KR100579623B1

KR100579623B1 - 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법및 장치

Info

Publication number: KR100579623B1
Application number: KR1020040060820A
Authority: KR
Inventors: 최경욱; 홍창우
Original assignee: 지엠대우오토앤테크놀로지주식회사
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-05-15
Also published as: KR20060012098A

Abstract

본 발명은 입력된 설계인자에 따라 토크 컨버터의 블레이드를 실시간 설계하고, 설계된 구조를 근거로 토크 컨버터의 성능을 평가하여 보여줌으로써 토크 컨버터의 설계시간 및 비용을 절감할 수 있도록 된 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법 및 장치에 대한 것이다. 본 발명에 있어서는 설계자에 의해 입력된 각종 설계인자를 근거로 제어부가 블레이드 설계부에 저장되어 있는 설계프로그램을 구동하여 블레이드 설계에 필요한 각종 임펠러, 터빈 및 스테이터의 토러스 단면을 형성하는 각 블레이드의 외부 위치점, 내부 위치점, 설계 위치점, 출구각, 입구각, 분포각 및 스테이터측 블레이드의 두께를 각각 산출하게 된다. 그리고, 제어부는 이와 같이 산출된 설계정보를 근거로 토크 컨버터의 성능을 평가하여 그 이상여부를 설계자에게 알려주게 된다.

토크 컨버터, 블레이드, 토러스, 임펠러, 설계

Description

성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법 및 장치{Method and apparatus for designing blades of a torque converter capable of estimating performance}

도 1은 일반적인 토크 컨버터의 기본 구조를 나타낸 단면도.

도 2은 토크 증배 상태에서 토크 컨버터내 유체의 흐름을 나타낸 도면.

도 3은 유체 커플링 상태에서 토크 컨버터내 유체의 흐름을 나타낸 도면.

도 4a는 토크 컨버터의 정면도를 간략히 나타낸 도면.

도 4b는 토크 컨버터의 단면도를 간략히 나타낸 도면.

도 4c는 도 4a, 4b에 도시된 토러스 단면의 구조를 간략히 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 토크 컨버터의 블레이드 설계 장치의 구성을 기능적으로 나타낸 기능 블록도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법을 설명하기 위한 플로우챠트.

도 7a 내지 도 7c는 도 6에서 토크 컨버터의 성능값산출방법을 구체적으로 설명하기 위한 플로우챠트.

도 8은 본 발명에 의해 제공되는 토크 컨버터의 특성 그래프의 일례를 나타낸 도면.

도 9는 토크 컨버터의 임펠러와 터빈의 속도비에 따른 입력용량계수의 여러가지 형태를 나타낸 도면.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 임펠러, 11 : 임펠러측 블레이드,

20 : 터빈, 21 : 터빈측 블레이드,

30 : 스테이터, 31 : 스테이터측 블레이드,

110 : 키입력부, 120 : 디스플레이부,

130 : 설계인자 처리부, 140 : 설계인자 저장부,

150 : 블레이드 설계부, 151 : 위치점 산출부,

152 : 각도 산출부, 153 : 두께 산출부,

154 : 노드좌표 산출부, 160 : 설계정보 저장부,

170 : 제어부, S1 : 입력축,

S2 : 출력축, C1 : 일방향 클러치,

T1 : 토러스 단면, C_I, C_T, C_S : 내부선,

S_I, S_T, S_S: 외부선.

본 발명은 토크 컨버터(Torque Converter)에 대한 것으로서, 특히 입력된 설 계인자에 따라 토크 컨버터의 블레이드를 실시간 설계하고, 설계된 구조에 따른 토크 컨버터의 성능을 평가하여 보여줌으로써 토크 컨버터의 설계시간 및 비용을 절감할 수 있도록 된 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법 및 장치에 대한 것이다.

주지된 바와 같이 토크 컨버터는 자동차 등의 엔진 동력을 변속기로 전달해 주는 유체 동역학적 동력 전달 장치로서, 이는 엔진 동력을 오일을 통해 변속기 기어에 부드럽게 전달해주는 유체 클러치(Cluch)의 역할과, 엔진으로부터의 입력 토크를 증대하여 변속기의 입력축으로 전달해주는 토크 증배 역할을 수행하도록 구성되어 있다.

즉 도 1은 일반적인 토크 컨버터의 기본 구조를 나타낸 단면도로서, 이는 엔진과 연결된 입력축(S1)으로부터 동력을 전달받아 토크 컨버터 내부에 채워진 유체로 전달하는 임펠러(10)와, 상기 유체로부터 동력을 전달받아 변속기와 연결된 출력축(S2)으로 전달하는 터빈(20), 터빈(20)의 출구와 임펠러(20)의 입구 사이에 위치되어 토크 컨버터의 동작 상태에 따라 일방향 클러치(C1)에 의해 고정되거나 공전(空轉)되는 반력 요소인 스테이터(30)를 구비하여 구성된다.

도 1의 구조로 된 토크 컨버터는 스테이터(30)가 고정된 경우 임펠러(10)의 토크 보다 터빈(20)의 토크가 커지는 토크 증배 상태로 동작되고, 스테이터(30)가 공전하는 경우 임펠러(10)와 터빈(20)의 토크가 동일해지는 유체 커플링(Coupling) 상태로 동작되며, 운전자가 브레이크를 밟아 터빈(20)의 회전이 정지된 경우 임펠러(10)의 회전이 등속을 유지하는 스톨(Stall) 상태로 동작된다.

도 2 및 도 3은 각각 토크 증배 상태와 유체 커플링 상태에서 토크 컨버터내 유체의 흐름을 나타낸 것으로서, 도 2 및 도 3과 같이 임펠러(10), 터빈(20) 및 스테이터(30)에는 각각 다수의 블레이드(Blade)(11, 21, 31)가 일정 간격 및 각도로 설치되어 유체의 흐름을 유도하거나 유체가 흐르는 방향을 전환시키게 된다.

이하 도 1의 구조로 된 토크 컨버터의 동작을 간략히 설명하기로 한다.

도 1의 토크 컨버터는 엔진이 회전하면서 임펠러(10)를 동일한 속도로 회전시키고, 임펠러(10)가 회전함에 따라 임펠러(10)의 내측 입구에 있던 유체는 원심력에 의해 블레이드(11)를 통해 안내되어 외측 출구로 분출되고, 이어 터빈(20)의 외측 입구로 유입된 유체는 그 블레이드(21)를 지나는 동안 각운동량이 변화되어 그 내측 출구로 분출되며, 이에 따라 터빈(20)은 임펠러(10)와 같은 방향의 토크를 받으며 회전하게 된다.

이때 터빈(20)의 내측 출구로부터 분출된 유체는 임펠러(10)의 회전 방향과 반대 방향으로 흐르게 되지만 일방향 클러치(C1)와 결합된 스테이터(30)에 의해 다시 임펠러(10)의 회전 방향과 동일한 방향으로 흐르게 된다. 따라서 엔진으로부터 전달되는 임펠러(10)의 입력 토크가 증가되지 않더라도 스테이터(30)로부터 분출된 유체가 다시 임펠러(10)로 유입되어 터빈(20)의 토크를 증배시키게 된다.

한편 터빈(20)의 회전속도가 임펠러(10)의 회전속도에 근접하는 경우 스테이터(30)는 일방향 클러치(C1)를 통해 반력 토크에 의한 동력 손실을 최소화하도록 공전하게 된다. 따라서 터빈(20)과 임펠러(10)의 토크는 거의 같아지게 되고, 토크 컨버터는 유체 커플링 상태로 동작된다.

상술한 바와 같이 토크 컨버터는 유체의 순환 흐름을 이용하여 엔진의 동력을 변속기로 전달하게 되고, 그 유체의 흐름은 도 1의 임펠러(10), 터빈(20) 및 스테이터(30)에 각각 설치되는 블레이드(11, 21, 31)(도 2 참조)의 입구각, 출구각, 분포각 및 두께와 도 1의 임펠러(10), 터빈(20) 및 스테이터(30)가 형성하는 원형 단면(이하, "토러스(Torus) 단면"이라 칭함)의 형상에 영향을 받는다.

따라서 상기한 블레이드를 잘못 설계하게 되면, 토크 컨버터내 유체의 순환이 원활하게 이루어지지 않아 동력 손실이 발생되어 토크 컨버터의 전반적인 동작 특성이 저하됨은 물론 막대한 비용을 들여 재설계해야 하는 문제점이 있으며, 설계자는 블레이드 설계시 비용 및 시간 상의 문제로 인하여 여러번의 시험 설계를 수행함에 어려움이 있게 된다.

이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 특히 설계인자를 입력하는 것만으로 토크 컨버터의 블레이드를 용이하게 설계하고, 특히 설계된 토크 컨버터의 성능을 용이하게 평가할 수 있도록 된 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법은 컴퓨터 장치를 이용하여 토크 컨버터의 블레이드를 설계하는 방법에 있어서, 토러스 단면을 구성하는 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드의 설계시 요구되는 각종 설계인자를 입력받는 설계인자 입력단계, 상기 토러스 단면의 외부선, 내부선 및 설계 경로의 윤곽선을 나타내는 다수의 외부, 내부 및 설계 위치점을 상기 설계인자와 각 위치점의 중간 설계정보를 이용하여 산출하는 위치점 산출단계, 토크 컨버터의 동작상태를 나타내는 다수의 성능 인자가 포함된 상기 설계인자에 소정 비선형 함수를 적용하여 상기 블레이드의 입구각 및 출구각을 산출하는 입/출구각 산출단계, 상기 입구각 및 출구각 정보에 소정 에너지 평형식을 적용하여 각각의 블레이드의 토크가 균등해지는 설계 경로의 분포각을 산출하는 제1 분포각 산출단계, 상기 설계인자와 미리 지정된 스테이터측 블레이드의 길이 정보를 근거로 스테이터측 블레이드의 형상이 익형이 되는 두께를 산출하는 두께 산출단계, 상기 설계인자와 상기 설계경로의 분포각에 소정 강제 와류식을 적용하여 상기 외부 위치점과 내부 위치점의 분포각을 산출하는 제2 분포각 산출단계, 상기 각 단계에 따라 산출된 정보를 해당 블레이드의 설계정보로 저장하는 설계정보 저장단계, 얻어진 설계정보를 근거로 토크컨버터의 각각의 속도비에 따른 입력용량계수를 산출하는 입력용량계수 산출단계 및, 입력용량계수가 속도비의 증가에 따라 증가하는지의 여부를 판정하는 성능평가단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제2 관점에 따른 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계방법은 컴퓨터 장치를 이용하여 토크 컨버터의 블레이드를 설계하는 방법에 있어서, 토러스 단면을 구성하는 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드의 설계 시 요구되는 각종 설계인자를 입력받는 설계인자 입력단계, 입력된 설계인자를 근거로 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드를 설계하는 블레이드 설계단계, 블레이드의 설계정보를 근거로 입력용량계수를 포함하는 토크컨버터의 성능값을 산출하는 성능값 산출단계 및, 블레이드의 설계정보를 근거로 토크 컨버터의 성능을 평가하는 성능평가단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 성능평가단계는 입력용량계수를 C_F, 임펠러와 터빈의 속도비를 sr이라 할 때, 설계된 토크 컨버터가

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 평가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 성능평가단계는 토크 컨버터의 유량을 Q, 임펠러와 터빈의 속도비를 sr이라 할 때, 설계된 토크 컨버터가

또한, 상기 성능평가단계는 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구각을 각각

, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각

, 속도비를 sr이라 할 때,

, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각

, 속도비를 sr이라 할 때,

, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각

, 속도비를 sr이라 할 때

,

의 조건을 만족하는지의 여부를 판정하는 제1 판정단계와,

의 조건을 만족하는지의 여부를 판정하는 제2 판정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제3 관점에 따른 성능평가기능을 가는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치는 블레이드의 설계 시 요구되는 각종 설계인자를 키입력하기 위한 키입력부와, 상기 설계인자의 입력 상태 및 입력된 설계 인자에 따라 설계된 블레이드의 모델링 화면을 시각적으로 표시하기 위한 디스플레이부, 소정 제어신호에 따라 상기 디스플레이부를 통해 상기 설계인자의 입력 화면을 제공함과 아울러 입력된 설계인자가 구분 저장되도록 처리하고 각 설계 단계별로 요구되는 설계인자가 독출되도록 처리하는 설계인자 처리부, 상기 설계인자가 구분 저장되는 설계인자 저장부, 소정 제어신호에 따라 상기 설계인자 처리부로부터 전달된 각종 설계인자를 근거로 임펠러, 터빈 및 스테이터의 토러스 단면을 형성하는 각 블레이드의 외부 위치점, 내부 위치점, 설계 위치점, 출구각, 입구각, 분포각 및 스테이터측 블레이드의 두께를 각각 산출하도록 된 소정 동작 프로그램이 구비된 블레이드 설계부, 상기 블레이드 설계부로부터 산출된 설계정보를 구분 저장하기 위한 설계정보 저장부 및, 상기 각 구성요소에 접속되어 장치의 전반적인 동작을 제어함과 아울러 상기 설계인자 처리부와 블레이드 설계부를 통해 처리/산출된 정보가 상기 설계인자 저장부와 설계정보 저장부에 구분 저장되도록 제어하며, 상기 설계정보를 근거로 토크 컨버터의 성능을 평가하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

따라서 상기한 구성에 의하면, 입력된 설계인자에 따라 토크 컨버터의 블레이드를 실시간 설계하여 토크 컨버터의 설계 시간 및 비용을 절감할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명하기로 한다.

먼저 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 명세서에서 사용되는 용어 및 기호를 정의하기로 한다. 도 4a는 토크 컨버터의 정면도를 간략히 나타낸 것이고, 도 4b는 그 단면도를 도 4c는 상기한 토러스 단면의 구조를 각각 간략히 나타낸 것이다.

도 4a 및 도 4b에서 참조부호 A는 토크 컨버터의 직경이고, B는 토크 컨버터의 구동축 직경이며, T1은 토크 컨버터내 임펠러, 터빈 및 스테이터의 각 블레이드(11, 21, 31)가 형성하는 토러스 단면을 나타낸 것이다. 도 4a에서 점선으로 표시된 부분은 토크 컨버터의 외부 하우징이 차지하는 영역을 나타낸 것으로서, 토크 컨버터의 사이즈(Size)는 외부 하우징이 아닌 임펠러, 터빈 및 스테이터가 형성하는 영역(실선 부분)에 의해 결정된다.

도 4b에서 T_D는 토러스 단면(T1)의 장축 직경이고, T_C는 토러스 단면(T1)의 중심축이며, G_D는 임펠러와 터빈 사이의 이격 거리를 나타낸 것이다. 또한 도 4c에서 참조부호 S_I, S_T, S_S는 각각 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드(11, 21, 31)의 외부선(Shell)을 나타낸 것이고, C_I, C_T, C_S는 각각 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드(11, 21, 31)의 내부선(Core)을 나타낸 것이다.

그리고 도 4c에서 P_D는 토크 컨버터내 유체 흐름을 평균 유로 흐름으로 가정했을 때 유체가 흐르는 이른바 설계 경로(Design Path)를 나타낸 것으로서, 각각의 블레이드(11, 21, 31)는 주지된 것처럼 설계 경로(P_D)에 따라 동일한 유동 단면적을 갖도록 설계하여야 하며, 본 실시예에서 설계 경로(P_D)는 각 블레이드의 외부선(S_I, S_T, S_S)과 내부선(C_I, C_T, C_S)의 분포각을 구하기 위한 기준인자로 사용된다. 상기 분포각은 각 블레이드의 입구각과 출구각 사이의 휘어진 정도를 나타내는 사이각을 의미한다.

본 실시예에서는 먼저 도 4c과 같은 토러스 단면(T1)을 기준으로 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드(11, 21, 31)의 외부선(S_I, S_T, S_S)의 윤곽선(Contour)을 각각 나타내도록 산출된 다수의 위치점(이하, "외부 위치점"이라 칭함)과, 그 내부선(C_I, C_T, C_S)의 윤곽선을 각각 나타내도록 산출된 다수의 위치점(이하, "내부 위치점"이라 칭함)과, 그 설계 경로(P_D)의 윤곽선을 각각 나타내도록 산출된 다수의 위치점(이하, "설계 위치점"이라 칭함)과, 각 블레이드(11, 21, 31)의 출구각, 입구각, 분포각 및 두께를 각각 산출하는 방법으로 블레이드를 설계하게 된다. 아울러 설계된 각 블레이드(11, 21, 31)의 위치점들은 원통 좌표계로 표시되므로 이를 직교 좌표계로 표시하고자 하는 경우 좌표 변환을 수행하여 각 블레이드(11, 21, 31)의 직교 노드좌표를 산출하게 된다.

이하 도 5와 도 6a, 6b를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 토크 컨버터의 블레이드 설계 장치의 구성을 기능적으로 나타낸 기능 블록도로서, 이는 예컨대, 윈도우(Window) 또는 리눅스(Linux) 운영체제 기반의 컴퓨터 장치에 본 발명에 따른 블레이드 설계 방법이 적용된 소정 동작 프램그램을 구비하여 구성된다. 이하 설명에서 도 4a 내지 도 4c에 도시된 블레이드의 구성요소와 설계인자에 대해서는 동일한 참조번호(부호)를 붙이기로 한다.

도 5에서 참조번호 110은 설계자가 블레이드(11, 21, 31)의 설계 시 요구되는 각종 설계인자를 키입력하기 위한 키입력부이고, 120은 상기 설계인자의 입력 상태 및 입력된 설계인자에 따라 설계된 블레이드(11, 21, 31)의 모델링(Modeling) 화면을 시각적으로 표시하기 위한 디스플레이부이며, 130은 후술할 제어부의 요구신호에 따라 상기 디스플레이부(120)를 통해 상기 설계인자의 입력 화면을 제공함과 아울러 입력된 설계인자가 구분 저장되도록 처리하며, 각 설계 단계별로 요구되는 설계인자가 독출되도록 처리하는 설계인자 처리부이며, 140은 상기 설계인자가 구분 저장되는 설계인자 저장부이다.

즉 다음 표 1은 본 발명에 따라 블레이드의 설계 시 요구되는 각종 설계인자를 구분하여 나타낸 것이다.

항목	내용
제1 설계인자	토크 컨버터의 직경(A), 편평비, 축직경(B), 스테이터측 블레이드의 길이, 각 블레이드의 입/출구 반경 등 토크 컨버터의 크기 및 형상을 결정하는 인자
제2 설계인자	토러스 단면(T1)의 장축 직경(T_D)과 중심점(T_C), 임펠러와 터빈 사이의 이격 거리(G_D) 등 토러스 단면(T1)의 형상을 결정하는 인자
제3 설계인자	토크 컨버터 내부를 순환하는 유체의 밀도, 점성계수 등 토크 컨버터의 동작에 영향을 끼치는 물리적 인자
제4 설계인자	스톨상태 및 유체 커플링상태에서의 임펠러와 터빈의 속도비, 토크비 및 입력용량계수, 순환유량계수, 유체 유동 단면적의 최적화 계수, 임펠러의 출구각, 임펠러의 회전 각속도, 설계점에서의 임펠러와 터빈의 속도비, 성능평가시의 속도비 증분값, 각종 계수값 등 토크 컨버터의 성능 인자

도 5에서 참조번호 150은 설계인자 처리부(130)로부터 전달된 설계인자를 근거로 임펠러, 터빈 및 스테이터의 토러스 단면(T1)을 형성하는 각 블레이드(11, 21, 31)의 외부 위치점, 내부 위치점, 설계 위치점, 출구각, 입구각, 분포각 및 두께를 각각 산출하고, 각 블레이드(11, 21, 31)의 직교 노드좌표를 산출하도록 된 소정 동작 프로그램이 구비된 블레이드 설계부로서, 상기 동작 프로그램은 도 5와 같이 위치점 산출부(151), 각도 산출부(152), 두께 산출부(153) 및 노드좌표 산출부(154)를 구비하여 구성된다.

도 5의 상기 위치점 산출부(151)는 블레이드(11, 21, 31)의 외부선(S_I, S_T, S_S), 내부선(C_I, C_T, C_S) 및 설계 경로(P_D)의 윤곽선을 각각 나타내는 소정 개수의 외부 위치점과, 내부 위치점 및 설계 위치점을 산출하고, 산출된 외부, 내부 및 설계 위치점에 주지된 보간법 등을 적용하여 상기 외부선(S_I, S_T, S_S), 내부선(C _I, C_T, C_S) 및 설계 경로(P_D)를 설계하기 위한 것이다.

본 실시예에서 상기 위치점 산출부(151)는 먼저 입력된 설계인자를 이용하여 원통 좌표계로 표시되는 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드(11, 21, 31)의 외부 위치점을 각각 소정 개수 이상(바람직하게는 10개 이상) 산출한 후, 상기 각도 산출부(152)로부터 산출된 외부 위치점의 각도와 입력된 설계인자 중 유동 단면적 정보를 이용하여 각 블레이드(11, 21, 31)의 내부선(C_I, C_T, C_S)을 나타내는 내부 위치점과 설계 경로(P_D)를 나타내는 설계 위치점을 소정 개수 이상(바람직하게는 10개 이상) 산출하게 된다. 상기 외부 위치점과, 내부 위치점 및 설계 위치점의 상세한 산출 방법은 후술하기로 한다.

도 5의 상기 각도 산출부(152)는 블레이드(11, 21, 31)의 출구각, 입구각 및 분포각을 산출함과 아울러 상기 위치점 산출부(151)의 내부 및 설계 위치점 산출 시 요구되는 각 블레이드(11, 21, 31)의 외부 위치점 각도를 산출하기 위한 것이다. 상기 출구각 및 입구각은 토크 컨버터의 기본 성능인 임펠러와 터빈의 토크비, 입력용량계수 및 토크 컨버터의 성능값에 영향을 미치는 중요인자이고, 상기 분포각은 블레이드(11, 21, 31)의 입구각과 출구각의 각도 차이에 의한 블레이드(11, 21, 31)의 설계 경로(P_D)와 내부선(C_I, C_T, C_S) 및 외부선(S _I, S_T, S_S)의 휨 각도를 의미한다. 본 실시예에서는 설계 경로(P_D)의 휨 각도를 산출한 후, 설계 경로(P_D)의 휨 각도에 후술할 강제 와류식을 적용하여 내부선(C_I, C_T, C_S) 및 외부선(S _I, S_T, S_S)의 휨 각도를 산출하게 된다.

즉 도 4a 내지 4c에서 각 블레이드(11, 21, 31)는 평편한 형태로 간략히 도시되어 있으나, 실제로 각 블레이드(11, 21, 31)는 토크 컨버터내 유체의 순환 흐름을 유도하도록 입출구 및 몸체 부분이 각각 설계된 각도에 따라 휘어져 있다.

본 실시예에서 상기 각도 산출부(152)는 입력된 설계인자 중 임펠러측 블레이드(11)의 출구각과 유체의 밀도와 유동 단면적, 토크 컨버터의 동작상태별(특히, 스톨상태와 유체 커플링 상태)로 입력된 임펠러와 터빈의 속도비 및 토크비, 입력용량계수 및 각 블레이드(11, 21, 31)의 출구반경 정보 등을 이용하여 터빈과 스테이터측 블레이드(21, 31)의 출구각을 각각 산출하고, 각 블레이드(11, 21, 31)의 출구각과 설계인자 중 설계점(토크 컨버터 내에서 유체 흐름의 충격손실이 0이 되 는 지점)에서의 임펠러와 터빈의 속도비와 각 블레이드(11, 21, 31)의 출구반경과 입구반경, 임펠러의 회전 각속도, 유동 단면적, 순환 유량계수 정보 등을 이용하여 각 블레이드(11, 21, 31)의 입구각을 산출하며, 각 블레이드(11, 21, 31)의 입/출구각 정보에 주지된 에너지 평형식을 적용하여 각 블레이드(11, 21, 31)에 걸리는 토크가 균등해지는 설계 경로(P_D)의 분포각을 산출하게 된다. 상기 터빈과 스테이터의 출구각 및 상기 분포각의 상세한 산출 방법은 후술하기로 한다.

그리고 도 5의 상기 두께 산출부(153)는 스테이터측 블레이드(31)의 형상이 익형(Air Foil)으로 설계되도록 그 두께를 산출하기 위한 것이다. 상기 스테이터는 터빈으로부터 유입되는 유체의 흐름을 임펠러의 회전 방향으로 전환하여 터빈의 토크를 증대시키기 위한 것이므로 상기 두께 산출부(153)는 유체가 난류 형태로 흐르는 박리 현상을 방지하도록 스테이터 블레이드(31)의 두께를 익형으로 설계하게 된다. 그리고 상세한 두께 산출 방법은 후술하기로 한다.

그리고 도 5에서 상기 노드좌표 산출부(154)는 상기 위치점 산출부(151)와 상기 각도 산출부(152)를 통해 산출된 각 블레이드(11, 21, 31)의 원통 좌표계(R, Z, θ)로 표시된 위치점을 일반적인 직교 좌표계(X, Y, Z)로 변환하기 위한 것으로서, 이는 본 발명에 따라 설계된 블레이드의 설계정보를 직교 좌표계가 적용된 생산 설비에 이용하기 위한 것이다. 따라서 상기 노드좌표 산출부(154)는 생산 설비에 요구되는 좌표계에 따라 선택적으로 구비하는 것이 가능하다. 그리고 좌표계 변환 방법은 일반적인 내용이므로 본 명세서에서 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5에서 상기 설계정보 저장부(160)는 상기 블레이드 설계부(150)로부터 산출된 각 블레이드(11, 21, 31)의 외부 위치점, 내부 위치점, 설계 위치점, 출구각, 입구각, 분포각 및 스테이터의 두께 정보 등 소정 블레이드 설계정보를 구분 저장하기 위한 것이다. 또한 상기 노드좌표 산출부(154)가 구비된 경우 상기 설계정보 저장부(160)에는 각 블레이드(11, 21, 31)의 위치점이 직교 좌표계로 변환된 노드좌표정보가 추가로 저장된다.

도 5에서 상기 제어부(170)는 도 5에 도시된 것처럼 상기한 각 구성요소에 접속되어 장치의 전반적인 동작을 제어함과 아울러 상기 설계인자 처리부(130)와 블레이드 설계부(150)를 통해 처리/산출된 데이터를 각각 설계인자 저장부(140)와 설계정보 저장부(160)에 저장하며, 설계인자의 입력 상태와 블레이드의 설계상태가 시각적으로 표시되도록 디스플레이부(120)를 제어하게 된다. 특히 제어부(170)는 상기 블레이드 설계부(15)에 의해 임펠러(10), 터빈(20), 스테이터(30)의 각 블레이드(11, 21, 31)에 대한 설계가 종료되게 되면, 설계된 토크 컨버터의 속도비에 따른 토크비, 즉 임펠러(10)와 터빈(20)의 각각의 속도비에 대한 임펠러(10)와 터빈(20)의 토크비를 산출하여 이를 특성그래프를 통해 운영자에게 보여주고, 토크 컨버터의 속도비에 따른 입력용량계수의 변동추이를 추출하여 설계된 토크 컨버터의 성능상의 이상여부를 평가하게 된다. 본 실시예에서 상기 제어부(170)는 예컨대, 윈도우(Window) 또는 리눅스(Linux) 기반의 범용 운영체제가 탑재된 컴퓨터 장치를 기능적으로 도시한 것으로서, 설계인자 처리부(130)와 블레이드 설계부(150)에 구비되는 상술한 동작 프로그램은 해당 운영체제를 기반으로 하여 동작되도록 구성된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 이하에서는 도 5의 구성을 이용하여 본 발명에 따른 블레이드 설계 방법을 설명하기로 한다.

먼저 도 5의 장치가 온 구동된 후, 설계자에 의해 블레이드 설계를 위한 소정 입력 메뉴가 선택되면, 제어부(170)는 설계인자 처리부(130)를 구동시켜 설계인자 입력을 위한 소정 입력화면을 디스플레이부(120)를 통해 출력시키게 된다. 이후 설계자는 키입력부(110)를 통해 표 1과 같은 블레이드(11, 21, 31)의 설계 시 요구되는 각종 설계인자, 즉 제1 내지 제4 설계인자를 입력하게 된다. 상기한 과정에 따라 입력된 설계인자는 도 5의 설계인자 처리부(130)에 의해 예컨대, 토크 컨버터의 크기 및 형상을 결정하는 제1 설계인자와, 토러스 단면(T1)의 형상을 결정하는 제2 설계인자, 토크 컨버터의 동작에 영향을 미치는 유체의 물리적 성질과 관련된 제3 설계인자 및, 토크 컨버터의 성능을 결정하는 제4 설계인자로 구분되어 설계인자 저장부(140)에 저장된다. 본 실시예의 경우 입력된 다수의 설계인자를 상기 제1 내지 제4 설계인자로 구분하도록 하였으나, 설계인자의 입력 및 구분 방식은 요구되는 전체 설계인자가 변하지 않는 한도에서 다양한 형태로 변형하여 실시하는 것이 가능하다(ST601 단계).

상기 ST601 단계에 따라 설계인자의 입력이 완료된 후, 도 5의 제어부(170)는 블레이드 설계부(150)내 위치점 산출부(151)를 구동시켜, 각 블레이드(11, 21, 31)의 외부선(S_I, S_T, S_S)의 윤곽선을 나타내기 위한 소정 개수의 외부 위치점을 산출하게 되며, 본 출원인의 실험 결과 외부 위치점의 개수는 적어도 10 개 이상 산출하였을 때 외부선(S_I, S_T, S_S)의 윤곽선을 명확하게 표시할 수 있었다.

이하 외부 위치점의 산출 과정을 보다 상세하게 설명하기로 한다. 즉 위치점 산출부(151)는 각 블레이드(11, 21, 31)를 구분하는 가상의 경계선(도시되지 않음)을 설정하게 된다. 그리고 각도 산출부(152)를 통해 블레이드(11, 21, 31)별로 토러스 단면(T1)의 중심점(T_C)을 기준점으로 하여, 해당 경계선 사이에서 외부 위치점의 산출 개수에 맞추어 일정 간격으로 나누어진 다수의 각도를 산출하여 외부 위치점 산출을 위한 기준 각도(이하, "경계선 각도"라 칭함)로 이용하게 된다. 이후 위치점 산출부(151)는 경계선 각도와 설계인자 중 토러스 단면(T1)의 장축 직경(T_D), 편평비, 임펠러와 터빈 사이의 이격거리(G_D)를 아래 수학식1, 2, 3에 적용하여 각 블레이드(11, 21, 31)별로 예컨대, 10개의 외부 위치점을 산출하게 된다(ST602 단계).

: 각 블레이드(11, 21, 31)의 외부 위치점의 Z 좌표,

: 토러스 단면(T1)의 중심점(Tc)의 Z 좌표,

θ : 경계선 각도

: 각 블레이드(11, 21, 31)의 외부 위치점의 R 좌표,

: 토러스 단면(T1)의 중심점(Tc)의 R 좌표,

θ : 경계선 각도

그리고 상기 수학식1, 2에서 상수 a, b는 아래 수학식3에 의해 결정된다.

상기 ST602 단계에 따라 각 블레이드(11, 21, 31)의 외부 위치점의 산출이 완료된 후, 도 5의 위치점 산출부(151)는 외부 위치점의 좌표(Z_shell, R_shell)를 아래의 수학식4에 적용하여 각 외부 위치점의 각도를 산출하게 된다.

: 외부 위치점 각도

그리고 도 5의 위치점 산출부(151)은 상기한 과정에 따라 산출된 외부 위치점 각도(

)를 각각 아래의 수학식5에 적용하여 각 블레이드(11, 21, 31)의 내부 선(C_I, C_T, C_S)을 나타내는 다수의 내부 위치점을 산출하게 된다(ST603 단계).

,

: 각 블레이드(11, 21, 31)의 내부 위치점의 Z, R 좌표,

S : 유동 단면적

여기서 유동 단면적(S)은 다음 수식으로 산출하게 된다.

또한 도 5의 위치점 산출부(151)는 상기한 과정에 따라 산출된 외부 위치점 각도(

)를 각각 아래의 수학식 7에 적용하여 각 블레이드(11, 21, 31)의 설계 경로(P_D)를 나타내는 다수의 설계 위치점을 산출하게 된다(ST604 단계).

,

: 각 블레이드(11, 21, 31)의 설계 위치점의 Z, R 좌표,

S : 유동 단면적

이후 도 5의 제어부(170)는 블레이드 설계부(150)내 각도 산출부(152)를 구동시켜, 임펠러측 블레이드(11)의 출구각을 기준으로 터빈과 스테이터측 블레이드(21, 31)의 출구각을 산출하게 된다. 터빈과 스테이터측 블레이드(21, 31)의 출구각은 각각 아래 수학식8, 10와 같은 비선형 함수에 임펠러 블레이드(11)의 출구각과, 스톨 상태 및 커플링 상태에서 임펠러와 터빈의 토크비, 속도비, 유체의 밀도, 유동 단면적, 각 블레이드(11, 21, 31)의 출구반경 등을 입력하고, 이를 아래 수학식8, 10과 같은 등가식에 대입하여 산출하게 된다.

그리고 아래 수학식8은 터빈측 블레이드(21)의 출구각을 구하기 위한 비선형 함수(

)이고, 수학식9의 fsolve 함수는 주지된 수학용 프로그램인 Mathlab^™에서 지원하는 라이브러리 함수이다.

: 임펠러와 터빈의 출구반경 비율 상수,

: 임펠러와 스테이터의 출구반경 비율 상수,

: 스톨 상태에서의 입력용량계수,

: 스톨 상태에서의 임펠러와 터빈의 속도비,

: 스톨 상태에서의 임펠러와 터빈의 토크비,

: 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드(11, 21, 31)의 각 출구각

: 임펠러, 터빈. 스테이터 블레이드(11, 21, 31)의 각 출구반경,

S : 유동 단면적, d : 유체의 밀도,

본 실시예에서는 토크 컨버터가 스톨 상태인 경우 상기 수학식8의 비선형 함수(

)가 0이 되는 관계를 상기 수학식 9에 적용하여 터빈측 블레이드(21)의 출구각(

)을 산출하게 된다.

그리고 아래 수학식 10는 스테이터측 블레이드(31)의 출구각을 구하기 위한 비선형 함수이고, 수학식 11의 fsolve 함수는 수학식8에서와 같은 Mathlab^™에서 지원하는 라이브러리 함수이다.

: 유체 커플링 상태에서의 입력용량계수,

: 유체 커플링 상태에서의 임펠러와 터빈의 속도비,

: 유체 커플링 상태에서의 임펠러와 터빈의 토크비,

그리고 상기 수학식9에서 상기 수학식 8과 동일한 변수 및 상수에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 실시예에서는 토크 컨버터가 유체 커플링 상태인 경우 상기 수학식9의 비선형 함수(

)가 0이 되는 관계를 상기 수학식 11에 적용하여 스테이터측 블레이드(31)의 출구각(

)을 산출하게 된다(ST605 단계).

이후 도 5의 각도 산출부(152)는 상기 ST605 단계에 따라 산출된 각 블레이드(11, 21, 31)의 출구각과 입력된 설계인자 중에서 각 블레이드(11, 21, 31)의 출구반경과 입구반경, 임펠러의 회전 각속도, 설계점(토크 컨버터 내에서 유체 흐름의 충격손실이 0이 되는 지점)에서 임펠러와 터빈의 속도비, 유동 단면적 및 순환 유량계수 정보를 아래의 수학식 12 내지 15에 적용하여 각 블레이드(11, 21, 31)의 입구각을 산출하게 된다(ST606 단계).

그리고 상기 수학식 12, 13, 14의 각 인자는 아래와 같이 정의된다.

: 각각 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드(11, 21, 31)의 각 입구각,

: 각각 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드(11, 21, 31)의 각 출구각,

: 각각 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드(11, 21, 31)의 각 입구반경,

: 각각 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드(11, 21, 31)의 출구반경,

: 임펠러와 터빈의 출구반경 비율 상수,

: 임펠러와 스테이터의 출구반경 비율 상수,

: 설계점에서 임펠러와 터빈의 속도비

그리고 상기 수학식 12, 13, 14에서 인자 q는 아래 수학식15와 같이 정의된다.

Q : 토러스 단면(T1)을 따라 흐르는 유량,

F : 순환유량계수,

: 임펠러(11)의 회전 각속도

이후 도 5의 각도 산출부(152)는 상기 ST606 단계에 따라 산출된 각 블레이드(11, 21, 31)의 입구각 및 출구각에 소정 에너지 평형식을 적용하여 각 블레이드(11, 21, 31)의 설계 경로(P_D)의 분포각을 산출하게 된다. 본 실시예에서는 상기 에너지 평형식을 통해 토크가 균등해지는 각 블레이드(11, 21, 31)의 위치점들을 찾은 후, 그 위치점들로부터 설계 경로(P_D)의 분포각을 산출하게 된다. 이에 대한 상세한 설명은 일반적인 내용이므로 생략하기로 한다(ST607 단계).

이어, 도 5의 제어부(170)는 블레이드 설계부(150)내 각도 산출부(152)를 구동시켜, 상기 ST607 단계에 따라 산출된 설계 경로(P_D)의 분포각에 아래 수학식 16과 같은 강제 와류식을 이용하여 외부선(S_I, S_T, S_S)(외부 위치점)과 내부선(C _I, C_T, C_S)(내부 위치점)의 휘어진 분포각을 각각 산출하게 된다.

: 외부선(S_I, S_T, S_S), 내부선(C_I, C_T, C_S)의 휨 각도(분포각),

: 설계 경로(P_D)의 휨 각도,

: 내부, 외부 및 설계 위치점의 R 좌표.

본 실시예에서는 도 6a 및 도 6b에는 생략되어 있으나, 상술한 ST602, ST603 및 ST604 단계를 통해 각각 산출된 외부, 내부 및 설계 위치점에 각각 일반적인 보간법을 적용하여 각 위치점의 개수를 증가시켜 외부선(S_I, S_T, S_S)과 내부선(C _I, C_T, C_S) 및 설계 경로(P_D)의 윤곽선을 적절하게 나타내게 되며, 상기 분포각은 보간법에 의해 그 개수가 증가된 외부, 내부 및 설계 위치점을 상기 수학식 16에 대입하여 산출하게 된다(ST608 단계).

이후 도 5의 제어부(170)는 블레이드 설계부(150)내 두께 산출부(153)를 구동시켜, 스테이터측 블레이드(31)의 형상이 익형이 되는 두께를 산출하게 된다(ST609 단계). 이때 두께 산출부(153)는 설계자에 의해 미리 입력된 스테이터측 블레이드(31)의 길이와 소정 계수값 정보를 아래 수학식 17에 적용하여 블레이드(31)의 두께를 산출하게 된다. 본 실시예에서 아래 수학식 17은 블레이드(31)의 두께를 산출하도록 가상의 이차원 좌표계(x'-y' 좌표계, x' : 블레이드의 길이방향 좌표, y' : 블레이드의 두께 좌표)를 설정하여 제안된 것으로서, 위 이차원 좌표계는 후술할 노드좌표 산출부(154)를 통해 각 블레이드(11, 21, 31)의 위치점의 원통 좌표를 좌표 변환하여 산출되는 직교 좌표와는 구분된다.

: 스테이터측 블레이드(31)의 길이,

: 두께 계수.

이상과 같이 설계자가 입력한 제1 내지 제4 설계인자를 근거로 토크 컨버터에 대한 설계가 종료된 상태에서, 설계된 토크 컨버터에 대한 효율산출이 설계자에 의해 요구된 경우(ST610 단계)에는 제어부(170)는 설계인자 저장부(140)에 저장되어 있는 제1 내지 제4 설계인자와 상술한 단계에서 산출된 각종 설계정보를 근거로 토크 컨버터의 효율을 산출하게 된다(ST611 단계).

도 7은 상기한 토크 컨버터의 효율산출을 위한 처리단계를 구체적으로 나타낸 플로우챠트이다.

도 7에서 제어부(170)는 우선 토크 컨버터의 마찰손실계수(Fric)를 산출한다(ST701 단계). 임펠러 블레이드의 i번째 위치점에 대한 경계선 각도를

, 터빈 블레이드의 i번째 위치점에 대한 경계선 각도를

, 스테이터 블레이드의 i번째 위치점에 대한 경계선 각도를

라 하고, 각 블레이드의 위치점을 N개로 한 경우, i+1번째의 위치점에서의 마찰손실[Fric(i+1)]은 수학식 18과 같이 표기되고,

,

단,

토크컨버터의 전체적인 평균 마찰손실계수(Fric)는 다음의 수학식 19로 표시된다.

상기한 수학식 18 및 수학식 19를 이용하여 토크컨버터의 전체적인 평균 마찰손실계수(Fric)를 산출한 후, 제어부(170)는 토크컨버터의 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출하는데 필요한 각종 계수값을 산출하게 된다.

토크컨버터의 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출하는 수식은 수학식 20 및 수학식 21로 정의된다.

여기서,

로 표기되고, 또한 상기 수학식에서 계수

,

는

커플링 포인트 이전의 경우에는

커플링 포인트 이후의 경우에는

로 설정된다. 제어부(170)는 설계된 토크컨버터의 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출하기에 앞서, 해당 값을 산출하는데 필요한 각종 계수값을 산출함으로써 이후의 계산을 간단화 하게 된다(ST702 단계). 또한 도 7에 있어서는 ST701 단계는 이를 편의상 ST702 단계와 구분하여 나타낸 것이다, ST701 단계에서의 마찰손실계수(Fric)는 실질적으로 토크컨버터의 효율산출에 필요한 계수이므로 ST701 단계는 ST702 단계에 포함될 수 있는 것이다.

이어, 상기와 같이 각종 필요한 계수값에 대한 산출이 종료되면, 제어부(170)는 설계된 토크컨버터에 대하여 속도비(sr)를 증가시켜 가면서 그에 따른 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출함으로써 설계된 토크컨버터의 효율산출에 필요한 각종 결과데이터를 도출하게 된다. 이때 효율산출은 토크컨버터의 속도비, 즉 임펠러와 터빈의 속도비를 예컨대 0∼0.98 까지 소정의 증가분으로 증가시키면서 각각의 속도에 따른 토크비(tr), 즉 임펠러와 터빈의 속도비와, 입력용량계수(C_F)를 산출하는 방법을 통해 실행하게 된다.

제어부(170)는 우선 속도비(sr), 플래그(FLAG), 카운트값(count)을 각각 초 기값, 즉 0으로 설정하고, 속도비 증분값(step)을 예컨대 0.05로 설정한다(ST702 단계). 여기서, 플래그(FLAG)는 토크컨버터의 상태가 커플링 포인트 이전인지 이후인지를 판별하는 판별값으로서 이용되는데, 이 플래그(FLAG)는 그 값이 예컨대 커플링 포인트 이전인 경우에는 0, 커플링 포인트 이후인 경우에는 1로 설정된다. 또한 카운트값(count)은 각각의 속도비에 따라 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출한 산출 회수를 의미하는 것으로서, 이 값은 속도비(sr)를 증가시켜 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출할 때마다 1씩 증가되게 된다. 그리고 속도비 증분값(step)은 토크비(tr)와 입력용량계수(C_F)를 산출함에 있어서의 속도비(step)의 증분값을 나타내는 것으로서, 이는 표 1의 제4 설계인자에서 설명한 바와 같이 설계자에 의해 미리 입력되게 된다.

이어, 제어부(170)는 현재 설정된 속도비(sr)가 0.98 보다 작은지를 판단하고(ST704 단계), 속도비(sr)가 0.98 보다 작은 경우에는 현재 플래그(FLAG)가 0인지를 판단하게 된다. 즉, 현재 토크컨버터의 상태가 커플링 포인트 이전인지를 판단하게 된다(ST705 단계). 일반적으로 토크비(tr)가 1∼0.98 사이의 값을 가질 때를 커플링 포인트로 판정한다.

상기 ST705 단계에서 플래그(FLAG)가 0인 경우, 제어부(17)는 상기한 수학식 20과 수학식 21을 이용하여 현재의 속도비(sr)에 따른 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출한다(ST706 단계). 물론, 이 경우 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)의 계 산에는

,

의 계수값으로서 커플링 포인트 이전의 계수값이 이용된다.

다음, 제어부(170)는 상기 ST706 단계에서 산출된 토크비(tr)가 1.0보다 큰 값인지를 판단하여(ST707 단계), 1.0 보다 큰 경우에는 상기 산출된 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 속도비(sr) 및 카운트값(count)과 대응시켜 저장하게 된다. 그리고 카운트값(count)을 1 만큼 증가시키고, 속도비(sr)에 속도비 증분값(step)을 가산한 후 상술한 ST704 단계로 복귀하게 된다.

이어, 제어부(170)는 상술한 ST704∼ST708 단계를 지속적으로 실행하여 커플링 포인트 이전, 즉 토크비(tr)가 1.0 이상인 경우에 대하여 각각의 속도비(sr)에 따른 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출하게 된다.

한편, 상기 ST707 단계에서 산출된 토크비(tr)가 1.0보다 작은 값으로 판정된 경우, 즉 현재의 속도비(sr)에서 토크컨버터가 커플링 포인트를 초과하는 것으로 판정된 경우에는 제어부(17)는 우선 정밀한 커플링 포인트를 탐색하기 위한 동작을 실행하게 된다. 즉, 제어부(17)는 이하에서 설명하는 바와 같이 현재의 토크비(tr)가 1.0 이하인 것으로 산출되면, 우선 현재의 속도비(sr)에서 속도비 증분값(step)을 감산하고, 카운트값(count)을 1만큼 감산함으로써 토크비(tr) 산출을 위한 상태를 이전의 상태로 재설정하게 된다. 그리고 속도비 증분값(step)에 예컨대 0.98을 승산함으로써 정밀한 커플링 포인트의 탐색을 위해 속도비 증분값(step)을 미소하게 하향 설정하게 된다(ST710 단계).

이어, 제어부(170)는 상술한 ST706 단계에서 산출된 토크비(tr)가 0.98 을 초과하는지의 여부를 판단하게 된다(ST710 단계). 즉, 제어부(170)는 상기 ST707 및 ST710 단계를 통해 산출된 토크비(tr)가 0.98<tr<1.0 의 범위, 다시말하면 커플링 포인트에 있는지의 여부를 판단하게 된다.

이어, ST710 단계에서의 판단결과 토크비(tr)가 0.98 이하의 값인 경우에는 제어부(170)는 다시 ST704 및 ST705 단계를 통해 ST706 단계로 이행하여 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 재산출하게 된다. 이때 상술한 ST709 단계에서 속도비(sr)에서 증분값(step) 만큼 감산된 상태, 즉 바로 이전 상태이므로 산출된 토크비(tr)는 1.0 보다 큰 값을 갖게 된다. 이어 제어부(170)는 ST708 단계로 이행하여 현재의 속도비(sr)에 속도비 증분값(step)을 가산한 후 다시 ST704 및 ST705 단계를 통해 ST706 단계로 이행하여 토크비(tr)를 재산출하게 되는데, 이때 속도비 증분값(step)은 상술한 ST709 단계에서 미소하게 하향 조정된 값이므로 ST706 단계에서 재산출된 토크비(tr)는 그 이전에 ST710 단계에서 판단되었던 토크비(tr)에 비하여 미소하게 상향 조정된 값을 갖게 된다.

이와 같이 제어부(170)는 ST709 단계에서 속도비 증분값(step)을 점진적으로 하향 조정하고, 조정된 증분값(step)을 가지고 ST704∼ST708 단계를 통해 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 재산출하는 과정을 통해 0.98<tr<1.0 의 범위에 있는 토크비(tr), 즉 커플링 포인트를 정밀하게 탐색하게 된다.

한편, 상기한 ST710 단계에서 토크비(tr)가 0.98을 초과하는 것으로 판단된 경우, 제어부(170)는 플래그(FLAG)를 1로 설정하고 현재 산출된, 즉 ST706 단계에서 산출된 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 속도비(sr)에 대응시켜 저장함과 더불어 속도비 증분값(step)을 예컨대 0.03으로 재설정하게 된다(ST711 단계). ST711 단계에서 카운트값(count)에 1을 가산하고 속도비(sr)에 속도비 증분값(step)을 가산하는 것은 ST709 단계에서 속도비(sr)로부터 속도비 증분값(step)을 감산하고 카운트값(count)으로부터 1을 감산한 것을 보상하기 위한 것이다.

이어, 제어부(170)는 다시 ST704 단계를 통해 ST705 단계로 이행하게 되는데, 이때 상술한 ST711 단계에서 플래그가 1로 설정되어 있으므로, 제어부(170)는 ST705 단계에서 ST712 단계로 이행하여 커플링 포인트 이후에서의 토크비(tr) 및 입력용량계수를 산출하게 된다. 커플링 포인트 이후에서는 임펠러와 터빈이 커플링상태이므로 토크비(tr)는 1로 설정되고, 또한 입력용량계수의 계산에는

,

의 계수값으로서 커플링 포인트 이후의 계수값이 이용된다.

이어, 제어부(170)는 ST707 단계를 통해 ST708 단계로 이행하여 속도비(sr)에 속도비 증분값(step)을 가산하고, 다시 ST704 및 ST705단계를 통해 ST712 단계로 이행하여 증가된 속도비(sr)에 따른 입력용량계수(C_F)를 산출하는 과정을 반복함으로써 커플링 포인트 이후에서의 속도비(sr)에 따른 토크비(tr) 및 입력용량계수(C_F)를 산출하게 된다.

그리고, 제어부(17)는 ST708 단계에서의 속도비(sr) 증가에 의해 ST704 단계에서 속도비(sr)가 0.98 이상인 것으로 판정되면 그 이전에 저장되었던 속도비(sr) 에 따른 토크비(tr)와 입력용량계수(C_F)를 근거로 설계된 토크컨버터의 효율을 산출함과 더불어 얻어진 결과를 근거로 소정의 특성그래프를 생성하여 도 5에서 디스플레이부(120)나 또는 도시되지 않은 인쇄수단을 통해 출력하게 된다(ST713, ST714 단계).

다음 수학식 22는 토크컨버터의 효율을 산출하기 위한 수식을 나타낸 것이다.

효율=sr*tr

또한 도 8은 상기 제어수단(170)에 의해 출력되는 특성그래프의 일례를 나타낸 것이다.

이어, 제어부(17)는 설계자에 의해 토크 컨버터의 성능평가가 요구되는 경우(ST612 단계), 상기한 과정을 통해 얻어진 속도비(sr)에 따른 입력용량계수(C_F)의 변동추이를 평가함으로써 설계된 토크 컨버터의 성능에 문제가 있는지의 여부를 판정하여 이를 설계자에게 경고해 주게 된다.(ST613 단계).

도 9는 토크 컨버터의 임펠러와 터빈의 속도비(sr)에 따른 입력용량계수(C_F)의 여러가지 형태를 나타낸 것이다. 도 9에서 특성그래프 a는 속도비(sr)가 증가함에 따라 입력용량계수(C_F)가 지속적으로 감소하는 특성을 나타내고, 그래프 b는 낮은 속도비(sr)에서 입력용량계수(C_F)가 일정하게 유지되다가 속도비(sr)가 일정값 이상으로 증가되면 입력용량계수(C_F)가 단조적으로 감소하는 특성을 나타내며, 그래프 c는 일정 속도비까지는 입력용량계수(C_F)가 단조적으로 증가하다가 그 이후에 단조감소하는 형태를 나타내고 있다.

도 9의 특성그래프에서 특히 문제가 되는 것은 그래프 c이다. 일반적으로 입력용량계수(C_F)는 속도비(sr)의 증가에 따라 단조적으로 감소하는 특성을 갖는 것이 바람직하다. 만일 속도비(sr)가 증가하는데 대응하여 입력용량계수(C_F)가 단조적으로 증가하게 되면, 임펠러의 회전속도 증가에 따른 터어빈의 회전속도 증가가 즉각적으로 이루어지지 못함으로써 차량의 순간적인 가속력이 저하되게 된다.

일반적으로 입력용량계수(C_F)는 토크 컨버터의 유량(Q)과 관련되고, 또한 유량(Q)은 토크 컨버터의 속도비(sr)와 관련되므로, 입력용량계수(C_F)의 변동추이는

, 또는

로 나타낼 수 있다.

상술한 바와 같이 입력용량계수(C_F)는 속도비(sr)의 증가에 대응하여 단조감소하는 특성을 가져야 하므로, 상기한 편미분값

, 또는

는 다음 수학식 23의 조건을 만족하여야 한다.

상기 수학식 23에서 입력용량계수(C_F) 대신에 상기 수학식 21을 대입하여 정리하면 상기 수학식 23은 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.

여기서 상기 수학식 24의 좌변을 F1이라 하고, 우변을 F2라 할 때, 상기 F1은 다음의 수학식 25와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 25에서 F1의 값은 커플링 상태, 즉 토크비 tr=1일 때 최소값을 갖게 되므로, 상기 수학식 24 및 25에서 입력용량계수가 단조감소가 아닐 조건은 다음의 수학식 25으로 정의된다.

도 5에서 제어부(170)는 수학식 24에서 우변항, 즉 F2의 값이 "0" 이하인지를 판정하게 된다. 상기 F2의 값이 "0" 이하인 경우에는 유체의 흐름이 임펠러로부 터 터빈 측으로 흐르지 않고, 터빈으로부터 임펠러 방향인 역방향으로 흐르게 된다. 그리고 상기 판정결과 F2의 값이 "0" 이하인 경우에는 유체의 흐름이 역방향으로 설정되었다는 경고 메시지를 디스플레이부(120)를 통해 출력하게 된다.

이어, 상기 판정결과 F2의 값이 "0" 을 초과하는 경우, 제어부(170)는 설계된 토크 컨버터의 각 성능값이 수학식 26을 만족하는지를 판정하게 된다. 그리고, 이때 수학식 26이 만족되지 않는 경우에는 설계된 토크 컨버터의 성능에 이상이 있음을 나타내는 경고 메시지를 디스플레이부(120)를 통해 출력하게 된다.

상기와 같이 설계된 토크컨버터에 대한 성능값이 산출된 후에는 도 6b에서 제어부(170)는 설계자에 의해 미리 지정된 설계조건에 따라 설계정보의 직교 좌표계 변환이 요구되는 경우 블레이드 설계부(150)내 노드좌표 산출부(154)를 구동시켜, ST601 내지 ST609 단계에 따라 도 5의 위치점 산출부(151)와 각도 산출부(152)를 통해 원통 좌표계(R, Z, θ)로 산출된 각 블레이드(11, 21, 31)의 내부, 외부 및 설계 위치점을 일반적인 직교 좌표계(X, Y, Z)로 변환 처리한 정보와 각 블레이드(11, 21, 31)의 입구각, 출구각 및 분포각을 블레이드 설계정보로서 도 5의 설계정보 저장부(16)에 구분 저장하게 되고, 직교 좌표계로의 변환이 요구되지 않는 경우 원통 좌표계로 산출된 정보를 블레이드 설계정보로 저장하게 된다(ST614, ST615, ST616 단계). 그리고 도 5의 제어부(170)는 상술한 과정에 따라 산출된 설계정보를 디스플레이부(120)를 통해 시각적으로 표시하게 된다.

여기서, 상기 ST611 단계 이후, 또는 ST613단계 이후에 제어부(170)가 현재 설계된 토크컨버터를 설계자가 만족하는지, 또는 제1 내지 제4 설계인자의 재설정 을 통해 토크건버터를 재설계할 것인지를 문의하도록 하는 것도 가능하다.

이상으로 본 발명에 따른 실시예를 설명하였다. 상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 하나의 일례가 될 것이다. 본원 발명은 본원 발명의 기술적 사상의 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다. 본원 발명은 본원 청구범위에 의해서만 한정될 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 설계자가 설계 시 요구되는 기본 설계인자를 입력하는 것만으로도 토크 컨버터의 블레이드를 용이하게 설계할 수 있고, 또한 설계된 토크컨버터의 성능 및 효율을 설계자가 용이하게 미리 확인할 수 있게 된다.

Claims

컴퓨터 장치를 이용하여 토크 컨버터의 블레이드를 설계하는 방법에 있어서,

토러스 단면을 구성하는 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드의 설계시 요구되는 각종 설계인자를 입력받는 설계인자 입력단계,

상기 토러스 단면의 외부선, 내부선 및 설계 경로의 윤곽선을 나타내는 다수의 외부, 내부 및 설계 위치점을 상기 설계인자와 각 위치점의 중간 설계정보를 이용하여 산출하는 위치점 산출단계,

토크 컨버터의 동작상태를 나타내는 다수의 성능 인자가 포함된 상기 설계인자에 소정 비선형 함수를 적용하여 상기 블레이드의 입구각 및 출구각을 산출하는 입/출구각 산출단계,

상기 입구각 및 출구각 정보에 소정 에너지 평형식을 적용하여 각각의 블레이드의 토크가 균등해지는 설계 경로의 분포각을 산출하는 제1 분포각 산출단계,

상기 설계인자와 미리 지정된 스테이터측 블레이드의 길이 정보를 근거로 스테이터측 블레이드의 형상이 익형이 되는 두께를 산출하는 두께 산출단계,

상기 설계인자와 상기 설계경로의 분포각에 소정 강제 와류식을 적용하여 상기 외부 위치점과 내부 위치점의 분포각을 산출하는 제2 분포각 산출단계,

상기 각 단계에 따라 산출된 정보를 해당 블레이드의 설계정보로 저장하는 설계정보 저장단계,

얻어진 설계정보를 근거로 토크컨버터의 각각의 속도비에 따른 입력용량계수 를 산출하는 입력용량계수 산출단계 및,

입력용량계수가 속도비의 증가에 따라 증가하는지의 여부를 판정하는 성능평가단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법.
제 1 항에 있어서,

입력용량계수가 속도비 증가에 따라 증가하는 경우에 설계된 토크 컨버터의 성능에 이상이 있음을 경고해 주는 이상 경고 단계를 추가로 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법.
제1항에 있어서,

상기 성능평가단계는 토크 컨버터 내의 유체가 역방향으로 흐르는 것을 평가하는 성능평가단계를 추가로 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계 방법.
컴퓨터 장치를 이용하여 토크 컨버터의 블레이드를 설계하는 방법에 있어서,

토러스 단면을 구성하는 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드의 설계 시 요구되는 각종 설계인자를 입력받는 설계인자 입력단계,

입력된 설계인자를 근거로 임펠러, 터빈 및 스테이터측 블레이드를 설계하는 블레이드 설계단계,

블레이드의 설계정보를 근거로 입력용량계수를 포함하는 토크컨버터의 성능값을 산출하는 성능값 산출단계 및,

블레이드의 설계정보를 근거로 토크 컨버터의 성능을 평가하는 성능평가단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터 블레이드 설계방법.
제4항에 있어서,

상기 성능평가단계는 입력용량계수를 C_F, 임펠러와 터빈의 속도비를 sr이라 할 때, 설계된 토크 컨버터가

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 평가하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계방법.
제4항에 있어서,

상기 성능평가단계는 토크 컨버터의 유량을 Q, 임펠러와 터빈의 속도비를 sr이라 할 때, 설계된 토크 컨버터가

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 평가하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계방법.
제4항에 있어서,

상기 성능평가단계는 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구각을 각각
, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각
, 속도비를 sr이라 할 때,

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 평가하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계방법.
제4항에 있어서,

상기 성능평가단계는 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구각을 각각
, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각
, 속도비를 sr이라 할 때,

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 평가하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계방법.
제4항에 있어서,

상기 성능평가단계는 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구각을 각각
, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각
, 속도비를 sr이라 할 때,

의 조건을 만족하는지의 여부를 판정하는 제1 판정단계와,

의 조건을 만족하는지의 여부를 판정하는 제2 판정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계방법.
블레이드의 설계 시 요구되는 각종 설계인자를 키입력하기 위한 키입력부와,

상기 설계인자의 입력 상태 및 입력된 설계인자에 따라 설계된 블레이드의 모델링 화면을 시각적으로 표시하기 위한 디스플레이부,

소정 제어신호에 따라 상기 디스플레이부를 통해 상기 설계인자의 입력 화면을 제공함과 아울러 입력된 설계인자가 구분 저장되도록 처리하고 각 설계 단계별로 요구되는 설계인자가 독출되도록 처리하는 설계인자 처리부,

상기 설계인자가 구분 저장되는 설계인자 저장부,

소정 제어신호에 따라 상기 설계인자 처리부로부터 전달된 각종 설계인자를 근거로 임펠러, 터빈 및 스테이터의 토러스 단면을 형성하는 각 블레이드의 외부 위치점, 내부 위치점, 설계 위치점, 출구각, 입구각, 분포각 및 스테이터측 블레이드의 두께를 각각 산출하도록 된 소정 동작 프로그램이 구비된 블레이드 설계부,

상기 블레이드 설계부로부터 산출된 설계정보를 구분 저장하기 위한 설계정보 저장부 및,

상기 각 구성요소에 접속되어 장치의 전반적인 동작을 제어함과 아울러 상기 설계인자 처리부와 블레이드 설계부를 통해 처리/산출된 정보가 상기 설계인자 저장부와 설계정보 저장부에 구분 저장되도록 제어하며, 상기 설계정보를 근거로 토크 컨버터의 성능을 평가하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치.
제10항에 있어서,

상기 제어부는 입력용량계수가 속도비 증가에 따라 증가하는 경우에 설계된 토크 컨버터의 성능에 이상이 있음을 경고해 주는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치.
제10항에 있어서,

상기 제어부는 입력용량계수를 C_F, 임펠러와 터빈의 속도비를 sr이라 할 때, 설계된 토크 컨버터가

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 성능평가를 실행하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치.
제10항에 있어서,

상기 제어부는 토크 컨버터의 유량을 Q, 임펠러와 터빈의 속도비를 sr이라 할 때, 설계된 토크 컨버터가

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 성능평가를 실행하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치.
제10항에 있어서,

상기 제어부는 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구각을 각각
, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각
, 속도비를 sr이라 할 때,

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 성능평가를 실행하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치.
제10항에 있어서,

상기 제어부는 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구각을 각각
, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각
, 속도비를 sr이라 할 때,

의 조건을 만족하는지의 여부를 근거로 성능평가를 실행하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치.
제10항에 있어서,

상기 제어부는 상기 성능평가단계는 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구각을 각각
, 임펠러, 터빈, 스테이터 블레이드의 출구반경을 각각
, 속도비를 sr이라 할 때,

의 조건을 만족하는지의 여부를 판정하는 제1 판정단계와,

의 조건을 만족하는지의 여부를 판정하는 제2 판정단계를 포함하여 성능평가를 실행하는 것을 특징으로 하는 성능평가기능을 갖는 토크 컨버터의 블레이드 설계장치.