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XE 레이아웃 카메론 XE LAYOUT CAMERON XE1.7.4.1

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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자동변속기에 쓰이는 유체식 토크 컨버터는 마주한 2개의의 팬(펌핑 임펠러와 터빈 러너) 주위에 오일을 채워 임펠러가 회전하면 그 운동이 오일을 타고 터번 러너로 전달되어 따라 회전하도록 하는 원리다. 마치 마주본 두 대의 선풍기 중 한대를 돌리면 다른 한 대가 따라서 도는 것과 비슷하다. 물론 이 경우는 공기가 동력을 전한다. 기계적으로 직접 연결되어 있지 않지만 동력을 전할 수 있는 것이 토크 컨버터의 특징. 둘의 사이공간에 들어 있는 스테이터는 오일의 흐름을 조절하는 역활을 한다. 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.

토크 컨버터 관련 엮인글 보기 : http://www.haedongauto.com/52621558

 

자동 변속기의 구조

클러치를 밟은 뒤 원하는 단으로 기어를 바구는 변속동작은 운전하는데 적지않은 수고를 요한다. 이를 자동화해 운전을 편하게 하는자동 변속기의 개발은 역사가 상당히 오래되었다. 지금의 시스템과는 많은 차이가 있지만 자동 변속기라 할 수 있는 프리셀렉터 기어박스가 개발된 것은 1900년. 영국 란체스터가 개발한 프리셀렉터 기어박스 외에도 다양한 형태의 변속기가 만들어졌다. 지금과 같은 유체식 토크 컨버터와 유성기어를 쓴 최초의 변속기는  GM에서 개발한 하이드라매틱으로 1940년 올즈모빌에 처음 얹혔다. AT는 3-4단을 거쳐 최근 7단까지 보급되어 있다. AT의 구조는 너무 복잡하고 제어도 어렵기 때문에 1단을 늘이는데 수동에 비해 많은 공이 든다. AT는 한때 비싸고 편하기는 하지만 반응이 느리고 연비가 나쁘다는 오명에 시달렸다. 하지만 최근에는 매커니즘과 제어장치가 정밀해져 MT와의 차이가 한층 줄어들었다. 그것이 바로 스포츠모드인 것이다.

 

○ 토크컨버터 : AT에서는 기계적인 연결 없이도 출력을 전할 수 있는 토크 컨버터가 필수. 두 개의 마주한 팬(임펠러) 사이에 오일을 채운 토크 컨버터는 한쪽이 회전하면 오일 움직임을 통해 반대쪽 팬으로 동력을 전달한다.

○ 유성기어 : 다양한 기어비 변환을 위해 MT와 달리 유성기어를 쓰는 모델이 많다. 유성기어의 전용 원웨이 클러치를 사용하면 동력을 귾지 않고도 기어비를 변화시킬 수 있다.

○ 록업 기구 : AT는 기본적으로 슬립이 일어날 수 밖에 없는 토크 컨버터 때문에 연비가 나쁘다. 이런 단점을 개선하기 위해 필요에 따라 엔진과 변속기를 직접 연결하는 것이 록업 기구다.

○ 유압제어장치 : 변속기의 실제 작동을 담당하는 유압제어장치는 전용 유압펌프와 복잡한 유압회로로 구성되어 있다. 변속제어장치의 신호에 따라 유압통로를 바꿔 클러치를 작동시키면 변속이 이루어진다.

 

유성기어

유성기어 세트는 중심의 선 기어(sun gear)와 그 주위를 둘러싼 유성기어(플래니테리 기어:planetary gear) 그리고 유성기어를 둘러싼 링 기어로 구성되어 있다. 유성기어는 링 기어를 통해 입력하고 유성기어로 출력하느냐, 혹은 유성기어로 입력해 링 기어로 출력하느냐 그리고 선기어의 위치를 고정하느냐 회전시키느냐에 따라 기어비가 변화하기 때문에 2-3개의 유성기어 세트와 변속 클러치 조합으로 다양한 기어비와 회전방향을 만들어낼 수 있다. FR 차의 4단 자동변속기를 예로 들면 엔진 출력의 흐름은 엔진→토크 컨버터→입력축→변속 클러치→유성기어→출력축 순서다.

 

팁트로닉이란?

마치 세미AT의 대명사처럼 쓰이고 있는 팁트로닉(Tiptronic)은 사실 포르쉐 AT 시스템의 이름이다. 89년 911 카레라(964)를 통해 처음 선보인 팁트로닉은 기본적으로 일반 AT와 같은 구조지만 홀드 모드를 적극적으로 활용해 경주차처럼 시프트레버를 밀고 당겨 한 단씩 변속할 수 있는 시퀸셜 시프트 방식으로 개량한 것이다. 기본적으로는 자동 변속이지만 필요할 때 운전자가 원하는 대로 변속할 수 있도록 함으로서 적극적인 스포츠 드라이빙에 대응했다. 그 전까지 포르쉐 AT라면 928에 얹었던 4단 AT가 전부였지만 팁트로닉은 수동에 가까운 빠른 변속과 조작감, 사용 편의성을 자랑하며 911의 인기 옵션으로 떠올랐고 지금은 제어 시스템과 변속 동작을 더욱 개량하고 스티어링 칼럼에 변속 스위치를 단 팁트로닉S로 발전했다. 변속기 전문업체 ZF와 함께 개발한 팁트로닉은 폭발적인 인기를 끌어 고성능 스포츠카의 AT  보급에 불을 당겼고 BMW 스텝트로닉이나 미쓰비시 MIVEC등 비슷한 시스템을 탄생시키는 계기가 되었다. 최근에는 911터보마저 팁트로닉을 얹음으로서 AT 사용이 금기시되어온 수퍼카 클래스에까지 그 인기가 번질 전망이다

 

무단변속기(CVT:Continuously Variable Transmission) 우리말로 연속 가변 변속기이다.

지금까지의 수동, 자동 변속기와는 완전히 다른 구조를 가진 cvt는 정해진 4-6개의 기어비에 따라 변속하는 것이 아니라 정해진 범위 안에서 기어비를 연속적으로 변화시킨다. CVT는 원래 GM 자동 변속기 연구팀을 이끌던 L.E. 페린이 1933년 특허를 얻은 뒤 1940년대 중반까지 연구를 진행시켰지만 토크 컨버터식 하이드라매틱에 가려 사장되고 말았다. 이를 네델란드의 후벨타스 판 도르네가 다시 독자적으로 연구, 1958년 네델란드 DAF 자동차를 통해 처음 실용화에 성공했다. 그리고 DAF가 볼보에 흡수된 후에도 개발을 거듭해 '투ㅡ랜스매틱' 시스템으로 발전 시켰다. 지금도 CVT용 스틸 벨트를 만들 수 있는 곳은 이 곳 판도르네 뿐이다.

CVT는 출발 때 사용하는 클러치와 무단 변속기구로 구성되고, 무단 변속기구는 벨트식이 일반적이다. CVT는 자동차보다 모터사이클에 먼저 쓰이기 시작해 고무벨트를 쓰는 간편한 구조의 CVT가 스쿠터에 널리 쓰였다. 자동차용 CVT 역시 벨트식이 주류를 이룬다. 이 밖에 구조는 비슷하지만 벨트 대신 체인을 쓰는 아우디 멀트트로닉과 가동식 바퀴(파워 롤러)를 사용하는 닛산의 드로이덜형(익스트로이드 CVT)이 등장했다. 멀티트로닉은 강성에 한계가 있는 스틸 벨트 대신 체인을 사용함으로서 배기량 2.0X 이상의 엔진에 대응했다. 반면 대형 세단 세드릭/글로리아에 얹힌 닛산의 드로이덜형은 디스크와 바퀴의 조합을 통해 V6 3.0X 엔진의 강력한 출력과 토크(280마력, 39.5kg/m)를 전달할 수 있었다.

CVT는 2개의 풀리 사이에 벨트가 걸려 있는 모습. 한쪽 풀리의 회전력을 벨트를 통해 반대쪽으로 전달한다. 풀리의 벨트 걸림 부분을 변화시켜 기어비를 연속적으로 바꾸는 것이 CVT의 기본원리다. 변속기를 이해할 때와 마찬가지로 자전거용 변속기를 생각하면 간단하다. 자전거는 페달쪽 체인이 바깥으로 걸릴수록 감속비가 커지고, 그 반대로 뒷바퀴쪽 체인이 바깥으로 걸릴수록 감속비가 떨어진다. 자전거는 기어를 한 단씩 바꾸지만 CVT는 풀리 양쪽 면의 거리를 움직여 풀리가 안쪽 혹은 바깥쪽에 거리도록 만들 수 있다. 벨트가 항상 일정한 팽팽함을 유지하도록 한쪽 풀리를 좁히면 반대쪽은 넓혀야 한다는 점도 다르다.

무단변속기 관련 엮인글 보기 : http://www.haedongauto.com/52621925

국내에서 CVT 적용 예

현대 뉴EF소나타 선택사양으로 적용

기아 옵티마리갈 선택사양으로 적용

대우 마티즈Ⅱ E3CVT에 적용

삼성 최근에 출시된 SM5 SE16모델에 적용

 

외국기업에 CVT 적용예

아우디 A4, 렉서스 400H / 600H그 그 예이다

 

국내에서 적용된 CVT의 경우 현대/기아 차종의 경우에는 부품 내구성에 문제가 있어 리콜처리가 되지는 않았지만 여전히 골치를 섞고 있으며, 대우 마티즈의 경우 구조적 결함을 인정하여 공식 리콜을 실시하고 있는 중이다. 현대차와 대우차의 CVT 결함은 구조적으로 다소 차이를 보이고 있다. 현대차의 경우 벨트의 내구성 및 베어링의 빠른 마모로 인해 변속기의 조기 파손이 문제지만 CVT는 변속기를 교환하더라도 결함을 잡을 수 없는 영구적 결함으로 분류가 되고 있다. 여하튼 CVT는 일반 자동변속기에 비해서 부품대가 고가이므로 고장시 발생할 수있는 수리비를 감안하여 안정적인 주행이 필요하다고 하겠다.


세미AT

'구조는 MT, 조작은 AT'라고 표현할 수 있는 세미 AT는 기본구조가 일반 MT와 다를 바 없지만 클러치 조작과 변속 조작을 자동화한 시스템이다. 1970년대에 유럽포드와 페라리가 공동 개발했지만 클러치 마모 등으로 실용화하기에 어려움이 많았다. 이후 페라리의 F1용 변속기와 포르쉐가 르망 경주차 962를 위해 개발했던 PDK등을 통해 실용화의 기초를 마련했다. 페라리는 당시 라이벌 혼다 엔진에 비해 토크벤드가 좁은 단점을 극복하기 위해 변속기를 7단으로 높이는 한편 변속에 대한 드라이버의 부담을 줄이고자  클러치와 변속동작을 자동화한 7단 메시 AT를 개발했다. 처음에는 신뢰성 확보 때문에 고전했지만 세미 AT는 이제 F1뿐 아니라 랠리와 투어링카 등 자동차 경주의 가장 일반적인 매커니즘으로 받아들여지게 되었다. 변속 스위치를 스티어링 휠 뒤쪽에 달면 고속 코너링에서도 양손으로 스티어링 휠을 잡은 채 변속을 할 수 있다는 장점이 있다

승용차용 세미 AT는 비교적 최신 메커니즘에 든다. BMW가 M3를 통해 선보인 SMG와 벤츠의 시퀸트로닉, 페라리 360 모데나 F1의 6단 세미 AT와 시트로엥 C3의 센소드라이브 기어박스 등을 들 수 있다. 페라리 360 모데나와 같은 메커니즘을 쓰는 마세라티 쿠페 캄비오코르사는  F1 경주차처럼 스티어링 휠 뒤쪽에 달린 변속 레버(플리퍼)를 잡아당겨 변속하는 방식이다. 지난해 말 폴크스바겐이 선보인 DSG(Direct Shift Gearbox)는 클러치와 메인 샤프트를 짝.홀수 단으로 나눠 2계통으로 만든 새로운 구조의 세미 AT로 주목받았다. 한쪽 클러치가 작동할 때 다음 단수의 기어를 연결하는 방식으로 변속시간을 최소화했다. 두 개의 변속기가 하나의 케이스 안에 들어 있는 셈이다. DSG는 기본적으로 포르쉐 PDK에 뿌리를 두고 있다

 

 

 

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