변속기에 관한 용어 기어비●무단변속기
2012-06-26  |   49,364 읽음

변속기 (TRANSMISSION)
싱크로메시는 기어의 회전수를 조절해 무리 없는 변속을 가능하게 한다. 자동변속기의 토크 컨버터는 유체를 이용해 동력을 전달하는 장치다. CVT는 벨트나 체인, 롤러 등을 이용해 기어비를 자유롭게 조절하는 변속기의 일종.

기어비•gear ratio
기어(gear)는 우리말의 톱니바퀴에 해당하는 것으로, 바퀴 둘레에 일정한 크기와 간격의 톱니가 촘촘히 만들어져 있는 것을 말한다. 두 개의 기어가 서로 맞닿아 회전하면 각각의 축은 서로 반대방향으로 회전한다. 이때 축의 회전수, 즉 회전속도는 기어의 톱니 개수의 비율에 따라 달라진다. 두 기어의 톱니 수가 같으면 두 축은 같은 속도로 회전한다.
만약 한쪽 축 기어의 톱니 수가 다른 축 기어의 톱니 수보다 적으면 톱니 수가 적은 기어가 물려 있는 축은 많은 기어의 축보다 빠르게 회전한다. 톱니 수의 비율이 2: 1이라면 축의 회전속도는 1 : 2가 된다. 또한 기어의 톱니 수가 많으면 축의 회전속도는 느려지지만 반대로 토크는 높아진다. 이렇듯 회전속도의 차이를 만드는 기어 톱니 수의 비율을 기어비라고 한다.

자동차의 변속기에서 기어비는 엔진의 크랭크샤프트 회전수와 변속기 안에 있는 기어의 회전수 차이, 즉 감속비(減速比)를 뜻한다. 따라서 기어비가 1인 기어는 엔진의 크랭크샤프트와 회전속도 또는 회전수가 같다. 기어비가 1 이상이면 변속기를 거친 출력축은 크랭크샤프트보다 천천히 회전한다. 일반적인 승용차용 휘발유 엔진의 크랭크샤프트는 1분에 600rpm부터 6,000rpm 정도까지 회전하는데, 이 회전수 영역을 유지하면서 속도에 맞게 차의 바퀴를 굴릴 수 있는 충분한 토크를 낼 수 있도록 기어의 단을 몇 개로 할 것인지와 각 단별 기어비가 조절된다.

각 단의 기어비 배치에 따라 차의 주행특성이 달라진다. 각 단의 기어비 간격이 좁은 것을 클로즈 레이쇼(close ratio), 간격이 넓은 것을 와이드 레이쇼(wide ratio)라고 한다. 클로즈 레이쇼 구성은 최대토크를 내는 회전수에 가까운 범위를 최대한 빠르고 효율적으로 쓸 수 있어 스포츠카처럼 빠른 가속성능을 필요로 하는 차에 주로 쓰인다. 반면 와이드 레이쇼 구성은 가속에는 불리한 대신 각 기어 단별로 속도영역이 넓다. 일반 승용차에는 엔진의 출력특성과 차의 성격에 따라 클로즈 레이쇼와 와이드 레이쇼 구성을 적절히 섞은 변속기를 쓴다.

종감속비•final reduction gear ratio
변속기의 기어를 거친 변속기 출력축의 회전수는 엔진회전수와 비교하면 상당히 낮지만, 여전히 속도가 빠르기 때문에 출력축 맨 끝부분과 구동축을 연결하는 부분에 종감속(終減速) 기어를 단다. 이 종감속 기어와 출력축에 달린 기어의 기어비 차이를 종감속비(終減速比)라고 한다. 때때로 최종감속(最終減速) 기어 또는 최종감속비라고 불리기도 한다.
앞 엔진 뒷바퀴굴림차는 양쪽 뒤 구동축으로 구동력을 나누는 디퍼렌셜이 종감속 기어의 역할을 한다. 이 디퍼렌셜 내부에서 회전방향을 직각으로 바꿔주는 베벨 기어(bevel gear)가 조합되어 종감속 기어로 쓰인다. 앞 엔진 앞바퀴굴림차는 출력축과 구동축 방향이 같기 때문에 회전방향이 출력축과 평행인 스퍼 기어(spur gear)가 종감속 기어로 쓰인다.

종감속비는 엔진출력, 차의 무게, 가속성능, 등판능력 등 다양한 성능요소들을 종합적으로 검토해 결정된다. 종감속비가 크면 구동축의 토크가 높아져 가속성능과 등판능력은 좋아지지만 빠른 속도를 내기가 어렵다. 반대로 종감속비가 작으면 빠른 속도를 낼 수 있는 대신 가속성능과 등판능력은 떨어진다. 일반적으로 승용차의 종감속비는 3∼6, 버스나 트럭의 종감속비는 4∼8 정도다.
현대 벨로스터의 수동 6단 변속기의 기어비를 기준으로 엔진회전수와 변속기 출력축의 회전수, 그리고 종감속 기어를 거친 구동축의 회전수를 비교하면 <표1>과 같다.

  <표1> 3,000rpm 때의 출력축, 구동축 회전수
기어  기어비 변속기를 거친 종감속 기어(종감속비 4.27 : 1)를
단수 (: 1) 출력축 회전수(rpm) 거친 구동축 회전수(rpm)
1단  3.62 829 194
2단  1.96 1,531 358
3단  1.37 2,190 513
4단  1.04 2,885 676
5단  0.79 3,797 889
6단 0.69 4,348 1018
후진 3.55 845 238

※ 현대 벨로스터 수동 6단 변속기의 기어비와 엔진회전수

오버드라이브•overdrive
<표1>을 살펴 보면 각 단별 기어비 중 5, 6단은 엔진의 크랭크샤프트 회전수보다 작은 것을 알 수 있다. 이렇게 엔진 크랭크샤프트 회전수보다 작은 기어비(1 이하)를 가진 기어를 오버드라이브 기어라고 하는데, 보통 오버드라이브라고 줄여 부른다. 엔진회전수보다 빨리 회전하는 기어를 두는 이유는 평탄한 길을 달릴 때 엔진회전을 낮추어 소음을 줄이는 동시에 연비를 높이기 위해서다.
엔진이 실제로 내는 출력과 차가 달리는 데 필요한 출력의 차이를 여유출력이라고 하는데, 오버드라이브는 이를 이용한 것이다.

설계와 소재 및 생산기술의 발달로 엔진출력에 여유가 생기고, 석유파동으로 차의 경제성이 중요하게 부각되면서 오버드라이버가 등장하게 되었다. 엔진출력의 여유가 크지 않았던 과거에는 변속기 최고 단수의 기어비가 엔진회전수를 넘지 않았으나 요즘 나오는 차의 변속기들은 최고단 또는 최고단 바로 아랫단의 기어가 오버드라이브인 것이 많다. 즉, 5단 변속기의 5단 또는 4단과 5단이나 6단 변속기의 6단 또는 5단과 6단이 오버드라이브 기어로 만들어지곤 한다.

예전 자동변속기에 오버드라이브 또는 OD로 표시된 버튼이 있어 자동변속기에만 오버드라이브가 있는 것으로 아는 사람들이 있는데, 오버드라이브는 변속기의 종류에 상관없이 달 수 있다. 자동변속기의 오버드라이브 버튼은 추월가속에 유리한 회전수 또는 토크를 활용할 수 있도록 변속기의 오버드라이브를 쓰지 못하도록 제한하는 기능을 한다. 즉, 4단이 오버드라이브 기어인 변속기에서는 3단까지만 쓰도록 하는 것으로, 최고단수로 달릴 때 기어를 한 단 낮추는 기능과 비슷하다고 할 수 있다.

오버드라이브가 엔진회전수보다 구동축 회전수를 빠르게 하는 기어라고는 하지만, 일반 승용차에서 바퀴가 엔진 크랭크샤프트보다 빨리 회전하는 일은 없다. 변속기와 구동축 사이의 종감속 기어가 다시 한번 회전수를 줄여주기 때문이다.

토크 컨버터•torque converter
자동변속기의 핵심이라 할 수 있는 토크 컨버터(torque converter)는 유체를 이용해 동력을 전달하는 장치로, 일반 유체 클러치의 단점을 보완한 것이다.유체 클러치는 안쪽에 날개(격벽)를 단 도넛 모양의 케이스를 반으로 쪼개어, 한쪽은 입력축(크랭크샤프트), 다른 한쪽은 출력축(변속기 쪽)과 연결하고 안에 점성이 있는 유체(오일)를 넣는다. 입력축으로 회전력이 전달되면 케이스가 회전하면서 유체가 입력축에 연결된 케이스의 날개를 따라 회전하고, 이 회전력이 출력축에 연결된 케이스의 날개에 전달되어 출력축을 회전시킨다. 이 방식은 유체의 동력손실이 크기 때문에 요즘의 자동변속기에는 거의 쓰이지 않는다.

토크 컨버터의 기본 구조는 유체 클러치와 비슷하지만, 유체의 동력손실을 줄이기 위해 날개가 달린 스테이터(stator)를 둔 것이 특징이다. 입력축에 연결된 케이스를 펌프 임펠러(pump impeller), 출력축에 연결된 케이스를 터빈 러너(turbine runner)라고 하는데, 스테이터는 펌프 임펠러와 터빈 러너 사이에 자리잡는다.
엔진의 크랭크샤프트가 회전하면 펌프 임펠러도 함께 회전해, 오일이 펌프 임펠러 안쪽의 날개에 의해 밀려 회전하고, 이로 인해 발생된 원심력으로 오일 전체가 바깥쪽으로 밀리게 된다. 바깥쪽으로 밀려나는 오일은 터빈 러너 쪽으로 움직여 회전력을 전달한다. 터빈 러너를 회전시킨 오일은 다시 터빈 러너 안쪽 날개를 따라 스테이터를 향하고, 이때의 반발력이 터빈 러너의 날개를 더 강한 힘으로 밀게 된다.

터빈 러너의 회전이 빨라지면 오일의 흐름이 스테이터 날개의 등 부분에 부딪쳐 스테이터를 터빈 러너와 같은 회전방향으로 민다. 이때 오일의 점성에 의해 터빈 러너에 비해 스테이터가 느리게 돌면 터빈 러너는 펌프 임펠러보다 상대적으로 높은 토크로 회전하게 된다. 스테이터는 오일이 움직이는 에너지를 흡수해 토크 컨버터 안에서 오일의 순환을 돕는다. 이 스테이터가 토크를 높이기 때문에 토크 컨버터가 유체 클러치보다 동력손실이 적다.

싱크로메시•synchromesh
싱크로메시(synchromesh)는 흔히 싱크로라고도 불린다. 수동변속기에서 변속은 톱니수가 다른 기어를 서로 연결시키는 동작으로 맞물리는 기어를 바꿈으로써 출력축의 회전수를 조절하는 것이다. 그러나 회전속도가 서로 다른 기어를 맞물리게 하다 보면 톱니가 제대로 맞지 않아 튕겨져 나오거나 맞물리더라도 큰 소리가 나고, 기어가 손상을 입는 문제가 있다. 이 때문에 예전에는 깔끔한 변속을 돕는 더블 클러치(double clutch) 기술을 많이 쓰곤 했다. 더블 클러치는 기어를 아랫단으로 변속할 때 먼저 중립에 놓고 액셀러레이터를 밟아 회전수를 맞춘 다음 아랫단으로 연결시키는 것을 말한다. 그러나 싱크로메시가 개발되면서 이런 특별한 기술 없이도 무리 없는 변속이 가능하게 되었다.

싱크로메시에서는 회전수를 맞추기 위해 회전축의 회전을 동기화하는 싱크로나이저(synchronizer)를 쓴다. 즉, 변속 기어 앞에 동력을 연결하거나 끊을 수 있는 클러치 기어를 두고, 이 클러치 기어 앞에 클러치 기어와 슬리브(sleeve) 사이를 오가는 싱크로나이저 링을 둔 뒤 슬리브를 움직임으로써 변속을 하게 된다. 즉, 변속을 위해 기어레버를 조작하면 슬리브가 움직이면서 슬리브의 톱니가 먼저 싱크로나이저 링의 톱니와 맞물린다. 조작이 계속되면 슬리브의 톱니가 싱크로나이저 링의 톱니와 맞물린 상태로 클러치 기어 쪽으로 움직인다. 클러치 기어와 싱크로나이저 링의 맞닿는 면은 매끈하기 때문에 싱크로나이저 링이 클러치 기어 쪽으로 가까이 갈수록 마찰이 커지면서 결국 두 기어의 회전수가 같아진다.

록업 클러치•lock-up clutch
토크 컨버터가 유체 클러치보다 동력손실이 적기는 하지만 직접 연결되는 것이 아니기 때문에 어느 정도의 동력손실이 생긴다. 이것을 막아주는 장치가 록업 클러치(lock-up clutch)다.
록업 클러치는 일정한 속도에 이르면 클러치가 입력과 출력 측을 기계적으로 연결해 동력을 전달하는 방식이다. 이렇게 되면 펌프 임펠러와 터빈 러너가 직접 연결되는 형태가 되어 동력손실이 줄어든다. 예전에는 회전수에 따라 오일 흐름이 자동적으로 바뀌어 클러치를 작동시켰지만 최근에는 컴퓨터를 이용해 록업 클러치를 작동시키는 자동변속기가 보편화되고 있다.

킥다운•kick-down
자동변속기가 달린 차에서 추월 등을 위해 빠른 가속을 원할 때, 액셀러레이터를 끝까지 밟으면 자동으로 기어가 한 단 아래로 내려가는 것을 킥다운이라고 한다. 발로 차듯(kick) 강하게 페달을 밟아 기어를 한 단 내린다(down)는 뜻으로, 추월할 때 많이 쓴다고 해서 패싱 기어(passing gear)라고 표현하기도 한다. ‘퀵다운’으로 잘못 알고 있는 사람들이 많은데 킥다운이 정확한 표현이다.

크리프 현상•creep development
자동변속기의 특성 중 하나로 크리핑(creeping)이라고도 한다. 크리프(creep)는 ‘기다, 포복하다’ 등의 뜻을 가진 영어 단어로, 기어를 D 또는 R 레인지에 두었을 때 액셀러레이터를 밟지 않아도 차가 천천히 움직이는 현상을 말한다.
자동변속기는 엔진이 공회전하고 있더라도 토크 컨버터가 작동하고 있기 때문에 약하게나마 변속기 액이 토크를 구동축에 전달하는데 이로 인해 크리프 현상이 일어난다. 차가 서행하거나 주차를 위해 차를 천천히 움직여야 할 때는 편리하지만, 정체로 차들이 밀집되어 있을 때 브레이크 페달을 제대로 밟지 않으면 추돌사고가 일어날 수 있으므로 주의해야 한다.

무단변속기•CVT
흔히 무단변속기로 알려진 CVT는 ‘Continuously Variable Transmission’의 머릿글자를 가져온 것. 일반 변속기의 기어비에 해당하는 크랭크샤프트와 출력축의 회전비를 비교적 자유롭게 조절하는 변속기를 말한다. 가변직경 풀리(Variable Diameter Pulley, VDP) 방식과 롤러 방식의 CVT가 대표적이다. 이 중 VDP 방식이 널리 쓰이고 있으며, 롤러 방식 CVT는 엑스트로이드(Extroid) CVT라는 이름으로 닛산에서 일부 차종에 쓴 바 있다.

VDP 방식 CVT는 금속벨트나 체인으로 두 개의 풀리(pulley, 도르래)를 연결한 것이다. 각각의 풀리는 원뿔을 마주 붙인 것과 비슷한 형태로, 안쪽의 지름이 작고 바깥쪽의 지름이 크다. 크랭크샤프트와 연결된 입력축 풀리에서는 풀리가 회전하는 원심력 또는 전자적으로 제어되는 서보 모터 등에 의해 체인 또는 벨트가 풀리의 안쪽과 바깥쪽을 움직인다. 체인의 길이가 일정하기 때문에 입력축 풀리 쪽의 지름이 커지면 출력축 풀리의 지름은 커지고, 입력축 풀리 쪽의 지름이 작아지면 출력축 풀리의 지름도 작아진다.

롤러 방식의 CVT는 입력축과 출력축에 풀리 대신 풀리를 반으로 잘라놓은 모양의 디스크를 달고, 두 디스크 사이의 구동력을 전달하는 매체로 벨트나 체인 대신 롤러를 이용한다. 롤러는 두 디스크 사이에 비스듬히 물려 있어 전자유압식으로 롤러의 각도를 바꿈에 따라 입력축에서 회전축으로 전달되는 회전수가 달라진다.

반자동 변속기•Semi Automatic Transmission
전자제어 기술이 발달하면서 자동변속기의 조작편의성과 수동변속기의 손실 없는 동력전달이라는 장점을 고루 갖춘 변속기들도 속속 등장하고 있다. 대표적인 것으로 BMW의 SMG(Sequential M Gearbox)와 폭스바겐의 DSG(Direct Shift Gearbox)를 들 수 있다.
두 변속기 모두 수동변속기에 바탕을 두고 있지만 구현방법에 차이가 있다. 이들 변속기는 기어레버 또는 스티어링 휠의 변속 패들을 조작하면 전자제어되는 유압장치가 재빨리 클러치를 조작한다. 이 때문에 클러치 페달이 없어 운전자는 자동변속기처럼 차를 몰 수 있다.

SMG는 일반적인 수동변속기와 마찬가지 구조로 클러치가 한 개다. 그러나 DSG는 빠른 변속을 위해 변속기의 회전축을 두 개로 나누고 각각의 회전축 끝에 클러치를 달았다. 즉 두 개의 변속기를 평행으로 물려놓은 것과 같은 구성이다. 한쪽 회전축은 후진을 포함한 홀수 단의 기어가, 다른 한쪽 회전축은 짝수 단의 기어가 물려 있다. 순차적인 변속에 있어서는 한쪽 기어가 물려 있는 상태에서 미리 준비하고 있던 다음 단의 기어가 재빨리 물리기 때문에 변속 속도가 일반 수동변속기보다 훨씬 빠르다. BMW는 SMG 대신 듀얼 클러치 방식의 M-DCT를 선보였으며 포르쉐 역시 PDK(Porsche Doppelkupplungsgetriebe)를 개발하는 등 듀얼 클러치 반자동 변속기의 보급이 늘어나고 있는 추세다. 

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위쪽 그림에서 톱니 수가 같은 두 기어는 같은 속도로 회전하지만, 아래 그림에서 톱니 수가 큰 기어의 2분의 1인 작은 기어는 큰 기어의 2배 속도로 회전한다혼다 시빅 타입R의 6단 수동변속기 기어레버. 최고단수인 6단과 5단에 오버드라이브 기어가 쓰였다토크 컨버터를 분해한 모습. 오른쪽 아래에 있는 바람개비 모양의 원판이 동력손실을 줄이는 스테이터다두 개의 클러치를 사용하는 폭스바겐 DSG는 재빠른 변속과 높은 효율이 장점이다듀얼 클러치 변속기는 두 계통의 기어 조합을 가진다포르쉐의 반자동 변속기 PDK. 고성능차에서도 반자동 변속기가 일반화되고 있다CVT는 벨트와 가동식 풀리를 이용해 기어비를 자유자재로 조정한다닛산 페어레이디Z의 7단 자동변속기