자동차학과, 자동차 정비 기능사 등 차의 모든것 자동차 셰시 핵심 요점 11. 수동변속기의 개요

11. 수동변속기의 개요

자동차용 엔진은 회전방향이 일정하고 실용 회전속도 범위에서 발생하는 토크는 거의
일정하다. 하지만 차량의 주행조건은 정지에서 출발, 저속주행에서 고속주행, 후진등과
같이 광범위하게 변화한다. 따라서 자동차에는 각 주행조건에 대응하여 한정된 엔진 성
능을 충분히 이용하기 위해 주행상태에 적절한 대응이 가능한 변속기(transmission)가
사용된다. 변속기는 차량의 주행상태에 따라 엔진의 회전을 적절하게 감소시켜 토크를
증대 시키거나 고속 회전으로 바꾸어 차량 속도를 증속시키는 동시에 차량을 중립 또는
후진시키는 장치이다.
변속기는 후륜구동 자동차에 사용되는 트랜스미션(T/M : transmission)과 전륜 구
동 자동차에 사용되는 트랜스액슬(T/A : transaxle)로 구분된다. 전륜 구동용 트랜스
액슬은 후륜 구동용 트란스미션과 달리 변속기 내부에는 종감속 장치와 차동장치(differential)가 장착된다.

가. 변속기의 기능

① 엔진과 구동축 사이에서 주행상태에 대응하여 회전력과 회전속도를 증대 또는 감
소 시킨다
② 차량 정지 시에는 동력을 차단하여 중립(엔진의 공회전 가능)상태가 되도록 한다
③ 차량의 후진을 가능케 한다
나. 변속기의 원리
[그림 3-2]는 변속기의 원리를 나타낸 것으로 그림(a)와 같이 잇수가 적은 입력축 A
와 잇수가 많은 출력축 B을 맞물리게 한 후, 입력축을 회전하면 출력축의 회전 속도는
감속되지만, 토크는 증대된다. 또한 그림(b)의 경우에는 입력축 A를 돌리면 출력축 D
는 그림(a)에 비해 한번 더 감속되며, 기어(C)와 (D)사이에 임의의 아이들 기어를 맞물
리게 하면 회전을 반대로 역전시킬 수 있다.

자동차의 경우 출발, 가속, 등판시에는 큰 구동력을 필요로 하며 이때의 차속은 저속
이라도 문제되지 않는다. 그러나 평탄한 길을 주행할 경우, 큰 구동력보다는 구동 바퀴
를 고속 회전시켜 고속주행을 할 수 있어야 한다. 이러한 작용은 적절한 기어비를 통해
구현이 가능하다.

 

[그림 3-3]의 (a)와 같이 기어 잇수가 20 개인 입력축과 기어 잇수가 40 개인 출력축
을 연결하면, 기어비는 40/20=2.000 이 되어, 입력축이 두 바퀴 회전할 때 출력축은 한
바퀴를 회전하게 되어 회전속도는 감속되지만, 구동력은 증가하게 된다.

하지만, [그림 3-3]의 (b)와 같이 기어 잇수가 20 개인 입력축과 기어 잇수가 10 개인
출력축을 연결하여 회전시키면 기어비는 10/20=0.500 으로 입력축이 한 바퀴 회전할
때 출력축은 두 바퀴를 회전하게 되어 회전속도는 증속되지만, 구동력은 감소하게 된다.
이 처럼 기어비의 차이는 자동차에서 서로 다른 효과가 나타난다. 기어비가 높을 경
우 즉, 작은 기어로 큰 기어를 구동할 경우에는 출력축의 회전수는 감속되지만 ‘지렛대
의 원리’와 같이 보다 쉽게 힘을 전달할 수 있어 큰 구동력을 얻을 수 있다. 반대로 기
어비가 낮을 경우 즉, 큰 기어로 작은 기어를 구동할 경우에는 출력축의 큰 토크는 얻
을 수 없지만 높은 회전수를 얻을 수 있다. 따라서 자동차에서 1단은 기어비가 높기 때
문에 구동력은 크나 저속으로 주행할 수 있고, 최고단은 구동력은 적으나 고속으로 주
행할 수 있다. 이는 [그림 3-4]와 같이 출발할 때나 높은 언덕을 오를 때는 ‘저단 기어’
를 선택하고, 속도가 증가할수록 ‘고단 기어’를 선택하는 자전거 기어와 같은 원리이다.
변속기는 기어박스(gearbox)라고도 하는데, 이는 여러 상황에 적합한 다양한 기어비
를 얻기 위해 기어(gear)들이 복잡하게 배열되어 있는 박스(box)를 형태로 되어 있기
때문이며, 기어비를 조절하기 위해 다른 기어와 기어를 맞춰 끼우는 과정’을 변속(shift
gear)이라 한다.

초기의 자동차에 사용되는 변속기는 일반적으로 중립, 전진 1∼4단과 후진으로 구성
되어 있었으나 최근 상용화된 변속기의 단수는 점점 증가하고 있는 추세이다. 이는 기
어비 폭이 줄어들고 같은 속도에서도 낮은 회전수(rpm)를 유지할 수 있어 높은 연비를
낼 수 있고, 또한 엔진 성능과 승차감, 정숙성에도 매우 유리하기 때문이다.

Q. 왜,변속기는 다단화되는 걸까? 승용차에 사용되는 변속기는 과거 자동3단 /수동4 단 변속기에서부터 시작하여 수동/자동 모두 4단 과 5단변속기가 한 동안 주류를 이루게 되었다. 하 지만 최근 상용화되는 변속기는 수동, 자동변속기 할 것 없이 대부분 최하 6단 이상, 많게는 8단 이 상의 변속기가 장착되고 있으며, 자동차 제작사에 서는 그 이상의 변속단도 개발 중에 있다. 그렇다면 변속기는 왜 다단화 되는 것일까? 변속단이 많을수록 차량의 성능이 좋아지는 것은 계단 오르기를 통해 쉽게 이해할 수 있다. 그림 (a)와 같이 같은 높이에 4개와 8개로 이루어진 계단이 있다고 가정해 보자. 4개로 이루어진 계단은 계단과 계단 사이가 높아 계단을 오르는데 힘이 들게 된다. 하 지만 8개로 이루어진 계단은 경사가 완만해져 힘을 덜 들이고 계단을 오를 수 있다. 이 처럼 변속단수가 많아지면, 그림 (b)와 같이 각 단별 기어비의 범위를 넓게 할 수 있어, 1단에서는 기어비를 높여 구동력을 크게 하여 출발을 쉽게 할 수 있고 최고단에 서는 기어비를 작게하여, 고속주행 시 엔진회전수를 낮춰 정숙하고 부드러운 주행이 가능하도록 할 수 있다. 또한 기어비를 촘촘하게 설계 할 수 있어, 각 단별 기어비 차 이를 작게 할 수 있다. 각 단별 기어비 차이가 적으면, 변속단에 따른 엔진 회전수 차 이도 작아지기 때문에 촘촘한 계단을 오르듯 기어 변속 시, 큰 힘을 들이지 않고 부 드러운 변속이 가능하다. 따라서 변속 시 엔진의 토크 변화가 적고, 이에 따라 변속감 이 좋아져 승차감과 연비를 향상 시킬 수 있다. 일반적으로 변속기의 연비는 4단에서 5단으로 높아질 때 2∼3%가 개선되고 5단에서 6단으로 높아지면서 5∼8%가 향상되 는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 많은 제작사에서는 변속기의 다단화를 위해 많은 노력을 기울이고 있 다. 하지만 변속기 단수가 높아질수록 정교한 기술력이 필요하게 되고 그 만큼 부품 수도 많아져 차량의 중량과 크기에 영향을 미치는 것은 물론, 연비절감 효과는 크지 않을 수 있다. 따라서 다단화 변속기는 부품수를 최소화 하면서 다단화의 장점을 극 대화할 수 있도록 개발 되고 있다.