흔히 '스틱형'이라고 불리는 수동 변속기는 주행 시 운전자가 변속을 위한 모든 과정을 조작해야 합니다. 수동 변속기는 작동 원리에 따라 크게 섭동기어식(Sliding Mesh Gearbox), 상시치합식(Constant-Mesh / Dog Clutch Type), 동기치합식(Synchro-Mesh Type)의 3종류로 나눌 수 있습니다.
수동 변속기의 작동 원리: 섭동 기어식 (Sliding Mesh Gearbox)
섭동기어식은 자동차에 적용된 가장 최초의 변속 시스템으로 비율이 서로 다른 기어를 움직여 맞물리게 하여 변속을 하는 방식입니다. 섭동 기어식 수동 변속기는 그림과 같이 3개의 샤프트로 구성되어 있습니다.
- 클러치 샤프트: 엔진 출력을 변속기 박스로 전달하는, 동력 입력 축으로 엔진 끝단에 장착된 클러치를 결합 및 해제하여 회전 운동 전달을 제어하는 역할을 합니다.
- 레이 샤프트: 크기가 다른 기어가 배열되어 있는 축으로 클러치 샤프트와 함께 연속 회전하며 변속 비율에 따라 출력축에 전달합니다.
- 메인 샤프트: 축 위의 기어가 움직이면서 레이 샤프트의 기어에 맞물려 외부로 변속비만큼 출력을 전달합니다. 기어가 축 위에서 쉽게 움직일 수 있도록 스플라인으로 만들어졌습니다.
동력 전달, 변속 과정은 다음과 같습니다.
- 변속 시: A (엔진) 동력 발생 -> 변속비에 따라 레이 샤프트의 B or E or C or G 기어 중 하나와 F와 맞물림 -> 출력
- 후진 시: A (엔진) 동력 발생 -> D와 G의 기어 맞물림 -> 차량 후진
섭동 기어식은 구조가 간단하고 속력을 조절 하기에도 용이하지만, 소음이 심하고 변속 과정이 까다롭다는 단점이 있습니다. 특히 변속 시 회전 중인 레이 샤프트의 기어가 정지 상태인 출력축의 기어에 맞물려야 하기 때문에 많은 간섭이 발생합니다. 이러한 이유로 더 개선된 상시 물림식기어가 탄생하게 됩니다.
수동 변속기의 작동 원리: 상시 치합식(Constant-Mesh / Dog Clutch Type)
상시 치합식은 소음이 심하고 변속 시 기어 맞물림이 까다로운 섭동 기어식의 단점을 보완한 방식으로 기본적으로 구조와 동작 원리도 유사합니다.
변속 시 기어 자체를 이동시켜 맞물리는 섭동 기어식과는 다르게 카운터 축과 출력축의 모든 기어가 항상 맞물린 상태로 회전하며, 변속 시에 메인 샤프트에 장착된 도그 클러치(기어 클러치) 가 변속비 만큼의 기어에 맞물려 출력을 하게 합니다. 쉽게 생각하면 도그 클러치라는 맞물리는 역할을 하는 별도의 부품을 사용하여 기어의 부담을 줄이는 것입니다.
모든 축의 기어는 항상 회전을 함 -> 도그 클러치가 적절한 기어와 맞물려 출력 생성
구조가 간단하고 섭동 기어식에 비해 조용한 편이며 헬리켈형의 기어 모양이기 때문에 하중부담능력이 커서 아직도 대형 버스나 트럭 등에 종종 사용하고 있습니다. 그러나 변속 시 기어 대신 도그 클러치가 손상 및 마모가 발생 할 수 있고 소음 문제 또한 완벽하지는 않습니다.
수동 변속기의 작동 원리: 동기 치합식(Synchro-Mesh Type)
동기치합식은 상시 치합식의 도그 클러치를 싱크로나이저라는 부품을 사용하여 단점을 개선한 방식입니다. 상시 치합식과 마찬가지로 모든 기어들이 항상 맞물려서 회전하지만, 출력 시 도그 클러치 대신 싱크로나이저가 적절한 기어비에 맞춰 동력을 전달하죠. 동기 치합식의 작동 방식을 이해하기 위해서는 우선 싱크로나이저에 대해 알아야 합니다. 싱크로나이저의 구조는 아래와 같습니다.
- 허브: 샤프트에 고정되어 함께 회전합니다.
- 슬리브: 허브 위에 위치하며 좌우로 이동이 가능합니다. 허브와 단기어를 같이 움직이게 하는 역할을 합니다.
- 싱크로나이저 링: 안쪽에 마찰면이 있으며 슬리브에 의해 출력 축 기어와 맞물려 동력을 전달합니다.
허브위에 장착되며 자유롭게 움직이는 슬리브는 싱크로나이저 내에서 양쪽 기어를 맞물려 변속을 합니다. 하지만 연결 전 기어와 샤프트의 회전 속도는 서로 다를 수 밖에 없는데, 싱크로나이저 링이 이 문제를 해결하죠. 허브와 기어 사이를 자유롭게 움직이는 싱크로나이저 링은 슬리브가 움직여 기어를 맞물리기 전 넣을 때 먼저 변속하려는 기어와 접촉을 합니다. 이때 싱크로나이저 링과 기어 사이의 강력한 마찰이 발생하면서 기어의 속도가 출력축의 속도와 비슷해지며, 회전 속도가 비슷해지면 슬리브가 쉽게 들어가 연결되는 것입니다.
요약하자면 (도그 클러치와 마찬가지로) 슬리브가 각 기어 사이에 맞물리는 역할을 하고, 기어 연결 전 싱크로나이저 링이 속도를 비슷하게 맞춰주어 원활하게 연결을 할 수 있게 합니다.
동기 치합식 변속 과정을 단계별로 정리해보았습니다. 슬라이드를 옆으로 넘겨가며 봐주세요.
- 1단: 약 1/4감속, 출력 축 회전 증가, 1-2단 싱크로나이저 슬리브가 오른쪽으로 이동하여 1단 변속 기어가 슬리브에 맞물려 출력 축을 구동합니다.
- 2단: 약 1/2.4 로 감속, 출력 축 회전 증가, 1-2단 싱크로나이저 슬리브가 왼쪽으로 이동하여 2단 변속기어가 슬리브에 맞물려 출력 축을 구동합니다.
- 3단: 약 1/1.5로 감속, 출력 축의 회전 증가, 1-2 단 싱크로나이저 슬리브는 중립 위치로 이동하고 3-4단 싱크로나이저 슬리브가 오른쪽으로 이동하면서 3단 변속기어가 슬리브에 맞물려 출력 축을 구동한다.
- 4단: 직결 감속 없음, 3-4 단 싱크로나이저 슬리브가 왼쪽으로 이동하고 입력축에 있는 주축 구동 기어가 맞물리면서 싱크로나이저를 통해 출력 축과 직결되어 구동합니다.
- 5단: 약 1.25 배 증속, 5단 싱크로나이저가 슬리브가 왼쪽으로 이동하여 5단 변속 기어를 회전시킵니다. 속도는 증가하지만 출력 축의 회전력은 감소합니다.
- 후진: 감속 역전, 출력 축의 회전력이 증가, 모든 싱크로나이저 슬리브는 중립에 위치합니다. 후진 아이들 기어가 1-2단 싱크로나이저에 있는 기어와 맞리면서 출력축이 반대로 회전합니다.
동기 치합식은 상대적인 구조가 복잡하고 하중 부담 용량이 커진다는 단점이 있으나 변속 시 소음이 거의 없고 부드럽게 변속을 할 수 있으며 기어가 보호되어 수명이 길어진다는 장점이 있습니다.
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