トルクコンバータ

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回転する駆動負荷に回転力を伝達する装置です。オートマチック トランスミッションを備えた車両では、トルク コンバータが原動機をオートマチック ギア トレインに接続し、負荷を駆動します。したがって、通常は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の同等の装置は、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されるトルクを増大させる働きをする。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介して導かれる流体を使用して、出力シャフトが入力シャフトよりも遅く回転しているときに出力のトルクが増大するように出力タービンを駆動し、適応型減速ギアと同等の機能を提供する。これは、回転速度に一致させることはできてもトルクを増大させることができない単純な流体カップリングが提供する機能を超えたものである。流体カップリングベースのトルクコンバータには通常、ロックアップ機能も含まれており、動作条件が許せば、入力と出力をしっかりと結合し、流体の流れによるトルクの伝達に関連する効率損失を回避します。

自動車のトランスミッションにおけるトルクコンバーターの最も一般的な形式は、上記の流体力学的装置です。また、小型掘削機などの小型機械で広く使用されている油圧システムもあります。

トルク コンバーターには機械的な設計もあり、その多くは機械式無段変速機に似ているか、同様に機能することができます。これらには、振り子ベースのConstantinesco トルク コンバーター、Lambert 摩擦ギアリング ディスク ドライブ トランスミッション、および 伸縮プーリーとベルト ドライブを備えた Variomaticが含まれます。

• 乗用車、バス、オン/オフハイウェイトラックなどの自動車の自動変速機。
• 運送業者およびその他の大型車両。
• 船舶推進システム。
• コンベア駆動装置、ほぼすべての最新フォークリフト、ウインチ、掘削リグ、建設機械、ディーゼル油圧式 鉄道機関車などの産業用動力伝達装置。

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決まります。

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

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、およびエネルギー保存の方程式を導き出しました。4 つの 1 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。

${\displaystyle I_{i}{\dot {\omega _{i}}}+\rho S_{i}{\dot {Q}}=-\rho (\omega _{i}R_{i}^{ 2}+R_{i}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{i}}-\omega _{\mathrm {s} }R_{\mathrm {s} }^{2}-R_{\mathrm {s} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {s} }})Q+\tau _{i}}$

${\displaystyle I_{\mathrm {t} }{\dot {\omega _{\mathrm {t} }}}+\rho S_{\mathrm {t} }{\dot {Q}}=-\rho ( \omega _{\mathrm {t} }R_{\mathrm {t} }^{2}+R_{\mathrm {t} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {t} }}-\omega _{i}R_{i}^{2}-R_{i}{\frac {Q}{A} }\tan {\alpha _{i}})Q+\tau _{\mathrm {t} }}$

${\displaystyle I_{\mathrm {s} }{\dot {\omega _{\mathrm {s} }}}+\rho S_{\mathrm {s} }{\dot {Q}}=-\rho ( \omega _{\mathrm {s} }R_{\mathrm {s} }^{2}+R_{\mathrm {s} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {s} }}-\omega _{\mathrm {t} }R_{\mathrm {t} }^{2}-R_{\mathrm { t} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {t} }})Q+\tau _{\mathrm {s} }}$

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

どこ

• ${\displaystyle \rho}$密度は
• ${\displaystyle A}$流れ領域は
• ${\displaystyle R_{\mathrm {p} }}$ポンプ半径は
• ${\displaystyle R_{\mathrm {t}}}$タービン半径は
• ${\displaystyle R_{\mathrm {s} }}$ステータ半径
• ${\displaystyle a_{\mathrm {p} }}$ポンプ出口角度は
• ${\displaystyle a_{\mathrm {t} }}$タービン出口角度は
• ${\displaystyle a_{\mathrm {s} }}$ステータ出口角度
• ${\displaystyle I}$慣性である
• ${\displaystyle L_{\mathrm {f} }}$流体慣性長さは

より単純な相関関係は Kotwicki によって提供されています。

流体カップリングは、トルクを増幅できない 2 要素ドライブですが、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化し、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、およびインペラとタービンの間に介在してタービンからインペラに戻るオイルの流れを変えることができるステータです。従来のトルク コンバータの設計では、ステータはどのような状況でも回転しないようにする必要があるため、ステータと呼ばれます。ただし、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のを防ぎますが、正回転は許可します。

基本的な 3 要素設計への変更は、特に通常よりも高いトルク増幅が必要とされる用途において、定期的に取り入れられてきました。最も一般的な変更は、複数のタービンとステーターの形をとり、各セットは異なる量のトルク増幅を生み出すように設計されています。たとえば、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シフトなしの設計で、通常の状態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、5 要素コンバーターを使用して、大型車両を推進するために必要な広範囲のトルク増幅を生み出しました。

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、熱を低減するためのロックアップ クラッチが含まれています。クラッチを使用すると、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になるため、流体駆動に関連する損失がなくなります。

トルクコンバータには 3 つの動作段階があります。

• 失速。原動機はインペラに動力を与えていますが、タービンは回転できません。たとえば、自動車では、運転者がギアを入れたが、ブレーキをかけ続けて車両が動かないようにしている場合に、この動作段階が発生します。失速では、十分な入力電力が適用されると、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ます（結果として得られる増幅率は失速比と呼ばれます）。実際には、負荷（車両など）が最初に動き始めると、ポンプとタービンの速度の間に非常に大きな差があるため、失速段階は短時間続きます。
• 加速。負荷は加速していますが、インペラとタービンの速度差はまだ比較的大きいです。この状態では、コンバーターは失速状態で達成できるものよりも低いトルク増幅を生成します。増幅量は、ポンプとタービンの速度の実際の差、およびさまざまな他の設計要因によって異なります。
• カップリング。タービンはインペラの速度の約 90 パーセントに達しています。トルク増幅は基本的に停止し、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 クラッチが適用され、燃料効率が向上する傾向があります。

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。従来の流体カップリング設計では、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転換され、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適用されるエネルギーに追加されます。この動作により、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。戻り流体は最初はインペラの回転と反対方向に移動しているため、ステータも同様に逆回転して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。

単純な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は角度の付いた湾曲したブレードを使用します。ステータのブレード形状によって流体の経路が変わり、インペラの回転と一致するようになります。タービン ブレードの一致する曲線により、戻り流体がステータに正しく導かれ、ステータが機能できるようになります。ブレードの形状は重要です。わずかな変化がコンバータのパフォーマンスに大きな変化をもたらす可能性があるためです。

トルク増幅が発生する失速および加速フェーズでは、ステータはワンウェイ クラッチの作用により静止したままです。ただし、トルク コンバータがカップリング フェーズに近づくと、タービンから戻る流体のエネルギーと量が徐々に減少し、ステータにかかる圧力も同様に減少します。カップリング フェーズに入ると、戻る流体は方向を逆転し、今度は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、ステータは順方向に回転します。この時点で、ステータ クラッチが解放され、インペラ、タービン、ステータはすべて (多かれ少なかれ) 一体となって回転します。

摩擦や乱流により、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、コンバーターが廃熱を発生させます (多くのアプリケーションでは水冷によって放散されます)。ポンピング損失と呼ばれるこの効果は、失速状態またはその付近で最も顕著になります。最新の設計では、ブレード形状により、低インペラー速度でのオイル速度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はほとんどありません (オートマチック トランスミッション搭載の車両が信号待ちや渋滞時にギアを入れたまま停止する場合など)。

トルク コンバータは 100 パーセント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、失速時に効率がゼロで、加速フェーズで効率が一般的に増加し、カップリング フェーズでは効率が低いという、∩ に似た曲線です。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通常は克服されます。

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サイズの流体カップリングと同じレベルの効率を達成することはできません。ステータの存在により（アセンブリの一部として回転しているにもかかわらず）、常に何らかのパワー吸収乱流が発生するため、損失がいくらか生じます。ただし、損失の大部分は、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付きタービンブレードによって生じます。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。市場の力と政府の命令により燃費の着実な改善が義務付けられている自動車用途では、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、コンバータが動作の失速段階にあるかそれに近い場合にのみ生成されます。一般的な失速トルク増幅率は、ほとんどの自動車アプリケーションで 1.8:1 ～ 2.5:1 の範囲です (ただし、 Buick DynaflowやChevrolet Turboglideで使用されているマルチ要素設計では、これよりも高い増幅率が得られます)。産業、鉄道、または大型船舶の電力伝送システム用に設計された特殊なコンバータは、最大 5.0:1 の増幅率が可能です。一般的に、最大トルク増幅率と効率性の間にはトレードオフがあります。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悪くなる傾向があり、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、動力源のトルク曲線と目的の用途に注意深く合わせる必要があります。ステータやタービンのブレード形状を変更すると、トルク ストール特性とユニット全体の効率が変わります。たとえば、ドラッグ レースのオートマチック トランスミッションでは、オフザライン トルクを向上させ、エンジンのパワー バンドにすばやく到達できるように、高ストール速度を生成するように改造されたコンバータがよく使用されます。高速道路を走る車両では、通常、熱の発生を抑え、車両の特性によりしっかりした感触を与えるために、低ストール トルク コンバータが使用されます。

ゼネラルモーターズ社製のオートマチックトランスミッションにかつて見られた設計上の特徴は、可変ピッチステータで、エンジン速度と負荷の変化に応じてブレードの迎え角を変えることができるものでした。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の量が変化しました。通常の迎え角では、ステータによってコンバーターは中程度の増幅量を生成しますが、効率は高くなります。ドライバーが急にスロットルを開けると、バルブがステータピッチを別の迎え角に切り替え、効率を犠牲にしてトルク増幅を高めます。

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実現します。このような複数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、車速が上昇すると最初のタービンをバイパスして、2 番目のタービンのみを使用しました。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、非常に低速で最大になることもわかっています。

前述のように、トルク コンバータ内の推進損失により効率が低下し、廃熱が発生します。現代の自動車用途では、この問題は、インペラとタービンを物理的にリンクするロックアップ クラッチの使用によって回避されることが多く、コンバータが実質的に完全に機械的なカップリングに変わります。その結果、滑りがなく、実質的に電力損失がありません。

ロックアップ原理が自動車に初めて応用されたのは、1949 年に発表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され、急加速のためにスロットルを踏み込んだときや、車両が減速したときにロックが解除されます。この機能は、1950 年代に製造された一部のボルグワーナートランスミッションにも搭載されていました。その後、複雑さとコストが増大したため、人気がなくなりました。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使用されています。

基本的な流体カップリングと同様に、コンバータの理論上のトルク容量は に比例します。ここで は流体の質量密度 (kg/m ³ )、はインペラ速度 ( 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コンポーネントに使用され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、および生産の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。この設計上の特徴により、検査と修理のプロセスが容易になりますが、コンバータの製造コストが増加します。 ${\displaystyle r\,N^{2}D^{5}}$${\displaystyle r}$${\displaystyle N}$${\displaystyle D}$

高性能、レーシング、および大型商用コンバーターでは、炉内ろう付けと呼ばれるプロセスによってポンプとタービンをさらに強化することができます。このプロセスでは、溶け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結合を強化します。炉内ろう付けプロセスでは、ブレードがハブまたは環状リングと接触するポイントに小さな半径が作成されるため、理論上は乱流が減少し、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ます。その中には、本質的に潜在的に危険なものもあります。

• 過熱: スリップが継続的に高レベルになると、コンバーターの放熱能力が圧倒され、コンバーター内部の液体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。乗用車での代表的な例は、雪や泥にはまり、かなりのパワーを使ってドライブからリバースに前後に動かして勢いをつけるために車両を前後に揺らさなければならない場合です。トランスミッション フルードはすぐに過熱し、ステーター クラッチ (次のトピック) に繰り返し衝撃が加わります。また、トランスミッション フルードが過熱すると粘度が失われ、トランスミッションが損傷します。このような乱用により、まれにトルク コンバーターが漏れ、最終的にフルード不足で機能しなくなることがあります。
• ステータ クラッチの焼き付き:ワンウェイ ステータ クラッチの内側と外側の要素が永久的にロックされ、連結フェーズ中にステータが回転できなくなります。ほとんどの場合、焼き付きは、クラッチ コンポーネントの過度の負荷とそれに続く歪みによって促進されます。最終的には、かみ合った部品の摩耗が発生し、焼き付きが引き起こされます。焼き付いたステータ クラッチを持つコンバータは、連結フェーズ中に効率が非常に低下し、自動車では燃料消費が大幅に増加します。このような状況でコンバータを継続的に操作しようとすると、通常、過熱が発生します。
• 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て、ギアを噛み合わせる前にエンジン回転数を上げる (一般に「ニュートラル スタート」と呼ばれる) など、非常に急激な動力の適用は、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。これが発生すると、ステーターはポンプと反対方向に自由に逆回転し、動力伝達はほとんど行われなくなります。自動車では、この影響はトランスミッションの深刻な滑りの場合に似ており、車両は自力で動く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: コンバーターに急激な負荷がかかったり、過熱したりすると、ポンプやタービンのブレードが変形したり、ハブや環状リングから外れたり、破片に砕けたりすることがあります。少なくとも、このような故障は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に似た症状 (ただし、それほど顕著ではありません) を引き起こします。極端な場合には、コンバーターが壊滅的に破壊されます。
• バルーニング: 過度の負荷がかかった状態での長時間の動作、非常に急激な負荷の適用、またはトルク コンバータを非常に高いRPMで動作させると、内部圧力や慣性によるストレスにより、コンバータのハウジングの形状が物理的に変形することがあります。極端な状況では、バルーニングによりコンバータの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。

• アイシンAW、自動車に使用
• アリソントランスミッションは、バス、ゴミ収集、消防、建設、配送、軍事、特殊用途に使用されています。
• ボルグワーナー、自動車に使用
• 自動車に使用されるエクセディ
• いすゞ、自動車に使用
• 自動車に使用されるJatco
• LuK USA LLCは、フォード、GM、アリソントランスミッション、ヒュンダイ向けのトルクコンバーターを製造しています。
• スバル、自動車に使用
• ツインディスク、車両、船舶、油田用途で使用
• ヴァレオはフォード、GM、マツダ、スバル向けのトルクコンバーターを生産している。
• 多くのディーゼル機関車やディーゼル機関車に使用されているVoithターボトランスミッション
• ZF フリードリヒスハーフェン、自動車、林業機械、市内バス用途で人気

• リショルム・スミスは発明者のアルフ・リショルムにちなんで名付けられ、^[4]レイランド・モーターズによって製造され、1933年から1939年までバスに使用されたほか、イギリス国鉄ダービー・ライトウェイトとアルスター交通局のディーゼル機関車にも使用された。
• Mekydro ^[5]はイギリス国鉄のクラス35 Hymek機関車で使用されました。
• パッカード、ウルトラマティック自動車トランスミッションシステムに使用
• ロールスロイス（ツインディスク） 、イギリスのユナイテッドトラクションのディーゼル機関車に使用
• ヴィッカース・コーツ^[6]

ウィキメディア・コモンズには、トルクコンバーターに関連するメディアがあります。

• トルクコンバータに関するHowStuffWorksの記事
• トルクコンバータに関するYouTubeビデオ