자동차공학)동력전달장치 수동변속기

변속기(transmission)는 클러치와 추진 축 사이에 설치되어 엔진의 동력을 자동차의 주행 상태에 따라 적절한 구동력으로 바꾸어주는 장치이다. 변속기는 자동차의 주행상태에 알맞도록 주행상태(drive), 중립상태(neutral), 후진상태(back)의 세 가지 기능을 갖도록 설계되고 변속방식에 따라 수동변속기, 자동변속기, 무단변속기로 구분한다. 그중 수동변속기에 대하여 알아보자.

수동변속기(MT, Manual Transmission)는 운전자의 변속 조작에 의해 최적의 변속비로 변속하는 장치이다. 변속비는 변속기의 입력 측(엔진의 크랭크 축)과 출력 측(변속기의 구동 축)의 회전수 비를 의미하며 변속비가 최대인 단(혹은 속)을 1단(혹은 1속)이라하고 계속해서 2단, 3단, 4단, 5단이라고 한다. 또 변속기의 입력 회전수보다 출력 회전수를 많게 한 장치를 오버드라이브(over drive)라고 한다. 5단 변속기에서 5단의 기어비가 0.837이라는 것은 입력 축이 1회전 할 때 출력 축은 약 1.195(=1/0/837) 회전하는 것을 나타낸다. 그만큼 증속 되어 구동하는 것이다.

수동변속기는 연비와 변속 응답성이 우수하고 동력손실이 적으며 특히 가격이 저렴한 장점이 있으나 변속 레버와 클러치 페달을 동시에 조작해야 하고, 이 때문에 언덕이나 미끄러운 도로에서 출발조작이 더욱 어려우며 운전자가 피로하기 쉽고, 클러치와 변속기의 불오나전한 접촉으로 소음의 발생 및 클러치 판의 손상이 쉽게 발생하는 단점이 있다.

수동변속기에서는 선택 물림식, 상시 물림식, 동기 물리식의 3가지가 있으며 현재는 주로 싱크로메시 기구를 사용한 동기 물림식이 사용되고 있다. 

 

1. 선택 물림식

2. 상시 물림식

3. 동기 물림식

 

1. 선택 물림식

선택 물림식(sliding mesh selective gear type) 변속기는 주축과 부축이 서로 평행한 구조로 되어 있으며, 섭동 기어식이라고도 한다. 부축상의 각 기어는 축에 고정되어 있으며, 주축상의 각 기어는 축 스플레인에 끼워져 부축 위를 축 방향으로 이동할 수 있도록 되어 있다. 작동 시프트 레버로 주축상의 기어를 선택하여 축 방향으로 움직여 부축상의 기어와 맞물리게 하는 것으로서 가장 간단한 변속 방식이다. 이 방식은 지름이 서로 다른 2개의 기어를 맞물릴 때 원주속도를 잘 맞추지 않으면 물리기가 어려울 뿐만 아니라 기어의 손상 및 소음이 발생하여 이제는 사용하고 있지 않다.

 

2. 상시 물림식

상시 물림식(constant mesh type)은 주축 기어와 부축 기어를 항상 물려 놓고, 주축상의 모든 기어는 공전한다. 변속할 때는 주축과 스플라인으로 결합된 클러치 기어(clutch gear)를 변속레버로서 이동시켜 주축기어의 도그 클러치(dog clutch)와 맞물리도록 하여 주축에 회전력을 전달한다.

이 방식은 지름이 작은 도그 클러치에 물리게 하므로 원주 속도가 적고, 또 양쪽 기어가 모두 같은 잇수이기 때문에 물리기도 쉽고, 또 클러치 기어의 이동량이 적으며 변속 조작도 비교적 쉬워 과거에는 대형 트럭이나 버스 등에 사용되었다. 그러나 도그 클러치 기어가 물리는 순간에는 서로 회전 속도가 다르므로 원활하게 물리지 않으며 소음과 기어 손상이 일어날 위험이 있기 때문에 사용되지 않고 있다.

 

3. 동기 물림식

동기 물림식(synchro mesh type)은 상시 물림식의 도그 클러치 대신에 슬리브(싱크로 메시 시구)를 이용하여 기어의 회전수를 부드럽게 일치시켜 쉽게 물리게 한 방식이다. 즉 이 방식은 상시 물림식에 싱크로메시 기구(슬리브)를 갖게 한 것이다. 현재 자동차의 수동변속기는 이 방식이 적용되고 있으며, 여기에는 키 형식 싱크로 메시, 서보형 싱크로 메시 등이 있다.

 

- 키 형식 싱크로메시

키 형식(synchronizer type)은 싱크로나이저 허브(클러치 허브), 슬리브, 싱크로나이저 키, 키 스프링, 싱크로나이저 링 등으로 구성되어 있다.

① 싱크로나이저 허브(클러치 허브) : 안쪽에 주축이 끼워져 함께 회전한다. 클러치 허브에는 3ㅐ의 싱크로나이저 키가 있으며 키 스프링으로 고정되어 있다.

② 슬리브 : 내측은 스플라인이 절삭되어 있어 싱크로나이저 허브의 바깥둘레와 물려있고, 외측은 기어 시프트 포크가 들어가는 홈이 파져 있다. 시프트 포크에 의해 전후로 움직이며 도그 클러치 역할을 한다.

③ 싱크로나이저 링 : 각 기어에 마련된 싱크로나이징 콘(synchronizing cone)에 끼워 있고 변속을 할 때는 콘과 접촉하여 마찰력에 의해 클러치의 작용을 한다. 일반적으로 싱크로나이저 링 안쪽 면에는 테이퍼를 내어 클러치 기어의 콘부와 같이 경사로 되어 있어 클러치 작용을 하도록 되어 있다.

④ 싱크로나이저 키 : 뒷면에 돌기 부분이 있어 허브에 파여진 3개의 홈에 들어가 싱크로나이저 스프링에 의해 슬리브 안쪽 면에 항상 눌려 있으며 양쪽 끝은 싱크로나이저 링의 홈에 일정한 틈새를 두고 끼어 있다.

 

ⓐ 작동 1 : 셀렉터가 슬리브를 움직이면 싱크로나이저 키가 싱크로나이저 링을 이동시켜 클러치 기어(콘 기어)의 콘 모양 경사면에 밀어붙이게 된다.

ⓑ 작동 2 : 계속해서 슬리브가 움직이면 슬리브의 이와 링의 이가 45도 면에 접촉하여 슬리브의 움직임을 멈추게 하고 회전의 동기작용을 행한다. 이때 키는 슬리브로부터 아래로 빠져서 둥근 모양의 스프링을 밀어붙이게 된다.

ⓒ 작동 3 : 동기작용이 완료되면 회전 차이는 없어지고 링의 슬리브의 진행을 방해는 힘으로 되어 슬리브 변속 기어의 클러치 기어와 물려 싱크로 작동(동기작동)이 완료된다.

 

- 서보형 싱크로메시

키 형식 싱크로메시 기구는 물리는 기어 사이에 클러치를 넣어 회전속도를 동기시키는 것이었다. 그러나 엔진의 회전속도가 높아지면 클러치를 밀어붙이는 힘이 강해야 되므로 가벼운 시프트 조작으로는 불가능하게 된다.

서보형 싱크로메시 기구는 드럼 브레이크의 서보(servo)기구 원리를 이용하여 슬리브와 클러치 사이에 슈(shoe)를 넣어 자기 배력작용에 의해 가벼운 조작력으로 큰 마찰 회전력을 발생시켜 동기 시키는 방식이다.

 

ⓐ 작동 1 : 셀렉터에 의해 슬리브가 이동하면 슬리브 내면의 테이퍼면이 싱크로나이저 테이퍼에 접촉한다. 이때 키와 슬리브의 회전수가 틀리면 그 면에서 미끄럼이 발생하여 싱크로나이저 링이 회전하게 되고, 링이 끊어진 부분은 스러스트 블록(thrust block)의 돌기부에 닿게 된다. 스러스트 블록의 끝단은 브레이크 밴드에 부딪히게 되고, 밴드의 선단은 아래쪽에 있는 앵커 블록(anchor block)에 부딪혀서 멈추게 된다. 앵커 블록은 고정되어 있으므로 브레이크 밴드는 이것을 지지점으로 하여 링의 마찰력으로 밖으로 나가려고 할 때 링과의 사이에 강한 마찰력이 발생한다. 이것이 서보 효과로서 이 마찰력이 발생이 '제 1차 싱크로 작용'이다.

ⓑ 작동 2 : 계속해서 슬리브가 이동하면 슬리브의 테이퍼가 링의 우시면 테이퍼 부분을 압착하므로 마찰 토크는 더욱 커진다. 그러면 링이 스러스트 블록을 움직이는 힘이 커짐에 따라서 밴드에 닿는 스러스트 블록은 밴드와 접촉하고 있는 부분을 지지점으로 하여 바깥쪽으로 열리려고 하고, 이것은 링의 바깥쪽으로 팽창하려는 힘으로 된다. 또한 밴드도 링을 열려고 하여 앵커 블록도 비틀려서 링을 여는 힘으로 되어 마찰 토크는 더욱 커진다. 이것을 '제 2차 서보 싱크로 작용'이라 한다.