1. 자동 변속기(Automatic Transmission)

1.1. 자동 변속기의 개요

자동 변속기는 클러치와 변속기의 작동이 자동차의 주행속도나 부하에 따라 자동적으로 이루어지는 장치이다. 자동 변속기에는 변속조작 방법에 따라 여러 가지 형식이 있으나 주로 토크 컨버터와 유성기어 변속기에 유압 조절장치를 두며, 최근에는 컴퓨터로 조절하는 전자제어 자동 변속기가 사용된다. 자동변속기의 특징은 다음과 같다.

① 기어 변속 중 기관 작동 정지가 없어 안전 운전이 가능하다.

② 저속 측의 구동력이 크기 때문에 등판 발진이 쉽고 최대 등판능력도 크다.

③ 오일이 충격 완화 작용을 하므로 충격이 적어 기관 수명이 길어진다.

④ 클러치 조작이 필요 없이 자동 출발이 된다.

⑤ 조작 미숙으로 인한 기관 정지가 없다.

⑥ 기관의 회전력을 오일을 통하여 전달되므로 연료 소비율이 증대하므로 비경제적이다.

1.2. 유체 클러치(fluids clutch)

(1) 유체 클러치의 작동원리

유체 클러치는 유체 커플링이라고도 하며, 기관의 회전력을 액체의 운동 에너지로 바꾸어 유성 기어부에 전달하는 클러치이다. 유체 클러치는 직선 방사상의 많은 날개가 있는 두개의 날개바퀴로 구성되어 있으며, 구동 쪽 날개바퀴를 펌프 임펠러라 하고, 피동 쪽 날개바퀴를 터빈 런너 라 한다. 또한 펌프 임펠러는 크랭크축에 연결되어 있고 터빈 런너는 변속기의 입력 축에 연결되어 있다.

(2) 유체 클러치의 구조

유체 클러치는 기관 크랭크축에 펌프(pump impeller)를, 변속기 입력축에 터빈(turbine runner)을 설치하고, 오일의 맴돌이 흐름(와류)을 방지하기 위한 가이드 링(guide ring)을 두고 있다.

유체 클러치의 구조

(3) 유체 클러치의 성능

유체 클러치에서는 회전력 비율이 1 : 1이다. 따라서 동력전달 효율은 속도비율이 똑같은 값이 되고, 속도비율 1에 가까울수록 효율이 향상된다. 그러나 속도비율 1에서는 유체 클러치 내의 오일 흐름이 없어 순환하지 못하므로 유동이 0이 되고 오일을 매개체로 한 동력전달은 일어나지 않는다. 따라서 전달 회전력도 0이 된다. 실제로는 베어링 등의 마찰손실로 인하여 속도비율 e= 0.95～0.98부근에서 효율은 최대가 되고 그 이상의 속도에서는 효율이 급격히 저하하여 0에 가깝게 된다.

① 유체 클러치 펌프의 회전속도를 NP(rpm), 터빈의 회전속도를 NT(rpm)라고 하면 미끄러짐 비율 으로 표시하며 전달 회전력의 크기는 미끄럼 비율 S가 클수록(또는 속도 비율((NT/NP = 0)에 가까워질수록) 커진다.

② 유체 클러치의 특성은 속도 비율 감소와 함께 회전력이 증가하며, 속도 비율 0에서는 최대 값이 된다. 이 점을 스톨 포인트(stall point)라 한다. 즉, 스톨 포인트란 NT/NP = 0을 말하며 이때의 회전력을 드래그 회전력(drag torque)라 한다.

(4) 유체 클러치 오일의 구비조건

① 점도가 낮을 것

② 비중이 클 것

③ 착화점이 높을 것

④ 내산성이 클 것

⑤ 유성이 좋을 것

⑥ 비등점이 높을 것

⑦ 응고점이 낮을 것

⑧ 윤활 성능이 클 것

1) 자동변속기 점검

① 자동 변속기 오일량 점검은 지면이 평탄한 곳에서 실시한다.

② 시프트레버를 N레인지에 위치하고 엔진을 공회전 상태에서 차량이 워밍업 되도록 한다.

③ 기관 공회전(워밍업상태)상태에서 변속레버를 각 레인지에 2∼3회 작동시켜 클러치나 서보에 오일을 충분히 채운 후 공회전 에서 변속레버를 P또는 N위치로 하고 오일량을 점검한다.

④ 오일량이 HOT(MAX)과 COLD(MIN)의 사이에서 HOT(MAX)에 가까이 있어야 한다.

1.3. 토크 컨버터(torque converter)

(1) 토크 컨버터의 특징

토크 컨버터는 유체 클러치의 개량형으로 유체 클러치는 회전력 변환율이 1:1을 넘지 못하는데 비해 토크 컨버터는 2～3:1의 회전력을 변환할 수 있다. 그 구조는 유체 클러치에 프리 휠링(Free Wheeling) 장치가 부착된 스테이터를 추가시키고 펌프와 터빈의 날개가 나선형으로 되어 있다. 토크 컨버터는 펌프, 터빈 및 스테이터의 각 날개바퀴가 케이스 안에 들어 있으며, 그 속에 작동 유체인 오일이 가득 채워져 있다. 또한 클러치 점 이후에서의 회전력 손실을 피하기 위해 록업 클러치(Lock-up Clutch)를 컨버터 내부에 추가로 장착한 형식도 있다. 특징은 다음과 같다.

① 토크 컨버터의 유체 충돌 손실은 속도비 0.6∼0.7에 가장 작다.

② 속도비가 0일 때(터빈 런너가 정지) 스톨 포인트 또는 드래그 포인트가 한다.

③ 스톨 포인트에서 토크비가 가장 크고 회전력이 최대가 된다.

④ 스테이터가 공전을 시작할 때까지는 토크비가 직선적으로 감소된다.

⑤ 클러치점 이상의 속도비에서 토크비는 1이 된다.

⑥ 최대 토크비는 2∼3 : 1이며, 동력 전달 효율은 97∼98%이다.

토크 컨버터

(2) 스테이터의 작용

스테이터는 토크 컨버터에서 회전력을 변환시키는 중요한 작용을 한다. 스테이터는 앞쪽에 오일이 부딪쳐서 흐름방향을 바꾸고 있는 경우는 펌프가 터빈에 비해 더 많이 회전한다. 즉, 회전속도의 차이가 클 때이다. 회전속도의 차이가 크면 펌프에서의 오일이 터빈에서 튕겨 나온다. 오일이 스테이터에 부딪쳐 각도를 바꾸어 펌프에 되돌아 올 때 회전력 증대작용이 일어난다(스테이터는 스테이터 축을 통해서 고정되어 있다). 이 때 만약 스테이터가 스테이터 축에 고정되어 있지 않고 펌프의 회전방향과 반대방향으로 회전했을 때, 즉 스테이터가 역회전했을 때는 전달효율이 떨어진다. 그 이유는 역류하는 오일이 펌프의 회전을 방해하기 때문이다. 또 스테이터는 원웨이 클러치(프리 휠링 또는 일방향 클러치라고도 함)를 사이에 두고 스테이터 축에 설치되어 있다. 따라서 펌프가 터빈의 회전속도보다 빠른 동안, 스테이터는 스테이터 축에 고정되어 오일흐름의 방향을 바꾸어 주는 역할을 한다. 그러나 터빈의 속도가 펌프 회전속도의 8/10(즉 속도 비율 0.8) 정도로 접근되면 오일의 흐름이 스테이터 뒷면에 작용하게 되어 스테이터도 펌프와 터빈의 방향으로 함께 회전한다. 이때 토크 컨버터는 유체 클러치로 작용한다.

(3) 원웨이 클러치(one way clutch)의 기능

스테이터는 펌프와 터빈의 회전속도의 차이가 클 때는 유효하지만 반대로 회전속도 차이가 적을 때는 토크 컨버터 내의 오일흐름에 변화가 생기게 된다. 오일이 터빈으로 흘러 스테이터의 앞쪽에 부딪쳐 흐름의 방향을 바꾸고 있었으나 회전속도 차이가 없어지면 오일의 흐름도 대부분 와류상태가 되어 펌프와 터빈은 같은 속도로 회전하려 한다. 이 때 스테이터가 스테이터 축에 고정되어 있으면 스테이터의 뒷면에서 오일이 흘러 들어가 스테이터도 펌프나 터빈과 함께 회전하려고 한다. 이 때 스테이터를 회전시키지 않으면 전달효율이 불량해져 회전력 비율은 1 이하가 된다.

이것을 방지하기 위해서 스테이터에는 펌프의 회전방향과 같은 방향으로 회전시키는 힘이 작용했을 때 회전하며, 반대방향으로 힘이 가해졌을 때 고정시키는 원웨이 클러치를 두고 있다. 스테이터가 회전을 시작하는 시점을 클러치 포인트(clutch point)라 한다. 이것을 경계로 해 유체 클러치로 변환되어 회전력 증대작용이 일어나지 않기 때문에 회전력 변환비율은 1이 된다. 만약 스테이터의 원웨이 클러치가 고착되거나 회전방향으로 회전하지 않을 때 스톨 테스트의 결과는 양호하더라도 어느 주행속도(약 70～80km/h) 이상이 되면 주행속도가 올라가지 않고 과열하기 쉽게 된다.

(4) 오일냉각기(oil cooler)

토크 컨버터 내에서는 오일이 고속으로 흐르기 때문에 발생하는 마찰이나 펌프, 터빈에서 오일의 충돌 등으로 오일에 전달된 운동 에너지가 모두 열로 변해 자동 변속기 오일의 온도를 높이게 된다. 이를 방지하기 위해 오일냉각기를 두고 있다.

1.4. 유성기어 장치

유성 기어장치의 구성요소는 선기어(sun gear), 링기어(ring gear), 유성기어와 캐리어로 되어 있으며 입력 및 출력요소로 선기어, 링기어, 캐리어를 이용한다. 유성 기어장치는 3요소 중 2요소가 작동하면 일체로 작동된다. 일반적으로 자동 변속기에서 사용하고 있는 기어 트레인형식은 심프슨 방식(simpson type), 라비뉴 방식(ravigneaux type), CR- CR방식 등이 있다.

유성 기어 장치

(1) 심프슨 방식(simpson type)

2세트의 단일 유성기어의 각각에 선기어를 결합하고 다시 한쪽의 링기어와 다른 한쪽의 유성캐리어를 결합한 기어 트레인이다. 특징은 링기어 입력으로 인하여 강도상 유리하고 동력 순환이 없으며 구성요소의 회전속도 낮고 효율이 좋다.

심프슨 방식  

(2) 라비뉴 방식(ravigneaux type)

1세트의 단일 유성기어와 다른 한 세트의 더블 유성기어 세트를 조합한 기어 트레인이다. 특징은 구성요소가 적고 축 방향의 치수가 짧고 구성요소의 회전속도가 낮다.

라비뉴 방식

1.5. 유성기어 변속장치의 작용

(1) 증속시킬 경우

① 링기어를 증속시키고자 할 경우에는 선기어를 고정시키고, 유성 캐리어를 구동하면 증속되며, 링기어의 증속은 다음 공식으로 산출된다.

N : 링 기어의 회전, A : 선 기어 잇수, D : 링 기어 잇수, n : 유성 캐리어의 회전수

② 선기어를 증속시키고자 할 경우에는 링기어를 고정시키고, 유성캐리어를 구동하면 증속된다.

(2) 감속시킬 경우

① 선기어를 고정시키고 링기어를 구동하면 유성 캐리어가 감속한다.

② 링기어를 고정시키고 선기어를 구동하면 유성 캐리어가 감속한다.

(3) 후진(역회전)시키고자 할 경우

① 유성 캐리어를 고정하고 선기어를 회전시키면 링기어가 역전 증속한다.

② 유성 캐리어를 고정하고 링기어를 회전시키면 선기어가 역전 감속한다.

(4) 직결시킬 경우

선기어, 유성 캐리어, 링기어의 3요소 중에서 2요소를 고정하면 동력은 직결(top gear)된다. 또, 유성기어를 자동변속기의 보조 변속기로 사용하는 이유는 다음과 같다.

① 유성기어 트레인의 각 기어는 항상 물려 있기 때문에 동력전달 중에도 기어의 변속이 가능하다.

② 1세트의 유성기어 트레인로 2가지의 변속비율 얻을 수 있다. 가령 2세트의 유성 기어세트인 경우 전진 3단, 후진 1단의 변속 비율을 얻을 수 있다.

1.6. 유압 제어장치

자동변속기는 유압 제어장치에 의해 자동차의 주행속도에 따라 자동적으로 유성 기어장치의 브레이크 밴드와 클러치를 결합시키기도 하고 해제하기도 한다.

(1) 오일펌프(oil pump)

오일펌프는 유압 제어장치에 적당한 유압과 유량을 공급한다. 오일펌프는 내접 기어형이며, 구동기어와 피동기어로 되어있고, 초승달 모양의 크레센트(crescent)를 사이에 두고 서로 맞물려 있으며 기관 시동과 동시에 유압을 발생한다. 오일펌프에서 나온 오일은 압력 조정밸브로 들어가 적당한 유압으로 조정된다. 이 때 조정된 유압을 주(main) 라인압력이라 하며 이것이 클러치, 브레이크 밴드 등의 각 요소를 작동시키는 사용된다. 피동기어는 오일펌프 보디 내에서 회전하여 구동기어와 함께 크레센트와 기어 이와의 사이에 오일을 흡인하여 입구에서 출구 쪽으로 약 5.0～6.0kgf/cm2의 압력으로 배출한다.

오일펌프의 구조

(2) 거버너 밸브(governor valve)

유성 기어장치의 변속이 그 때의 주행속도에 적응되도록 한다. 작동은 오일펌프에서 유압을 받아 이를 주행속도에 비례하는 거버너 압력으로 조정하여 최종적으로 이 유압을 밸브 보디 내의 시프트 밸브(shift valve)의 끝 부분에 작용시킨다. 이 유압에 의해 시프트 밸브가 이동하여 오일회로가 열리면서 주 라인압력이 클러치, 브레이크 밴드로 송출되어 클러치 또는 브레이크 밴드가 작용하여 유성 기어장치가 변속된다. 즉 거버너 밸브에 의하여 시프트 업(shift up)이나 시프트 다운(shift down)이 자동적으로 이루어진다.

(3) 밸브보디(valve body)

오일펌프에서 공급된 유압을 각 부분으로 공급하는 유압회로를 형성하며, 그 종류에는 매뉴얼 밸브, 스로틀 밸브, 압력 조정밸브, 시프트 밸브, 거버너 밸브 등이 있다.

1) 매뉴얼 밸브(manual valve)

운전석의 변속레버(shift lever) 조작으로 작동되는 수동밸브로, 변속레버와 링크로 연결되어 레버 움직임에 따라 라인압력을 앞뒤의 서보기구나 클러치 등 각 레인지로 바꾸어준다.

2) 스로틀 밸브(throttle valve)

주 라인압력을 가속페달을 밟은 정도 즉, 스로틀 밸브의 열림 정도에 비례하는 유압 또는 흡기다기관 내의 진공도와 반비례하는 유압을 변환시키는 것이다. 스로틀 밸브에 의해 발생한 스로틀 압력은 최종적으로 시프트 밸브 끝 부분에 작용하여 거너버 압력과 대항하여 작동한다. 따라서 업 시프트(up shift)가 될 때 주행속도를 기관의 부하에 따라 자동적으로 변화시키기도 하고 또 킥다운(kick down)이 가능하도록 한다.

3) 압력 조정밸브(pressure control valve)

오일펌프에서 발생한 유압의 최고 값을 규정하고, 각 부분으로 보내지는 유압을 그때의 주행속도와 기관에 알맞은 압력으로 조정하며 기관이 정지되었을 때 토크 컨버터에서의 오일이 역류하는 것을 방지한다.

4) 시프트 밸브(shift valve)

유성 기어장치를 주행속도나 기관의 부하에 따라 자동적으로 변환하기 위한 것이다. 시프트 밸브는 클러치 및 브레이크 밴드 서보로 통하는 오일회로를 개폐하는 일종의 부동(floating) 밸브이며 1-2속, 2-3속 시프트 밸브, 4단 변속기의 경우에는 3-4속 시프트 밸브로 되어 있다.

5) 어큐뮬레이터(축압기 ; accumulates)

어큐뮬레이터는 브레이크나 클러치가 작동할 때 변속 충격을 흡수하는 일을 한다.

① 히스테리시스(hysteresis) : 스로틀밸브의 열림 정도가 같아도 업 시프트(up-shift)와 다운 시프트 사이의 변속 점 에서는 7～15km/h 정도의 차이가 나는 현상이며, 이것은 주행 중 변속 점 부근에서 빈번히 변속되어 주행이 불안전 하게 되는 것을 방지하기 위해 두고 있다.

② 킥다운(kick down) : 톱 기어 또는 제2속 기어로 주행을 하다가 급가속시 가속페달을 힘껏 밟으면 변속 점을 지나서 다운 시프트 되어 소요의 가속력이 얻어지게 된다. 이와 같이 가속페달을 전(全) 스로틀 부근까지 밟는 것에 의해 강제적으로 다운 시프트 되는 현상이다.

1.7. 댐퍼 클러치(록업 클러치, damper clutch or lock up clutch)

(1) 댐퍼 클러치의 기능

토크 컨버터는 펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전차에 의해 엔진의 동력이 변속기에 전달되기 때문에 펌프 임펠러와 터빈 런너의 회전이 동일해져서 미끄럼에 의한 손실이 커져 마찰 클러치에 비하여 약 10% 정도의 동력 전달 효율이 저하된다. 댐퍼 클러치는 펌프 임펠러와 터빈 런너를 직결시켜 동력 전달 효율 및 연비를 향상 시킨다.

(2) 댐퍼 클러치가 작동하지 않는 범위

① 제1속 및 후진할 때 : 발진 가속성능 확보하기 위해(제2속에서부터 작동 시작)

② 기관 브레이크가 작동할 때 : 감속 충격을 방지하기 위해

③ 변속할 때 : 변속 감각을 향상시키기 위해

④ 냉각수 온도 50℃, 오일 온도 60℃ 이하일 때 : 작동의 안정을 위해

⑤ 기관이 공전할 때

⑥ 브레이크 스위치가 ON 상태일 때

⑦ 3속에서 2속으로 시프트 다운될 때

⑧ 엔진의 회전 속도가 2,000rpm이하에서 스로틀 밸브의 열림이 클 때