자동차 동력전달 및 구동시스템-4

변속기

2) 자동변속기

 자동변속기는 변속기의 조작을 사람 대신 기계가 하도록 자동화한 것으로, 일반적으로 유체 클러치와 같이 사용되며, 변속 및 증속 장치로서 유성기어 장치가 사용된다. 자동변속기는 다음과 같은 특징이 있다.

- 기어조작을 하지 않으므로 운전하기가 편리하고, 운전자의 피로가 줄어 안전한 운전을 할 수 있다.

- 기관의 회전력을 유체로 전달하기 때문에 발진, 가속 및 감속이 원활하게 되어 승차감이 좋다.

- 유체가 댐퍼 역할을 하기 때문에 회전력 전달 시 노면과 기관으로부터의 진동이나 충격을 흡수한다.

- 구조가 복잡하고 값이 비싸다. / 연료소비율이 약 10% 정도 많아진다. / 차를 밀거나 끌어서 시동할 수 없다.

 자동변속기의 구조는 토크 컨버터(또는 유체 클러치), 유성기어 장치, 변속 제어기구로 구성되어 있으며, 내부에는 자동변속기 액으로 채워져 있다.

(1) 자동변속기의 구조

 자동변속기의 구성부품은 토크 컨버터, 오일펌프, 작동 기구(클러치, 브레이크), 유성기어, 유압 제어부, 전자 제어부, 구동축 등으로 되어 있다.

- 토크 컨버터 : 유체 클러치 및 토크 변환기능을 한다.

- 오일펌프 : 토크 컨버터에 의해 구동되며, 운전중 항상 유압을 발생하여 유압 제어 기구 및 마찰 부분에 오일을 공급한다.

- 유성기어 장치 : 토크컨버터의 토크 변환 능력을 보조하고 후진 등의 조작을 위한 장치이며, 선기어, 유성기어, 유성기어 캐리어, 링기어로 구성되어 있다.

(2) 유성기어의 변속

 단순 유성기어 시스템에서 링기어의 잇수는 다음 식으로 표시된다.

링기어 잇수(Zr) = 선기어 잇수(Zs) + ( 2 X 한 개의 유성기어 잇수(Zp))

그리고 캐리어는 기어가 아니므로 유성기어의 일정한 잇수에 상당하는 값으로 회전하게 되며, 상당 잇 수는 다음식으로 표시된다. 

케리어의 상당 잇수(Zc) = 선기어 잇수(Zs) + 링기어 잇수(Zr)

유성기어 장치를 사용하여 변속을 하기 위해서는 선기어, 캐리어, 링기어의 세 개 요소를 고정하거나 구동 또는 자유롭게 하여 직결, 감속, 증속, 역전 및 중립으로 할 수 있다.

 유성기어의 변속은 각 요소 사이에 고정 부분과 구동 부분의 결합을 바꿈으로써 피동 부분의 여섯 가지 변속을 얻을 수 있다.

(3) 유성기어 장치의 조합

- 라미뇨 기어 장치

 2세트의 유성기어 장치를 연이어 접속시킨 방식에서 링기어를 1개만 사용한 방식으로 1차 선기어는 1차 유성기어에 맞물려 있고, 2차 유성기어는 1차 유성기어 및 링기어와 맞물려 있으며, 2차 선기어는 2차 유성기어와만 접속되어 있다.

- 심프슨 기어 장치

 2세트의 유성기어 장치를 연이어 접속시킨 방식에서 선기어를 1개만 사용한 방식으로 1,2차 유성기어 장치의 선기어와 일체로 되어 있으나 일반적으로 1,2차 선기어의 직경(잇수)이 다른 것을 사용한다.

(4) 자동변속 제어 기구

- 유압 제어 기구 :

 유압에 의한 조절밸브 기구에 의해 제어되는 자동변속기이다. 유압 제어 기구는 오일펌프, 유압 조절 밸브(스로틀 밸브, 가버너 밸브), 주행 단계 컨트롤 밸브(매뉴얼 밸브, 킥 다운 스위치, 1~2단 및 2~3단 변속레버)로 구성되어 있다.

 운전자가 선택 레버 위치를 선택하면 매뉴얼 밸브를 작동시키며, 기관의 스로틀 밸브의 열림 정도는 변속기의 스로틀 밸브를 움직이며 모듈레이터 압력 (스로틀 압력)을 발생시킨다. 또 거버너는 변속기 출력축에 설치되어 자동차의 주행속도에 따라 변하는 거버너 압력을 발생시킨다. 이 유압에 의해서 시프트 밸브가 작동하여 각 작동부(다판 크러치와 브레이크 밴드)로 유압이 전달되어 자동으로 기어를 변속시킨다.

- 자동 제어 기구 :

 자동변속기의 전자제어 기구는 각종 센서, 솔레노이드 밸브, 변속기 제어 유닛으로 구성되어 있다. 각종 센서의 정보를 근거로 변속기 제어 유닛이 연산을 하여, 그 결과에 따라 솔레노이드 밸브를 작동시켜 댐퍼 클러치 제어, 변속 패턴 제어 및 변속시에 유압을 제어한다.

(5) 변속 위치에 따른 동력 전달 과정

- 중립 : 모든 클러치와 브레이크 밴드는 풀려 있다. 기관의 동력은 토크 컨버터를 거쳐 클러치 하우징으로 전달되어 프리 휠링을 이용하여 1차 선기어를 구동한다. 링기어나 유성기어는 자유상태이므로 기어들은 공전하고, 따라서 동력이 전달되지 않는다.

- 주행 1단, 2단 (선기어-> 캐리어, 링기어-> 캐리어)

 1단의 작동은 클러치는 모두 풀려있고, 2차 선기어는 브레이크 밴드에 의해서 고정되어 있다. 동력 전달은

 토크 컨버터 -> 클러치 하우징 -> 프리휠링 -> 1차 선기어로 전달되어 유성기어를 회전시켜 2차 유성기어 캐리어를 구동시킨다. 캐리어는 변속기 출력축을 구동시킨다.

 2단의 작동은 2차 선기어가 고정되어 있고, 2단 클러치가 작동한다. 동력 전달은 토크 컨버터에서 외부 드럼을 통해 링기어에 전달되고, 유성기어 캐리어가 구동되어 출력축으로 전달된다.

- 주행 3단 (직결)

 2단 클러치와 3단 클러치가 작동하므로 동력 전달은 토크 컨버터에서 선기어와 링기어에 동시에 전달된다. 2차 선기어의 브레이크 밴드는 풀린다. 링기어와 선기어의 회전수가 같으므로 중간에 끼어 있는 유성기어는 자전할 수 없게 되어 유성 기어장치 전체가 하나가 되어 회전한다.

- 후진 R (선기어-> 캐리어)

 작동 유압은 후진 클러치와 3단 클러치에 동시에 작용한다. 후진 클러치가 작동하면 링기어는 고정되어 3단 클러치가 작동하면 1차 선기어는 구동 된다. 링기어가 고정되어 있기 때문에 유성기어는 링기어 내부에서 선기어 회전 방향과는 반대방향으로 회전한다. 따라서 캐리어와 연결된다 출력축은 역회전하게 된다.

3) 정속 주행 장치

 정속 주행장치는 고속도로 등의 장시간 주행에서 운전자의 피로 감소, 쾌적한 운행 및 연료절감(약 10% 정도)을 목적으로 운전자가 원하는 구간에서 알맞은 속도로 조절해 놓으면 가속페달을 밟지 않아도 그 속도로 계속 유지되어 주행하는 장치를 말한다. 구조에 따라 가속페달에 래칫 기구를 이용한 기계식, 진공 액츄에이터를 이용한 진공식, 액츄에이터의 전동모터를 컴퓨터가 제어하는 전동식이 있으며, 최근에는 전동식이 주로 사용된다.

 전동식 주행장치는 자동 속도 제어장치라고도 하며, 구성은 컴퓨터의 신호를 받아 정속 주행장치의 작동을 제어하는 액츄에이터, 차속을 감지하여 컴퓨터로 보내주는 차속 센서, 센서 및 스위치로부터 신호를 받아 정속 주행에 필요한 제어신호를 액츄에이터로 보내는 컴퓨터, 운전자에 의해 제어되는 제어스위치, 정속주행 세트 속도를 해제하는 해제 스위치 등으로 되어 있다.

4) 트랜스퍼 케이스

 트랜스퍼 케이스는 4륜 구동차에 장착된 일종의 보조 변속기로써 변속기 뒷부분에 설치되어 기관의 동력을 앞, 뒤 바퀴로 분배하는 역할을 한다. 또한 트랜스퍼 케이스에는 수동으로 앞바퀴로 가는 동력을 단속하는 방식과 상사 4륜 구동식의 2가지 동류가 있으며, 주행 목적 이외에 동력을 사용하기 위한 동력 인출 장치를 설치한 것도 있다. 변속비는 일반적으로 고속은 1, 저속은 2 정도이며, 시프트 레버의 조작에 따라 2륜 구동 고속 위치(H2), 저속 위치(L2), 4륜 구동 고속 위치(H4), 저속 위치(L4) 및 중립(N)의 변속 위치가 있다.

5) 무단 변속장치

 무단 변속장치는 최저 변속비에서부터 최고 변속비까지 부하에 따라 변속비가 무단계로 설정되는 장치로서 자동차가 주행 중 최적의 운전상태를 항상 유지할 수 있다는 장점 때문에 자동차 산업의 초기부터 끊임없이 연구의 대상이 되어 왔다. 특히 CVT는 변속비의 제어를 통하여 기관의 작동점을 최적의 상태에서 유지시킬 수 있기 때문에 가속 성능의 향상 및 연비 개선이 가능하며, 따라서 유해 배기가스의 감소 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있으며, 무단으로 변속이 이루어지므로 기어 변속 과정에 의한 추진력의 변동이 없어서 운전의 쾌적성을 얻을 수 있다는 장점으로 인해 점차 자동차의 자동화에 큰 변환을 가져오는 추세에 있다. 최근의 CVT는 부품 재질의 지속적인 연구개발 및 전자제어 기술의 발전에 따라 신뢰성과 내구성 및 제어 성능 면에서 상당한 개선을 이루었으며, 이 중에서 강 벨트 방식의 전자제어식 무단변속 장치가 널리 채택되고 있다.

 CVT의 기본원리는 유압에 의해 입력풀리와 출력풀리의 지름을 변화시킴으로써 연속적(무단계)으로 회전 비를 변화시키는 방식을 채택하고 있다. 전동벨트의 종류에는 고무벨트와 강벨트가 있다. 고무벨트는 특성상 내구성이 적어 소형 저출력 승용차에 주로 사용되었으나, 최근에는 강도 및 내구성이 큰 강벨트를 사용하여 유성기어 장치와 병용해서 사용되고 있다.