トルクコンバーター

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

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

この式は半径の5乗を含むように展開されるため、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する。

トルクコンバータの数式は複数の著者から入手可能である。^{[ 1 ] [ 2 ]}

フロヴァットは、ポンプ、タービン、ステータ、およびエネルギー保存則の式を導出した。トルクコンバータの性能は、4つの1階微分方程式で定義できる。

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

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

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

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

どこ

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

コトウィッキはより単純な相関関係を示している。

流体継手はトルクを増幅できない2要素駆動装置であるのに対し、トルクコンバータは少なくとも1つの追加要素（ステータ）を備えており、このステータが高スリップ時に駆動装置の特性を変化させ、出力トルクを増加させる。

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挟まれ、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設計されているため、「ステータ」という用語が使われています。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、これによ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、正回転は可能になります。

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求められる用途において、定期的に取り入れられてきた。最も一般的なのは、複数のタービンとステーターからなる構成であり、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る。例えば、ビュイックのダイナフロー自動変速機は非変速式で、通常の状態ではトルク増幅はコンバータのみに依存していた。ダイナフローは5要素コンバータを用いて、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実現していた。

厳密には従来のトルクコンバーターの設計の一部ではないものの、多くの自動車用コンバーターには、巡航時の動力伝達効率を向上させ、発熱を低減するためにロックアップクラッチが組み込まれている。クラッチを作動させることでタービンがインペラに固定され、動力伝達がすべて機械式になるため、流体駆動に伴う損失が排除される。

トルクコンバーターは3つの動作段階を持つ。

• ストール。原動機はインペラに動力を供給しているが、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する。ストール状態では、十分な入力動力が加えられれば、トルクコンバータは最大のトルク増幅率を生成できる（結果として得られる増幅率はストール比と呼ばれる）。ストール段階は、負荷（例えば車両）が最初に動き始めたときに、ポンプとタービンの回転速度に非常に大きな差が生じるため、実際には短い期間続く。
• 加速時：負荷は加速しているものの、インペラとタービンの回転速度には依然として比較的大きな差があります。このような状況では、コンバータは失速時よりも低いトルク増幅率を生成します。増幅率は、ポンプとタービンの回転速度の実際の差、およびその他の様々な設計要因によって決まります。
• カップリング。タービンはインペラの回転速度の約90%に達しました。トルク増幅はほぼ停止し、トルクコンバータは単純な流体継手と同様の動作をします。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、燃費向上につながります。

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、滑りが大きい期間があると、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。トルクコンバータでは、同じ条件下でも、ステータによって戻り流体の方向が変えられ、インペラの回転を妨げるのではなく、回転を助けるようになります。その結果、戻り流体のエネルギーの大部分が回収され、原動機によってインペラに供給されるエネルギーに加算されます。この作用により、タービンに送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方向と逆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、これは一方向ステータクラッチによって防止されます。

一般的な流体継手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。ステータのブレード形状によって流体の経路が変化し、インペラの回転と一致するように強制されます。タービンブレードの湾曲がこれに合致することで、戻ってきた流体がステータに正しく導かれ、ステータがその役割を果たすことができます。ブレードの形状は重要であり、わずかな形状の違いでも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状態を保ちます。しかし、トルクコンバータがカップリングフェーズに近づくと、タービンから戻ってくる流体のエネルギーと体積が徐々に減少し、ステータにかかる圧力も同様に低下します。カップリングフェーズに入ると、戻ってくる流体は方向を反転し、インペラとタービンの方向に回転します。この作用により、ステータは正方向に回転しようとします。この時点でステータクラッチが解除され、インペラ、タービン、ステータは（ほぼ）一体となって回転します。

摩擦や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、その結果、コンバーターは廃熱を発生します（多くの用途では水冷によって放熱されます）。この現象はポンピング損失と呼ばれることが多く、失速状態付近で最も顕著になります。最新の設計では、ブレードの形状によってインペラ回転速度が低い場合のオイル速度が最小限に抑えられており、これによりタービンを長時間失速させても過熱の危険性が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でギアが入ったまま停止している場合など）。

トルクコンバータは、100%のカップリング効率を達成することはできません。従来の3要素トルクコンバータの効率曲線は∩に似ており、失速時には効率がゼロ、加速段階では一般的に効率が上昇し、カップリング段階では効率が低下します。コンバータがカップリング段階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が原因であり、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一般的に克服されます。

一方向ステータクラッチの利点があっても、コンバータは同サイズの流体カップリングと同じレベルの効率をカップリング段階で達成することはできません。ステータの存在（アセンブリの一部として回転しているにもかかわらず）によって、常にいくらかの動力吸収乱流が発生するため、損失が生じます。しかし、損失の大部分は、半径方向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付きタービンブレードによって引き起こされます。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大きく影響するため、トルク増幅とカップリング効率の間にはトレードオフが生じます。自動車用途では、市場原理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おり、ロックアップクラッチのほぼ普遍的な使用により、巡航運転中の効率方程式からコンバータを排除するのに役立っています。

コンバータによって生成される最大トルク増幅量は、タービンブレードとステータブレードのサイズと形状に大きく依存し、コンバータが停止状態またはその近傍で動作している場合にのみ発生します。一般的な停止トルク増幅比は、ほとんどの自動車用途で 1.8:1 から 2.5:1 の範囲です。産業用、鉄道用、または大型船舶用動力伝達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 の増幅が可能です。一般的に、最大トルク増幅と効率の間にはトレードオフの関係があり、高停止比のコンバータはカップリング速度付近で比較的効率が悪くなる傾向があり、低停止比のコンバータは可能なトルク増幅量が少な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用途に合わせて慎重に選定する必要があります。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だけでなく、ユニット全体の効率も変化します。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、発進時のトルクを向上させ、エンジンのパワーバンドに素早く到達させるために、ストール速度を高くするように改造されたコンバータがよく使用されます。一方、一般の乗用車では、発熱を抑え、車両の特性にしっかりとした感触を与えるために、ストール速度の低いトルクコンバータが一般的に使用されます。

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見られた設計上の特徴として、可変ピッチステーターというものがあった。これは、エンジンの回転数や負荷の変化に応じてブレードの迎角を変化させる仕組みだった。この効果は、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にあった。通常の迎角では、ステーターはコンバーターに中程度の増幅量と高い効率をもたらす。ドライバーがスロットルを急に開けると、バルブがステーターのピッチを別の迎角に切り替え、効率を犠牲にしてトルク増幅量を増加させる仕組みだった。

トルクコンバータの中には、複数のステータや複数のタービンを使用して、より広い範囲のトルク増幅を実現するものがあります。このような多要素コンバータは、自動車用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アプリケーションも存在しました。ビュイックダイナフローは、低速ギアでは遊星歯車セットのトルク増幅特性をトルクコンバータと組み合わせて利用し、車速が上が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。この構成では効率が低いという避けられないトレードオフがあり、最終的には、従来の3要素トルクコンバータを備えたより効率的な3速ユニットに取って代わられ、これらのトランスミッションは廃止されました。また、トルクコンバータの効率は非常に低い速度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部で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、この問題は一般的に、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を使用することで回避されています。これにより、コンバータは実質的に純粋な機械式カップリングへと変化します。その結果、滑りは発生せず、動力損失もほぼゼロになります。

ロックアップ原理を自動車に初めて応用したのは、1949年に発表されたパッカードのウルトラマチック・トランスミッションでした。このトランスミッションは、巡航速度でコンバーターをロックアップし、アクセルを全開にして急加速したり、減速したりするとロックを解除する仕組みでした。この機能は、 1950年代に製造されたボルグワーナー製トランスミッションにも搭載されていました。しかし、構造が複雑でコストがかかるため、その後はあまり使われなくなりました。1970年代後半になると、燃費向上へのニーズの高まりを受けてロックアップクラッチが再び登場し、現在では自動車のほぼ全車種に採用されています。

基本的な流体継手と同様に、コンバータの理論的なトルク容量は、${\displaystyle r\,N^{2}D^{5}}$、 どこ${\displaystyle r}$は流体の質量密度（kg/m³ ^）です。${\displaystyle N}$はインペラの回転速度（rpm）であり、${\displaystyle D}$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と、コンバータの放熱能力（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に、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ており、この設計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。

高性能、レース用、および高負荷商用コンバータでは、ポンプとタービンは炉ろう付けと呼ばれるプロセスによってさらに強化されることがあります。このプロセスでは、溶融した真鍮を継ぎ目や接合部に引き込み、ブレード、ハブ、および環状リング間の結合を強化します。炉ろう付けプロセスによって、ブレードがハブまたは環状リングと接する部分の半径が小さくなるため、理論的には乱流が減少し、それに伴い効率が向上します。

コンバーターに過負荷がかかると、いくつかの故障モードが発生する可能性があり、その中には潜在的に危険なものもある。

• 過熱：継続的な高レベルのスリップは、コンバーターの放熱能力を超え、コンバーター内部のフルードを保持するエラストマーシールを損傷する可能性があります。乗用車での典型的な例としては、雪や泥にはまって動けなくなり、ドライブとリバースを何度も切り替えて大きな力で車両を前後に揺らし、勢いをつけなければならない場合が挙げられます。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への繰り返しの衝撃も無視できません。また、トランスミッションフルード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。このような酷使は、まれにトルクコンバーターからのフルード漏れを引き起こし、最終的にはフルード不足で機能しなくなる可能性があります。
• ステータクラッチの固着：ワンウェイ式ステータクラッチの内側と外側の要素が永久的に固着し、カップリングフェーズ中にステータが回転しなくなります。固着は、多くの場合、過負荷とそれに伴うクラッチ部品の歪みによって引き起こされます。最終的には、嵌合部品のかじりが発生し、固着が引き起こされます。ステータクラッチが固着したコンバータは、カップリングフェーズ中に非常に低い効率を示し、自動車では燃料消費量が大幅に増加します。このような状態で運転を継続しようとすると、通常はコンバータの過熱が発生します。
• ステータクラッチの破損：トランスミッションをニュートラルに入れ、ギアを入れ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投入は、ステータクラッチに衝撃荷重をかけ、破損を引き起こす可能性があります。破損が発生すると、ステータはポンプとは逆方向に自由に回転し、動力伝達はほとんど行われなくなります。自動車の場合、この現象はトランスミッションの深刻な滑りに似ており、車両は自力で走行することがほぼ不可能になります。
• ブレードの変形と破片化：コンバータに急激な負荷がかかったり、過度の加熱を受けたりすると、ポンプブレードやタービンブレードが変形したり、ハブや環状リングから分離したり、破片に砕けたりする可能性があります。少なくとも、このような故障が発生すると、効率が著しく低下し、ステータクラッチの故障に伴う症状と類似した（ただし、程度は軽い）症状が現れます。最悪の場合、コンバータが壊滅的に破壊されることもあります。
• 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歪むことがあります。極端な状況では、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。

• アイシンAW、自動車用部品
• アリソン・トランスミッションは、バス、ごみ収集車、消防車、建設機械、配送機器、軍事用途、特殊用途などに使用されています。
• ボルグワーナー社製、自動車用
• 自動車に使用されるエクセディ
• いすゞ、自動車に使用
• Jatcoは自動車に使用されています。
• LuK USA LLCは、フォード、GM、アリソン・トランスミッション、ヒュンダイ向けに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
• ツインディスクは、自動車、船舶、油田用途で使用されています。
• ヴァレオは、フォード、GM、マツダ、スバル向けにトルクコンバーターを製造している。
• フォイト製ターボトランスミッションは、多くのディーゼル機関車やディーゼル多目的車両に使用されています。
• ZFフリードリヒスハーフェン、自動車、林業機械、都市バス用途で人気

• 発明者アルフ・リショルムにちなんで名付けられたリショルム・スミス^{[ 4 ]}は、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、英国国鉄ダービー・ライトウェイトやアルスター交通局のディーゼル多目的車両にも使用された。
• Mekydro ^{[ 5 ]}は、 Maybachによって開発され、 J. Stone & Coによって英国でライセンス生産されました。英国鉄道クラス 35 Hymek機関車に使用されました。
• パッカード社製、ウルトラマチック自動車用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）は、一部の英国ユナイテッド・トラクションのディーゼル多目的車両に使用されていた。
• ヴィッカース＝コーツ^{[ 6 ]}