자동차공학)동력전달장치 자동변속기

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 자동변속기에 대하여 알아보자.

자동변속기(AT, Automatic Transmission)는 운전자가 가속 페달을 밟는 정도에 따라 자동적으로 차량속도에 따른 최적의 회전력을 얻도록 최적의 기어비가 선정되도록 변속하는 장치로서 토크 컨버터, 유성 기어 장치, 변속 제어 기구로 구성되어 있다. 토크 컨버터는 클러치와 변속기의 기능을 동시에 모두 갖고 있고 토크비를 최대 2 ~ 3배까지 증가시킬 수 있다. 그러나 토크 컨버터만으로는 발진시나 등판길 등에서 구동바퀴가 필요로 하는 회전력을 얻을 수가 없다. 또 자동차는 후진 등의 작용도 필요하므로 보조 변속기가 필요하다. 보조 변속기로는 자동적으로 변속하는 유압 제어 기구를 가지고 있고 변속비를 크게 취할 수 있는 유성 기어 장치가 사용된다.

 

1. 유성 기어 장치

2. 자동변속기의 제어요소

3. 변속제어기구

 

1. 유성 기어 장치

유성 기어(planetary gear) 장치는 유성(planet)의 운동으로서 기어의 자전과 공전을 이용하여 변속하는 장치이다. 이것은 등판길 주행 시에 토크 컨버터와 결합하여 부족한 토크를 보조해 주는 변속기구로 이용된다. 간단한 유성 거이는 선기어(sun gear), 링 기어(ring gear), 유성 캐리어(planetary carrier)의 3가지로 구성되어 있다. 선 기어와 링 기어 사이에 유성기어(유성 피니언, planetary pinion)를 넣어 유성 캐리어로서 지지하면서 서로 물려 있고, 링 기어의 바깥쪽은 밴드 브레이크(band brake)가 있다.

 

- 유성 기어의 작동원리와 기어비

유성 기어는 자동차의 운전조건에 따라 컴퓨터에 의해 3개의 기어 중 하나를 고정하고 다른 2개를 입력과 출력 축으로 작동시키면 증속, 감속, 역회전을 만들 수 있다. 예를 들어 감속은 밴드 브레이크로 링 기어를 고정시켜 행하는데  이때 피동 측 유성 캐리어의 회전속도는 구동 측 선 기어보다 낮게 된다.

구분	고정기어	입력기어	출력기어	회전 속도
감속	링 기어(D)	선 기어(A)	유성 캐리어(C)	nc = (ZA X nA) / (ZA + ZD)
증속	선 기어(A)	유성 캐리어(C)	링 기어(D)	nd = (ZA + ZD) X nC / ZA
역전감속	유성 캐리어(C)	선 기어(A)	링 기어(D)	nd = -ZA X nA / ZD

* 유성 기어 장치 작동원리 (기어 A, B, D기어의 잇수를 각각 ZA, ZB, ZD라 하고, 회전속도를 nA, nB, nC라 하자.)

 

- 유성 기어의 종류

단순 유성 기어식과 복합 유성 기어 식이 있다.

① 단순 유성 기어식 : 선 기어와 링 기어 사이에 1개의 유성 기어로 구성된 싱글 피니언식(single pinion type)과 2개의 유성 기어로 된 더블 피니언식(double pinion type)이 있다.

② 복합 유성 기어식 : 싱글 피니어식 2개를 선 기어를 공동으로 결합한 심프슨식(Simpson type)과 싱글 피니언과 더블 피니언을 결합한 라비뇨식(Ravigneaux type)이 있다.

 

2. 자동변속기의 제어요소

자동변속기의 제어는 유성 기어 장치로 행한다. 유성 기어 장치는 다판식 클러치, 다판식 브레이크, 밴드 브레이크, 원웨이 클러치로 구성되어 변속비의 조절과 전, 후진을 행할 수 있다. 그러나 유성 기어가 1개이면 변속은 1단밖에 할 수 없다. 따라서 유성 기어는 다단으로 조작해야 되므로 심프슨식이나 라비뇨식이 결합되어 구조가 복잡하다.

FF 차량과 FR 차량의 유성기어 장치의 레이아웃은 다르지만 작동은 동일하다. 

 

- 제어요소

① 클러치 : 습식 다판식이며 다이렉트 클러치(direct clutch), 프론트 클러치, 리어 클러치 등 3조의 클러치를 사용하여 동력을 전달하거나 차단한다.

② 브레이크 : 저속, 후진 등에 밴드 브레이크를 사용하여 유성기어 유니트를 고정하는 장치이다.

③ 원웨이 클러치 : 유성 기어 유니트를 한 방향으로만 회전하도록 고정하는 장치이다.

 

3. 변속제어기구

변속제어기구는 자동차의 주행속도, 부하 및 변속 레바의 위치에 따라 자동적으로 유성 기어 유니트에 브레이크(변속기 내에서도 회전을 멈추게 하는 것)나 클러치(회전을 단속하는 것) 작동을 하게 하거나 해제시켜 자동차가 원활한 주행이 이루어지도록 변속 조작하는 기구로서 유압 제어장치를 사용하고 있다. 제어에는 유압식과 전자식이 있다. 유압식에 대하여 알아보자

 

- 유압식

유압 제어장치는 오일펌프에서 발생한 유압을 제어밸브에서 일정한 유압으로 바꾸는 매뉴얼 밸브, 거버너 밸브, 스로틀 밸브 등의 신호에 따라 자동 변속기의 각 클러치와 유성 기어의 브레이크 등에 배분, 압송하여 변속조작을 한다. 또한 토크 컨버터나 각 윤활부에도 보내 냉각과 윤활작용을 한다. 각 부품의 기능은 아래와 같다.

 

① 오일펌프 : 오일펌프는 유압을 발생시키는 장치로 토크 컨버터 뒤의 출력 축에 설치되어 토크 컨버터에 의해 구동된다. 운전조건에 필요한 오일을 공급한다.

② 압력 조정 밸브 : 오일펌프에서 발생한 유압을 항상 일정한 유압으로 조정하고, 엔진이 정지하였을 때 토크 컨버터에서 변속기의 오일이 역류하는 것을 방지하는 작용을 한다.

③ 매뉴얼 밸브 : 운전석에 있는 변속 레버의 조작을 유압으로 바꾸는 밸브이다.

④ 거버너 밸브 : 엔진의 출력 축에 결합되어 출력 축의 회전수에 따라 축의 원심력이 변화하는 것을 이용하며, 차의 속도에 적합한 유압(거버너 압력)을 얻기 위한 밸브이다.

⑤ 스로틀 밸브 : 운전자가 가속 페달을 밟는 정도에 따라 스로틀 압력을 발생하는 밸브이다.

⑥ 시프트 밸브 : 유성 기어의 각 요소에 변속기구를 주행 속도 및 엔진 부하에 따라 자동적으로 변속하는 작용을 하도록 유로를 개폐하며 1↔2, 2↔3, 3↔4 시프트 밸브로 구성되어 있다.

 

- 시프트 록(shift lock)

시프트 록 장치는 브레이크 페달을 일정량 이상 밟아주지 않으면 변속 레버가 'P(파킹)' 위치에서 이동되지 않도록 해주는 일종의 안전장치이다. 자동벼속기 차량은 시동 시 예기치 못한 차량 사고 등을 방지하기 위하여 'P(파킹)'와 'N(중립)' 위치에서만 시동이 걸리도록 설계되어 있다. 또한 전진이나 후진단에서 변속레버(시프트 레버)가 위치하더라도 시동 켜짐 없이 브레이크 페달을 밟음으로써 정지상태를 유지할 수 있다. 물론 전진이안 후진단에서 브레이크 페달을 밟지 않으면 차량은 서서히 움직인다. 이러한 상태를 자동 변속시스템에서 크립(creep) 상태라고 한다.

시프트 록 장치가 장착되어 있는 차량은 브레이크 페달을 밟지 않은 상태에서 'P(파킹)' 위치에서 다른 위치로의 변속 레버 조작이 절대 불가능하므로 항상 차량을 완전히 정지한 상태에서 안전하게 출발시킬 수 있다.