종감속기어

종감속기어(final reduction gear)는 추진축에서 받은 동력을 직각에 가깝게 바꾸어 뒤차축에 전달하고, 최종 감속을 통해 회전력을 증대시키기 위해 설치하는 감속기이다.

개요

종감속기어(final reduction gear)는 추진축에서 받은 동력을 직각에 가깝게 바꾸어 뒤차축에 전달하고, 최종 감속을 통해 회전력을 증대시키기 위해 설치하는 감속기이다. 쉽게 말하자면, 최종적으로 바퀴에 전달되는 토크를 전달해주면서 마지막으로 일정한 토크,속도비로 감속을 해주는 장치이다. 종감속기어는 최종감속장치, 종감속장치라고도 하며, 자동차의 추진축에서 받은 동력을 직각에 가까운 각도로 바꾸어 뒤차축에 전달하고, 기관의 출력이나 바퀴의 무게·지름 등에 따라 알맞은 감속비로 감속해 회전력을 높이는 역할을 한다. 주행 중에 회전을 하거나, 길 바닥이 고르지 않아 좌우 바퀴에 회전 차가 생길 때 자동차가 제대로 회전할 수 있도록 설치하는 차동기어장치와 함께 액슬 하우징에 설치된다. 구동 피니언(pinion)과 링기어로 구성되는데, 현재는 스파이럴 베벨 기어와 하이포이드 기어가 주로 사용된다. 최종감속기어의 링기어 톱니 수와 구동 피니언 톱니 수의 비를 최종감속비(final reduction gear ratio)라고 한다. 차량의 무게, 엔진 출력, 가속력, 등판력, 바퀴의 무게·지름, 가속도 등에 따라 최종감속비가 달라진다. 보통 몸체가 크고 무거운 차량일수록 최종감속비도 크다. 따라서 차량의 바퀴를 지름이 크고 무게가 더 무거운 것으로 바꿀 경우에는 늘어난 바퀴의 지름 비율만큼 최종감속비도 늘려 주는 것이 좋다.

이해

기관에서 발생된 동력은 변속기에서 변속과 동시에 토크 변환이 되어 전륜 구동형 자동차의 경우 드라이브 라인을 통하여, 후륜 구동형 자동차는 추진축을 통하여 구동바퀴로 전달된다. 그러나, 기관에서 발생된 동력을 변속기의 변속 비만으로는 구동 바퀴에서 충분한 구동력을 얻을 수 없으므로 변속기와 구동 바퀴 사이에 다시 한번 감속을 시켜 구동력을 키움과 동시에 동력 전달 방향을 직각 또는 이에 가까운 각도로 적절하게 바꾸어 준다. 이러한 역할을 하는 것을 종감속기어라 하며 이때 감속되는 감속 비를 종감속 비라 한다. 또, 주행 중 선회 운동이나 노면의 요철로 인하여 좌우 구동 바퀴의 회전 차이가 있을 때 구동 바퀴가 미끄러지지 않고 자동적으로 원활하게 주행할 수 있게 하는 장치가 차동 장치이다. 이들 종감속기어와 차동 장치는 대부분 1개의 하우징 내에 집적되어 있다. 즉, 전륜구동형 자동차에서는 변속기 출력부에 있으며, 후륜 구동형인 경우는 뒤차축 하우징 내에 조립되어 있다. 종갑속 기어의 종감속 비는 "링기어 잇수/구동 피니언 잇수"의 비로 정의되며 기관의 출력 특성, 최고속도, 차량에 요구되는 가속력, 등판능력, 연료 소비, 차량 중량 및 타이어의 치수 등을 고려하여 선정된다. 종감속 비는 고속을 필요로 하는 승용차에서는 4~6, 대형 트럭에서는 5~8 정도로 한다. 종감속기어의 기능은 다음과 같다. 회전수를 감속시키고, 회전 토크는 증가시켜 구동바퀴에 전달하는 것과 필요에 따라 동력 전달 방향을 변환시키는 것이다. 종감속기어에는 웜과 웜기어, 스퍼 기어, 스파이럴 베벨기어 및 하이포이드기어 등이 있으며 주로 스파이럴 베벨기어와 하이포이드기어가 사용된다.

종류

스파이럴 베벨기어

스파이럴 베벨기어는 사전적으로 나선형의 베벨 기어를 뜻하는 말로, 직선 베벨 기어인 기존의 베벨 기어의 형상에서 기어를 나선형으로 만든 기어이다. 나선형의 기어로 인해 한번에 접촉하는 물림 길이가 커서 베벨 기어보다 소음/진동, 동력 전달 면에서 유리하다. 제작비가 베벨 기어보다는 비싸지만 종감속기어는 중요한 부품이기 때문에 높은 빈도로 사용되고 있다. 참고로 베벨기어는 90 각도로 교차하는 두 축 사이에서 동력을 전달하는 두 개의 기어이다. 또한, 피니언과 링기어 사용하며 중심이 일치한다 베벨 기어의 이빨 모양을 곡선으로 만들어 회전을 미끄럽게 전달하도록 한 것. 이빨 모양으로는 원, 인벌류트 및 트로코이드 등이 사용되고 있다. 같은 베벨 기어의 스퍼 베벨 기어에 비교하면 맞물림의 비율이 크고 전달 효율이 좋은 장점이 있으며, 종감속기어로서 사용되고 있다. 또한 스트레이트 베벨기어와 비교하여 물림률이 양호하고 회전이 원활하며 전달 효율이 좋고 마모가 적은 이점이 있다. 스파이럴은 ‘소용돌이, 감기’의 뜻이다.

하이포이드기어

하이포이드기어는 스파이럴 베벨 기어의 일종으로서, 종감속기어로 이용되며, 링 기어의 회전 중심선과 이것에 맞물린 구동 피니언의 회전 중심선을 링 기어 지름의 10～20% 정도 오프셋시켜 추진축이나 차실의 바닥을 낮출 수 있도록 한 것이다. 물림률이 커 전달효율이 좋으나, 톱니의 폭 방향으로 미끄럼 접촉을 하므로 윤활에는 전용의 종감속기어 오일을 사용해야 한다. 세로 배열식 엔진 자동차의 종감속기어나 4WD차량의 트랜스퍼로 널리 사용되고 있다. 하이포이드는 미국 그리손사의 상표명.하이포이드 기어는 베벨 기어와 비슷하게 생겼지만 축간의 편심(offset)을 적용한 것이 큰 차이점이다. 구체적으로 말하자면, 축의 중심이 만나지 않게 피니언을 중심에서 낮춰서 설치한다. 높게 설치할 수도 있지만 의미는 없다. 링기어의 위치가 고정된 상태에서 피니언을 낮게 설치하면, 동일한 기어 박스 위치 대비 추진축의 레벨을 낮추는 효과를 볼 수 있다. 이를 통해 차량 내부 공간을 확보할 수 있다. 스파이럴 베벨기어의 장점에 차량 내부 공간을 확보하는 장점까지 살린 기어다. 효율이 안 나올 것 같지만 98%의 효율이 나온다고 한다. 하이포이드 기어는 스파이럴 베벨기어와 치형은 같지만 피니언과 링 기어의 중심을 편심시켜 물리도록 한 것으로 승용차뿐만 아니라 대형차에도 거의 이 형식을 사용하고 있다. 하이포이드기어는 편심에 의해 추진축 즉, 구동 피니언의 위치가 낮아 차량의 전체 높이를 낮게 할 수 있으므로 자동차의 중심이 낮아 안정성이 있으며 이의 물림률이 크기 때문에 운전이 정숙한 이점이 있다. 또한, 하중 부담 능력이 크므로 설치 공간을 작게 할 수 있다. 반면에 결점으로는 이의 너비 방향으로도 미끄러운 접촉을 하므로 극압성 윤활유 같은 특별한 윤활유를 사용해야 한다. 일반적으로 편심량은 승용차에서는 약 1인치, 대형차에서는 링 기어 지름의 약 10% 정도로 하고 있다

웜기어

웜기어는 나선 기어로, 맞물리는 기어의 회전축이 교차하거나 평행하지 않는 것으로서 축 기어의 일종이며 나사의 모양을 한 웜과 이것에 맞물리는 웜 휠로 되어있는 기어이다. 종감속장치로의 웜기어는 제작비가 비싸서 승용에서는 거의 사용되지 않지만, 무거운 승합차 등에서는 현재에도 사용된다고 한다. 비싸고 94%의 효율로 좋지 않지만, 정숙성이 뛰어나고 수명이 길다는 장점이 있다. 승합차에서 사용되는 만큼 크기 대비 높은 감속 비를 제공한다.

차동장치 구조와 기능

종감속기어 및 차동장치 이해

먼저 차동장치의 필요성은 자동차가 선회할 때에 바퀴와 노면 사이에 미끄러짐이 없다고 가정하면 바깥쪽 바퀴는 안쪽 바퀴보다 많이 회전하여야 한다. 그리고 일직선 상의 노면을 주행하더라도 노면의 요철이 있는 경우 요철이 심한 노면에 놓여 있는 바퀴는 반대편 바퀴에 비하여 빨리 회전하여야 직진이 이루어진다. 이와 같이 주행 조건에 따라 좌우 구동 바퀴의 주행거리가 달라지는 경우 좌우 구동 바퀴를 한 개의 축으로 고정해서는 안되므로 차축을 좌우 별도로 둘로 나누고 그 중앙에 차동 기어를 설치하여 좌우의 차축 및 바퀴가 서로 단독으로 회전하도록 한 것이 차동 장치이다. 차동장치의 구조로는 차동 케이스 내에 차동 피니언이 피니언 축에 결합되고 여기에 직각 방향으로 2개의 사이드 기어가 무려 있다. 사이드 기어의 중심부는 스플라인으로 되어 있고 구동축인 차축과 결합되어 있다. 구동 피니언으로부터 동력을 받는 링 기어는 구동 피니언과 함께 종감속을 하며 차동 기어 케이스와 볼트로 결합되어 있다. 예를 들어 자동차가 평탄한 길을 직진하는 경우는 좌우 구동바퀴의 회전저항이 같으므로 사이드 기어에 걸리는 저항도 같다. 따라서 피니언 기어는 공전만 하므로 좌우의 사이드 기어의 회전수는 같아지며, 따라서 구동바퀴의 회전수도 같아져 직진이 된다. 왼쪽으로 선회할 때는 왼쪽 바퀴에 걸리는 저항이 오른쪽 바퀴에 걸리는 저항보다 크므로 차동 피니언은 공전과 함께 왼쪽 사이드 기어의 저항에 의한 자전도 동시에 한다. 따라서 왼쪽 사이드 기어의 회전수는 차동 피니언의 공전 회전수 - 차동 피니언의 자전 회전수가 되고 오른쪽 사이드 기어의 회전수는 차동 피니언의 공전 회전수 + 차동 피니언의 자전 회전수가 되어 좌회전이 된다. 다음으로 왼쪽 바퀴가 고정된 경우 즉, 오른쪽 구동바퀴가 수렁 등에 빠져 바퀴에 전혀 저항이 없는 경우와 같다. 이 상태에서는 차동 피니언이 공전하면서 좌우의 사이드 기어를 회전시키려 하지만 왼쪽의 사이드 기어에는 저항이 많아 고정되어 있는 것과 같고, 오른쪽 사이드 기어에는 저항이 전혀 없는 상태이므로 차동 피니언이 공전하기 위해서는 고정되어 있는 왼쪽 사이드 기어 위를 굴러 차동 피니언이 자전을 하면서 공전을 하여야 한다. 따라서 오른쪽 사이드 기어는 차동 피니언의 공전에 의한회전수와 자전에 의한 회전수의 합만큼 회전하게 된다. 즉, 차동 피니언 공전의 2배만큼 오른쪽 사이드 기어가 회전하게 된다.

자동차 선회시의 운동

요즘의 승용차는 주로 FF방식(Front Engine Front Drive)을 취하여 차축 장치를 볼 수 없는 경우가 많지만 옛날 FF방식의 자동차가 나오지 않았을 때는 거의 모든 차가 FR(Front Engine Rear Wheel Drive)방식의 구동 방식을 취했으며 이 때는 차축이라는 것이 뒷바퀴 두 개 사이에 있었다. 그 안에는 그 유명한 차동 장치가 들어 있었다. 그러나 요즘의 FF방식의 동력 전달 장치를 가지는 자동차에서도 이것이 없어진 것은 아니고 단지 변속기 안으로 들어가 버렸기 때문에 보이지 않을 따름이다. 이 차동장치가 하는 일은 자동차가 선회할 때 좌우 바퀴가 돌아야 하는 거리의 차이가 생기게 되는데 차동 장치가 이것을 자동적으로 해결해주는 일을 한다. 파워 트레인 분야에 종사하는 사람이면 누구나 이 차동장치를 발명한 사람의 천재성에 감탄을 금치 못한다고 하는데, 원자 폭탄보다도 더 훌륭한 발명이라고 해도 전혀 과찬이 아닐 정도라 한다. 이 차동장치는 몇 개의 기어를 조합한 것으로 하나의 동력 전달 축으로 들어오는 동력을 두 개의 축으로 꼭 같은 속도로 나누어 주는데 만일 동력을 전달해야 할 두 대의 축간이 서로 속도의 차이가 있어야 한다면 그것이 자동적으로 이루어지게끔 해주는 장치인 것이다.

• 자동차 선회 시의 운동 : 오른쪽 바퀴의 회전 반경이 훨씬 크므로 달려야 할 거리가 길어지게 된다.

• 선회 시: 선회하는 좌우 바퀴의 구르는 거리는 다르기 때문에 안쪽 바퀴의 회전은 줄고, 바깥쪽 바퀴의 회전 속도는 증가된다.
• 직진 시: 좌우바를 구르는 거리가 동일하므로 사이드 기어와 물려 있는 차동 케이스는 피니언 샤프트 위에서 회전하지 않고 같은 속도로 회전
• 차동케이스(Different Case): 링기어와 일체로 되어 있으며, 회전력은 축에서 구동 피니언-> 링기어 -> 차동 케이스 -> 차동 피니언 -> 사이드 기어 -> 액슬 샤프트 등의 순서로 전달하게 된다.

차동장치의 원리

가운데의 직선형으로 된 톱니바퀴가 위로 들어 올려지면 양쪽에 매달려있는 기어 두 개도 같이 들려 올라갈 것이다. 그런데 만일 양쪽의 기어 중 오른쪽 하나를 회전할 수는 있게 하지만 위로는 올라가지 못하도록 손으로 잡고 있는 상태에서 가운데의 기어를 들어 올리면 왼쪽의 기어는 가운데 기어의 속도보다 두 배의 속도로 들려 올라가게 된다. 따라서 이 세 개의 기어 사이에는 아래와 같이 표현할 수 있는 수학적 관계가 항상 성립하게 된다.

차동장치의 원리: 2 x 가운데 기어 속도 = 왼쪽 기어 속도 + 오른쪽 기어 속도

센터 디퍼렌셜의 필요성

차동장치의 원리를 이용하여 동력을 전달하는 바퀴의 좌우에는 항상 이 차동 장치가 들어가게 된다. 네 바퀴 굴림 자동차에는 엔진의 동력을 앞바퀴와 뒷바퀴에 동시에 전달하게 된다. 이 차가 선회할 때는 좌우 바퀴 간은 물론 앞바퀴와 뒷바퀴 간에도 달려야 할 거리의 차이가 생기게 된다. 이럴 때는 차동 장치를 앞바퀴와 뒷바퀴 사이에 하나를 더 달아주어 앞바퀴와 뒷바퀴 간에 발생하는 회전 거리의 차이를 흡수해 주어야 한다. 이렇게 앞과 뒤를 차축사에 장착되는 차동 장치를 센터 디프렌셜 유닛이라 부른./ 항상 네 바퀴를 굴리는 것이 아닌 선택적인 사양으로 적용된 차에는 센터 디프렌셜이 없어 네바퀴 굴림으로 운전할 때는 선회 시의 감각이 매우 무거워짐을 알 수 있다.

용도

차동장치의 용도로는 동력 전달 및 회전축 방향 변경과 감속 및 회전력 또는 토크 증대 등이 있다. 동력 전달 및 회전축 방향 변경은 바퀴의 축에 수직으로 전달되는 힘을 바퀴에 온전히 전달하기 위해 회전축을 변경하는 것이고, 감속 및 회전력(토크) 증대는 변속기에서 나온 동력은 속도가 빠르지만 아직 바퀴를 돌리기에는 구동력이 부족하지만, 기어비를 통해 속도를 낮추면 토크가 증대하는데 이를 통하여 구동력을 보정하는 용도로 사용된다.

​보통 승용차는 3~5의 감속 비를, 승합 차는 5~11정도의 감속 비를 사용한다고 한다. 그런데 "종감속기어를 설치하지 않고 변속기에서 한번에 기어비를 맞춰서 회전력을 보정하면 안되나?"라는 생각도 할 수 있다. 변속기로 기어비를 모두 결정하기에는 변속기의 크기에 한계가 있다. 흔히들 사용되는 6단 자동변속기 1단의 기어비가 4 대 1정도 된다. 그런데 종감속 비가 없다면 약 10몇 대 1정도의 기어비를 맞춰야 하는데, 이는 유성 기어를 더 설치해야 하고 크기도 커질 것이다. 따라서 변속기 크기의 증대를 야기한다. 어떻게 보면 자동차의 무게 중심을 맞추는 데에도 종감속기어가 요긴하게 쓰인다고 볼 수 있다.

참고자료

• 〈최종감속기어〉,《네이버 지식백과》
• 토미,〈종감속기(Final Drive), 종감속기어(Final Reduction Gear)〉,《네이버 블로그》,2017-02-29
• 강주원 자동차 홈,〈종감속기어 및 차동기어〉,《강주원 자동차 홈》
• henry0009,〈차동장치〉,《네이버 블로그》,2014-01-18
• 조길동, 〈[1]〉, 《조길동》, 2021-02-21

같이 보기

• 기어

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