WO2020079898A1 - トルクコンバータ及びトルクコンバータの設定方法 - Google Patents

トルクコンバータ及びトルクコンバータの設定方法 Download PDF

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一訓 川島
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ジヤトコ株式会社
日産自動車株式会社
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    • F16H—GEARING
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    • F16H45/02—Combinations of fluid gearings for conveying rotary motion with couplings or clutches with mechanical clutches for bridging a fluid gearing of the hydrokinetic type

Definitions

  • the present invention relates to a torque converter and a torque converter setting method.
  • JP2018-9632A discloses a torque converter for suppressing the axial dimension.
  • a high damping damper element is required. Further, in order to compensate for the decrease in input torque, a large torus is required to improve the torque ratio performance. As a result, in this case, coupled with the need for a highly damping damper element, it is difficult to avoid size increase due to extension of the axial dimension of the torque converter by using a large torus. Therefore, it is desirable to optimize the torus from the viewpoint of efficient arrangement of damper elements and ensuring torque ratio performance.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to appropriately set a torus to achieve both efficient arrangement of damper elements and securing of torque ratio performance.
  • a torque converter according to an aspect of the present invention is a torque converter having a torus, wherein the torus has a flatness obtained by dividing an axial width of the torus by a radial width of the torus, and the torus.
  • a method of setting a torque converter having a torus wherein a flatness obtained by dividing an axial width of the torus by a radial width of the torus and a torus of the torus.
  • the flatness ratio, thinness ratio, and inner diameter ratio are torus size indicators, and affect the torque converter while including a trade-off relationship in terms of performance. Therefore, by appropriately setting the flatness ratio, the thinness ratio, and the inner diameter ratio, it becomes possible to obtain a desired torus in terms of both size and performance.
  • the torus can be appropriately set from the viewpoint of efficient arrangement of the damper elements and ensuring of the torque ratio performance, so that efficient arrangement of the damper elements and ensuring of the torque ratio performance can be achieved. It is possible to achieve both.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a torque converter.
  • FIG. 2 is a diagram showing changes in engine rotation speed, vehicle acceleration, and turbine rotation speed at the time of starting.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the speed ratio, the torque ratio, and the torque capacity coefficient of the torque converter.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a representative index of fluid performance of the torque converter.
  • FIG. 5 is a diagram showing a performance index according to the sensitivity characteristic with respect to the outlet angle of the pump impeller.
  • FIG. 6 is map data showing performance indexes according to the size index of the torus.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the required outer diameter, the required axial width, and the oblateness.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a torque converter.
  • FIG. 2 is a diagram showing changes in engine rotation speed, vehicle acceleration, and turbine rotation speed at the time of starting.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the speed ratio, the torque ratio, and the
  • FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a required outer diameter and a required axial width and an inner diameter ratio.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the first size setting range of the torus.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the second size setting range of the torus.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the torque converter 1.
  • the torque converter 1 includes a cover 2, a pump impeller 3, a turbine runner 4, and a stator 5.
  • the cover 2 is connected to an engine (not shown).
  • the cover 2 is configured to have a front cover 21 and constitutes a housing portion of the torque converter 1.
  • a tubular shaft portion 22 is fixed to the inside of the front cover 21 in the radial direction.
  • the cover 2 houses the pump impeller 3, the turbine runner 4, and the stator 5.
  • the pump impeller 3 is provided on the cover 2.
  • the turbine runner 4 is arranged to face the pump impeller 3 and is connected to the output shaft.
  • the stator 5 is arranged between the pump impeller 3 and the turbine runner 4.
  • the torque converter 1 has a torus 10.
  • the torus 10 is a flow passage space for hydraulic oil formed by the pump impeller 3 and the turbine runner 4, and has an outer diameter D1, an inner diameter D2, a radial width H, and an axial width W.
  • the damper element includes a damper mechanism including a plurality of damper springs evenly arranged on the circumference and a high damping damper that absorbs vibration generated in the damper mechanism.
  • a damper element of a type that absorbs vibration by a pendulum motion can be used as the high damping damper.
  • a damper element with high damping is required to suppress fluctuations in input torque. Further, in order to compensate for the decrease in input torque, a large torus is required to improve the torque ratio performance. As a result, in this case, in combination with the need for a highly damping damper element, it is difficult to avoid size increase due to extension of the axial dimension of the torque converter 1 by using a large torus.
  • the torus 10 is set as described below in order to optimize the torus 10 from the viewpoint of efficiently disposing the damper elements and ensuring the torque ratio performance.
  • FIG. 2 is a diagram showing changes in the engine rotation speed NE, the vehicle acceleration G, and the turbine runner 4 rotation speed Nt at the time of starting.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the speed ratio SR of the torque converter 1, the torque ratio TR, and the torque capacity coefficient ⁇ .
  • the speed ratio SR is a value obtained by dividing the output shaft rotation speed of the torque converter 1 by the input shaft rotation speed.
  • the torque ratio TR is a value obtained by dividing the output shaft torque of the torque converter 1 by the input shaft torque.
  • the torque capacity coefficient ⁇ is a value obtained by dividing the input shaft torque of the torque converter 1 by the square of the input shaft rotation speed.
  • the engine when downsizing the engine to turbo, the engine is operated in the non-supercharging region or the transition region to the supercharging region at the time of starting, resulting in insufficient torque. That is, when the engine is downsized and turbocharged, if the torque ratio TR remains unchanged, the acceleration G will be insufficient at the time of starting.
  • the acceleration G at the time of starting is secured as the vehicle performance.
  • the torque ratio performance of the torque converter 1 is secured. Is desired.
  • the torque ratio performance can be secured by, for example, improving the acceleration G1 after a lapse of time t1 from the start of the vehicle to a desired magnitude.
  • the torque ratio TR can be managed at the speed ratio SRa which is the intermediate speed ratio of the converter region R.
  • the converter region R is a speed ratio region having a torque amplification function, and is a region in which the speed ratio SR is smaller than the coupling point CP where the torque ratio TR becomes 1.
  • the speed ratio SRa is, for example, 0.4, and is a median value of the entire converter region R on behalf of the entire converter region R.
  • the torque ratio performance can be ensured by improving the torque ratio TRa at the speed ratio SRa.
  • the torque capacity coefficient ⁇ can be ensured to a size that can suppress the engine rotation speed NE1 after a lapse of time t1 from the start to a desired magnitude.
  • the axial width W of the torus 10 cannot be set to be significantly narrowed. Furthermore, if the engine is downsized to a turbo, the fluctuation of the input torque from the engine becomes worse, so a damper element with high damping is required. As a result, the axial dimension of the torque converter 1 as a whole becomes long. Therefore, it is desired to make the torus 10 as small as possible and arrange the damper elements efficiently. For example, when the torus 10 has the same shape, if the torus 10 is made small, a space for arranging the damper element should be secured in the hatched area shown in FIG. 1, that is, the area between the torus 10 and the front cover 21 in the axial direction. You can
  • the dimensions that determine the size of the torus 10 are the outer diameter D1, the inner diameter D2, the radial width H, and the axial width W described above with reference to FIG. In contrast to these actual dimensions, the flatness ratio, the inner diameter ratio, and the thinness ratio are used as the size index of the torus 10 in the present embodiment.
  • the flatness is a value obtained by dividing the axial width W of the torus 10 by the radial width H, that is, “W / H”.
  • the inner diameter ratio is a value obtained by dividing the inner diameter D2 of the torus 10 by the outer diameter D1, that is, “D2 / D1”.
  • the thinness ratio is a value obtained by dividing the axial width W by the outer diameter D1, that is, “W / D1”.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a representative index of fluid performance of the torque converter 1.
  • the following two indexes are used as the representative indexes of the fluid performance of the torque converter 1. That is, the torque ratio TRa at the speed ratio SRa is used as the evaluation of the torque amplification function.
  • the dimensionless torque capacity K_ ⁇ b is used as the potential evaluation of the torque capacity.
  • the dimensionless torque capacity K_ ⁇ b is a value obtained by dividing the torque capacity coefficient ⁇ b at the speed ratio SRb before (immediately before) the coupling point CP by the outer diameter D1 to the fifth power.
  • the reason for using the torque ratio TRa is to secure the torque ratio performance as described above.
  • the reason why the dimensionless torque capacity K_ ⁇ b is used is to secure a torque capacity coefficient ⁇ of a magnitude that can suppress the engine rotation speed NE1 to a desired magnitude.
  • the reason why the dimensionless torque capacity K_ ⁇ b is used as an index according to the speed ratio SRb is that the speed ratio SRb before the coupling point CP depends much on the tuning using the flow separation due to the blade shape of the stator 5. This is because it is suitable for evaluating the potential of the torus 10 without doing so.
  • the torque ratio TRa and the dimensionless torque capacity K_ ⁇ b have a trade-off relationship depending on the outlet angle of the pump impeller 3. For example, a forward blade in which the outlet angle of the pump impeller 3 is directed in the same direction as the rotation direction has a low torque ratio and a high torque capacity, and a backward blade in which it is directed in the opposite direction has a high torque ratio and a low torque capacity.
  • FIG. 5 is a diagram showing a performance index Kab according to the sensitivity characteristic with respect to the outlet angle of the pump impeller 3.
  • the performance index Kab is a value obtained by dividing the torque capacity coefficient ⁇ b_TRa by the fifth power of the outer diameter D1, that is, “ ⁇ b_TRa / D1 5 ”.
  • the torque capacity coefficient ⁇ b_TRa is the torque capacity coefficient ⁇ b when the torque ratio TRa is secured.
  • the illustrated torque ratio TRa1 is a torque ratio TRa determined by a target assigned from the power performance target.
  • the performance index Kab according to the sensitivity characteristic with respect to the outlet angle of the pump impeller 3 has a trade-off relationship in which the torque ratio TRa decreases as the torque capacity coefficient ⁇ b increases.
  • FIG. 6 is map data showing the size index of the torus 10, that is, the performance index Kab according to the flatness ratio, the inner diameter ratio, and the thinness ratio.
  • the map data shown in FIG. 6 shows the performance index Kab obtained by CFD analysis, and the darker the hatched area, the higher the performance potential.
  • the formation of the performance potential region is due to the following qualitative mechanism.
  • the flatness if the flatness is brought close to 1 and the torus 10 has a round shape, the flow loss in the circulating flow is reduced, and both the torque ratio TR and the torque capacity coefficient ⁇ are improved.
  • the inner diameter ratio when the inner diameter ratio is increased, the outlet diameter of the turbine runner 4 is increased, so that the torque ratio TR when the speed ratio SR is a low speed ratio is improved and the torque ratio TR when the speed ratio SR is a high speed ratio.
  • the ratio TR eg, coupling speed ratio
  • the torque capacity coefficient ⁇ decreases.
  • the flatness ratio if the flatness ratio is increased within a range not exceeding about 1, the performance potential is improved.
  • the flatness ratio, the inner diameter ratio, and the thinness ratio which are the size indexes of the torus 10, affect the torque converter 1 while including a trade-off relationship in terms of performance.
  • the conversion to the required actual size can be performed based on the relationship between the fifth power law and the required torque capacity coefficient ⁇ breq. That is, the required outer diameter D1req can be obtained by the following equation 1 based on the fifth power law. Further, the required inner diameter D2req, the required axial width Wreq, and the required radial width Hreq can be obtained by the following equations 2 to 4.
  • the actual dimensions required for the torus 10 can be obtained from the map data shown in FIG.
  • the condition for ensuring the required performance that is, the condition for minimizing the size of the torus 10 at the desired torque capacity coefficient ⁇ breq and the torque ratio TRa1 can be obtained as follows.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the required outer diameter D1req, the required axial width Wreq, and the oblateness.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the required outer diameter D1req, the required axial width Wreq, and the inner diameter ratio.
  • FIG. 7 shows that the darker the hatched region is, the higher the oblateness is.
  • FIG. 8 shows that the darker the hatched region, the larger the inner diameter ratio.
  • the axial width W according to the outer diameter D1 or the outer diameter D1 according to the axial width W becomes the minimum on the bold curves in FIGS. 7 and 8. Therefore, setting the outer diameter D1 and the axial width W on the bold curves in FIGS. 7 and 8 is a condition for minimizing the size of the torus 10.
  • the locus of the size index (that is, the flatness ratio, the inner diameter ratio, and the thinness ratio that minimizes the size of the torus 10) along the thick curve is the required torque capacity coefficient ⁇ b (that is, 5).
  • ⁇ b that is, 5
  • D1 ⁇ W is defined as the cross-section index S that is an index representing the size of the outer shape of the torus 10
  • the size of the torus 10 is set as follows.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the first size setting range of the torus 10.
  • the specific cross-section index S ′ is shown according to the size index.
  • the specific cross-section index S ′ is a value obtained by dividing the cross-section index S by the minimum value of the cross-section index S, that is, “S / Smin”. In FIG. 9, the darker the hatched area, the larger the specific cross-section index S ′.
  • the torque ratio TR when the speed ratio SR is a low speed ratio is improved, and the torque ratio TR when the speed ratio SR is a high speed ratio (for example, a coupling Speed ratio) decreases.
  • the inlet diameter of the pump impeller 3 also increases and the pump head decreases, so the torque capacity coefficient ⁇ decreases.
  • the size index has such a qualitative mechanism and affects the performance of the torque converter 1.
  • the specific cross-section index S ′ depends on the required torque capacity coefficient ⁇ b. Without doing so, the size of the torus 10 is shown under the condition of ensuring the required performance. Therefore, by selecting the size index that minimizes the specific cross-section index S ′, it is possible to optimally achieve both efficient arrangement of the damper elements and ensuring the torque ratio performance.
  • the minimum point Pmin indicates the size index with which the specific cross-section index S ′ is the smallest. Therefore, the cross-section index S has a minimum value at the minimum point Pmin.
  • the cross-section index S can be minimized in the vicinity of 0.9 in terms of oblateness.
  • the cross-section index S can be minimized in the vicinity of 0.21.
  • the inner diameter ratio the cross-section index S can be minimized in the vicinity of 0.55.
  • the torque converter 1 is configured such that the torus 10 has a size set based on the flatness ratio, the thinness ratio, and the inner diameter ratio.
  • the torus 10 can be appropriately set from the viewpoint of efficient arrangement of the damper elements and ensuring of the torque ratio performance, so that both efficient arrangement of the damper elements and ensuring of the torque ratio performance can be achieved. Can be planned.
  • a region R1 surrounded by a thick line is a range in which the cross-section index S is approximately + 10% from the minimum point Pmin, the oblateness is 0.75 to 1.05, and the thinness is 0.175 to 0. 240, the inner diameter ratio is 0.48 or more.
  • the torque converter 1 has a size index set in such a range.
  • the size of the torus 10 can be suppressed within the range of + 10% from the optimum minimum size from the viewpoint of efficient arrangement of the damper elements under the condition of ensuring the required performance. Therefore, according to such a configuration, the flatness ratio, the thinness ratio, and the inner diameter ratio can be appropriately set from the viewpoint of efficient arrangement of the damper elements and ensuring the torque ratio performance. Therefore, by appropriately setting the torus 10, it is possible to achieve both efficient arrangement of the damper elements and ensuring of torque ratio performance. Further, according to such a configuration, the inner diameter ratio of the torus 10 that fits in the shape of a certain range can be increased and the torus 10 can be reduced, so that the damper element is arranged in the hatched region shown in FIG. A space can be secured, which allows the damper element to be efficiently arranged.
  • the torque converter 1 may have a configuration in which the size index is set within the following range.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a second size setting range of the torus 10.
  • a region R2 surrounded by a thick line is a range in which the cross-section index S is approximately + 5% from the minimum point Pmin, the oblateness is 0.82 to 1.00 and the thinness is 0.18 to 0. 23, the inner diameter ratio is in the range of 0.5 or more.
  • the size of the torus 10 can be suppressed within the range of + 5% from the minimum size under the condition of ensuring the required performance.
  • the torus 10 can be set more appropriately from the viewpoint of efficient arrangement of the damper elements and securing of the torque ratio performance, whereby both of these can be more appropriately achieved.
  • the region with the highest hatching is excluded, and the size of the torus 10 can be suppressed more appropriately than in the case shown in FIG.
  • the damper element can be efficiently arranged by ensuring the space for arranging the damper element in the hatched area shown in FIG.
  • the size index of the torus 10 may be set so that the cross-section index S becomes the minimum point Pmin. Setting the size index in this way includes setting the cross-section index S within the range of variation from the minimum point Pmin due to design tolerances and manufacturing errors. In this case, it is possible to optimize both efficient arrangement of the damper elements and ensuring of torque ratio performance.

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Abstract

トルクコンバータは、トーラスを有する。トーラスは、トーラスの軸方向幅をトーラスの径方向幅で除算して得られる扁平率と、トーラスの軸方向幅をトーラスの外径で除算して得られる薄型率と、トーラスの内径をトーラスの外径で除算して得られる内径比と、に基づき設定されたサイズを有する。

Description

トルクコンバータ及びトルクコンバータの設定方法
　本発明は、トルクコンバータ及びトルクコンバータの設定方法に関する。
　ＪＰ２０１８－９６３２Ａには、軸方向寸法を抑制するためのトルクコンバータが開示されている。
　近年、車両においては、エンジンをダウンサイジングターボ化する取り組みが行われている。ダウンサイジングターボエンジンは、燃費に有利な一方、トルクコンバータに対して次のような影響がある。すなわち、気筒数の減少によるエンジンからの入力トルクの変動が増加するという影響がある。また、発進時にはエンジンの運転状態が未過給域や過給域への過渡領域にあることから、発進時のエンジンからの入力トルクが低下するという影響がある。
　入力トルクの変動を抑制するには、高減衰のダンパ要素が必要になる。また、入力トルクの低下を補うには、トルク比性能を向上させるべく大型のトーラスが必要になる。結果、この場合は、高減衰のダンパ要素が必要なことと相俟って、大型のトーラスを用いることにより、トルクコンバータの軸方向寸法の延長によるサイズアップが避け難くなる。このため、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の観点からトーラスの最適化を図ることが望まれる。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、トーラスを適切に設定することにより、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能の確保との両立を図ることを目的とする。
　本発明のある態様のトルクコンバータは、トーラスを有するトルクコンバータであって、前記トーラスは、前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの径方向の幅で除算して得られる扁平率と、前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの外径で除算して得られる薄型率と、前記トーラスの内径を前記トーラスの外径で除算して得られる内径比と、に基づき設定されたサイズを有する。
　本発明の別の態様によれば、トーラスを有するトルクコンバータの設定方法であって、前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの径方向の幅で除算して得られる扁平率と、前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの外径で除算して得られる薄型率と、前記トーラスの内径を前記トーラスの外径で除算して得られる内径比と、に基づき前記トーラスのサイズを設定するトルクコンバータの設定方法が提供される。
　ここで、扁平率、薄型率及び内径比は、トーラスのサイズ指標であり、性能面ではトレードオフ的な関係を含みつつトルクコンバータに影響する。このため、扁平率、薄型率及び内径比を適切に設定すれば、サイズ面及び性能面の両面から所望するトーラスを得ることが可能になる。
　このため、上述の各態様によれば、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の観点からトーラスを適切に設定することができるので、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の両立を図ることができる。
図１は、トルクコンバータの概略構成図である。 図２は、発進時のエンジン回転速度、車両加速度及びタービン回転速度の変化を示す図である。 図３は、トルクコンバータの速度比とトルク比及びトルク容量係数との関係を示す図である。 図４は、トルクコンバータの流体性能の代表指標を説明する図である。 図５は、ポンプインペラの出口角に対する感度特性に応じた性能指標を示す図である。 図６は、トーラスのサイズ指標に応じた性能指標を示すマップデータである。 図７は、必要な外径及び必要な軸方向幅と扁平率との関係を示す図である。 図８は、必要な外径及び必要な軸方向幅と内径比との関係を示す図である。 図９は、トーラスの第１のサイズ設定範囲を説明する図である。 図１０は、トーラスの第２のサイズ設定範囲を説明する図である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
　図１は、トルクコンバータ１の概略構成図である。図１では、トルクコンバータ１の要部を断面で示す。トルクコンバータ１は、カバー２と、ポンプインペラ３と、タービンランナ４と、ステータ５とを備える。
　カバー２は、図示しないエンジンに接続される。カバー２は、フロントカバー２１を有して構成され、トルクコンバータ１の筐体部を構成する。フロントカバー２１の径方向内側には、筒状軸部２２が固定されている。
　カバー２は、ポンプインペラ３と、タービンランナ４と、ステータ５とを収容する。ポンプインペラ３は、カバー２に設けられる。タービンランナ４は、ポンプインペラ３に対向して配置され、出力軸と接続される。ステータ５は、ポンプインペラ３及びタービンランナ４間に配置される。
　トルクコンバータ１は、トーラス１０を有する。トーラス１０は、ポンプインペラ３とタービンランナ４とによって形成される作動油の流路空間であり、外径Ｄ１、内径Ｄ２、径方向幅Ｈ及び軸方向幅Ｗを有する。
　図示のハッチング部分には、ロックアップクラッチやダンパ要素が配置される。ダンパ要素は、円周上に均等に配置される複数のダンパスプリングを有して構成されるダンパ機構や、ダンパ機構に生じる振動を吸収する高減衰ダンパを含む。高減衰ダンパには例えば、振り子運動によって振動を吸収するタイプのダンパ要素を用いることができる。
　ところで、近年、車両においては、エンジンをダウンサイジングターボ化する取り組みが行われている。ダウンサイジングターボエンジンは、燃費に有利な一方、トルクコンバータ１に対して次のような影響がある。すなわち、気筒数の減少によるエンジンからの入力トルクの変動が増加するという影響がある。また、発進時にはエンジンの運転状態が未過給域や過給域への過渡領域にあることから、発進時のエンジンからの入力トルクが低下するという影響がある。
　入力トルクの変動を抑制するには高減衰のダンパ要素が必要になる。また、入力トルクの低下を補うには、トルク比性能を向上させるべく大型のトーラスが必要になる。結果、この場合は、高減衰のダンパ要素が必要なことと相俟って、大型のトーラスを用いることにより、トルクコンバータ１の軸方向寸法の延長によるサイズアップが避け難くなる。
　このような事情から本実施形態では、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能の確保の観点からトーラス１０の最適化を図るべく、以下で説明するようにトーラス１０を設定する。
　（トルク比性能の確保の要求）
　図２は、発進時のエンジンの回転速度ＮＥ、車両の加速度Ｇ、及びタービンランナ４の回転速度Ｎｔの変化を示す図である。図３は、トルクコンバータ１の速度比ＳＲとトルク比ＴＲ及びトルク容量係数τとの関係を示す図である。速度比ＳＲは、トルクコンバータ１の出力軸回転速度を入力軸回転速度で除算して得られる値である。トルク比ＴＲは、トルクコンバータ１の出力軸トルクを入力軸トルクで除算して得られる値である。トルク容量係数τは、トルクコンバータ１の入力軸トルクを入力軸回転速度の２乗で割って得られる値である。
　ここで、上述した事情についてさらに説明すると、エンジンをダウンサイジングターボ化する場合、発進時にはエンジンが未過給域や過給域への過渡領域で運転されるので、トルク不足が生じることになる。つまり、エンジンをダウンサイジングターボ化する場合、トルク比ＴＲがそのままだと発進時に加速度Ｇが不足する結果になる。
　その一方で、エンジンをダウンサイジングターボ化した場合であっても、車両性能としては、発進時の加速度Ｇが確保されることが望まれ、このためにはトルクコンバータ１のトルク比性能を確保することが望まれる。
　トルク比性能は例えば、発進開始から概ね時間ｔ１が経過した後の加速度Ｇ１を所望程度の大きさに向上させることにより、確保することができる。このようにトルク比性能を確保するには、コンバータ領域Ｒの中間速度比である速度比ＳＲａにおいて、トルク比ＴＲを管理することができる。コンバータ領域Ｒは、トルク増幅機能を持つ速度比域であり、トルク比ＴＲが１になるカップリングポイントＣＰよりも速度比ＳＲが小さい領域となっている。速度比ＳＲａは例えば０．４であり、コンバータ領域Ｒ全体を代表してコンバータ領域Ｒ全体の中央値とされる。
　以上を踏まえ、エンジンをダウンサイジングターボ化する場合、トルク比性能は、速度比ＳＲａにおけるトルク比ＴＲａを向上させることにより確保することができる。
　トルクコンバータ１では、トルク比性能の確保による加速度Ｇの確保が望まれる一方で、回転速度ＮＥの上昇を抑制するために必要なトルク容量係数τの確保も望まれる。トルク容量係数τを確保するにあたっては例えば、発進開始から概ね時間ｔ１が経過した後のエンジン回転速度ＮＥ１を所望程度の大きさに抑制可能な大きさにトルク容量係数τを確保することができる。
　（ダンパ要素の効率的な配置の要求）
　一般に、トルク比ＴＲを向上させるためには、トーラス１０の軸方向幅Ｗを大幅に狭く設定することができなくなる。さらに、エンジンをダウンサイジングターボ化すると、エンジンからの入力トルクの変動が悪化するため、高減衰のダンパ要素が必要になる。結果、トルクコンバータ１全体としての軸方向寸法が長くなってしまうことになる。このため、トーラス１０を極力小さくしてダンパ要素を効率的に配置することが望まれる。例えばトーラス１０の形状が同じ場合、トーラス１０を小さくすれば、図１に示したハッチング部分の領域、つまり軸方向におけるトーラス１０及びフロントカバー２１間の領域にダンパ要素を配置するスペースを確保することができる。
　（トーラスサイズの定義）
　トーラス１０のサイズを決める寸法は、図１を用いて前述した外径Ｄ１、内径Ｄ２、径方向幅Ｈ及び軸方向幅Ｗである。これらの実寸法に対し、本実施形態では、扁平率、内径比及び薄型率をトーラス１０のサイズ指標として用いる。
　扁平率は、トーラス１０の軸方向幅Ｗを径方向幅Ｈで除算して得られる値、つまり「Ｗ／Ｈ」である。内径比は、トーラス１０の内径Ｄ２を外径Ｄ１で除算して得られる値、つまり「Ｄ２／Ｄ１」である。薄型率は、軸方向幅Ｗを外径Ｄ１で除算して得られる値、つまり「Ｗ／Ｄ１」である。
　扁平率、内径比及び薄型率は、無次元量となっており、さらに内径比及び薄型率は、外径Ｄ１を基準に無次元化されている。これは、相似形状であればトルク容量係数τはトーラス１０の外径Ｄ１の５乗に比例すること（以下、５乗則と称す）、トルク比ＴＲは形状に依存しサイズには依存しないことによる。なお、トルク比ＴＲは実際には、レイノルズ数等に起因してサイズによって変化するが、以下で説明する性能のポテンシャルを議論する上では無視して考えることとする。
　（性能の定義）
　図４は、トルクコンバータ１の流体性能の代表指標を説明する図である。本実施形態では、トルクコンバータ１の流体性能の代表指標として、次の２つの指標が用いられる。すなわち、トルク増幅機能の評価としては、速度比ＳＲａのときのトルク比ＴＲａが用いられる。また、トルク容量のポテンシャル評価としては、無次元トルク容量Ｋ＿τｂが用いられる。無次元トルク容量Ｋ＿τｂは、カップリングポイントＣＰの手前（直前）の速度比ＳＲｂにおけるトルク容量係数τｂを外径Ｄ１の５乗で除算して得られる値である。
　トルク比ＴＲａを用いる理由は前述の通り、トルク比性能を確保するためである。無次元トルク容量Ｋ＿τｂを用いる理由は、エンジン回転速度ＮＥ１を所望の大きさに抑制可能な大きさのトルク容量係数τを確保するためである。また、無次元トルク容量Ｋ＿τｂが速度比ＳＲｂに応じた指標とされる理由は、カップリングポイントＣＰ手前の速度比ＳＲｂであれば、ステータ５の翼形状による流れの剥離を利用したチューニングにあまり依存せず、トーラス１０のポテンシャルを評価するのに適しているためである。
　トルク比ＴＲａと無次元トルク容量Ｋ＿τｂとは、ポンプインペラ３の出口角に応じたトレードオフの関係を有する。例えば、ポンプインペラ３の出口角を回転方向と同じ方向に向けるフォワード翼では、低トルク比、高トルク容量となり、逆方向に向けるバックワード翼では、高トルク比、低トルク容量となる。
　このため、このような感度特性が反映されたトルク比ＴＲａと無次元トルク容量Ｋ＿τｂとを定義するために、これらの指標をさらに次に説明する性能指標Ｋａｂに集約する。
　図５は、ポンプインペラ３の出口角に対する感度特性に応じた性能指標Ｋａｂを示す図である。性能指標Ｋａｂは、トルク容量係数τｂ＿ＴＲａを外径Ｄ１の５乗で除算して得られる値、つまり「τｂ＿ＴＲａ／Ｄ１5」である。トルク容量係数τｂ＿ＴＲａは、トルク比ＴＲａが確保されているときのトルク容量係数τｂである。図示のトルク比ＴＲａ１は、動力性能目標から割り付けられた目標等により決まってくるトルク比ＴＲａである。図５に示すように、ポンプインペラ３の出口角に対する感度特性に応じた性能指標Ｋａｂは、トルク容量係数τｂが大きくなるとトルク比ＴＲａが小さくなるトレードオフの関係を有する。
　（トーラスサイズと性能との関係のマップ化）
　図６は、トーラス１０のサイズ指標、つまり扁平率、内径比及び薄型率に応じた性能指標Ｋａｂを示すマップデータである。図６に示すマップデータは、ＣＦＤ解析した性能指標Ｋａｂを示しており、ハッチングが濃い領域ほど性能ポテンシャルが高いことを示す。このように性能ポテンシャルの領域が形成されるのは、次のような定性的なメカニズムによる。
　すなわち、扁平率に関しては、扁平率を１に近づけてトーラス１０を丸型形状にすると、循環流における流動損失が低減し、トルク比ＴＲとトルク容量係数τとがともに向上する。内径比に関しては、内径比を上げると、タービンランナ４の出口径が上がることにより、速度比ＳＲが低速度比のときのトルク比ＴＲは向上し、速度比ＳＲが高速度比のときのトルク比ＴＲ（例えば、カップリング速度比）は低下する。また、ポンプインペラ３の入口径が上がり、ポンプ揚程が小さくなるため、トルク容量係数τは低下する。薄型率に関しては、扁平率がおよそ１を超えない範囲で大きくすると、性能ポテンシャルが向上する。このように、トーラス１０のサイズ指標である扁平率、内径比及び薄型率は、性能面ではトレードオフ的な関係を含みつつトルクコンバータ１に影響する。
　図６に示すマップデータだけでは、外径Ｄ１、内径Ｄ２、軸方向幅Ｗ、径方向幅Ｈの実寸法の最適値を示すことはできない。必要な実寸法への変換は、５乗則と必要なトルク容量係数τｂｒｅｑの関係に基づき行うことができる。つまり、必要な外径Ｄ１ｒｅｑは、５乗則に基づく次の数１により求めることができる。さらに、必要な内径Ｄ２ｒｅｑ、必要な軸方向幅Ｗｒｅｑ及び必要な径方向幅Ｈｒｅｑは、次の数２から数４により求めることができる。
［数１］
　Ｄ１ｒｅｑ＝（τｂｒｅｑ／Ｋａｂ）1/5
［数２］
　Ｄ２ｒｅｑ＝Ｄ１ｒｅｑ×内径比
［数３］
　Ｗｒｅｑ＝Ｄ１ｒｅｑ×薄型率
［数４］
　Ｈｒｅｑ＝Ｗ１ｒｅｑ／扁平率
　数１から数４によれば、図６に示すマップデータからトーラス１０に必要な実寸法を求めることができる。
　図６に示すマップデータによれば、性能面においてトレードオフ的な関係を含みつつトルクコンバータ１に影響するサイズ指標と性能指標Ｋａｂとの関係が可視化される。このことを踏まえ、必要な性能を確保する条件において、つまり所望のトルク容量係数τｂｒｅｑ及びトルク比ＴＲａ１において、トーラス１０のサイズを最小化する条件は、次のようにして求めることができる。
　図７は、必要な外径Ｄ１ｒｅｑ及び必要な軸方向幅Ｗｒｅｑと扁平率との関係を示す図である。図８は、必要な外径Ｄ１ｒｅｑ及び必要な軸方向幅Ｗｒｅｑと内径比との関係を示す図である。図７では、ハッチングが濃い領域ほど扁平率が大きいことを示す。図８では、ハッチングが濃い領域ほど内径比が大きいことを示す。
　図７、図８は、必要な性能を確保する条件において、トーラス１０のサイズがどのようになるかを示す。これは、外径Ｄ１に軸方向幅Ｗを乗じて得られる値、つまり「Ｄ１×Ｗ」がトーラス１０の外形の大きさを指標するためである。
　図７、図８の太線のカーブ上では、外径Ｄ１に応じた軸方向幅Ｗ、或いは軸方向幅Ｗに応じた外径Ｄ１が最小になる。このため、図７、図８の太線のカーブ上に外径Ｄ１及び軸方向幅Ｗを設定することが、トーラス１０のサイズを最小化する条件となる。
　図７、図８において、太線のカーブに沿ったサイズ指標（つまりトーラス１０のサイズを最小化する扁平率、内径比及び薄型率）の軌跡は、必要なトルク容量係数τｂの大きさ（つまり５乗則によれば外径Ｄ１の大きさ）に依存せずに共通となる。そこで、「Ｄ１×Ｗ」をトーラス１０の外形の大きさを表す指標である断面指標Ｓとして定義し、次のようにトーラス１０のサイズを設定する。
　（トーラスサイズの設定範囲）
　図９は、トーラス１０の第１のサイズ設定範囲を説明する図である。図９では、図６に示すマップデータと同様、サイズ指標に応じて比断面指標Ｓ´を示す。比断面指標Ｓ´は、断面指標Ｓを断面指標Ｓの最小値であるＳｍｉｎで除算して得られる値、つまり「Ｓ／Ｓｍｉｎ」である。図９では、ハッチングが濃い領域ほど、比断面指標Ｓ´が大きいことを示す。
　ここで、サイズ指標の性能への影響を整理すると、次の通りになる。
　扁平率に関しては、丸型形状に近づける（１に近づける）と、循環流における流動損失が低減し、トルク比ＴＲ、トルク容量係数τがともに向上する。
　薄型率に関しては、扁平率がおよそ１を超えない範囲で大きくすると、性能ポテンシャルが向上する。このため、この範囲で薄型率を大きくすれば、性能ポテンシャルを向上させつつ、外径Ｄ１を小さくすることができる。
　内径比に関しては、タービンランナ４の出口径が上がると、速度比ＳＲが低速度比のときのトルク比ＴＲが向上し、速度比ＳＲが高速度比のときのトルク比ＴＲ（例えば、カップリング速度比）が低下する。また、タービンランナ４の出口径が上がると、ポンプインペラ３の入口径も上がり、ポンプ揚程が小さくなるため、トルク容量係数τは下がる。
　つまり、サイズ指標は、このような定性的なメカニズムを有してトルクコンバータ１の性能にも影響するところ、図９では、比断面指標Ｓ´が、必要なトルク容量係数τｂの大きさに依存することなく、必要な性能を確保する条件において、トーラス１０のサイズがどのようになるかを示している。従って、比断面指標Ｓ´が最も小さくなるサイズ指標を選択すれば、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の両立が最適に図られる。
　図９において、最小点Ｐｍｉｎは、比断面指標Ｓ´が最も小さくなるサイズ指標を示す。従って、断面指標Ｓは、最小点Ｐｍｉｎにおいて最小値になる。断面指標Ｓとサイズ指標との関係を見ると、扁平率に関しては、０．９付近で最も断面指標Ｓを小さくすることができる。薄型率に関しては、０．２１付近で最も断面指標Ｓを小さくすることができる。内径比に関しては、０．５５付近で最も断面指標Ｓを小さくすることができる。
　以上のことから本実施形態では、トルクコンバータ１は、トーラス１０が扁平率と薄型率と内径比とに基づき設定されたサイズを有した構成とされる。
　このような構成によれば、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の観点からトーラス１０を適切に設定することができるので、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の両立を図ることができる。
　図９において、太線により囲まれた領域Ｒ１は、断面指標Ｓが最小点Ｐｍｉｎからおよそ＋１０％となる範囲であり、扁平率が０．７５から１．０５、薄型率が０．１７５から０．２４０、内径比が０．４８以上の範囲を示す。本実施形態では、トルクコンバータ１は、このような範囲でサイズ指標が設定された構成とされる。
　このような構成によれば、必要な性能を確保する条件において、ダンパ要素の効率的な配置という観点から最適となる最小サイズから＋１０％の範囲にトーラス１０のサイズを抑えることができる。このため、このような構成によれば、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の観点から、扁平率、薄型率及び内径比を適切に設定できる。従って、トーラス１０を適切に設定することにより、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の両立を図ることができる。また、このような構成によれば、一定範囲の形状に収まるトーラス１０の内径比を大きくしてトーラス１０を小さくすることができるので、図１に示したハッチング部分の領域にダンパ要素を配置するスペースを確保することができ、これにより、ダンパ要素を効率的に配置できる。
　トルクコンバータ１は、次の範囲でサイズ指標が設定された構成とされてもよい。
　図１０は、トーラス１０の第２のサイズ設定範囲を説明する図である。図１０において、太線により囲まれた領域Ｒ２は、断面指標Ｓが最小点Ｐｍｉｎからおよそ＋５％となる範囲であり、扁平率が０．８２から１．００、薄型率が０．１８から０．２３、内径比が０．５以上の範囲を示す。
　このような範囲でサイズ指標を設定したトルクコンバータ１によれば、必要な性能を確保する条件において、最小サイズから＋５％の範囲にトーラス１０のサイズを抑えることができる。このためこの場合は、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の観点からトーラス１０をより適切に設定することができ、これによりこれらの両立をより適切に図ることができる。この場合、最もハッチングが濃い領域が除外され、図９に示す場合よりもトーラス１０のサイズをより適切に抑制することができる。この場合も、図１に示したハッチング部分の領域にダンパ要素を配置するスペースを確保することにより、ダンパ要素を効率的に配置できる。
　トーラス１０のサイズ指標は、断面指標Ｓが最小点Ｐｍｉｎになるように設定されてもよい。このようにサイズ指標を設定することは、断面指標Ｓが設計公差や製造誤差により最小点Ｐｍｉｎからのばらつきの範囲内で設定されることを含む。この場合、ダンパ要素の効率的な配置とトルク比性能確保の両立の最適化を図ることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　本願は２０１８年１０月１７日に日本国特許庁に出願された特願２０１８－１９５８２１に基づく優先権を主張し、この出願のすべての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (4)

  1. 　トーラスを有するトルクコンバータであって、
    　前記トーラスは、
    　　前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの径方向の幅で除算して得られる扁平率と、
    　　前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの外径で除算して得られる薄型率と、
    　　前記トーラスの内径を前記トーラスの外径で除算して得られる内径比と、
    に基づき設定されたサイズを有する、
    トルクコンバータ。
  2. 　トーラスを有するトルクコンバータであって、
    　前記トーラスは、
    　　前記扁平率が、０．７５から１．０５の範囲で設定され、
    　　前記薄型率が、０．１７５から０．２４０の範囲で設定され、
    　　前記内径比が、０．４８以上の範囲で設定される、
    トルクコンバータ。
  3. 　トーラスを有するトルクコンバータであって、
    　前記トーラスは、
    　　前記扁平率が、０．８２から１．００の範囲で設定され、
    　　前記薄型率が、０．１８から０．２３の範囲で設定され、
    　　前記内径比が、０．５以上の範囲で設定される、
    トルクコンバータ。
  4. 　トーラスを有するトルクコンバータの設定方法であって、
    　前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの径方向の幅で除算して得られる扁平率と、前記トーラスの軸方向の幅を前記トーラスの外径で除算して得られる薄型率と、前記トーラスの内径を前記トーラスの外径で除算して得られる内径比と、に基づき前記トーラスのサイズを設定する、
    トルクコンバータの設定方法。
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