변속기
변속기(transmission)는 자동차가 엔진에서 만들어지는 동력을 바퀴에 전달해서 움직이는 과정에서 동력을 효율적으로 전달할 수 있도록 하는 장치이다. 영어로 트랜스미션이라고 한다. 변속기는 회전수나 방향을 바꿀 수 있는데, 이는 변속기 안에 크고 작은 톱니바퀴들이 들어 있기 때문이다.[1]
개요[편집]
변속기는 각종 엔진에서 발생하는 동력을 달라지는 속도에 따라 회전력 또한 바꾸어 주는 변속 장치로 크기가 서로 다른 기어를 맞물림으로써 기관의 속도와 힘을 조절할 수 있다. 엔진에서 만들어지는 동력은 바퀴와 바로 연결되지 않는데, 엔진을 직접 바퀴에 연결하게 되면 출발을 원하는 힘보다 부족하게 되어 출발할 수 없게 되기 때문이다. 변속기는 엔진과 바퀴 사이에 위치한다. 변속기를 사용하는 이유는 변속기는 처음 출발부터 고속으로 주행할 때까지 회전수가 일정하지 않기 때문에 엔진 회전수는 그대로 두고 변속기 조작만으로 속도가 빨라지거나 느려질 수 있다. 출발할 때는 가장 낮은 변속기어 1단 기어를 사용한다. 그 이유는 낮은 기어일수록 힘을 얻고 속도는 느려지기 때문이다. 그리고 점점 더 속도가 증가해 나감에 따라 더 높은 기어로 변속기어를 바꾸어 가며 속도를 유지하도록 한다. 주행 상황에 따라 엔진 회전수와 속도 사이에 최적의 비율을 찾아내는 것도 변속기의 역할이다. 또한 후진해야 할 경우에는 회전 방향 자체를 바꿔줘야 한다.[1][2]
역사[편집]
변속기는 자동차와 거의 동시에 만들어졌다. 최초의 휘발유 자동차에도 1단이지만 두 개의 도르래를 사용하여 구동하는 벨트 구동 방식의 변속기가 그 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)가 만든 최초의 가솔린 자동차에 들어갔다. 이 변속기는 엔진에 동력을 전달하거나 끊어주어 동력을 효율적으로 전달하는 역할을 수행할 수 있었고 회전수를 바꾸는 역할은 잘하지 못했다. 본래 자동차는 계속해서 정지를 할 때마다 시동을 걸어줘야 하는 문제점이 있었는데, 이를 해결하였다. 그리고 다임러(Daimler AG)의 자동차는 메르세데스-벤츠가 만든 자동차와 달리 변속기가 한 개를 더 넣어서 자동차를 만들었는데 그래서 메르세데스-벤츠가 만든 자동차보다 속도가 더 빠를 수 있었다. 여기서 더 상용화를 하고 보편화 시키려면 쉽지 않았고 시간이 더 걸려야 했다. 프랑스 자동차 회사인 피나르 르바소(Panhard Levassor) 앞에 나왔던 자동차들과 달리 더 혁신적인 자동차를 개발했다. 이 자동차는 앞의 메르세데스-벤츠와 다임러의 자동차와 구조조차 달랐는데 엔진을 자체 앞에 장착을 하고 변속기로 뒷바퀴를 구동시키는 방식을 사용했다. 이 방식은 현대에 자주 쓰이는 전형적인 방식이다. 그리고 엔진에서 발생하는 힘을 효율적으로 쓰기 위하여 엔진의 동력을 나눌 수 있도록 하였다. 이는 오늘날의 변속기 개념이다. 또 이때 당시 변속기는 기어가 2단이 최대였는데, 점차 기어 단수도 늘렸다. 당시 수동변속기를 계속 써왔는데 수동변속기는 불편하여 빠르게 자동변속기가 만들어졌다. 자동변속기는 1908년 포드(Ford)에서 처음으로 적용되었다. 모델 이름은 모델T였는데 여기에 적용이 된 자동변속기는 저속과 고속으로 된 2단 유성기어 방식이 만들어졌다. 이 방식은 각 기어가 중심에 있는 기어 주변을 회전하면서 동력을 전달하는 방식이다. 다른 모델에 비해 이 자동변속기가 적용이 된 자동차는 상대적으로 변속이 쉬웠다고 한다. 따라서 이 포드에서 만든 자동차는 대중적인 자동차가 되었다.
오늘날과 유사한 자동변속기는 크라이슬러(Chrysler Corporation)가 만든 변속기이다. 크라이슬러는 유체 클러치 방식의 변속기를 도입했다. 이 유체 클러치 방식의 변속기는 오늘날 대부분의 자동변속기에 사용되는 토크 컨버터의 초기 구조에 가까웠다. 그 후 더 발전된 형태는 1939년 세계 최초의 양산형 자동변속기인 하이드라매틱(Hydra-Matic)이다. 이 양산형 자동변속기는 제너럴모터스(General Motors) 최초로 선보였다. 이 변속기는 연비와 효율성은 떨어지는 대신 출발했을 때 좋은 승차감을 느낄 있도록 하여 호평을 받았다. 1956년에는 하이드라매틱보다 더 성능을 개선해 제타웨이 하이드라매틱(Getaway Hydra-Matic)을 선보였다. 변속은 훨씬 부드러워졌고 주차기어인 p기어도 처음 도입되었다. 이후 다른 자동차 회사들도 너 나 할 것 없이 자동변속기 개발에 매진하였고, 본격적으로 1960년대에 대중화되었다. 1970년대에는 석유파동으로 유가가 급등하여 자동차는 연비 위주로 개발이 되었다. 자동변속기 또한 연비 위주로 개발이 되었다. 연비를 높여 주고 4단 이상 기어 변화가 가능하도록 변화하였다. 그리고 자동차에 전자제어가 도입되고 자동변속기도 정교한 제어가 가능하게 되었다. 그 이후 변속기의 다단화가 이뤄졌다. 비엠더블유(BMW)는 2002년 6단 자동변속기를 탑재한 자동차 출시했고, 1년 뒤 다임러는 7단 자동변속기를 출시했다. 이 기술도 4년만인 2007년 토요타(Toyota Motor Corporation)가 8단 자동변속기를 장착하면서 최고 단수 기록을 갈아치웠다. 2013년에는 다시 독일의 ZF 프리드리히스하펜(ZF Friedrichshafen)에서 9단 자동변속기를 공개했고, 다임러도 뒤를 이었다. 이처럼 변속기의 다단화는 최근 자동차 업계의 트렌드가 되었다. 기어비 간격이 촘촘해질수록 엔진의 최대 회전수를 유지하는 데 유리하기 때문이다. 주행 안정성과 승차감 또한 향상이 된다. 2개의 변속기를 장착한 듀얼클러치도 변속이 빠르고 부드러운 자동변속기로 널리 사용되고 있다. 최근 전기자동차 시대에 접어들고 있는데, 자동변속기도 새로운 변화가 시작되었다. 그 변화는 전기모터는 처음부터 최대 토크를 발휘하기 때문에 변속기 도움 없이도 차량 출발이 가능하다. 또한 내연기관보다 최대 회전수가 높기 때문에 실용 구간에서 변속이 필요하지 않게 되었다.[1]
종류[편집]
수동변속기[편집]
수동변속기(Manual Transmission)는 자동차 변속을 수동으로 하는 변속기로 차가 주행할 때 운전자가 속도에 따라 직접 기어를 조작해야 한다. 클러치를 밟아 자동차의 동력을 끊고 변속기 레버를 조작하여 기어의 단수를 올리고 액셀을 밟고 다시 동력을 발생시키는 과정을 직접 해야 한다. 즉 운전자가 직접 동력을 끊고 원하는 기어를 선택하고 다시 동력을 이어주는 조작을 한다. 조작이 불편하고 계속 사람이 작동을 하므로 장시간 운전을 했을 때 힘이 들다. 하지만 동력 전달이 뛰어나고 단순한 구조를 가지고 내구성이 높아 변속기의 원리가 된다. 수동변속기의 원리는 먼저 자동차는 계속 일정하게 앞으로만 주행하지 않고 중간중간 동력 전달도 끊고 후진을 할 때는 회전 방향을 바꿔야 한다. 이때, 자동차의 동력을 끊는 장치를 끊는 장치를 클러치라 하고, 운전자가 클러치를 발로 조정하면서 손으로 변속 레버를 직접 조작한다. 동력은 플라이휠에서 시작해 클러치, 변속기 순으로 전달된다. 클러치가 엔진과 변속기 사이에서 동력을 연결하거나 차단한다. 클러치를 밟고 있을 때는 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크가 떨어지게 되는데, 이렇게 되면 동력을 전달하지 않는다. 그리고 클러치에 밟지 않을 때는 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크, 클러치 압력판이 결합하면서 엔진의 회전력을 변속기로 보내 된다.[3][4]
자동변속기[편집]
자동변속기(Automatic Transmission)는 수동변속기와 달리 속도나 엔진 회전수에 따라 변속비를 변속기가 스스로 바꾸는 기능을 갖춘 변속기로 클러치와 변속기의 작동이 자동차의 속도나 부하에 따라 자동으로 이루어지는 장치이다. 즉, 차가 주행함에 따라 속도가 달라지는 데 그 달라지는 속도에 따라 기어가 자동으로 조작되는 변속기이다. 자동변속기의 변속 레버에는 조작 위치가 있으며, 자동차의 주행 상태에 따라서 레인지라고 불리는 조작 위치를 변경해야 한다. 현재 자동변속기 차량 중에서는 버튼 형식으로 되어있는 자동변속기를 가진 차도 있다. 자동변속기는 조작하는 데 어려움이 없고 승차감이 좋다는 장점이 있다. 자동변속기는 유체씩 토크 컨버터, 밸브 바다밸브바디, 마찰클러치 등으로 변속을 하게 되는데, 엔진과 변속기 사이에서 토크컨버터가 유체를 통해 힘을 전달하기 때문에 운전자 아무것도 하지 않아도 시동을 유지할 수 있다. 그렇기 때문에 따로 클러치 조절을 하지 않아도 된다. 하지만 수동변속기와 비교했을 때 부품 수가 많고 구조가 복잡하여 동력 전달의 효율이 낮으며, 부피가 크고 무겁다는 단점이 있다.
자동변속기의 구동 원리는 엔진 회전, 차량 속도 등을 차량 스스로가 감지해서 차량 소비되는 동력에 따라서 자동으로 변속하는 방식이다. 그리고 토크컨버터, 오일펌프, 유압 클러치, 유성 기어 세트, 회전 센서, 감속 기어, 밸브 바다 및 자동변속기 컨트롤 유닛(TCU; Transmission Control Unit)로 구성되어 있다. 자동변속기의 구성은 수동변속기보다 많기 때문에 구조도 훨씬 복잡해진다. 변속 단은 유성 기어 시스템과 습식 다판 클러치로 구성되어 있는데, 각 변속 단에 해당하는 클러치, 브레이크를 유압 시스템으로 결합하고 해제하면 연결된 유성 기어가 작동하게 되는 것이다. 자동변속기는 변속기가 붙어 있는 방식에 따라 전륜 자동변속기 그리고 후륜 자동변속기로 나누어진다. 전자는 다축의 구조를 사용하는데, 그 이유는 엔진룸에 레이아웃을 구성하기 때문에 좌우 전장의 제약이 커 바퀴로 구동력을 전달하기 위해서이다. 그리고 후륜 자동변속기는 동일 축 상에 부품을 구성하여 후륜 측으로 구동력을 전달한다.[5][6]
자동화 수동변속기[편집]
자동화 수동변속기(Automatic Manual Transmission, AMT)는 뛰어난 효율의 수동변속기를 자동화시킨 변속기이다. 자동화 수동변속기는 자동화된 과정과 구조에 따라 몇 가지의 갈래로 나뉜다. 클러치를 밟고 떼는(동력의 단절과 전달) 과정까지만 자동화한 경우도 있고, 다음 단수로 변속하는 과정까지 포함하여 자동화한 경우가 존재한다. 전자의 경우에 해당하는 것은 이른 바 '세미오토'라 불리는 클러치 없는 수동변속기의 형태다. 다른 하나로는 시퀀셜 방식 수동변속기에 도그 클러치(Dog Clutch)를 이용한 경우다. 이는 빠른 기어변속과 즉각적인 동력 전달을 최우선으로 하는 경주용 자동차나 일부 초고성능차들을 위한 형태다. 일반적인 승용차에서 가장 널리 사용되는 자동화 수동변속기는 동력의 단절 및 전달 과정과 변속까지 모두 자동화한 형태다. 이러한 방식으로 작동하는 형태는 크게 두 가지가 있는데 그 중 하나는 일반적인 동기치합식 수동변속기에 클러치 및 기어단수를 자동으로 제어하는 방식이다. 그리고 나머지 하나는 듀얼클러치 방식이다. 일반적으로 자동화 수동변속기는 전자의 경우를 말한다.[7]
듀얼클러치[편집]
듀얼클러치(Dual Clutch Transmission, DCT)는 수동변속기의 이점과 자동변속기의 이점을 더한 기술이라 할 수 있는데, 엔진의 동력을 전달받아서 움직이는 자동차는 오르막길을 주행하거나 고속도로를 주행하는 상황이 있는데, 주행 상황과 운전자의 의지에 따라 필요한 속도와 구동력이 다르므로 그것에 맞게 기어를 변경해야 할 때 듀얼클러치는 두 개의 클러치를 사용하여 연속적인 변속으로 인해 부드러운 주행과 빠른 변속을 가능하게 해 준다. 또한 수동변속기 구조를 기반으로 하므로 연비 및 가속 성능 또한 우수하다. 현재 전 세계적으로 듀얼클러치에 대한 요구가 늘어가고 있다. 그 이유는 듀얼클러치를 장착한 차량은 자동변속기를 탑재한 차량보다 에너지 손실이 적어 수동변속기와 동등한 수준의 연비를 구현할 수 있기 때문이다. 그리고 2개의 변속기가 번갈아 움직이는데, 이 장점으로 어느 쪽 클러치든 간에 거의 항상 엔진과 연결된 상태가 유지된다.[6]
무단변속기[편집]
무단변속기(Continuously Variable Transmission, CVT)는 한국어로 연속 가변 변속기로, 무단 변속기라고도 불리는데 그 이유는 정해진 단계로만 기어비를 제어할 수 있는 다른 변속기들과는 다르게 일정 범위 내에서 기어비를 무한대에 가까운 단계로 제어할 수 있기 때문이다. 연속 가변 변속기는 변속들 중에서 가장 경제성이 우수한데 그 이유는 차량의 속도에 따라 가장 효율적인 RPM으로 엔진을 구동시키기 때문이다. 여러 가지 다양한 방식의 연속 가변 변속기가 연구되어 왔지만, 현재 제일 많이 쓰는 방식은 벨트 구동 방식과 마찰 방식이 가장 많이 사용되고 있다. 벨트 구동 방식은 두 개의 도르래가 있다 이 도루래 사이에 벨트를 걸어 동력을 전달한다. 이때 동력을 전달하는 과정에서 도르래의 지름을 바꾸어 기어비를 조절한다. 낮은 속도에서의 서는 엔진 쪽 도르래의 지름을 바퀴 측 지름보다 작게 만들어 바퀴 쪽 도르래에 큰 힘이 전달될 수 있도록 하고, 빠른 속도에서는 각 도르래의 지름 크기를 반대로 만들어 고속의 회전이 가능하도록 해 준다. 이 도르래는 양쪽 면 사이의 거리를 유압으로 조절하는 구조로 되어 있다. 양면을 좁히면 벨트가 도르래 바깥쪽에 걸리고, 양면을 넓히면 벨트가 도르래 안쪽에 걸려 도르래의 지름이 작아지는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 두 개의 도르래를 서로 반대로 제어하면 원하는 기어비를 얻을 수 있게 된다. 마찰 방식은 2개의 마찰 판을 마주 보게 하고, 그 사이에 동력을 전달하는 롤러로 구성되어 있다. 롤러의 회전축은 각도를 바꿀 수 있는데, 이 회전축의 각도에 따라 두 마찰 판의 기어비가 결정된다.[8]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈자동변속기〉, 《위키백과》
- 〈연속 가변 변속기〉,《위키백과》
- 〈수동변속기〉, 《나무위키》
- 〈변속기〉, 《네이버 지식백과》
- 〈수동변속기〉, 《네이버 지식백과》
- 〈자동차 구동의 핵심, 변속기의 모든 것 작동원리부터 끊임없는 변혁까지〉, 《HMG 저널》
- 이상우 문화평론가, 〈엔진의 힘을 전달하는 변속기의 역사〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-18
- 〈자동차 변속기 총정리! 이것만 알면 된다!〉, 《모토야》, 2021-06-11
같이 보기[편집]
