자동 변속기는 크게 토크 컨버터 (torque convertor), 유성 기어 장치 (planetary gear trains), 유압 제어 시스템 (hydrolic control system) 그리고 변속기 오일로 이루어져 있습니다
토크 컨버터 (Torque converter)
토크 컨버터는 엔진과 유성기어 사이에 있으며, 오일의 유동으로 동력을 전달하고 토크를 증가시키는 장치입니다. 유체 커플링 방식이기 때문에 자동차의 주행 저항에 따라 자동적, 연속적으로 구동력을 변화시킬 수 있는 것은 물론, 엔진의 급격한 회전 및 토크 변화 또는 노면이나 바퀴에서 발생하는 충격이 동력축으로 전달되지 않습니다.
토크 컨버터는 펌프 임펠러, 스테이터, 터빈 러너로 구성되며 내부에는 오일이 가득 채워져 있습니다. 펌프 임펠러는 엔진의 크랭크축과, 터빈은 변속기 입력축과 각각 연결되고, 스테이터는 한쪽 방향으로만 회전 가능한 원 웨이 클러치를 통해 토크 컨버터 하우징에 지지되어 있습니다.
엔진이 동작하면서 같은 속도로 펌프의 임펠러가 회전하고 -> 회전하는 방향으로 내부의 오일을 순환하게 하며 -> 흐르는 오일이 정지 상태인 터빈의 런너 날개를 회전 시켜 변속기의 입력축까지 동력이 전달됩니다. 힘을 전달한 오일은 하우징과 날개를 따라서 흐르며, 엔진과 반대 방향으로 역류하려는 오일은 터빈이 흡수합니다.
만약 순환하는 오일이 펌프 임펠러 안쪽으로 다시 들어온다면 엔진과 반대 방향으로 펌프 임펠러와 부딪히며 펌프 회전을 방해하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 터빈으로부터 되돌아오는 오일의 순환 방향을 펌프의 회전 방향으로 바꾸어 주는 스테이터가 설치 되는데요, 역류 방지는 물론 오일과 펌프의 운동 방향이 동일해지기 때문에 엔진의 동력과 토크를 더욱 증가 시키는 효과도 볼 수 있습니다.
유성 기어 장치 (Planetary gear trains 또는 Epicyclic gearing)
유성 기어 장치는 자동 변속기에서 토크 컨버터 뒷부분에 결합되어 있으며 기어비를 변경하여 필요한 만큼 토크를 전달하는 역할을 하는, 기어 트레인의 한 유형입니다. 선 기어, 유성 기어-링 기어로 구성되어 있으며 입력(엔진의 회전)과 출력(바퀴의 회전)을 어느 기어에 연결시키는지, 어떤 기어를 정지 시키는지에 따라서 다양한 기어비를 만들 수 있습니다.
유성 기어 장치에서 기어비를 만드는 방식을 간단하게 요약하자면 아래와 같습니다.
- 감속: 작은 기어가 입력, 큰 기어가 출력
- 증속: 큰 기어가 입력, 작은 기어가 출력
- 직결: 세 기어 중 두 기어를 고정
- 중립: 세 기어 모두 자유롭게 회전
- 역전: 캐리어 고정
변속비를 구하는 기본 공식을 통해 왜 위와 같은 결과가 나오는지 알아봅시다. 이 식에서 r은 링 기어, s는 선 기어, c는 캐리어를, n은 각 기어의 회전속도, z는 각 기어의 잇수를 의미합니다.
- 선 기어 고정:
선 기어가 고정되어 있고(ns=0) 입력은 링 기어, 출력은 캐리어 일 때, 다음과 같이 풀이됩니다.
이 경우 변속비가 항상 1보다 크기 때문에, 출력에서 토크는 증가하고 속도는 감소하게 됩니다. 또한 선 기어의 톱니 수는 항상 링 기어의 톱니 수보다 작기 때문에 변속비의 최대값도 2 이하 임을 알 수 있습니다. 입력과 출력이 반대일 경우 (입력은 캐리어, 출력은 링 기어), 변속비의 범위는 0.5에서 1사이가 됩니다. 토크는 감소하지만 속도는 증가하죠.
-링 기어 고정:
링 기어가 고정 되고(nr=0) 입력은 선 기어, 출력은 캐리어 일 때, 공식은 다음과 같이 풀이됩니다.
링 기어의 톱니 수는 항상 선 기어보다 크기 때문에 변속비는 2 이상이 됩니다. 출력에서 토크는 증가하고 속도는 감소하며, 변속비의 최대 제한은 없으며 각 기어의 잇 수에 따라 결정됩니다. 입력과 출력이 반대일 경우 (입력은 캐리어, 출력은 링 기어) 변속비의 범위는 0에서 0.5 사이가 됩니다. 토크는 감소하지만 속도는 증가하죠.
- 캐리어 고정:
캐리어가 고정될 때 (nc=0) 공식은 다음과 같이 풀이되며 변속비는 항상 음수로 나타납니다.
이는 회전 방향이 바뀌는 것을 의미하죠 (역기어). 입력은 선 기어, 출력은 링 기어 일때 변속비의 범위는 -∞와 -1 사이이고 입출력이 반대 일 때 변속비의 범위는 -1과 0 사이입니다.
유압 제어 시스템 (hydrolic control system) 및 변속기 오일
자동 변속기의 오일은 시스템 내에서 동력을 전달하는 매체이며 변속기 내부의 베어링 및 부싱계통의 윤활 작용, 클러치 디스크 등의 슬립시 발생하는 열을 식혀주는 냉각 작용 등의 역할을 합니다. 엔진 오일과 비슷하게 변속 시 충격을 흡수하기도 하죠. 미션 오일은 변속기에 직접적으로 영향을 주기 때문에 오일의 상태가 좋지 못하면 연비 및 주행 성능도 떨어 질 수 있습니다. 미션 오일은 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.
- 클러치나 브레이크 작동시 충격이 적고 미끄러지지 않을 정도의 적정 마찰 계수를 가져야 함
- 기포가 쉽게 생기지 않아야 하며 점도 지수 변화가 적어야 함
- 저온에서 유동성 / 내열 및 내산화성이 우수해야 함
- 슬러지 등이 발생되지 않아야 함
참고로 전기 자동차의 감속기에도 동일한 오일이 사용되기 때문에 내연 기관이 없어져도 미션 오일은 사라지지 않을 것입니다.
그리고 차의 주행 속도와 변속 레버의 위치에 따라 변속기 내의 오일을 유성기어, 브레이크, 클러치 등에 배분하여 원활한 주행을 만드는 것이 바로 유압 제어 시스템입니다. 토크 컨버터나 윤활 회로에도 오일을 보내 냉각과 윤할 작용을 하게 하죠. 유압 제어 시스템은 오일 펌프와 매뉴얼 밸브 및 컨트롤 밸브 등으로 구성되어 있습니다.
- 오일 펌프: 엔진에 의해서 구동되어 변속기, 클러치, 브레이크 등 자동차의 각 요소에 오일을 필요한 만큼의 유량과 유압을 생성하여 공급
- 매뉴얼 밸브: 변속 레버의 신호를 받아 오일의 흐름을 제어
- 솔레노이드 밸브 (SCSV): 유성 기어 장치에 입력, 출력을 제어
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