[스터디] 수동 변속기 개요

[목차] 수동 변속기 - 개요
- 변속기
   수동변속기 / 자동변속기
- 수동 변속기
   점진기어식 / 선택기어식 / 관련영상
- 수동변속기 구성
   케이스 시스템 / 기어트레인 시스템 / 싱크로나이저 시스템 / 시프트 컨트롤 시스템

변속기

자동차의 변속기는 엔진의 회전력을 차량의 바퀴로 전달하는 과정에서, 적절한 속도와 토크를 생성하기 위해 기어비를 조절하는 장치이다. 엔진은 특정속도 범위에서 최대의 토크와 출력을 나타내며, 변속기는 엔진의 회전속도와 토크를 적절히 변환시킴으로써 최대의 효율을 만든다. 또한 엔진을 무부하 상태로 유지하거나 자동차를 후진하게하는 역할도 수행한다.

 

변속기는 수동변속기와 자동변속기로 나눌 수 있다.

수동 변속기는 운전자가 직접 클러치 페달을 조작하여 변속을 수행하는 변속기이며, 자동변속기는 전자장치 등을 이용하여 자동차의 주행조건에 맞도록 자동적인 변속을 수행하는 변속기이다. 

 

1. 수동변속기와 자동변속기 특징

1.1 수동변속기

- 자동변속기에 비해 연비가 높다.

- 클러치를 작동하며 상황에 맞게 기어와 RPM을 조절할 수 있으며, 'Fun Driving'을 느낄 수 있다.

- 비교적 간단한 구조이며 유지보수가 간편하다.

 

1.2 자동변속기

- 잦은 조작이 필요없어, 운전자가 느끼는 피로감이 덜하다.

- 현재는 자동변속기의 기술이 높아짐에 따라 수동변속기만큼의 연비 효율이 나온다고 한다. 

 

* 대부분의 양산 차량은 자동변속기로 생산 판매 중이다. 모터스포츠 고급차 컨셉을 추종하는 현대자동차의 아반떼 N의 경우 6단 수동변속기를 사용하는 모델을 생산 중에 있다. (물론 DCT도 판매한다.) 일단, 수동변속기는 자동차의 변속기의 초기 기술이었던 만큼 이번 글에서 먼저 다뤄보겠다.

 

---

 

 

수동 변속기

토크 또는 회전속도를 운전자가 직접 선택하여 변속하는 방식이며, 엔진의 동력을 단속하기 위하여 클러치를 조작하여 동력을 전달한다. 수동변속기의 구조 및 조작기구 등을 통해 분류하면 아래 표와 같다.

 

 

 

1. 점진기어식 변속기

일반적으로 변속단수가 전진 3단, 후진 1단으로 구성되어있다. 기어의 변속이 점진적으로만 가능하며(운전 중 1→3단 or 3→1단으로 변경 불가), 오토바이 혹은 트랙터 등에 주로 사용된다.

 

2. 선택기어식 변속기

선택기어식은 수동변속기로 가장 많이 사용하는 방식이다. 선택기어식은 섭동물림식, 상시물림식, 동기물림식으로 나뉜다.

 

2.1 섭동물림식(Sliding Mesh Type)

변속레버의 조작으로 Output shaft의 변속기어를 선택하여 Counter shaft 기어에 물림으로써 동력을 전달하는 방식이다. Output Shaft에 설치된 각 변속기어는 스플라인에 끼워져 축방향으로 미끄럼 운동을 할 수 있다. 변속 기어가 어느 기어와도 물리지 않으면 동력이 전달되지 않는 중립상태가 된다.

 

섭동물림식의 경우, 변속조작거리가 멀고, 가속성능이 저하되며, 기어와 주축의 회전속도를 맞추기가 어려워 파손되기가 쉬운 문제가 있다.

섭동물림식 기어 예시 (출처 : Quora, https://www.quora.com/What-is-the-application-of-a-constant-mesh-gear-box)

 

 

 

 

2.2 상시물림식(Constant Mesh Type)

Output shaft의 변속기어는 Counter shaft의 기어와 항상 맞물린 상태로 회전한다. 평상 시 변속 기어는 자유롭게 회전하는 상태이며, 변속 시 변속래버의 작동으로 도그클러치가 이동하여 변속기어에 맞물리며 동력을 전달한다. 변속기어는 스플라인에 끼워져 축방향으로 미끄럼 운동을 할 수 있다. 또한, 변속기어에 도그클러치가 물리지 않는다면 변속기어는 공회전을 하며 동력을 전달하지 않는 중립상태가 된다.

 

상시물림식의 경우, 변속기어의 원주속도가 슬라이딩 도그클러치의 원주속도와 일치하지 않으면 물림 시 소음이 발생하고 심하면 파손이 발생한다.

상시물림식 기어 예시

 

 

 

2.3 동기물림식(Synchro-Mesh Type)

변속기어와 두 기어를 접속 시켜 동력을 전달할 때 회전 속도를 같게 만든 후 기어를 물리는 방식이다. 수동변속기 중 가장 많이 사용하는 방식이다. 자세한 내용은 아래에서 다뤄보겠다.

 

동기물림식은 크게 일정부하형과 관성고정형으로 나눌 수 있다.

일정부하형 : 동기가 되지 않아도 일정 이상의 힘을 가하면 기어를 변속한다.

관성고정형 : 운동속도가 같은 상태에서 기어를 변속한다.

 

동기화 기구(Synchronizer)는 마찰을 통해 변속기어와 Output shaft의 회전속도를 일치시킨다. 동기화 기구는 싱크로나이저 링, 싱크로나이저 허브, 싱크로나이저 슬리브로 구성되어 있다. 기어 변속 시, 싱크로나이저 링이 공회전하는 기어에 접촉하여 마찰력을 발생시켜 회전속도를 일치화 시키는 방식으로 동기화한다.

 

 

 

3. 관련 영상

아래 동영상은 섭동물림식, 상시물림식, 동기물림식에 대한 설명이다. 

[Youtube] Lesics, Manual Transmission, How it works?

 

 

 

---

 

 

 

수동변속기 구성

수동변속기는 [선택기어식 - 동기물림식 - 관성고정형 - 키형]이 주류를 이루고 있다. 따라서 해당 수동변속기를 기준으로 구성요소에 대해서 알아보겠다. 수동변속기는 케이스, 기어트레인, 싱크로나이저, 시프트컨트롤 시스템 등으로 구성되어 있다.

 

 

1. 케이스 시스템

변속기 내외부의 구성부품을 고정 및 지지하며 구성부품의 손상을 방지하는 역할을 한다. 이 밖에도 변속기를 엔진과 차체에 연결하고, 회전 마찰부에 윤활을 공급하며, 변속기 내 진동 혹은 소음이 외부로 전파되는 것을 차단한다.

'14 Hyundai Veloster Manual Transmission (출처 : SH Parts, HyundaiPartsDeal.com)

 

2. 기어트레인 시스템

다수의 기어쌍이 일렬로 배열되어 변속단에 따라 구동력 및 회전수를 증대 또는 감소시켜 바퀴에 전달하는 기능을 한다.

 

2.1 기어

기어는 큰 동력을 전달하거나 고속회전이 가능하고, 회전방향을 변경할 수 있는 특징이 있다. 수동변속기에 사용되는 기어에는 크게 평행축 기어와 교차축 기어가 사용된다.

 

1) 평행축 기어(Gear Pair with Parallel Axes)

: 한 쌍이 물려 회전하고 있는 구동 기어 축과 종동 기어 축이 서로 평행한 것이다.

a. 평기어
치줄이 축에 평행한 기어이며, 일반적으로 후진 기어에 적용한다.

b. 헬리컬 기어
치줄이 축에 각을 갖고있는 나선기어로, 일반적으로 스피드 기어에 적용한다. 평기어 대비하여 소음이 적다.

 

2) 교차축 기어 (Gear Pair with Intersection Axes)

구동 기어 축과 종동 기어 축이 서로 교차한 것이며 일반적으로 배밸 기어가 많이 사용된다.

a. 직각 베벨 기어
이의 형태가 평 기어와 비슷한 기어이다. 디퍼렌셜 기어에 적용한다.

b. 스파이럴 베벨 기어
이의 형태가 헬리컬 기어와 같이 나선각을 갖는 기어이다.

 

평기어, 헬리컬 기어, 직각/스파이럴 베벨 기어(출처 : 미스미)

 

 

 

3. 싱크로나이저 시스템

회전 속도가 다른 두 개의 변속기 기어의 회전수를 동일하게 해줌으로써 부드러운 치물림을 가능하게 해주고 엔진 동력을 차량으로 전달하는 장치이다. 싱크로나이저 시스템은 클러치 기어, 싱크로나이저 링, 싱크로나이저 허브, 싱크로나이저 슬리브, 키 유닛으로 구성된다.

 

3.1 클러치 기어

기어에 일체형으로 조립되어 있으며, 싱크로나이저 슬리브와 체결되어 구동력을 전달한다. 싱크로나이저 링과 접촉하여 마찰력을 발생시키기 위하여 원추형의 마찰면이 있다.

 

3.2 싱크로나이저 링

기어 변속 시, 시프트 포크가 클러치 슬리브를 밀면, 클러치 기어와 접촉하는 마찰요소이다

 

3.3 싱크로나이저 허브

허브 안쪽에 설치된 스플라인에 의하여 아웃풋 샤프트에 고정되어 회전속도를 동일하게 회전시킨다.

 

3.4 키 유닛

키, 스프링, 볼로 구성되어 있다. 키 유닛의 뒷면에는 돌기가 설치되어 있으며, 클러치 허브에 설치된 3개의 홈에 끼워져 키 스프링 장력으로 클러치 슬리브 안쪽에 압착된다.

 

싱크로나이저 시스템 부품 (출처 : X-Engineer, Gear synchro)

 

4. 시프트컨트롤 시스템

운전자가 변속을 위하여 변속레버를 조작하면 수동변속기 내부에 싱크로나이저 슬리브까지 전달하여 원하는 변속단으로 변속을 조절하는 기구이다.

 

4.1 셀렉트와 시프트

변속 조작은 셀렉트와 시프트로 이루어진다.

 

1) 셀렉트(Select)

변속기 내부에 싱크로나이저 슬리브를 선택하는 것

 

2) 시프트(Shift)

선택된 싱크로나이저 슬리브를 원하는 방향으로 이동해 원하는 변속단과 치합시켜 동력을 전달될 수 있도록하는 것

 

 

 

4.2 직접조작식과 원격조작식

시프트컨트롤 시스템은 변속레버를 운전석 옆 바닥에 설치하는 플로어 시프트식과 조향축에 설치하는 칼럼 시프트식이 있다.

플로어 시프트식은 직접조작식과 원격조작식이 있으며, 칼럼 시프트식은 원격 조작식이 있다.

플로어 시프트식과 칼럼 시프트식 (출처 : 현대자동차 저널)

 

1) 직접 조작식

변속레버가 변속기 케이스에 직접 설치된 형식이다.

변속레버에 의해 변속단이 선택되면, 시프트링크지에 연결된 시프트포크가 싱크로나이저 슬리브를 이동시킨다. 싱크로나이저 슬리브는 클러치기어와 싱크로나이저 허브를 연결하여 변속이 이루어진다.

2) 원격 조작식

변속레버에 케이블, 링크, 로드가 연결되어 변속기를 조작하는 형식이다.

'23 아반떼 N 2WD Manual Transmission (출처 : HyundaiPartsDeal.com)

 

 

5. 관련영상

아래 영상은 도요타 수동변속기 해체 영상이다, 전체적인 외형과 케이스 탈거 후 기어트래인 및 내부 구조물이 나와있다.

영상 속 수동변속기의 경우 C52 전륜구동 수동변속기이다.

DrivelineMaster, Toyota Manual Transaxle (4) Housing and gear train removal