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XE 레이아웃 카메론 XE LAYOUT CAMERON XE1.8.3

변속기에 관한 다양한 정보를 열람할 수 있습니다.



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자동차는 달리면서 다양한 주행상황과 운전환경에 맞닥뜨리게 된다. 길게 빧은 도로를 질주하거나 경사로에서 가속할 수 있고, 사람을 몇 명 태우느냐에 따라서도 조건은 크게 달라진다. 하지만 엔진의 출력과 토크 특성은 이미 결정되어 있기 때문에 꼭 필요한 것이 바로 변속기다. 기어의 가감속 원리에 기초한 변속기는 액셀 조작과 어우러져 그때 그때 필요한 바퀴 회전수와 토크를 만들어낸다. 한때 수동 변속기가 주류를 이뤘지만 최근 자동변속기의 인기가 높고 무단변속기와 세미AT의 사용도 점점 늘고 있다. 

변속기란?

변속기는 엔진에서 나온 출력을 감속 혹은 가속해 주행상황에 알맞은 토크와 회전수를 만들어내는 기구다. 기본적인 원리는 자전거를 보면 간단하게 알 수 있다. 10년 전만 해도 자전거에 변속기가 달린 모델이 드물었다. 대부분이 고정식 기어비를 가진 모델이어서 평지를 달릴 때는 문제가 없지만 다리 힘이 어지간히 좋은 사람이 아니면 경사길 오르기가 힘들다. 하지만 요즘 유행하는 MTB(산악 자전거)를 보면 대개 21단 이상의 변속기가 기본, 기어 단수를 낮추면 페달 움직임에 비해 카귀는 천천히 돌지만 경사길을 수월하게 오를 수 있고 반대로 평지에서 단수를 낮추면 같은 페달링으로도 빠르게 질주한다.

자동차 역시 마찬가지다. 일반 승용차 엔지은 대개 6천-7천RPM까지 회전할 수 있지만 최대 토크가 나오는 이른바 '토크밴드는' 1천-3천RPM의 범위에 한정되어 있다. 차는 정지한 상태에서 출발할 때 큰 힘을 필요로 하고 평지를 달릴 때에는 비교적 힘이 적게 든다. 한편 같은 시속 60km라고 해도 평지에 비해 오르막에서는 더 큰 힘을 필요로 한다. 같은 속도를 내더라도 도로상황에 따라 엔진을 낮은 RPM으로, 혹은 높은 RPM으로 돌려야 하는 차이가 생긴다는 말이다. 이것을 가능하게 하는 것이 바로 변속기다. 여러 가지 기어 조합을 통해 원하는 회전수와 토크를 만들어낸다.

서로 맞물려 돌아가는 기어는 마주 닿은 기어의 크기 비율에 따라 회전수와 토크가 바뀐다. 감속비 2.0인 기어 조합은 회전수를 절반으로 떨어뜨리지만 반대로 토크는 2배로 만든다. 이런 기어의 원리를 이용해 엔진의 회전수와 토크를 조절해 바퀴로 전달하는 것이 변속기의 임무다.

변속기는 지금까지 적지 않은 방식이 개발되었지만 기본적으로는 수동과 자동을 크게 나뉜다. 가장 역사가 오랜 수동 변속기는 클러치로 엔진과 변속기의 동력을 귾은 뒤 시프트레버를 움직여 기어 조합을 바꾸는 방식. 요즘 주류가 되어가고 있는 자동 변속기는 유체식 토크 컨버터와 유성기어를 통해 클러치 없이 모든 변속동작을 자동으로 처리한다. 이 밖에 무단변속기 CVT와 경주차 기술에 바탕을 둔 세미 AT가 있다.

 

클러치 / 플라이 휠

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주행과 정지를 반복하는 자동차는 엔진과 변속기 사이의 동력을 끊고 연결하는 클러치가 꼭 필요하다. 클러치는 크게 마찰식과 유체식 토크 컨버터로 나뉘고 전자석 클러치 등의 특수한 메커니즘도 있다. 마찰 클러치 중에서 가장 많이 보급되어 있는 건식 단판 클러치는 마찰판 하나를 스프링 힘으로 플라이휠에 마찰시켜 동력을 전달한다. 클러치 디스크는 직경이 클수록 큰 힘을 전달할 수 있지만 무작정 키울 수는 없기 때문에 토크가 큰 고성능 차의 경우는 2개 혹은 3개의 디스크를 쓰는 다판 클러치로 해결한다. 경주차에서는 내열성이 뛰어난 카본 소재 사용이 일반화되었고 포르쉐는 클러치와 브레이크의 카본 상용화에 앞장서고 있다.

엔진 크랭크축에 연결된 커다란 금속 원반 모양의 플라이휠은 수동 변속기에에서는 클러치의 일부분이 되지만 원래 목적은 엔진 회전을 매끄럽게 하는 것이다. 실린더에서의 폭발력을 회전운동으로 흡수하는 플라이휠은 무거울수록 회전이 매끄러워지지만 회전수 변화는 힘들고, 가벼우면 그 반대가 된다. 그래서 엔진 반응성을 최우선해야 하는 고성능 차나 레이싱카에서는 대개 경량 플라이휠을 사용한다.

클러치관련 엮인글 보기 : http://haedongauto.com/?mid=autoshop_info&page=1&document_srl=28276

 

수동 변속기의 구조
수동 변속기는 자동차용 변속기의 기본이라 할 수 있다. 자동차의 탄생과 함께 발전을 시작했고 지금은 싱크로매시 타입의 5-6단이 일반적으로 쓰인다. 편의성 때문에 점점 자동 변속기에 밀려나고 있지만 경제성을 우선하는 소형차와 성능을 중시하는 스포츠카에서는 아직도 절대적인 지지를 얻고 있다.

 

○ 메인샤프트 : 클러치를 통해 엔진과 연결되는 메인 샤프트는 엔진 출력을 받아들이는 역할을 한다. 프라이머리 샤프트라고도 불린다

○ 카운터 샤프트 : 일명 세컨더리 샤프트. 프로펠러 샤프트와 연결되는 출력측 샤프트.

○ 스피드 기어 : 양족 샤프트에 달린 기어는 서로의 조합에 따라 각각 다른 회전수와 토크를 만들어내며 엔진 출력을 메인 샤프트에서 카운터 샤프트로 전달한다.

○ 시프트 포크 : 시프트 조작을 통해 각 기어의 조합을 바꿔준다. 운전자가 클러치를 밟아 엔진과 변속기 사이의 동력을 차단한 뒤 시프트레버를 움직이면, 여기에 연결된 케이블을 통해 시프트 포크가 움직여 원하는 기어를 연결해 준다

○ 싱크로 기구 : 변속 때 마주한 기어의 원주속도가 다르면 매끄럽게 맞물리지 않게 된다. 그 속도를 비슷하게 맞춰 변속동작을 손쉽게 만드는 것이 싱크로 기구다.

 

클러치 조작 기구

○ 클러치 페달(Clutch Pedal) : 페달을 밟은 후부터 릴리스 베어링이 다이어프램 스프링(또는 릴리스 레버)에 닿을 때까지 페달이 이동한 거리를 자유 간극(유격) 이라고 한다. 또한 자유 간극이 너무 적으면 클러치가 미끄러지며, 이 미끄럼으로 인하여 클러치 디스크가 과열되어 손상을 입게 된다. 자유 간극이 너무 크면 클러치 차단이 불량하여 변속기의 기어를 변속할 때 소음이 발생하고 기어가 손상된다. 자유간극은 20-30mm(기계식의 경우) 정도가 좋으며 자유간극 조정은 클러치 링키지에서 하고, 클러치가 미끄러지면 페달 자유간극부터 점검 및 조정하여야 한다.

 

○ 릴리스 베어링(Release Bearing)

릴리스 베어링은 페달을 밟았을 때 릴리스 포크에 의하여 변속기 입력축 길이 방향으로 이동하여 호전 중이 다이어프램 스프링을 눌러 엔진의 동력을 차단하는 일을 한다. 종류에는 앵귤러 접속형, 볼 베어링 형, 카본형 등이 있으며 대개 영구 주유식(Oilless bearing)이므로 솔벤트 등의 세척제 속에 넣고 세척해서는 안 된다.

 

○ 클러치가 미끄러지게 되면 출발 또는 주행중 가속을 하였을 때 엔진의 회전속도는 상승하지만 출발이 잘 안되거나 주행속도가 증속되지 않는 경우가 많다. 이러한 이유로는 클러치 페달의 자유간극이 낮거나 클러치 디스크의 마멸이 심한 경우를 들 수 있다. 또한 클러치 디스크에 오일이 묻은 경우나 플라이휠 및 압력판의 손상 또는 변형도 원인이 될 수 있다. 이러한 상태가 지속되게 되면 연료 소비량이 증가한다. 또한 엔진이 과열될 수 잇으며 등판 능력히 현저히 감소하며 구동력이 감소하여 출발이 힘들며, 차후에는 주행이 불가능한 상태에 이르게 된다.

 

○ 클러치 차단 불량의 원인은 클러치 페달의 자유간격이 너무 크거나 릴리스 베어링의 손상 및 파손을 들 수 있다. 또한 클러치 디스크의 흔들림(Run Out)이 크거나 유압 라인에 공기가 침입. 클러치 각 부가 심하게 마멸된 경우이다. 이런 경우 기어 변속이 용이하지 못하므로 신속히 정비업소를 찾아 점검 및 조치를 받아야 한다.

 

기어의 원리

기어의 원리가 감속을 통해 엔진 회전수를 높이거나 토크를 키우는 변속기는 기어의 원리에 기초하고 있다. 일반적인 기어는 원형 둘레에 나사산을 만들어 서로 맞물려 있는 형태. 이 나사산 덕분에 비교적 큰 힘을 미끄러짐 없이 전달할 수 있는 장점이 있다.감속비 2.0인 기어 조합을 생각해보자. 기어의 감속비는 맞물려 있는 기어의 직경에 비례한다. 즉 입력측 A기어에 비해 B 기어의 직경이 2배로 크면 감속비는 2.0(3배면 3.0)이 된다. 감속비가 2.0일 경우 회전수는 절반으로 떨어지지만 토크가 2배로 증가한다. 즉 2천RPM으로 20.0kg/m의 토크를 입력하면 1천RPM과 40.0kg/m로 출력된다. 감속비 1.0이면 입력과 출력이 같아지고 0.5(A 직경이 B의 2배)면 회전수는 2배 빨라지지만 토크는 절반으로 약해진다. 자동차 제원표에 표시된 기어비는 바로 각 단수에서의 감속비를 나타낸다. 마쓰다 미아타용 5단 MT를 예로 들면 3.140/1.890/1.330/1.000/0.810의 기어비를 가지고 있다. 1단은 3.0을 넘는 감속비를 보이고 4단은 입력과 출력이 같아지는 1.0이다. 반대로 0.810인 5단은 입력보다 출력측 회전수가 빨라지고 토크는 줄어든다. 멈춰있는 차를 움직이거나 급한 경사로에서 필요한 1, 2단은 감속비가 크고 윗단으로 갈수록 감속비가 점점 작아져 고속이나 정속주행에 어울린다.변속기에 쓰이는 기어는 나사산이 일직선으로 평행한 스퍼기어와 비스듬히 경사진 헬리컬 기어가 많이 쓰이고, 그 중에서도 예전에는 스퍼기어가 많이 쓰인 반면 지금은 헬리컬 기어가 일반적이다. 헬리컬 기어는 가공이 어렵고 값이 비싸며 축 방향 힘이 생기는 단점이 있지만 작동이 매끄럽고 소음이 적어 애용되고 있다. 스퍼기어는 지금도 후진기어에 쓰이고 있다.

 

 

기어비 계산하기

자동차 구동계에서의 감속비는 변속기만으로 결정되는 것은 아니다. 바퀴로 동력을 보내기 직전, 디퍼렌셜에서 다시 한번 감속되며 이것을 최종감속비 (final ratio)라고 부른다. 엔진에서 나온 동력이 바퀴로 전달되기까지의 감속비는 변속기에서의 기어비와 최종감속비를 곱하면 구할 수 있다. 기어의 원리에서 예로 든 미아타용 5단 MT에서 5단 0.810에 최종감속비 4.100을 곱하면 3.321(5단에서의 총 감속비)이 얻어진다. 바퀴의 직경과 엔진 회전수를 안다면 그 단수, 특정 RP에서의 이론적인 속도도 계산할 수 있다. 우선 미아타의 타이어(195/50 R15) 직경(57.6cm)에 를 곱해 원주 길이(180.96cm) 를 얻는다. 한편 원하는 엔진 회전수를 5천 rpm이라고 하면 이것을 감속비 3.321로 나눠 바퀴 회전수(1505.57rpm)를 계산한다. 이 두 가지를 곱하면(180.96×1505.57) 1분동안 움직인 거리(2724.48m)가 나온다. 여기에 60을 곱해 시속으로 확산하고 1000으로 나눠 거리를 km로 바꾸면 5단, 5천 rpm에서의 마쓰다 미아타 계산 속도인 163.47km가 얻어진다. 단위 변환에 신경써야 한다.

 

싱크로매시(synchromesh)

변속기는 시프트레버 움직임에 따라 원하는 기어끼리 조합하는 방식에 따라 몇 가지로 구분된다. 대표적인 것이 슬라이딩매시와 콘스탄트매시 그리고 콘스탄트매시를 발전시킨 싱크로매시다. 슬라이딩매시는 카운터 샤프트 상의 기어가 앞뒤로 움직일 수 있게 만든 뒤 원하는 단수의 기어만을 서로 맞물려 돌아가게 하는 방식이다. 수동 변속기의 기본이라 할 수 있지만 지금은 거의 쓰이지 않는다. 반면에 콘스탄트매시 방식은 경주차용 변속기의 주류를 이뤄왔다. 모든 단수의 기어가 맞물려 있는 대신 메인 샤프트와 기어가 헛돌게 만들어졌다. 변속은 메인 샤프트에 달린 '시프터'가 움직여 샤프트와 기어를 연결해 동력을 전달하는 원리다. 콘스탄트매시는 기어와 샤프트의 회전수 차이가 크면 매끄럽게 변속할 수 없기 때문에 드라이버가 더블 클러치로 회전수를 맞추어야 한다. 이런 단점을 보완하고 발전시켜 승용차용 수동변속기의 주류가 된 것이 싱크로매시 방식이다.

싱크로매시는 기본 구조가 콘스탄트매시와 비슷하지만 시프터와 기어 사이에 싱크로나이저링이 설치되어 있어. 마찰 클러치의 일종인 콘(꼬깔) 형태의 싱크로나이저 링은 기어와 샤프트의회전수를 비슷하게 맞춰 변속동작으로 매끄럽게 만들어준다. 빠른 변속이 필요하지 않은 일부 트럭을 제외하면 거의 모든 자동차용 자동 변속기가 싱크로나이저 기구를 달고 있다. 싱크로나이저링 하나를 쓰는 워너타입이 가장 일반적이지만 고성능과 내구성을 요구하는 경우에는 더블콘, 트리플콘 방식도 쓴다.

싱크로나이저 링과 기어의 테이퍼 부분은 80%이상 접촉이 되어야 정상적인 기능을 발휘할 수 있다. 그 이하의 경우 동기화가 늦어짐으로 인해 기어 삽입시 매끄럽지 못하거나 걸림 현상이 발생한다. 

 

 

1. 섭동기어 물림식(sliding mesh type)
구조가 간단하고 취급이 용이하지만 변속 시 기어 자체가 축선상을 섭동하여 치합되어야 하는 단점이 있다. 지금 사용되는 자동차의 수동변속기에서 후진을 넣을 때 사용되는 방식이 이 방식이다. 주축과 부축은 평행이고 주축상의 기어는 축의 수플라인 부분에 끼워져 축 방향으로 이동하는 슬라이딩 기어가 있으며 부축상의 기어는 축에 고정되어 있으며 메인 드라이브 기어에 의하여 항상 회전한다.
변속기 조작레버에 의해 추축상의 기어를 선택하고 축방향으로 밀어주어서 부축상의 기어와 물리게 되어 주축이 회전한다.
구조가 간단하고 정비가 쉽다. 주행 중 변속 시 양축상의 원주 속도가 서로 다를 경우 기어 물림이 어려워 기어를 손상시킬 수 있는 단점이 있다. 
 
2. 상시 물림식(constant mesh type) 
주축(main shaft)에 끼워져 자유롭게 회전하는 단기어(shift gear)와 부축(counter shaft)에 고정되어 있는 부축기어가 항상 치합된 상태로 회전하는 구조로 되어 있다. 단 기어의 한쪽 측면에 가공된 도그(dog) 기어는 단 기어와 같은 속도로 회전한다.  도그 슬리브(dog sleeve)는 도그 허브상에서 축 방향으로 이동이 가능하도록 되어 있다. 변속 시 주축에서 공회전하고 있는 기어 안쪽의 도그 클러치에 끼워지므로 주축과 기어를 고정시켜 동력을 전달한다. 기어자체를 이동시키는 섭동식보다 마모 소음이 비교적 적어 대형버스나 트럭 등에 많이 사용된다. 
 
3. 동기 물림식(synchro-mesh type)
섭동물림식이나 상시 물림식에서는 변속 시에 원주 속도와 도그 슬리브의 원주 속도가 틀리면 치합 소음이 발생되고 심하면 기어가 파손된다. 이와 같은 단점을 보강한 것이 동기 물림식이다. 주축 기어와 부축 기어가 항상 물려져 있으며 주축 위의 제1속, 제2속, 제3속 기어 및 후진 기어가 공전한다. 엔진의 동력을 주축 기어로 원활히 전달하기 위하여 기어에 싱크로 메시 기구를 두고 있다. 싱크로 메시기구는 기어를 변속할 때 기어의 원뿔 부분에서 마찰력을 일을켜 주축에서 공회전하는 기어의 회전 속도와 주축의 회전 속도를 일치시켜 기어 물림이 원활하게 이루도록 하는 방식이다 싱크로 메시 기구의 구성은 클러치 허브, 클러치 슬리브, 싱크로나이저링과 키로 이루어져 있다. 장점은 원활한 기어물림이 가능하고 변속조작이 신속 용이하므로 다른 방식보다 가속성능을 크게 향상 시킬 수 있다. 
변속소음이 거의 없다. 기어가 보호되어 수명이 길다. 기어가 헤리컬형이므로 하중부담능력이 크다. 
 
동기치합 과정
여기서는 지금 자동차에 가장 많이 사용되는 동기 물림식으로 설명을 한다. 동기화(synchronization)란 추축상에서 자유로이 회전하는 단기어(shift gear)의 싱크로콘(synchron cone)과 싱크로나이저 링(synchronizer ring)의 안쪽테이퍼 사이의 접촉마찰에 의해 클러치 허브(clutch hub)와 단기어의 원주 속도가 같아져 클러치 스리브(clutch sleeve)가 단 기어의 시프팅 기어 이와 쉽게 치합되는 과정을 말한다. 
슬리브 내면의 스플라인과 허브가 서로 맞물리고 바깥둘레에는 변속포크가 끼워지는 홈이 있어 변속레버의 조작에 의해 축방향으로 움직인다. 싱크로나이저링은 각 기어의 콘부에 물려 브레이크를 거는 역할을 한다. 싱크로나이저 안쪽에는 클러치 작용을 하도록 만들어져 있다. 싱크로나이저 키는 뒷면에 돌기 부분이 있어 허브에 파진 3개의 홈에 들어가 싱크로나이저에 의해 슬리브 안쪽면에 항상 눌려 있으므로 양쪽끝은 싱크로나이저링의 홈에 일정한 틈새를 두고 끼어있어 싱크로나이저링을 미는 역할을 하며 클러치 허브와 슬리브를 고정하여 기어물림상태가 빠지지 않게 한다. 키 스프링은 싱크로나이저 키를 슬리브 내면에 압착시킨다.

2중치합 방지기구
(1) 인터록 플런져
변속기에는 기어가 변속될 경우, 동시에 2중으로 변속이 이루어지지 않도록 인터록 기구(2중물림 방지장치)가 마련되어 있다.  
각 시프트 레일(바)에는 홈이 있고, 홈에는 인터록 플런저가 삽입되어 있으며, 시프트레일을 움직이면 인터록 플런저가 밀려나면서 다른 2개의 축을 고정하여 1개의 기어 외에는 변속되지 못하도록 되어 있다. 

(2) 인터록 플레이트
트랜스액슬에는 2중치합 방지기구로 인터록 플레이트가 사용되고 있으며, 컨트롤 핑거가 3개의 시프트 러그 중 하나를 선택하게 되면 다른 시프트 러그는 인터록 플레이트에 의해 간섭(고정)되어 결국 시프트 포크를 움직이지 못하게 하여 기어가 2중으로 선택되는 것을 방지하고 있다. 컨트롤 핑거가 중립위치에서는 3, 4단 기어로 변속할 수 있는 곳에 위치한다. 이 위치에서는 인터록 플레이트에 의해 3, 4단 제외한 다른 기어로는 변속이 이루어 질 수 없다. 

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