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수동변속기 개요 |
수동변속기는 선택 기어식 변속기라고도 하는데 그 종류를 보면 FR 자동차에 사용되는 Transmission(T/M)과 FF 자동차에 사용되는 Tranaxle(T/A)로 구별 할 수 있다. 변속기는 엔진과 추진축 사이에 설치되어 엔진에서 발생한 동력을 자동차의 주행상태 및 도로 상황에 적절하게 토크와 속도를 변화시켜 구동 바퀴에 토크를 전달하는 장치이다. |
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구성 |
수동변속기는 엔진에서 동력이 들어오는 입력축과 동력을 연결하여 주는 부축, 그리고 부축과 연결되어 기어를 선택하면 기어가 치압되어 동력을 나가게 해주는 각 단 기어와 변속을 용이하게 해주는 싱크로메시기구, 그리고 동력이 변속기에서 나가는 주축 등으로 구성되어 있다 |
부품 설명 |
현재 자동차에 사용되고 있는 변속기의 기본 구조는 위의 그림과 같은 구조로 되어 있는데 이를 상시 물림식이라고 한다. 기어가 물릴 때 기어의 속도가 일치되지 않으면 소음 발생과 파손의 원인이 된다. 이 단점을 보완하기 위한 기구가 싱크로 메시기구이며 이는 기어의 원주 속도를 신속하게 일치시켜 물림을 원활히 하기 위한 장치이다. |
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변속기 내부 명칭 |
싱크로 메시기구 |
변속 시 시프트 레버로 슬리브를 움직이면 싱크로나이저링이 작용하고, 이 링의 마찰력에 의해 주축과 변속되는 기어가 부드럽게 물리게 되므로 조용하게 변속을 시킬 수 있다. 싱크로메시기구는 그림과 같이 싱크로나이저 허브, 슬리브, 링, 키 및 스프링으로 구성된다. |
1. 허브 |
싱크로나이저 허브는 주축에 있는 스플라인과 고정되며, 외주에는 슬리브와 결합하여 슬리브가 움직일 수 있도록 안내하는 기어가 있다. 또한 허브의 3곳(120。간격)은 키가 들어갈 수 있는 홈이 있다. |
2. 슬리브 |
슬리브는 허브위에 물려서 움직일 수 있으며 바깥 둘레에는 시프트 포크가 물릴 수 있는 홈이 파져 있다. 시프트에 의해 전후로 움직이게 되면 싱크로나이저 링의 동기화 작용에 의해 변속기의 클러치 기어에 물리게 된다. |
3. 싱크로나이저 링 |
링은 각 기어에 마련된 경사면에 결합되어 변속 시 경사면과 접촉하여 마찰력에 따라 클러치 작용을 하기 때문에 주축에 물려있는 허브와 변속기어를 동기화시키는 작용을 한다. |
4. 키 및 스프링 |
키는 허브의 파진 홈에 들어가며, 스프링에 의해 슬리브 안쪽면에 항상 눌려 있다. 양쪽 끝은 링의 홈에 일정한 틈새를 두고 끼워져 있다. |
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종류 |
1. 섭동기어 물림식(sliding mesh type) |
구조가 간단하고 취급이 용이하지만 변속 시 기어 자체가 축선상을 섭동하여 치합되어야 하는 단점이 있다. 지금 사용되는 자동차의 수동변속기에서 후진을 넣을 때 사용되는 방식이 이 방식이다. |
주축과 부축은 평행이고 주축상의 기어는 축의 수플라인 부분에 끼워져 축 방향으로 이동하는 슬라이딩 기어가 있으며 부축상의 기어는 축에 고정되어 있으며 메인 드라이브 기어에 의하여 항상 회전한다.
변속기 조작레버에 의해 추축상의 기어를 선택하고 축방향으로 밀어주어서 부축상의 기어와 물리게 되어 주축이 회전한다.
구조가 간단하고 정비가 쉽다.
주행 중 변속 시 양축상의 원주 속도가 서로 다를 경우 기어 물림이 어려워 기어를 손상시킬 수 있는 단점이 있다. |
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섭동기어 물림식 |
2. 상시 물림식(constant mesh type) |
주축(main shaft)에 끼워져 자유롭게 회전하는 단기어(shift gear)와 부축(counter shaft)에 고정되어 있는 부축기어가 항상 치합된 상태로 회전하는 구조로 되어 있다. |
단 기어의 한쪽 측면에 가공된 도그(dog) 기어는 단 기어와 같은 속도로 회전한다.
도그 슬리브(dog sleeve)는 도그 허브상에서 축 방향으로 이동이 가능하도록 되어 있다.
변속 시 주축에서 공회전하고 있는 기어 안쪽의 도그 클러치에 끼워지므로 주축과 기어를 고정시켜 동력을 전달한다.
기어자체를 이동시키는 섭동식보다 마모 소음이 비교적 적어 대형버스나 트럭 등에 많이 사용된다. |
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3. 동기 물림식(synchro-mesh type) |
섭동물림식이나 상시 물림식에서는 변속 시에 원주 속도와 도그 슬리브의 원주 속도가 틀리면 치합 소음이 발생되고 심하면 기어가 파손된다. 이와 같은 단점을 보강한 것이 동기 물림식이다. 주축 기어와 부축 기어가 항상 물려져 있으며 주축 위의 제1속, 제2속, 제3속 기어 및 후진 기어가 공전한다. 엔진의 동력을 주축 기어로 원활히 전달하기 위하여 기어에 싱크로 메시 기구를 두고 있다. 싱크로 메시기구는 기어를 변속할 때 기어의 원뿔 부분에서 마찰력을 일을켜 주축에서 공회전하는 기어의 회전 속도와 주축의 회전 속도를 일치시켜 기어 물림이 원활하게 이루도록 하는 방식이다 싱크로 메시 기구의 구성은 클러치 허브, 클러치 슬리브, 싱크로나이저링과 키로 이루어져 있다. 장점은 원활한 기어물림이 가능하고 변속조작이 신속 용이하므로 다른 방식보다 가속성능을 크게 향상 시킬 수 있다. |
변속소음이 거의 없다.
기어가 보호되어 수명이 길다.
기어가 헤리컬형이므로 하중부담능력이 크다. |
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동기치합 과정 |
[ 주의 ] 여기서는 지금 자동차에 가장 많이 사용되는 동기 물림식으로 설명을 한다. 동기화(synchronization)란 추축상에서 자유로이 회전하는 단기어(shift gear)의 싱크로콘(synchron cone)과 싱크로나이저 링(synchronizer ring)의 안쪽테이퍼 사이의 접촉마찰에 의해 클러치 허브(clutch hub)와 단기어의 원주 속도가 같아져 클러치 스리브(clutch sleeve)가 단 기어의 시프팅 기어 이와 쉽게 치합되는 과정을 말한다. |
슬리브 내면의 스플라인과 허브가 서로 맞물리고 바깥둘레에는 변속포크가 끼워지는 홈이 있어 변속레버의 조작에 의해 축방향으로 움직인다.
싱크로나이저링은 각 기어의 콘부에 물려 브레이크를 거는 역할을 한다. 싱크로나이저 안쪽에는 클러치 작용을 하도록 만들어져 있다 |
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싱크로나이저 키는 뒷면에 돌기 부분이 있어 허브에 파진 3개의 홈에 들어가 싱크로나이저에 의해 슬리브 안쪽면에 항상 눌려 있으므로 양쪽끝은 싱크로나이저링의 홈에 일정한 틈새를 두고 끼어있어 싱크로나이저링을 미는 역할을 하며 클러치 허브와 슬리브를 고정하여 기어물림상태가 빠지지 않게 한다.
키 스프링은 싱크로나이저 키를 슬리브 내면에 압착시킨다. |
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변속기 조작기구 |
직접조작식 변속기 직접조작식(floor shift type) 변속 레버는 변속기의 뒷부분에 부착되어 컨트롤 레버에 의해 셀렉터가 선택되고, 각 셀렉터는 시프트 레일(바)과 함께 전후로 동작하며, 시프트 레일에 고정된 시프트 포크가 싱크로 나이저 슬리브 홈에 들어가서 슬리브를 작동시킨다. 또한 슬리브는 각 기어의 클러치 기어와 싱크로 허브를 연결하게 되어 변속이 이루어 진다. |
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원격조작식 변속기 원격조작식은 컬럼형과 플로어형으로 대별된다. |
(1) 컬럼형 원격조작식 변속기 |
컬럼형(column) 원격조작식 변속기는 연결로드를 이용한 것으로 이 형식은 시프트 레버를 움직이면 연결 로드가 움직이면서 시프트 포크가 작동 변속이 이루어 진다. |
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(2) 플로어형 원격조작식 변속기 |
전륜 승용차에서 사용되고 있는 트랜스 액슬의 변속 조작기구를 나타낸 것으로 케이블을 이용한 플로어(floor)형 변속기이다. |
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이 형식은 운전석 옆 시프트 레버의 동작에 따라 시프트케이블과 실렉터케이블이 움직이며, 2개의 케이블은 시프트 레버와 실렉터 레버를 움직여 변속이 이루어지게 된다. 즉, 셀렉트 케이블의 이동에 따라 셀렉트 레버는 컨트롤 샤프트를 상호로 움직이고, 컨트롤 샤프트에 있는 컨트롤 핑거는 (5단-후진)↔중립(3단-4단)↔(1단-2단) 시프트 러그를 선택하게 된다. |
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한편 시프트 케이블에 따라 시프트 레버가 좌우로 움직이고, 컨트롤 핑거는(1,3,5단)↔중립↔(2단,4단,후진)쪽으로 시프트 러그를 움직이며, 시프트 러그는 레일에 시프트 포그와 함께 고정되어 있기 때문에 결국 시프트 포크가 싱크로나이저 슬리브를 움직여 변속이 이루어진다. 트랜스액슬의 후진 변속을 위한 기구는 5th-R(5단 및 후진)시프트 레일, 후진 시프트 러그 및 인터록 플런저로 구성되며, 중립 또는 5단 변속시의 후진 시프트 러그는 그림과 같이 5th-R(5단 및 후진) 시프트 레일의 간섭을 받지 않는다. |
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[ 후진 변속 시 ] |
후진 시에는 위의 그림과 같이 5th-R(5단 및 후진)시프트 레일과 후진 시프트 러그가 인터록 플런저에 의해 일체로 되어 후진 변속이 이루어지며, 후진에서 중립으로 변속할 때에는 3-4단 시프트 레일의 홈 위치(중립)까지만 인터록 플런저와 후진 시프트 러그의 위치를 중립과 후진 위치가 되도록 제한하는 역할을 한다. |
오조작 방지기구 |
1. 2중치합 방지기구 |
(1) 인터록 플런져 변속기에는 기어가 변속될 경우, 동시에 2중으로 변속이 이루어지지 않도록 그림과 같이 인터록 기구(2중물림 방지장치)가 마련되어 있다. |
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각 시프트 레일(바)에는 홈이 있고, 홈에는 인터록 플런저가 삽입되어 있으며, 시프트레일을 움직이면 인터록 플런저가 밀려나면서 다른 2개의 축을 고정하여 1개의 기어 외에는 변속되지 못하도록 되어 있다. |
(2) 인터록 플레이트 트랜스액슬에는 2중치합 방지기구로 그림과 같이 인터록 플레이트가 사용되고 있으며, 컨트롤 핑거가 3개의 시프트 러그 중 하나를 선택하게 되면 다른 시프트 러그는 인터록 플레이트에 의해 간섭(고정)되어 결국 시프트 포크를 움직이지 못하게 하여 기어가 2중으로 선택되는 것을 방지하고 있다. 컨트롤 핑거가 중립위치에서는 그림과 같이 3, 4단 기어로 변속할 수 있는 곳에 위치한다. 이 위치에서는 인터록 플레이트에 의해 3, 4단 제외한 다른 기어로는 변속이 이루어 질 수 없다. |
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만약 그림처럼 1, 2단 쪽을 선택하게 되면 3, 4단의 변속 레일과 5단, 후진의 레일은 인터록 플레이트에 의해 고정되어 진다. 따라서 이 위치에서는 1단과 2단만 선택할 수 있게 된다. |
2. 기어 풀림 방지기구 |
싱크로 허브, 슬리브와 클러치 기어에 챔버(chamber)를 만들어 변속기어의 풀림 방지하는 장치이다. 싱크로슬리브와 클러치 기어의 스플라인 접촉부에는 테이퍼 모양의 챔버를 마련하여 회전 시 테이퍼면에서 기어 스플라인을 구동하고 기어빠짐을 방지하고 있다. |
3. 포핏 스프링 및 플러그 |
포핏 스프링은 볼을 일정한 힘으로 밀어 시프트 레일의 헐거운 움직임을 제한하는 역할을 하며, 스프링에 가하는 장력은 플러그를 돌려 조정할 수 있도록 되어 있다. |
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만일 스프링의 장력이 너무 약하면 시프트 레일이 움직여 기어 빠짐의 원인이 될 수 있고, 장력이 너무 세면 시프트바(bar)가 움직이지 않거나 시프팅 시 무거운 현상이 일어난다. |
4. 후진 오조작 방지기구 |
5단용 트랜스액슬이 탑재된 자동차에서는 5단에서 중립으로 변속 시 오버 시프트(over shift)에 의해 후진 기어와 아이들 기어의 치면이 크게 손상될 우려가 있기 때문에 후진 오작동을 방지할 목적으로 컨트롤 샤프트에 스토퍼가 장착되어 있어 5단에서 후진으로의 변속이 되지 않도록 하고 있다. |
후진 오조작 방지 기구의 작동 |
3-4단 변속시 컨트롤 샤프트에 있는 스토퍼의 위치는 스토퍼 브래킷과 떨어져 있다.
3-4단의 중립에서 5단 또는 후진으로 변속할 때(그림1) 스토퍼의 위치는 스토퍼 브래킷과 접촉되면서 쉽게 변속이 이루어 진다.
5단 변속후 중립으로 변속될 때 스토퍼가 스토퍼 브라킷과 간섭이 되어 후진으로의 변속이 불가능하게 된다. |
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그림 1 |
그림 2 |
4단 변속기의 동력전달 순서(FR) |
1. 1단 변속 |
1단 기어는 카운터 기어 4치와 맞물리고, 싱크로나이저 슬리브가 클러치 기어에 물려 동력이 전달된다. 메인 드라이브 기어 → 카운트 기어(4치) → 1단 기어 → 슬리브(1-2단용) → 허브 → 메인 샤프트 → 추진축 |
2. 2단 변속 |
2단기어는 카운터 기어 3치와 같이 맞물리고, 다른 기어가 동력 전달을 할 경우엔 내경의 니들베어링에서 공전하며 슬리브가 클러치 기어에 물리면 메인 샤프트에 동력이 전달 메인 → 드라이브기어 → 카운터기어(3치) → 2단기어 → 슬리브(1-2단용) → 허브 → 메인 샤프트 → 추진축 |
3. 3단 변속 |
단 변속을 하면 3-4단용 슬리브는 3단쪽으로 이동하여 다음과 같이 동력전달이 이루어 진다. 메인 드라이브기어 → 카운터 기어(1차) → 카운터 기어(2치) → 3단 기어 → 슬리브(3 & 4단) → 허브 → 메인 샤프트 → 추진축 |
4. 4단 변속 |
4단 변속 후 클러치 페달을 떼게 되면 엔진 크랭크 축의 회전력을 플라이 휠과 클러치 디스크를 통하여 그림과 같이 메인드라이브 기어는 싱크로 나이저, 슬리브 3,4단을 구동하고 싱크로나이저, 슬리브는 다시 허브를 구동하므로 허브와 스플라인으로 고정된 메인 샤프트는 엔진 회전수와 동일한 속도로 회전한다. |
5. 후진 변속 |
카운터 기어 4치와 항상 물리고 있는 리버스 아이들러가 공전상태에서 포크(Fork)에 의해서 후진기어 쪽으로 밀리면 리버스 아이들 스퍼기어와 리버스스퍼기어가 물리면서 역전이 된다. 메인 드라이브 기어 → 카운터 기어(1치) → 리버스 아이들 기어 → 리버스 기어 → 메인 샤프트 → 추진축 |
FF 수동변속기 |
트랜스 액슬(T/A)은 전륜구동형 자동차에 사용되는 변속기로, FR 자동차와는 달리 변속기 내부에 차동장치(Differential)가 장착된 변속기이다. 동력전달은 변속기(차동장치) → 등속조인트(C.V) → 앞바퀴 순으로 전달된다. FF 방식의 장점은 동력전달과정의 소음과 진동이 적고, 엔진에서 가까운 앞바퀴에 동력을 전달하기 때문에 동력 전달효율이 커서 연비 손실이 적은 장점이 있다. |
1. 트랜스액슬의 구조 |
클러치 디스크의 스플라인에 물려서 동력을 받는 입력축(Input Shaft)과 중간축인 인터메디트축, 출력축 및 차동장치가 있으며, 입력축과 인터메디트 축에는 각 변속 기어와 싱크로 메시 기구가 결합되어 있다. |
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[ 2축 수동변속기 ] |
[ 3축 수동변속기 ] |
2. 트랜스액슬의 동력전달 |
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(1) 1단 변속(1-2단용 슬리브가 1단 기어에 물림) 입력축 → 1단기어 → 슬리브(1-2단용) → 인터메디트축 → 출력축 → 디프 드라이브 기어 → 디프 케이스 → 디프사이드기어 → 추진축 |
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(2) 2단 변속(1-2단용 슬리브가 2단 기어에 물림) 입력축 → 2단기어 → 슬리브(1-2단용) → 인터미디트 축 → 출력축 → 디프 드라이브 기어 → 디프케이스-디프사이드 기어 → 추진축 |
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(3) 3단 변속(3-4단용 슬리브가 3단 기어에 물림) 입력축 → 3단기어 → 슬리브(3-4단용) → 인터미디트 축 → 출력축 → 디프 드라이브 기어 → 디프케이스 → 디프사이드 기어 → 추진축 |
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(4) 4단 변속(3-4단용 슬리브가 4단 기어에 물림) 입력축 → 4단기어 → 슬리브 → 3-4단용 → 인터메디트 축 → 출력축 → 디프 드라이브 기어 → 디프케이스 → 디프사이드 기어 → 추진축 |
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(5) 5단 변속(5단용 슬리브가 5단 기어에 물림) 입력축 → 허브(5단용) → 슬리브(5단용) → 5단기어 → 인터미디트 축(5단기어) → 출력축 → 디프 드라이브 기어 → 디프케이스 → 디프 사이드 기어 → 추진축 |
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(6) 후진 변속 리버스 아이들러 기어가 입력축의 스퍼기어와 1-2단용 슬리브 외경에 있는 스퍼기어 사이로 들어가 물려, 그림과 같이 후진동력 전달이 이루어진다. 입력축 → 리버스 아이들러 기어 → 슬리브(1-2단용) → 허브(1-2단용) → 인터 메디트 기어 → 출력축 → 디프드라이기어 → 디프 케이스 → 디프 사이드 기어 → 추진축 |
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