클러치와 변속기의 역할을 하며 이 변속작용은 차의 주행 상태에 따라 엔진의 회전력을 자동적으로 약 1.0~2.5배까지 연속적으로 바꿀 수 있다.

 

- 토크 컨버터의 분류

토크 컨버터의 분류를 이해하기 위해서는 먼저 용어와 그의 정의를 알아야 한다.

① 토크 컨버터 : 유체를 이용하여 동력을 전달하는 장치로서 전달해야 할 토크(회전력)의 토크비(회전력비)가 속도비의 함수로서 변환되는 방식인 장치

② 요소(member) : 유로를 형성하는 날개차의 수를 말하며 펌프 임펠러, 터빈 런너, 스테이터의 3개로 구성된 것을 3요소라한다.

③ 단(stage) : 터빈 런너의 수를 말하며 스테이터나 펌프와는 별개의 요소 수를 가리킨다.

④ 상(phase) : 유체 커플링, 토크 컨버터의 기능에 변화가 없을 때 단산이라 하고, 1방향 공전 가능한 스테이터에 의해서 기능을 변환하려고 할 때 스테이터가 1개이면 토크 컨버터 레인지와 유체 커플링 레인지 특성의 2가지 작용을 하므로 2상이라 하고 다수일 때는 3상, 4상 또는 다상이라고 한다.

이 정의에 의해 토크 컨버터를 분류하면 6요소 3단 단상, 5요소 1단 다상, 5요소 2단 다상, 5요소 3단 다상, 4요소 1단 3상, 4요소 2단 2상, 4요소 2단 단상, 4요소 3단 다상, 3요소 1단 2상, 3요소 1단 3상 등 많은 종류가 개발되어 있다. 더욱이 동일한 수의 요소, 단, 상이라 할지라도 형상에 따라 스톨 토크비가 다른 형식의 것도 많다. 현재는 3요소 1단 2상형 토크 컨버터가 주로 사용되고 있으나, 여기에도 스톨 토크비가 2.1, 2.15, 2.56, 2.7, 3.0, 3.7, 4.25 등 여러 가지가 있다.

 

- 로크업 기구

로크업 기구(lockup)는 토크 컨버터에 생기는 슬립에 의한 회전 차이를 없애기 위하여 일정 속도 이상이 되면 펌프 임펠러와 터빈 런너를 기계적으로 직결하는 장치를 말한다. 이것은 펌프 임펠러와 터빈 런너 사이에 유압으로 작동되는 기계식 클러치를 두어, 유체 커플링 레인지로 된 경우 로크업 기구를 작동 시켜 회전 차이를 없게 하여 전달효율을 높이려는 것이다.

① 로크업 클러치 작동시 : 제어밸브에 의해 로크업 클러치는 전후의 압력차에 의하여 프론트 커버쪽에 압착되어 프론트 커버와 일체가 되어 회전한다. 따라서 엔진으로부터의 회전력은 OD입력 축(오버드라이버 장치가 있는 경우)에 직접 전달되어 펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전 차이가 없게 된다.

① 로크업 클러치해제 시 : 제어밸브에 의해 토크 컨버터를 통하는 유체는 작동 시와 반대로 된다. 따라서 로크업 클러치의 앞쪽 압력이 높아져서 로크업 클러치는 프론트 커버로부터 떨어지는 쪽으로 자용하여 프론트 커버와 터빈 런너의 동력전달이 차단되어 동력은 통상적인 토크 컨버터로 작동된다.

 

3. 전자기 클러치

클러치의 접속에 전자기를 이용하는 것으로서, 파우더식 벨트식 무단변속기에 사용되고 있다. 이것은 구동 멤버 요크(구동축)와 수동 로터(출력 축)의 근소한 틈새에 자기 특성이 뛰어난 전자 입자(철분 파우더)을 넣고, 구동 측의 여자코일에 전류를 통함으로써 철분이 두 회전체에서 체인과 같이 연결되어 고정화하여 요크와 로터를 연결시키는 방식이다. 전류를 약하게 하면 반 클러치 상태가 되고, 정차 시에는 전류가 끊어져 철분이 흩어져서 분산하므로 클러치가 끊어진 상태가 된다. 시프트 레버의 그립 부분에 스위치가 있으며, 시프트 조작으로 전류가 자동화되므로 클러치 페달은 없다.