JP2009058105A - トルクコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく、性能向上を図ることのできるトルクコンバータを提供する。
【解決手段】トルクコンバータにおいては、インペラ４のインペラブレード１７、タービン９のタービンブレード１９、及びステータ１０のステータブレード２０によってトーラス２１が形成される。そして、トーラス内外径比は、０．５５〜０．６８の内外径比設定範囲内の値とされる。更に、トーラス内外径比を上記内外径比設定範囲内の値とした状況のもとでステータブレード２０の出口角度が３０〜４０°の角度設定範囲内の値に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルクコンバータに関するものである。

自動車等の車両においては、エンジンのクランクシャフトとトランスミッションの入力軸との間に、それらの間でのトルクの伝達を行うトルクコンバータが設けられている。こうしたトルクコンバータとしては、例えば特許文献１に示されるものが知られている。

トルクコンバータは、トルクが入力されて軸回りに回転するインペラと、そのインペラと同軸上であって同インペラと対向する位置に回転可能に配置されるタービンと、それらインペラ及びタービン間に設けられて両者の間に介在する流体のタービン側からインペラ側への流れを調整するステータブレードを有するステータとを備えている。そして、トルクコンバータにおいては、インペラ、タービン、及びステータによって形成されたトーラス（流体作動室）の内部に存在する流体により、インペラ側とタービン側との間でのトルクの伝達が行われる。

ところで、トルクコンバータの性能を表すパラメータとして、タービンに作用するトルク（出力トルク）とインペラに入力されるトルク（入力トルク）との比であるトルク比というパラメータをあげることができる。このトルク比が大きい値となるほど、トルクコンバータの性能が高いことを意味する。

また、トルクコンバータの性能を表す別のパラメータとしては、トルクコンバータの入力トルクを「Ｔｅ」、インペラの回転速度（入力回転速度）を「ＮＥ」としたとき、それら入力トルクＴｅ及び入力回転速度ＮＥの関係を表す「Ｔｅ＝Ｃ・ＮＥ^2（ＮＥの２乗）」という式の「Ｃ」で示される値である容量係数というパラメータもあげられる。

上記式から分かるように、トルクコンバータにおいては、容量係数Ｃが小さいほど入力トルクＴｅ一定の条件のもとでの入力回転速度ＮＥの上昇が速やかに行われ、容量係数Ｃが大きいほど入力トルクＴｅ一定の条件のもとでの入力回転速度ＮＥの上昇が生じにくくなる。このことは言い換えれば、容量係数Ｃが小さいほど入力回転速度ＮＥを所定の値に保持しようとするときに入力トルクＴｅが小さくてすみ、容量係数Ｃが大きいほど入力回転速度ＮＥを所定の値に保持しようとするときに入力トルクＴｅを大きくしなければならなくなることを意味する。

従って、エンジンの排気量（出力トルクの特性）に関係なく、入力トルクＴｅ（エンジンの出力トルク）の増加に対する入力回転速度ＮＥの上昇の特性を最適なものとするためには、容量係数Ｃを次のように設定することが行われる。すなわち、出力トルクの大きい大排気量のエンジンほどトルクコンバータの容量係数Ｃが大きく設定され、逆に出力トルクの小さい小排気量のエンジンほど上記容量係数Ｃが小さく設定される。

トルクコンバータにおけるトルク比及び容量係数Ｃに関しては、タービンの回転速度（出力回転速度）と入力回転速度ＮＥとの比である回転速度比の変化に対し、図５（ａ）及び（ｂ）のような推移傾向を示す。ここでのトルク比及び容量係数Ｃ（正確にはそれらの推移傾向）は、インペラにおけるタービンと対向する部分に形成されたインペラブレードの曲がり方を調整することによって可変とすることが可能となる。ただし、例えばトルク比を図５（ａ）の破線から実線で示されるように大きくすべくインペラブレードを設定すると、容量係数Ｃに関しては図５（ｂ）の破線から実線で示されるように小さくなる。すなわち、トルク比を大きくしようとすると容量係数Ｃが小さくなり、容量係数Ｃを大きくしようとするとトルク比が小さくなる、という関係がトルク比と容量係数Ｃとの間には存在する。

従って、インペラブレードによるトルク比及び容量係数Ｃの調整に関しては、容量係数Ｃを入力トルクＴｅ（エンジンの出力トルク）の増加に対する入力回転速度ＮＥの上昇の特性が最適となる値としつつ、トルク比が可能な限り大きくなるように行われる。
特開２００５−２４９１４６公報

トルクコンバータにおいては、大型化によってトルク比及び容量係数といった性能の向上を実現することが可能であるが、トルクコンバータの搭載スペースには限界がある関係から大型化することなく性能向上を図ることが望まれており、その面で更なる改善の余地があった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、大型化することなく性能向上を図ることのできるトルクコンバータを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、トルクが入力されて軸回りに回転するインペラと、そのインペラと同軸上であって同インペラと対向する位置に回転可能に配置されるタービンと、それらインペラ及びタービン間に設けられて両者の間に介在する流体の前記タービン側から前記インペラ側への流れを調整するステータブレードを有するステータとを備え、前記インペラ、前記タービン、及び前記ステータによって形成されたトーラスの内部に存在する前記流体により、前記インペラ側と前記タービン側との間でのトルクの伝達を行うトルクコンバータにおいて、前記トーラスの内径と外径との比であるトーラス内外径比は０．５５〜０．６８の内外径比設定範囲内の値とされ、前記インペラ及び前記タービンの回転軸線の延びる方向に対する前記ステータブレードにおける前記インペラ側の部分の傾斜角度である出口角度は、３０〜４０°の角度設定範囲内の値とされることを要旨とした。

トルクコンバータにおいては、トーラス内外径比の変化に対しトルク比が最大値を有する推移傾向となること、及び、ステータブレードの出口角度を小さくするほど容量係数が大きくなることが確認された。トルク比に関しては、トーラス内外径比が０．５５〜０．６８辺りのときに最大値となる。また、その範囲にトルク比があるときには、ステータブレードの出口角度を３０〜４０°の範囲内に設定することで、容量係数が必要レベル以上の値になる。上記構成によれば、トーラス内径を調整してトーラス内外径比を０．５５〜０．６８の内外径比設定範囲内の値とすることにより、トルクコンバータの大型化を招くことなく、トルク比が最大値もしくはその近傍の値とされる。また、こうしたトルク比の設定を通じて容量係数が小さくなることは、ステータブレードの出口角度を３０〜４０°の角度設定範囲内の値とすることによって抑制される。以上により、トルクコンバータを大型化せずに、トルク比を最大値もしくはその近傍の値としつつ容量係数を必要レベル以上の値とし、それらトルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能を向上させることができるようになる。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記トーラスは前記インペラ及び前記タービンの回転軸線の延びる方向に扁平となる扁平トーラスであること、具体的には前記トーラスにおける前記インペラ及び前記タービンの回転軸線の延びる方向についての幅と前記トーラスの外径との比が０．２以下であることを要旨とした。

トルク比及び容量係数の確保が問題となる扁平トーラスを有するトルクコンバータにおいては、上記トーラスの扁平度合いにてトルクコンバータの性能低下が懸念される。上記構成によれば、こうした扁平度合いの扁平トーラスにおいても、トルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能の確保を効果的に行うことができる。

請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明において、前記インペラ、前記タービン、及び前記ステータはカバー内の流体室に納められており、その流体室内には前記インペラ側と前記タービン側とを機械的に連結するロックアップ機構が設けられていることを要旨とした。

上記構成によれば、ロックアップ機構の分だけインペラ及びタービン等の設置スペースが制約される場合、トーラスの薄型化やトーラス内径の増加を招くことから、トルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能の確保が困難になることがある。しかし、そのような状況下でも、トルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能の確保を効果的に行うことができる。

以下、本発明を自動車に搭載されるトルクコンバータに具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示されるトルクコンバータにおいては、エンジンの出力軸であるクランクシャフトに対し一体回転可能に連結されたフロントカバー３に対し、インペラ４が一体回転可能に連結されている。このインペラ４はその回転軸線（中心線）と同一軸線上に延びる円筒状のインペラハブ５を備えている。そして、エンジンのクランクシャフトが回転すると、インペラ４の回転軸線を中心として、フロントカバー３及びインペラ４が一体的に回転する。

トルクコンバータには、フロントカバー３及びインペラ４によって区画されて作動油によって満たされた流体室６が設けられている。そして、流体室６内において、インペラ４と対向する位置にはタービン９が配置され、そのタービン９と上記インペラ４との間にはステータ１０が配置されている。ステータ１０は、インペラ４の回転軸線と同一軸線上に配置されてインペラハブ５を貫通する円筒状のインナレース７に対し、ワンウェイクラッチ１１を介して連結されている。このステータ１０は、上記ワンウェイクラッチ１１により、上記回転軸線を中心としてタービン９の回転方向についてのみ回転可能となっている。また、タービン９は、上記インナレース７を貫通するとともにインペラ４の回転軸線と同一軸線上に位置する円筒状のタービンハブ８を備えている。このタービンハブ８は、トランスミッションの入力軸に対し一体回転可能に連結されている。そして、トルクコンバータにおいては、インペラ４とタービン９との間に存在する作動油により、インペラ４側（エンジン側）とタービン９側（トランスミッション側）との間でのトルクの伝達が行われる。

流体室６内において、フロントカバー３とタービン９との間には、インペラ４側とタービン９側とを機械的に連結するためのロックアップ機構１２が設けられている。ロックアップ機構１２は、フロントカバー３の近傍に同カバー３と平行に配置されるとともにダンパ１３を介してタービンハブ８に対し一体回転可能に連結される円板状のクラッチプレート１４と、そのクラッチプレート１４の外縁であってフロントカバー３側の面に固着された摩擦材１５とを備えている。

クラッチプレート１４は、同プレート１４とタービン９との間の部分の油圧と、同プレート１４とフロントカバー３との間の部分の油圧との差圧に基づく力により、摩擦材１５をフロントカバー３に対し押し付けたり離間させたりするよう変位する。なお、上記差圧は、同プレート１４とタービン９との間の部分への作動油の供給と、同プレート１４とフロントカバー３との間の部分への作動油の供給とを、油圧回路により選択的に行うことによって調整される。そして、摩擦材１５をフロントカバー３に対し押し付けるようクラッチプレート１４が変位した状態にあってはインペラ４側とタービン９側とが機械的に連結され、摩擦材１５をフロントカバー３に対し離間するようクラッチプレート１４が変位した状態にあっては上記連結が解除される。

次に、トルクコンバータにおけるインペラ４、タービン９、及びステータ１０について詳しく説明するとともに、ぞれらによって形成されるトーラスについて説明する。
インペラ４は、その回転方向について等間隔をおいて設けられた多数のインペラブレード１７を有するインペラシェル１６を備えている。また、インペラ４と対向して位置するタービン９は、その回転方向について等間隔おいて設けられた多数のタービンブレード１９を有するタービンシェル１８を備えている。インペラ４のインペラブレード１７とタービン９のタービンブレード１９とは、インペラハブ５及びタービンハブ８の回転軸線の延びる方向（図中の左右方向）について互いに対向している。

そして、エンジン側からインペラ４にトルクが入力されて同インペラ４が回転すると、それに伴いインペラシェル１６の各インペラブレード１７間に存在する作動油が同ブレード１７に押されて矢印Ｙ１で示されるようにタービン９側に流れる。一方、タービンシェル１８の各タービンブレード１９は上記タービン９側への作動油の流れを受け、それによってタービン９に対して回転方向へのトルクが作用する。インペラ４側からタービンシェル１８の各タービンブレード１９間に流れて来た作動油は、矢印Ｙ２で示されるようにインペラシェル１６の各インペラブレード１７間に向けて流れる。こうしたインペラ４側とタービン９側との間での作動油の流れを通じて、それらインペラ４側とタービン９側との間で作動油を介してのトルクの伝達が行われる。

インペラ４とタービン９との間に位置するステータ１０は、インペラブレード１７とタービンブレード１９との間に対応する部分に回転方向について等間隔をおいて多数設けられたステータブレード２０を備えており、このステータブレード２０によりインペラ４側からタービン９側に流れる作動油の流れを調整する。ステータブレード２０において、インペラハブ５及びタービンハブ８の回転軸線の延びる方向（図中の左右方向）についてのインペラブレード１７側の部分は、その回転軸線の延びる方向に対しステータ１０の回転方向に傾くよう傾斜している。図２は、このステータブレード２０の形状を示す略図であり、同ブレード２０における図１の矢印Ａ方向から見た断面形状を概略的に表すとともに、同ブレード２０のインペラ４側の部分のステータ回転方向（図中右方向）への傾斜状態を示している。なお、ステータブレード２０におけるこの部分の傾斜角度に関して、以下ではステータブレード２０の出口角度θと言う。

図１に示されるように、トルクコンバータにおいては、インペラ４のインペラブレード１７、タービン９のタービンブレード１９、及びステータ１０のステータブレード２０によってトーラス（流体作動室）２１が形成される。ちなみに、このトーラス２１に関して、同図においては、「Ｄ１」がトーラス２１の内径であるトーラス内径を表し、「Ｄ２」がトーラス２１の外径であるトーラス外径を表し、「Ｌ」がトーラス２１におけるインペラハブ５及びタービンハブ８の回転軸線の延びる方向についての幅であるトーラス幅を表している。

このトルクコンバータでは、軸方向長さ（図中左右方向の長さ）が大幅に短くされるとともにロックアップ機構１２が搭載されている関係から、トーラス２１を形成することのできる上記軸方向についてのスペースが限られており、そのことに起因して同トーラス２１が上記軸方向に薄い扁平トーラスとなっている。このトーラス２１の扁平度合は、具体的には、トーラス幅Ｌとトーラス外径Ｄ２との比（Ｌ／Ｄ２）が０．２以下、例えば「０．１２」となる程度となっている。

ところで、トルクコンバータにおいては、大型化することなくトルク比及び容量係数といった性能の向上を図ることが望まれている。以下、こうした要求を実現するためのトーラス２１におけるトーラス内外径比（Ｄ１／Ｄ２）の設定、及びステータ１０におけるステータブレード２０の出口角度θの設定について説明する。

トルクコンバータのトルク比に関しては、トーラス内外径比の変化に対し、図３に示されるように最大値を有する推移傾向をもって推移することが確認された。このことを考慮して、トーラス内外径比に関しては、トルクコンバータの性能向上を意図してトルク比を可能な限り大きくすべく、トルク比が最大値となるときの値を含む範囲であって、かつ同値の近傍に上限及び下限を有する範囲である内外径比設定範囲内の値とされる。ちなみに、こうしたトーラス内外径比の設定はトーラス内径Ｄ１の調整を通じて実現される。また、ここでの内外径比設定範囲としては例えば「０．５５〜０６８」という範囲が採用され、トーラス内外径比として「０．６７」という値が用いられる。なお、上記内外径比設定範囲に関しては、より好ましい範囲として「０．５７〜０．６５」という範囲をあげることができる。この内外径比設定範囲を採用した場合には、同範囲内の値にトーラス内外径比が設定される。

上記のようにトーラス内外径比を設定したうえで、トーラス幅Ｌを小さくし、同トーラス幅Ｌとトーラス外径Ｄ２との比（Ｌ／Ｄ２）を小さくしてゆくと、容量係数の確保が難しくなってくる。ただし、トルクコンバータの容量係数は、ステータブレード２０の出口角度θを小さくすることにより、例えば図４に示されるように大きくすることができる。なお、このように出口角度θを小さくすることによる容量係数の増大は、図５（ｂ）に示されるトルクコンバータの回転速度比の全変化領域（０〜１）で実現されることとなる。

上記のような出口角度θと容量係数との関係を利用して、本実施形態では、容量係数が小さくなることを、次のようなトーラス内外径比及び出口角度θの設定を通じて抑制する。すなわち、トーラス内外径比を上記内外径比設定範囲内の値とした状況のもとで容量係数が必要レベル以上となる上記出口角度θの範囲である角度設定範囲内の値に同出口角度θを設定する。こうした出口角度θの設定により容量係数を必要レベル以上とすることができ、また同出口角度θの設定に起因してトルク比が小さくなる分についてはトーラス内外系比を上記内外径比設定範囲内の値とすることで補償し、それによって十分なトルク比の確保を可能としている。ちなみに、ここでの角度設定範囲としては「３０〜４０°」という範囲が採用され、出口角度θとして「３６°」という値が用いられる。なお、上記角度設定範囲に関しては、より好ましい範囲として「３５〜４０°」という範囲をあげることができる。

以上のように、トーラス２１のトーラス内外径比、及びステータブレード２０の出口角度θを設定することで、トルクコンバータ（ステータ外径Ｄ２）を大型化せずに、トルク比を最大値もしくはその近傍の値としつつ容量係数を必要レベル以上の値とし、それらトルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能を向上させることが可能になる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）トルクコンバータを大型化せずに、トルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能向上を図ることができる。

（２）トルク比に関してはトーラス内外径比が０．５５〜０．６８辺りのときに最大値となり、その範囲にトルク比があるときにはステータブレード２０の出口角度θが３０〜４０°の範囲内に設定することで容量係数が必要レベル以上の値になる。従って、内外径比設定範囲を「０．５５〜０．６８」とし、角度設定範囲を「３０〜４０°」とすることで、大型化せずにトルクコンバータの性能向上を図ることができるという効果を的確に得ることができるようになる。

（３）トーラス２１はインペラ４及びタービン９の回転軸線の延びる方向に扁平となる扁平トーラスであり、こうした扁平トーラスを有するトルクコンバータにおいてはトルク比及び容量係数の確保が問題となる。しかし、このようなトルクコンバータにおいて、それらトルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能の確保を効果的に行うことができる。

（４）トーラス幅Ｌとトーラス外径Ｄ２との比（Ｌ／Ｄ２）が０．２以下となるようなトーラス２１の扁平度合いにてトルクコンバータの性能低下が顕著になり、それによる影響が懸念されるが、この場合においてもトルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能の確保を効果的に行うことができる。

（５）流体室６内におけるタービン９とフロントカバー３との間にロックアップ機構１２が設けられているため、その分だけインペラ４及びタービン９等の設置スペースがトルクコンバータの軸方向について制約される。また、ロックアップ機構１２のダンパ１３等がフロントカバー３側と逆側に向けて張り出すため、そのダンパ１３等とタービン９との接触を避けるためにトーラス内径Ｄ１を大きくせざるを得ず、そのことがトーラス内径Ｄ１を小さくすることについての制約となる。このようにロックアップ機構１２の設置を通じて、トーラス２１の薄型化やトーラス内径Ｄ１の増加を招くことから、トルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能の確保が困難になりやすい。しかし、そのような状況下でも、トルク比及び容量係数といったトルクコンバータの性能の確保を効果的に行うことができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ロックアップ機構１２のないトルクコンバータに本発明を適用してもよい。
・トーラス幅Ｌとトーラス外径Ｄ２との比（Ｌ／Ｄ２）が０．２以下であって且つ「０．１２」以外の値となるようにしてもよい。

・上記比（Ｌ／Ｄ２）を０．２よりも大きい値としてもよい。
・トーラス内外径比を内外径比設定範囲内における「０．６７」以外の値に設定してもよい。

・内外径比設定範囲を「０．５７〜０．６５」としてもよい。
・ステータブレード２０の出口角度θを角度設定範囲内における「３６°」以外の値に設定してもよい。

・角度設定範囲を「３５〜４０°」としてもよい。

本実施形態のトルクコンバータの内部構造を示す断面図。 同トルクコンバータにおけるステータブレードの形状を示す略図。 トーラス内外径比の変化に対するトルクコンバータのトルク比の推移を示すグラフ。 ステータブレードの出口角度の変化に対するトルクコンバータの容量係数の推移を示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、トルクコンバータの回転速度比の変化に対するトルク比及び容量係数の推移傾向を示すグラフ。

符号の説明

３…フロントカバー、４…インペラ、５…インペラハブ、６…流体室、７…インナレース、８…タービンハブ、９…タービン、１０…ステータ、１１…ワンウェイクラッチ、１２…ロックアップ機構、１３…ダンパ、１４…クラッチプレート、１５…摩擦材、１６…インペラシェル、１７…インペラブレード、１８…タービンシェル、１９…タービンブレード、２０…ステータブレード、２１…トーラス。

Claims (3)

1. トルクが入力されて軸回りに回転するインペラと、そのインペラと同軸上であって同インペラと対向する位置に回転可能に配置されるタービンと、それらインペラ及びタービン間に設けられて両者の間に介在する流体の前記タービン側から前記インペラ側への流れを調整するステータブレードを有するステータとを備え、前記インペラ、前記タービン、及び前記ステータによって形成されたトーラスの内部に存在する前記流体により、前記インペラ側と前記タービン側との間でのトルクの伝達を行うトルクコンバータにおいて、
   前記トーラスの内径と外径との比であるトーラス内外径比は０．５５〜０．６８の内外径比設定範囲内の値とされ、
   前記インペラ及び前記タービンの回転軸線の延びる方向に対する前記ステータブレードにおける前記インペラ側の部分の傾斜角度である出口角度は、３０〜４０°の角度設定範囲内の値とされる
   ことを特徴とするトルクコンバータ。
2. 前記トーラスにおける前記インペラ及び前記タービンの回転軸線の延びる方向についての幅と前記トーラスの外径との比が０．２以下である
   請求項１記載のトルクコンバータ。
3. 前記インペラ、前記タービン、及び前記ステータはカバー内の流体室に納められており、その流体室内には前記インペラ側と前記タービン側とを機械的に連結するロックアップ機構が設けられている
   請求項１又は２記載のトルクコンバータ。

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