トルクコンバータ
ZFトルクコンバーターの断面図
トルクコンバータの断面図

トルクコンバータは、通常、流体継手の一種として実装され、内燃機関などの原動機からの回転動力を回転する負荷に伝達する装置です。オートマチックトランスミッションを搭載した車両では、トルクコンバータが原動機を自動変速機に接続し、負荷を駆動します。通常、エンジンのフレックスプレートとトランスミッションの間に配置されます。マニュアルトランスミッションにおける同等の装置は、機械式クラッチです。

トルクコンバータは、出力回転速度が低い場合に伝達トルクを増加させる役割を果たします。流体カップリングの実施形態では、入力インペラの羽根によって駆動され、固定ステータの羽根を通して導かれる流体を用いて出力タービンを駆動します。これにより、出力軸の回転速度が入力軸よりも遅い場合に出力トルクが増加し、アダプティブ減速機と同等の作用が得られます。これは、回転速度を一致させることはできてもトルクを増幅させることができない単純な流体カップリングでは得られない機能です。

油圧システム

自動車のトランスミッションにおける最も一般的なトルクコンバータは、流体力学式です。流体カップリング式トルクコンバータは、通常、入力と出力を強固に連結するロックアップ機能も備えており、運転条件が許せば流体の流れによるトルク伝達に伴う効率低下を回避します。また、小型掘削機などの小型機械に広く使用されている油圧式システムもあります。

機械システム

機械式トルクコンバーターは、機械式無段変速機に類似しているか、またはそのような機能を果たすことができます。振り子式コンスタンティネスコ・トルクコンバーター、ランバート摩擦歯車式ディスク駆動トランスミッション、そして伸縮プーリーとベルト駆動を備えた バリオマチック・トランスミッションなどが挙げられます。

使用法

関数

動作原理

トルクコンバータの運動方程式は、レオンハルト・オイラーの18世紀のターボ機械方程式によって支配されます。

τ＝∑[r×ddt（メートル⋅v）]{\displaystyle \tau =\sum \left[r\times {\frac {d}{dt}}\left(m\cdot v\right)\right]}

この式は半径の 5 乗まで拡張され、その結果、トルク コンバータの特性はデバイスのサイズに大きく依存します。

トルクコンバータの数学的定式化は複数の著者によって公開されている。 [ 1 ] [ 2 ]

Hrovatは、ポンプ、タービン、ステーター、そしてエネルギー保存則の方程式を導出しました。4つの一次微分方程式によってトルクコンバータの性能を定義できます。

私私ω私˙+ρS私質問˙＝−ρ（ω私R私2+R私質問あ日焼け⁡α私−ωsRs2−Rs質問あ日焼け⁡αs）質問+τ私{\displaystyle 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}}

私tωt˙+ρSt質問˙＝−ρ（ωtRt2+Rt質問あ日焼け⁡αt−ω私R私2−R私質問あ日焼け⁡α私）質問+τt{\displaystyle 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} }}

私sωs˙+ρSs質問˙＝−ρ（ωsRs2+Rs質問あ日焼け⁡αs−ωtRt2−Rt質問あ日焼け⁡αt）質問+τs{\displaystyle 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} }}

ρ（Spわp˙+Stわt˙+Ssわs˙）+ρLfあ質問˙＝ρ（Rp2わp2+Rt2わt2+Rs2わs2−Rs2わpわs−Rp2わtわp−Rt2わsわt）+わp質問あρ（Rp日焼け⁡1つのp−Rs日焼け⁡1つのs）+わt質問あρ（Rt日焼け⁡1つのt−Rp日焼け⁡1つのp）+わs質問あρ（Rs日焼け⁡1つのs−Rt日焼け⁡1つのt）−PL{\displaystyle \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}}

どこ

  • ρ{\displaystyle \rho }密度は
  • あ{\displaystyle A}流れ領域である
  • Rp{\displaystyle R_{\mathrm {p} }}ポンプ半径は
  • Rt{\displaystyle R_{\mathrm {t} }}タービン半径は
  • Rs{\displaystyle R_{\mathrm {s} }}ステータ半径
  • 1つのp{\displaystyle a_{\mathrm {p} }}ポンプ出口角度
  • 1つのt{\displaystyle a_{\mathrm {t} }}タービン出口角度
  • 1つのs{\displaystyle a_{\mathrm {s} }}ステータ出口角度
  • 私{\displaystyle I}慣性である
  • Lf{\displaystyle L_{\mathrm {f} }}流体慣性長さ

より単純な相関関係は Kotwicki によって提供されています。

トルクコンバータ要素

流体カップリングは、トルクを増幅できない 2 要素のドライブですが、トルク コンバーターには少なくとも 1 つの追加要素 (ステーター) があり、これにより、高スリップ期間中にドライブの特性が変わり、出力トルクが増加します。

トルクコンバータには、少なくとも3つの回転要素があります。原動機によって機械的に駆動されるインペラ、負荷を駆動するタービン、そしてインペラとタービンの間に配置され、タービンからインペラに戻るオイルの流れを変えるステータです。従来のトルクコンバータの設計では、ステータはいかなる状況下でも回転しないように設計されているため、「ステータ」と呼ばれます。しかし実際には、ステータはオーバーランニングクラッチに取り付けられており、ステータが原動機に対して逆回転することは防止されますが、正回転は可能です。

基本的な3要素設計は、特に通常よりも高いトルク増幅が求められる用途において、定期的に改良が加えられてきました。最も一般的な改良は、複数のタービンとステーターの組み合わせで構成され、それぞれのセットが異なるトルク増幅率を生み出すように設計されています。例えば、ビュイック・ダイナフロー・オートマチックトランスミッションは非変速設計で、通常の条件下ではトルク増幅をコンバーターのみに依存していました。ダイナフローは、大型車両を駆動するために必要な幅広いトルク増幅率を生み出すために、5要素コンバーターを採用しました。

厳密には従来のトルクコンバータ設計の一部ではありませんが、多くの自動車用コンバータには、巡航時の動力伝達効率を向上させ、発熱を抑えるためにロックアップクラッチが搭載されています。このクラッチによりタービンがインペラに固定され、すべての動力伝達が機械式となり、流体駆動に伴う損失が排除されます。

運用フェーズ

トルクコンバーターには 3 段階の動作があります。

  • 失速。原動機はインペラに動力を与えているが、タービンは回転できない。例えば自動車では、運転者がギアを入れたにもかかわらず、ブレーキをかけ続けて車両の動きを阻止している場合、この動作段階が発生する。失速状態では、十分な入力電力が供給されていれば、トルクコンバータは最大のトルク増幅率を生み出すことができる（この増幅率は失速比と呼ばれる）。実際には、負荷（例えば車両）が最初に動き出すときには、ポンプとタービンの速度差が非常に大きいため、失速段階は短時間しか続かない。
  • 加速。負荷は加速していますが、インペラとタービンの回転速度差は依然として比較的大きいです。この状態では、コンバーターは失速状態で達成できるトルク増倍よりも低いトルク増倍値を生成します。増倍値は、ポンプとタービンの実際の回転速度差、およびその他の様々な設計要因に依存します。
  • カップリング。タービンの回転速度はインペラの回転速度の約90%に達しています。トルク増幅は実質的に停止し、トルクコンバータは単純な流体カップリングと同様の動作をしています。現代の自動車用途では、通常この動作段階でロックアップクラッチが作動し、燃費を向上させる傾向があります。

トルクコンバータのトルク増幅能力の鍵はステータにあります。従来の流体継手設計では、滑りが大きい期間にタービンからインペラに戻る流体の流れがインペラの回転方向と逆方向になり、効率が大幅に低下し、かなりの廃熱が発生します。同じ条件下では、トルクコンバータでは、戻り流体はステータによって方向が変えられ、インペラの回転を妨げるのではなく、回転を補助します。その結果、戻り流体のエネルギーの多くが回収され、原動機によってインペラに加えられるエネルギーに追加されます。この動作によってタービンに向けられる流体の質量が大幅に増加し、出力トルクが増加します。戻り流体は最初インペラの回転と反対方向に流れているため、ステータも同様に流体の方向を変えようとしますが、この効果はワンウェイステータクラッチによって防止されます。

通常の流体カップリングで使用される放射状にまっすぐなブレードとは異なり、トルクコンバータのタービンとステーターには、角度のついた湾曲したブレードが使用されています。ステーターのブレード形状は流体の経路を変え、インペラの回転と一致させます。タービンブレードの曲線が一致すると、戻り流体がステーターに正しく導かれ、ステーターが本来の役割を果たせるようになります。ブレードの形状は重要であり、わずかな違いがコンバータの性能に大きな変化をもたらす可能性があります。

トルク増幅が発生する失速段階と加速段階では、ステーターはワンウェイクラッチの作用により静止したままです。しかし、トルクコンバータがカップリング段階に近づくと、タービンから戻る流体のエネルギーと体積が徐々に減少し、ステーターへの圧力も同様に減少します。カップリング段階に入ると、戻り流体は方向を逆転させ、インペラとタービンの方向に回転します。この効果により、ステーターは正転しようとします。この時点でステータークラッチが解放され、インペラ、タービン、ステーターは（ほぼ）一体となって回転します。

摩擦と乱流によって流体の運動エネルギーの一部が失われることは避けられず、コンバーターは廃熱を発生させます（多くの用途では水冷によって放散されます）。この影響はポンピングロスと呼ばれ、失速状態またはその近傍で最も顕著になります。現代の設計では、ブレード形状により低速インペラーでの油流速が最小限に抑えられるため、タービンを長時間失速させても過熱の危険性はほとんどありません（例えば、オートマチックトランスミッション搭載車が信号待ちや渋滞時にギアを入れたまま停止した場合など）。

効率とトルクの増大

トルクコンバータは100%のカップリング効率を達成できません。従来の3要素トルクコンバータの効率曲線は、∩に似た曲線を示します。つまり、失速時には効率がゼロで、加速フェーズでは一般的に効率が上昇し、カップリングフェーズでは効率が低下します。コンバータがカップリングフェーズに入ると効率が低下するのは、ステータによって発生する乱流と流体の流れの干渉によるもので、前述のように、ステータをワンウェイクラッチに取り付けることでこの問題を克服することが一般的です。

一方向ステータクラッチの利点があっても、コンバータは、カップリング段階で同等の大きさの流体カップリングと同レベルの効率を達成することはできません。ステータ（アセンブリの一部として回転しているにもかかわらず）は常に何らかのパワー吸収乱流を生成するため、ステータの存在によって多少の損失が生じます。しかし、損失の大部分は、放射状にまっすぐなブレードほど流体質量から運動エネルギーを吸収しない、湾曲した角度の付いたタービンブレードによって発生します。タービンブレードの形状はコンバータのトルク増幅能力にとって重要な要素であるため、トルク増幅とカップリング効率のトレードオフは避けられません。自動車用途では、市場の力と政府の命令によって燃費の着実な改善が義務付けられており、ロックアップクラッチがほぼ普遍的に使用されているため、巡航運転中の効率方程式からコンバータが排除されています。

コンバータによって生成されるトルク増幅の最大量は、タービンとステータブレードのサイズと形状に大きく依存し、コンバータが失速状態またはその近傍にある場合にのみ生成されます。一般的な失速トルク増幅率は、ほとんどの自動車用途において1.8:1から2.5:1の範囲です。産業用、鉄道用、または大型船舶用電力伝送システム向けに設計された特殊なコンバータは、最大5.0:1の増幅率を実現できます。一般的に、最大トルク増幅率と効率の間にはトレードオフの関係があります。つまり、失速比の高いコンバータは、カップリング速度付近で効率が比較的低くなる傾向があり、失速比の低いコンバータは、トルク増幅率が低くなる傾向があります。

トルクコンバータの特性は、動力源のトルクカーブと想定される用途に慎重に適合させる必要があります。ステーターやタービンのブレード形状を変更することで、トルクストール特性とユニット全体の効率が変化します。例えば、ドラッグレース用のオートマチックトランスミッションでは、発進トルクを向上させ、エンジンのパワーバンドに素早く到達するために、高ストール速度を生み出すように改造されたコンバータがよく使用されます。高速道路を走行する車両では、発熱を抑え、車両の特性によりしっかりとしたフィーリングを与えるために、一般的に低ストール速度のトルクコンバータが使用されています。

かつてゼネラルモーターズの一部のオートマチックトランスミッションに搭載されていた設計上の特徴に、可変ピッチステーターがありました。これは、エンジン回転数と負荷の変化に応じてブレードの迎え角を変化させるものでした。これにより、コンバーターによって生成されるトルク増幅量を変化させることができました。通常の迎え角では、ステーターはコンバーターに適度な増幅量を与えましたが、効率は向上しました。ドライバーが急にスロットルを開けると、バルブがステーターピッチを異なる迎え角に切り替え、効率を犠牲にしてトルク増幅量を増加させました。

一部のトルク コンバーターでは、複数のステーターや複数のタービンを使用して、より広範囲のトルク増幅を提供します。このような多要素コンバーターは、自動車のトランスミッションよりも産業環境でより一般的ですが、ビュイックのトリプル タービン ダイナフローやシボレーのターボグライドなどの自動車用途も存在しました。ビュイック ダイナフローは、低速ギア用に遊星ギア セットのトルク増幅特性をトルク コンバーターと組み合わせて使用​​し、車速が上昇すると 2 番目のタービンのみを使用して 1 番目のタービンをバイパスしました。この配置では効率が低下することが避けられず、最終的にこれらのトランスミッションは廃止され、従来の 3 要素トルク コンバーターを使用したより効率的な 3 速ユニットが採用されました。また、トルク コンバーターの効率は極低速で最大になることもわかっています。

ロックアップトルクコンバータ

前述のように、トルクコンバータ内の推進損失は効率を低下させ、廃熱を発生させます。現代の自動車用途では、この問題を回避するために、インペラとタービンを物理的に連結するロックアップクラッチが一般的に採用されています。これにより、コンバータは実質的に機械的なカップリングとなります。その結果、スリップがなくなり、実質的に動力損失がなくなります。

ロックアップ機構を自動車に初めて採用したのは、1949年に発売されたパッカードのウルトラマティックトランスミッションです。巡航速度ではコンバーターがロックし、急加速のためにアクセルを踏み込んだり減速したりするとロックが解除されます。この機能は、 1950年代に製造されたボルグワーナーの一部のトランスミッションにも搭載されていました。しかし、その後、複雑さとコストの増加により、ロックアップクラッチは人気を失いました。1970年代後半には、燃費向上の要求に応えてロックアップクラッチが再び登場し始め、現在では自動車用途でほぼ普遍的に採用されています。

容量と故障モード

基本的な流体カップリングと同様に、コンバータの理論的なトルク容量は に比例します。ここでは流体の質量密度 (kg/m 3 )、はインペラ回転数 ( rpm )、は直径 ( m ) です。[ 3 ]実際には、最大トルク容量はコンバータの部品に使用されている材料の機械的特性、およびコンバータの熱放散能力 (多くの場合、水冷による) によって制限されます。強度、信頼性、および生産経済性を高めるため、ほとんどの自動車用コンバータハウジングは溶接構造になっています。工業用ユニットは通常、ボルト締めハウジングで組み立てられます。この設計特徴により、検査と修理のプロセスは容易になりますが、コンバータの生産コストが増加します。 r北2D5{\displaystyle r\,N^{2}D^{5}}r{\displaystyle r}北{\displaystyle N}D{\displaystyle D}

高性能、レーシング、および高負荷商用コンバーターでは、ポンプとタービンは炉内ろう付けと呼ばれる工程によってさらに強化されることがあります。この工程では、溶融した真鍮を継ぎ目や接合部に流し込み、ブレード、ハブ、および環状リング間の接合を強化します。炉内ろう付け工程では、ブレードとハブまたは環状リングの接合部に小さな半径が形成されるため、理論上、乱流が減少し、それに応じて効率が向上します。

コンバータに過負荷をかけると、いくつかの障害モードが発生する可能性があり、その一部は本質的に潜在的に危険です。

  • 過熱：高レベルの滑りが継続的に続くと、コンバーターの放熱能力が限界を超え、コンバーター内部のオイルを保持するエラストマーシールが損傷する可能性があります。乗用車では、雪や泥にはまり込み、大きな力でドライブとバックを交互に切り替えて勢いをつけるために、車両を前後に揺さぶらなければならない状況が典型的です。トランスミッションオイルはすぐに過熱し、ステータークラッチへの繰り返しの衝撃も加わります。また、トランスミッションオイルの過熱は粘度を低下させ、トランスミッションを損傷します。このような過酷な使用は、まれにトルクコンバーターからオイル漏れを引き起こし、最終的にはオイル不足によって機能を停止させる可能性があります。
  • ステータクラッチの焼付き：ワンウェイステータクラッチの内側と外側の要素が恒久的にロックされ、連結フェーズ中にステータが回転できなくなります。多くの場合、焼付きはクラッチ部品への過度の負荷とそれに伴う歪みによって引き起こされます。最終的には、嵌合部品の焼付きが発生し、焼付きが引き起こされます。ステータクラッチが焼付きを起こしたコンバータは、連結フェーズ中の効率が非常に低下し、自動車では燃費が大幅に増加します。このような状態で運転を継続すると、通常、コンバータが過熱します。
  • ステータークラッチの破損：トランスミッションをニュートラルにし、ギアを繋ぐ前にエンジン回転数を上げる（一般的に「ニュートラルスタート」と呼ばれる）など、急激な動力の印加は、ステータークラッチに衝撃負荷をかけ、破損につながる可能性があります。破損すると、ステーターはポンプの回転方向とは逆方向に自由に逆回転し、動力伝達がほとんど行われなくなります。自動車では、重度のトランスミッションスリップと同様の症状が現れ、車両は自力で走行することがほとんどできなくなります。
  • ブレードの変形と破片化：コンバータが急激な負荷や過熱を受けると、ポンプやタービンブレードが変形したり、ハブやアニュラーリングから剥離したり、破片に砕け散ったりすることがあります。このような故障は、少なくとも効率の大幅な低下を招き、ステータークラッチの故障に伴う症状（ただし、それほど顕著ではありません）と同様の症状を引き起こします。極端な場合には、コンバータが壊滅的な破壊に至ります。
  • バルーニング：過負荷状態での長時間運転、急激な負荷の印加、またはトルクコンバータを非常に高い回転数で運転すると、内部圧力や慣性による応力によってコンバータハウジングの形状が物理的に変形する可能性があります。極端な条件下では、バルーニングによってコンバータハウジングが破裂し、高温のオイルと金属片が広範囲に激しく飛散します。

メーカー

現在

過去

参照

参考文献

  1. ^ Hrovat, D; Tobler, W (1985). 「自動車用トルクコンバータのボンドグラフモデリングとコンピュータシミュレーション」 .フランクリン研究所ジャーナル. 319 ( 1–2 ): 93–114 . doi : 10.1016/0016-0032(85)90067-5 .
  2. ^ Kotwicki, AJ (1982). 「トルクコンバータ搭載車両の動的モデル」 SAE技術論文シリーズ. 1 820393. doi : 10.4271/820393 .
  3. ^流体力学カップリングとコンバーター. 自動車ハンドブック（第3版）.ロバート・ボッシュ. 1993年. 539ページ. ISBN 0-8376-0330-7。
  4. ^ 「Espacenet - 原文」 . Worldwide.espacenet.com. 1933年3月7日. 2014年7月21日閲覧。
  5. ^ "Mekydro Transmission | InterTrains.co.uk" . 2010年3月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年10月31日閲覧。
  6. ^ 「The Sydney Morning Herald - Google News Archive Search」 。2016年5月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。
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