201325091 김대희 수동변속기레포트

[김대희]

변속기란 ?

변속기는 엔진에서 나온 출력을 감속 혹은 가속해 주행상황에 알맞은 토크와 회전수를 만들어내는 기구다. 기본적인 원리는 자전거를 보면 간단하게 알 수 있다. 10년 전만 해도 자전거에 변속기가 달린 모델이 드물었다. 대부분이 고정식 기어비를 가진 모델이어서 평지를 달릴 때는 문제가 없지만 다리 힘이 어지간히 좋은 사람이 아니면 경사길 오르기가 힘들다. 하지만 요즘 유행하는 MTB(산악 자전거)를 보면 대개 21단 이상의 변속기가 기본, 기어 단수를 낮추면 페달 움직임에 비해 카귀는 천천히 돌지만 경사길을 수월하게 오를 수 있고 반대로 평지에서 단수를 낮추면 같은 페달링으로도 빠르게 질주한다.

자동차 역시 마찬가지다. 일반 승용차 엔지은 대개 6천-7천RPM까지 회전할 수 있지만 최대 토크가 나오는 이른바 '토크밴드는' 1천-3천RPM의 범위에 한정되어 있다. 차는 정지한 상태에서 출발할 때 큰 힘을 필요로 하고 평지를 달릴 때에는 비교적 힘이 적게 든다. 한편 같은 시속 60km라고 해도 평지에 비해 오르막에서는 더 큰 힘을 필요로 한다. 같은 속도를 내더라도 도로상황에 따라 엔진을 낮은 RPM으로, 혹은 높은 RPM으로 돌려야 하는 차이가 생긴다는 말이다. 이것을 가능하게 하는 것이 바로 변속기다. 여러 가지 기어 조합을 통해 원하는 회전수와 토크를 만들어낸다.

서로 맞물려 돌아가는 기어는 마주 닿은 기어의 크기 비율에 따라 회전수와 토크가 바뀐다. 감속비 2.0인 기어 조합은 회전수를 절반으로 떨어뜨리지만 반대로 토크는 2배로 만든다. 이런 기어의 원리를 이용해 엔진의 회전수와 토크를 조절해 바퀴로 전달하는 것이 변속기의 임무다.

변속기는 지금까지 적지 않은 방식이 개발되었지만 기본적으로는 수동과 자동을 크게 나뉜다. 가장 역사가 오랜 수동 변속기는 클러치로 엔진과 변속기의 동력을 귾은 뒤 시프트레버를 움직여 기어 조합을 바꾸는 방식. 요즘 주류가 되어가고 있는 자동 변속기는 유체식 토크 컨버터와 유성기어를 통해 클러치 없이 모든 변속동작을 자동으로 처리한다. 이 밖에 무단변속기 CVT와 경주차 기술에 바탕을 둔 세미 AT가 있다.

트랜스미션의 기능

변속장치가 없는 자전거를 운전할 때 평상도로를 운전하면 문제가 없지만, 급한 경사길을 등판할 경우에는 대단히 힘들었던 경험을 해 보았으리라고 생각된다.
자전거도 엔진과 같이 크랭크암이 있어 페달을 밟을때 발의 힘이 자동차 엔진의 연소압력과 같은 역할을 해준다.
그런데 엔진의 크랭크암의 길이가 정해지고, 페달을 밟는 힘이 정해지면 크랭크샤프트에 발생하는 토르크는 일정하게 된다.
따라서 등판저항이 급격히 커지면 등판하는 것이 당연히 어려워진다.
자전거의 경우 사람이 안장에서 일어나 페달을 한발씩 한발씩 체중을 실어 힘차게 밟아주면 토르크가 증대하는 것도 가능하겠지만, 엔진의 경우는 그것도 뜻대로 되지 않는다.

변속의 원리

자동차의 경우 엔진의 유효회전수 범위내에서는 토르크변화는 그다지 크지 않다. (터보 장착차등 급격히 변화하는 차도 있지만)
따라서 이 토르크를 유효하게 사용하기 위해서는 변속(감속)장치가 부착되어 있다. 이러한 감속작용은 과거에 배운적이 있는 고정도르레와 변동도르레의 예로서 이해가 된다고 생각된다.

이와같이 물건을 움직일때 일정한 힘밖에 없는 경우 움직이는 양도 감소하므로, 그대신 힘을 배증시켜주는 것과 같은 기능을 감속작용이라고 부른다.

수동변속기의 구조

트랜스미션의 기능은 크게 나누어 3가지이다.

1. 엔진회전을 감속시켜 힘을 증대시킨다. 반대로 힘의 여유가 있는 경우는 속도를 증가시켜 준다.
2. 엔진은 그 자체로 회전방향을 바꿀수 없으므로 기어의 결합을 변화시켜 후진이 가능토록 해준다.
3. 중립상태를 만들어준다. (트랜스미션내에서 엔진에서 연결된 입력축이 공회전하고 있는상태로 클러치를 밟지 않아도 엔진이 멈추지 않는다.)

옆의 그림은 수동4단 변속기의 단면도이다.
이형식에서는 전진방향으로 4종류의 기어변속기 가능하며, 후진방향으로 1종류의 기어변속이 가능하다.
또한 주행중에 각 기어들이 조할될때 자동적으로 여러기어의 회전수를 합쳐 변속을 용이하게 해주는 기구(싱크로 메쉬기구)도 장착되어 있다.

동력전달 방향

클러치에서의 동력전달방향은 아래그림을 보면 알 수 있다.
클러치에서의 동력은 기어에 연결되어 있는 트랜스미션의 메인드라이브샤프트에 전달된다. 메인드라이브샤프트에는 메인드라이브기어가 일체식으로 부착되어 있다.
메인드라이브기어와 항상 결합되어 있는 카운터기어는 카운트샤프트와 일체식으로 되어있다. 이 카운트샤프트가 각 변속기어를 회전시키는 것이다.
이와같이 각 변속기어의 치아가 항상 카운트기어와 맞물려 회전하는 방식을 특히 상시 맞물림방식이라고 부르는데, 현재 수동변속기가 장착된 승용차는 거의가 이방삭을 적용하고 있다.

지금 이 그림의 트랜스미션은 메인샤프트에 회전이 전달되지 않는 상태를 나타내고 있다.
그러면 메인샤프트에 동력의 전달은 어떻게 되는 것일까?
운전자가 변속기 레버를 움직여 슬립을 이동시키면, 메인샤프트에 부착되어 있는 허브와 특정 기어하나를 슬립이 연결해주게 된다.
이와같이 하면 [메인드라이브기어] -> [카운트기어] -> [카운트샤프트] -> [카운트기어] -> [카운트샤프트] -> [카운트기어] -> [변속기어] -> [슬립] -> [허브] -> [메인샤프트]의 순서대로 동력이 전달된다.

싱크로 메쉬기구

그러면 주행중에 기어를 변속하는 경우 트랜스미션 내부에서는 어떤일이 발생하는가?
물론 운전자는 가속페달에서 발을 떼고, 클러치페달을 밟게 된다.
그렇게 하면 메인드라이브샤프트와 메인드라이브기어, 카운트기어 또는 카운트기어에 결합되어 있는 각 변속기어는 엔진의 영향을 받지 않게 된다.
다음으로 변속기 레버를 움직이면 어떤 기어와 어떤 기어를 변속하여도 한번은 중립 위치를 통과하도록 되어 있다.
이순간 메인샤프트와 허브는 타이어와 반대 방향으로 회전하는 형태로 되는데 반해, 각 변속기어는 회전되지 않고 순식간에 회전을 멈추게 된다.
그 상태에서 변속을 하면 슬립기어와 허브기어는 삐걱거리는 소리를 내며, 최악의 경우에는 기어가 부서질 수도 있다.

그래서 변속장치에는 위의 그림과 같은 2개 기어의 회전수를 같게 해주는 장치(싱크로메쉬기구)가 부착되어 있다.

후진할 때에는

트랜스미션 기능의 한가지중 엔진회전방향이 변하지 않기 때문에 기어의 결합을 통해 역전상태(반대방향)을 만드는 것이 가능하다.
아래그림은 후진상태를 표시하며 카운트기어와 후진기어사이에 또하나의 후진아이들기어를 결합시켜 역전상태를 만든다.
또한 일반적으로 후진시에는 싱크로메쉬기구가 부착되어 있지 않기 때문에 엔진회전수가 높은 상태에서 후진하면 고장의 원인이 된다.

수동변속기의 문제

수동변속기에서 많이 발생하는 문제는 오일누유현상을 제외하고는 변속시 기어소음과 변속시 기어빠짐을 들 수 있다.
기어소음의 운인으로 생각되는 것은 싱크로기구의 마모와 슬립링의 부조화, 또는 밋션 오일이 부족하거나 열화된 경우를 생각해볼 수 있다.
기어가 빠지는 원인으로서는 슬립을 움직여 포그샤프트를 고정하는 록킹볼이 마모되었거나, 슬립링이 부조화를 일으키던가, 각 변속기어의 전후방향의 간격이 큰 경우등을 생각해 볼수 있다.

[느르사이]

기본 이론.좋습니다.
수고 하셨습니다.