1. 변속기(Transmission)

기관의 회전력은 회전속도의 변화에 관계없이 항상 일정하지만 그 출력은 회전속도에 따라서 크게 변화하는 특징이 있다. 변속기는 클러치와 추진축(Propeller Shaft) 사이에 설치되어 자동차의 주행상태에 따라 기관의 출력을 자동차의 주행속도에 알맞게 회전력과 속도로 바꾸어서 구동바퀴로 전달하는 장치이다. 수동변속기는 그 종류에는 앞 기관 뒷바퀴 구동(FR) 자동차에 사용되는 변속기(transmission)와 앞 기관 앞바퀴 구동(FF) 자동차에 사용되는 트랜스 액슬(trans axle)로 대별할 수 있다.

수동(FR)변속기의 단면도

구동력(tractive force)이란 구동바퀴가 자동차를 미는 힘을 말한다.

R(m) : 구동바퀴의 반지름, T(kgf-m) : 차축의 회전력, F(kgf) : 구동력

1.1. 변속기의 필요성과 구비조건

(1) 변속기의 필요성

① 기관과 차축사이에서 회전력을 증대시킨다.

② 기관을 시동할 때 기관을 무부하 상태로 한다(변속레버 중립위치에서).

③ 자동차를 후진시키기 위하여 필요하다.

(2) 변속기의 구비조건

① 소형.경량이고, 고장이 없으며 다루기 쉬워야 한다.

② 조작이 쉽고, 신속, 확실, 정숙하게 작동되어야 한다.

③ 단계가 없이 연속적으로 변속이 되어야 한다.

④ 전달효율이 좋아야 한다.

1.2. 변속기의 분류

(1) 점진기어 형식 변속기

운전 중 제1속에서 직접 톱 기어(top gear)로 또는 톱 기어에서 제1속으로 변속이 불가능한 형식이다.

 점진기어 변속기

(2) 선택기어 형식 변속기

1) 활동(섭동)기어 형식(sliding gear type)

주축과 부축이 평행하며 주축에 설치된 각 기어는 스플라인에 끼워져 축 방향으로 미끄럼운동을 할 수 있다. 변속을 할 때에는 변속레버의 조작으로 주축에 설치된 기어 중에서 1개를 선택하여 미끄럼운동을 시켜서 부축기어에 물려 동력을 전달한다. 구조는 간단하지만 기어를 미끄럼운동을 시켜서 직접 물리기 때문에 변속조작 거리가 멀고, 가속성능이 저하되며, 기어와 주축의 회전속도 차이를 맞추기 어려워 기어가 파손되기 쉽다.

활동기어 변속기

2) 상시 물림형식(constant mesh type)

주축기어와 부축기어가 항상 물려 있는 상태로 작동하며, 주축에 설치된 모든 기어는 공전을 한다. 변속을 할 때에는 주축의 스플라인에 설치된 도그 클러치(dog clutch or clutch gear)가 변속레버에 의하여 이동해 공전하고 있는 주축기어 안쪽의 도그 클러치에 끼워져 주축과 기어에 동력을 전달한다.

상시 물림 변속기

3) 동기 물림형식(synchro mesh type)

섭동식이나 상시 물림식을 개량한 것으로 기어의 물림이 쉽도록 제작한 것이다. 싱크로메시 기구를 사용하여 주속도 일치를 기다리지 않고 변속하며 소음이 적고 기어 파손율이 적으며 기계 효율이 좋다. 싱크로메시 기구는 싱크로나이저 허브(클러치 허브), 슬리브, 싱크로나이저 키, 싱크로나이저 링 및 싱크로나이저 스프링 등으로 구성된다.

동기 물림장치의 구성

① 싱크로나이저 허브 : 싱크로나이저 허브는 주축에 있는 스플라인과 고정되며, 그 바깥 둘레에는 슬리브와 결합하여 슬리브가 움직일 수 있도록 안내하는 기어가 있다. 또 허브의 3곳(120° 간격)에는 싱크로나이저 키가 들어갈 수 있는 홈이 있다.

② 싱크로나이저 슬리브 : 싱크로나이저 슬리브는 허브 위에 물려서 움직이며 바깥둘레에는 시프트 포크가 물릴 수 있는 홈이 파져 있다. 시프트 포크에 의해 앞뒤로 움직이면 싱크로나이저 링의 동기작용에 의해 변속기의 클러치 기어에 물린다.

③ 싱크로나이저 링 : 이 링은 각 기어에 마련된 경사면에 결합되어 변속할 때에는 기어의 경사면과 접촉하여 마찰력에 따라 클러치작용을 하기 때문에 주축에 물려있는 허브와 변속기어를 동기 시키는 작용을 한다.

④ 키 및 스프링 : 키는 윗면이 3각 돌기부분 형상으로, 허브의 파진 홈에 들어가며, 스프링에 의해 슬리브 안쪽 면에 항상 눌려 있다. 양쪽 끝은 링의 홈에 일정한 틈새를 두고 끼어져 있다.

1.3. 변속기의 조작기구

변속기의 조작 기구에는 변속기에 기어 변속 레버를 부착한 직접 조작식과 변속 레버와 변속기가 떨어져 있어 그 사이를 링크나 와이어 등으로 연결하여 조작하는 원격 조작식이 있다. 그리고 변속기의 오 조작을 방지하기 위하여 다음과 같은 오 조작 방지 기구가 있다.

① 이중 물림 방지 기구 : 이중 물림 방지 기구는 각 단의 시프트 레일(Bar)에는 홈이 있고, 홈에 인터록(Inter Lock)이 삽입되어 두 개의 기어가 동시에 물리는 것을 방지한다.

② 기어 풀림 방지 기구 : 기어 풀림 방지 기구는 변속기 케이스에 록킹볼(Locking Ball)이 설치되어 시프트 포크의 위치 결정뿐 아니라 변속시나 주행 중의 충격에 의해 기어가 빠지는 것을 방지한다.

③ 후진 오작동 방지 기구 : 후진 오작동 방지 기구는 변속 레버를 누르든가 또는 당기거나 하지 않으면 후진으로 변속되지 않는 방식이나 셀렉터 리턴 기구를 설치하여 변속할 때 오작동을 방지하는 방식이 있다.

후진 오작동 방지 기구

1.4. 변속기 조작기구

(1) 직접 조작방식 변속기

직접 조작방식(floor shift type)은 변속레버는 변속기의 뒷부분에 부착되어 변속레버에 의해 시프트 포크(shift fork)가 선택되고, 각 시프트 포크는 시프트 레일(shift rail)과 함께 앞뒤로 작동하며, 시프트 레일에 고정된 시프트 포크가 싱크로나이저 슬리브 홈에 들어가서 슬리브를 작동시킨다. 또 슬리브는 각 기어의 클러치 기어와 싱크로나이저로 허브를 연결하게 되어 변속이 이루어진다.

직접 조작방식

(2) 원격 조작방식 변속기

원격 조작방식 변속기는 연결로드를 이용한 것으로, 변속레버를 움직이면 연결 로드가 움직이면서 시프트 포크가 작동하여 변속이 이루어진다.

                                   플로어 시프트 방식                                                 컬럼 시프트 방식

2.5. 수동 트랜스액슬(trans axle)

트랜스 액슬(T/A)은 앞바퀴 구동형식 자동차에 사용되는 변속기로, 후륜 자동차와는 달리 변속기 내부에 차동장치(Differential)가 장착된 변속기로 동력 전달은 변속기(차동장치) - 등속 조인트(C.V) - 앞바퀴 순으로 전달된다. FF방식의 장점은 다음과 같다.

① 실내 유효공간이 넓다.

② 자동차의 경량화로 인해 연료 소비율이 감소한다.

③ 가로방향에서 받는 바람에 대한 안전성 및 직진 성능이 좋다.

④ 방향 안전성이 우수하며, 험한 도로를 주행할 때 안전성이 좋다.

⑤ 제동할 때 안전성이 우수하다.

⑥ 소음과 진동이 적다.

⑦ 동력 전달 효율이 좋아 연료 소비가 적다.

변속비

스피드미터의 구동기어는 변속기 출력축에 설치되어 있다.

1.6. 수동 변속기의 정비

(1) 기어가 빠지는 원인

① 각 기어가 지나치게 마멸되었다.

② 각 축의 베어링 또는 부싱이 마모되었다.

③ 기어 시프트 포크가 마멸되었다.

④ 싱크로나이저 허브가 마모되었다.

⑤ 싱크로나이저 슬리브의 스플라인이 마모되었다.

⑥ 록킹 볼 스프링의 장력이 작다.

(2) 변속이 어려운 원인

① 클러치의 차단(끊김)이 불량하다.

② 각 기어가 마모되었다.

③ 싱크로메시 기구가 불량하다.

④ 싱크로나이저 링이 마모되었다.

⑤ 기어오일이 응고되었다.

⑥ 컨트롤 케이블 조정이 불량하다.

(3) 변속기에서 소음이 발생되는 원인

① 기어오일이 부족하다.

② 기어오일의 질이 나쁘다.

③ 기어 또는 베어링이 마모되었다.

④ 주축의 스플라인이 마모되었다.

⑤ 주축의 부싱이 마모되었다.

1.7. 오버 드라이브 기구

변속기와 추진축 사이에 설치되어 고속 주행을 할 때 엔진의 여유 출력을 이용하여 연료 소비율 향상과 기관의 소음을 줄일 목적으로 변속기의 입력 회전수보다 출력 회전수를 빠르게 하는 장치를 오버 드라이브 장치라 한다. 자동차의 속도가 40km/h에 이르면 작동을 하고 오버 드라이브 발전기의 출력이 8.5V가 되면 작동한다. 오버 드라이브 장치는 평탄 도로 주행에서만 작동을 한다. 오버 드라이브 기구에는 선 기어, 유성기어, 링 기어, 유성기어 캐리어가 있다. 오버 드라이브의 장점은 다음과 같다.

① 엔진의 회전 속도를 30%낮추어도 자동차는 주행 속도를 유지한다.

② 엔진의 회전 속도가 동일하면 자동차의 속도가 30% 정도 빠르다.

③ 평탄로 주행시 약 20% 정도의 연료가 절약된다.

④ 엔진의 운전이 정숙하고 수명이 연장된다.

1.8. 전륜 구동(4WD : Four Wheel Drive)

4륜구동(4WD : Four Wheel Drive) 차량은 앞 뒤 바퀴에 동력을 전달하는 장치를 설치하여 고르지 않은 노면과 미끄러지기 쉬운 노면 및 급한 경사로 등을 용이하게 주행할 수 있도록 하기 위한 목적으로 설치되어 있다. 4WD는 앞 또는 뒤의 2륜 으로 구동하거나 또는 4륜 으로 구동하는 2가지 주행 패턴을 선택하는 식으로 눈길이나 모래 길 등과 같이 미끄러지기 쉬운 길에서는 4륜 으로 구동하기 때문에 실렉티브 4WD라고도 한다. 앞 뒤 바퀴에 전달되는 동력은 엔진 → 변속기 → 트랜스퍼 케이스 → 앞, 뒤 추진축 → 앞, 뒤 종감속 기어 및 차동기어 → 앞, 뒤 액슬축의 순으로 전달되며, 트랜스퍼 케이스는 변속기와 분리되어 설치되어 있거나 변속기와 일체로 설치된 경우도 있으며, 주행 목적 이외에 동력을 사용하기 위한 동력인출 장치(Power Take Off : PTO)를 설치한 것도 있다.

4WD의 기본 구성

1.9. 정속 주행 장치(Cruise control system)

정속 주행 장치는 고속도로 등을 장시간 주행할 때 운전자의 피로를 감소시키기 위해 운전자가 희망하는 자동차 속도에 도달하였을 때 세트 스위치를 작동시켜 정속 주행을 하면 가속 페달을 밟지 않고도 자동차를 일정한 차량 속도로 주행하는 장치이다.

(1) 구조와 기능

정속 주행 장치는 액추에이터를 제어하는 ECU, 스로틀 밸브를 개폐시키는 스로틀 케이블, ECU의 제어 신호에 의해서 작동되는 모터와 포텐쇼미터 및 컨트롤 암 등으로 구성되어 있는 액추에이터, ECU에 전원을 공급 또는 차단하는 메인 스위치와 정속 주행을 명령하는 세트와 리줌 스위치로 구성 되어 있는 컨트롤 스위치, 정속 주행을 해제시키는 해제 스위치, 자동차의 속도를 검출하여 ECU에 입력시키는 역할을 하는 차속 센서로 구성되어 있다. 오토 크루즈 컨트롤 유닛으로 입력되는 신호는 클러치 스위치 신호, 브레이크 스위치 신호, 크루즈 컨트롤 스위치 신호, 인히비터 스위치, 차속센서 등이 있다.

(2) 정속 주행이 취소되는 원인

① 클러치 페달을 밟거나 브레이크를 작동할 때

② 자동 변속기 차량에서 변속레버의 위치가 P또는 N에 놓였을 때

③ 정상 크로즈 작동 중 실제 차속에 기억차량보다 17.5km/h이상 차이가 나게 감속되었을 때

④ 차량 속도가 40km/h이하에서는 정속 주행이 해제 된다.