자동차공학

건국대학교 기계공학과 박 정 규

클러치 / 변속기

• 동력전달장치의 개요

동력 전달장치는 엔진에서 발생된 동력을 전달하기 위한 장치이다 .  FR(Front Engine Rear wheel drive) 자동차인 경우에는 클러치 , 변속기 (T/M:Transmission), 추진축 및 리어 액슬 (Rear Axle) 등으로 구성되어 있다 .  FF(Front Engine Front wheel drive)자동차는 근간의 승용차에서 주류를 이루고 있으며 클러치 , 변속기 (T/A:Transaxle) 및 추진축 등으로 구성되어 있다 .

■ 구성장치의 기능

▷ 클러치 (Clutch)     엔진의 플라이휠에 설치되어 있으며 , 출발시나 변속시 등 필요에 따라 동력을 단속한다 .   

▷ 변속기 변속기는 FR 자동차와 FF 자동차에 적용되는 변속기로 크게 대별할 수 있으며 , 주행상태 ( 발진 , 등판 , 평탄로 주행 등 ) 에 알맞도록 기어의 물림을 변경시켜 전진과 후진을 하기 위한 장치이다 .  

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▷ 추진축 추진축 (Propeller Shaft 또는 Drive Shaft) 은 FR 자동차에서 변속기의 출력을 종감속 기어에 전달하고 , FF 자동차에서는 변속기의 출력을 앞 바퀴에 전달하는 역할을 한다 . 

▷ 종감속 및 차동장치 변속기의 회전속도를 최종적으로 감속시킴과 동시에 회전시 좌우 구동바퀴에 알맞는 회전속도로 동력 을 전달한다 . 

FR 자동차의 변속기보통 T/M(Transmission) 이라고도 하며 이는 순전히 변속을 하는 구성품으로만 구성되어 있다 .

 

FF 자동차의 변속기 T/A(Transaxle) 라고 하며 변속기에 종감속 장치와 차동장치가 함께 구성되어 있는 변속기이다

■ 동력전달 경로

엔진 →클러치 →변속기 →추진축 →종감속기어 →액슬축 →뒷바퀴로 회전력이 전달된다 .

▷ FR 자동차

▷ FF 자동차

엔진 →클러치 →변속기 →추진축 →앞바퀴로 회전력이 전달되어 자동차가 움직이게 된다 .

• 클러치

◆ 클러치 개요

클러치 (Clutch) 는 엔진 플라이 휠과 변속기 입력축 사이에 설치되며 , 엔진의 동력을 변속기에 전달하거나 끊는 역활을 한다 . 엔진 시동을 걸때나 기어를 변속할 때는 동력을 끊고 , 출발할 때에는 엔진의 동력을 서서히 연결하는 일을 하며 , 그 조작은 운전석에서 자유로이 할 수 있도록 되어 있다 .   클러치는 동력을 전달하는 방식에 따라 다음과 같이 분류된다 .

◆ 클러치의 종류 ■ 코일 스프링 클러치 클러치 본체는 직접 동력을 단속하는 부분으로 그 구조는 클러치 디스크 , 압력판 , 클러치 스프링 , 릴리스 레버 , 클러치 커버 등으로 되어 있다 .   압력판은 클러치 스프링에 의해 플라이 휠 쪽으로 작용하여 클러치 디스크를 플라이 휠에 압착시키고 클러치 디스크는 압력판과 플라이 휠 사이에서 마찰력에 의해 엔진의 회전을 변속기에 전달하는 일을 한다 . 

■ 다이어프램 클러치

다이어프램이 클러치 스프링의 작용과 릴리스 레버의 작용을 겸하고 , 코일 스프링 대비하여 다음과 같은 특징이 있다 . 

- 각 부품이 원형으로 되어 있어 회전 평형이 좋고 압력판에 작용하는 압력이 균일하다 .    - 고속 회전시에 원심력에 의한 스프링의 감소가 적다 .    - 클러치 페이싱이 어느 정도 마모가 되어도 압력판을 미는 힘의 변화가 적다 .    - 클러치 페달을 밟는 힘이 적게 든다 .

( 페달을 놓았을 때 ) ( 페달을 밟았을 때 ) 

다이어프램 스프링은 원주방향으로 놓여진 피벗링에 의해 클러치 커버에 결합되어 있다 . 따라서 다이어프램 스프링은 피벗 링을 지점으로 하여 스프링 둘레의 끝 부분으로 압력판을 누르고 있다 .   클러치 페달을 밟으면 릴리스 베어링이 다이어프램 스프링의 플렌지 부분을 눌러 주기 때문에 피벗링을 중심으로 스프링 둘레의 끝부분과 결합되어 있는 압력판의 리트랙팅 (Retracting)스프링을 당겨서 클러치가 끊어지게 된다 .

◆ 조작기구

■ 케이블식 클러치

케이블식 조작기구는 그림과 같이 케이블을 통하여 페달의 조작력을 릴리스 레버에 전달하도록 되어 있으며 , 릴리스 레버는 클러치 하우징에 한 끝을 고정하여 지렛대 작용에 의해 릴리스 베어링을 누르는 작용을 한다 . 

이 형식은 클러치를 조작하는 페달의 답력이 크기 때문에 운전자를 피곤하게 하므로 요즈음은 거의 사용하지 않는 형식이다 . 

■ 유압식 클러치

유압식 조작기구는 클러치 페달의 조작력을 가볍게 하기 위해 그림과 같이 마스터 실린더 , 릴리스 실린더 및 연결 파이프로 구성되어 있다 . 

클러치 페달을 밟게 되면 마스터 실린더에 유압이 발생하고 이 유압은 파이프를 통해 릴리스 실린더에 압송된다 . 릴리스 실린더는 이 유압에 의해 릴리스 레버를 밀게 되어 클러치의 작동이 이루어 진다 .     이 형식은 MPI 엔진이 탑재된 근래의 차량에서 이용되고 있는 형식이다 . 

• 변속기

◆ 변속기 개요

자동차용 변속기는 클러치와 추진축 사이에 설치되어 엔진의 동력을 자동차의 주행 상태에 알맞도록 바꾸어 준다 . 엔진 회전을 적절히 변속하여 회전력을 증대시키거나 고속 회전으로 바꾸어 주며 , 또한 엔진을 무부하 상태로 두거나 자동차를 후진하게 하는 역할을 하는 장치이다 . 

   자동차용 변속기로는 가볍고 단단하며 조작이 쉬워야 한다 . 또한 작동소음이 작아야 하며 , 변속비가 연속적으로 또 자동적으로 변화할 수 있는 것이 이상적이다 .

◆ 변속기의 종류

변속장치를 크게 나누면 수동식 (MTM) 과 자동식 (ATM) 으로 분류할 수 있다 .

■ 수동변속기

수동변속기는 선택 기어식 변속기라고도 하는데 그 종류를 보면 FR 자동차에 사용되는 Transmission(T/M) 과 FF 자동차에 사용되는 Tranaxle(T/A) 로 대별할 수 있다 .

(FR 수동변속기 ) (FF 수동변속기 )

■ 자동변속기 자동변속기는 일반적인 수동변속기와는 달리 클러치가 없으며 , 엑셀러레이터 페달을 밟는 정도와 차의 주행 속도에 따라 자동적으로 변속이 이루어 진다 .  주요 구성부품으로는 토오크 컨버터 , 클러치 디스크 , 브레이크 디스크 , 유성기어장치 , 유압제어장치 , 전자제어장치 등이 있다 .

◆ 수동변속기의 기본구조

종래의 변속기에 이용되었던 상시 물림식에서는 기어가 물릴 때 기어의 속도가 일치되지 않은 상태에서 물리게 되면 소음 발생과 파손의 원인이 되었다 . 이러한 문제를 해결하기 위한 기구가 싱크로 메시 기구이며 , 이는 기어의 원주속도를 신속하게 일치시켜 기어의 물림을 원활하게 하기 위한 장치이다 .   근간의 자동차용 수동변속기에서는 싱크로메시기구가 이용된 상시물림 동기치합식이 이용되고 있으며 , 이 형식은 종래의 상시 물림식의 도그 클러치를 개량한 싱크로 메시 기구가 부착되어 있다 .   상시 물림 동기치합식은 그림과 같이 주축 위를 항상 공전하고 있는 변속기어와 주축 및 스플라인에 의해 결합된 허브기어 사이에 원추형의 마찰면을 가진 링 ( 클러치 ) 과 슬리브를 이용한 것이다 .

변속시 시프트 레버로 슬리브를 움직이면 싱크로나이저링이 작용하고 , 이 링의 마찰력에 의해 주축과 변속되는 기어가 부드럽게 물리게 되므로 조용하게 변속을 시킬 수 있다 .   싱크로메시기구는 그림과 같이 싱크로나이저 허브 , 슬리브 , 링 , 키 및 스프링으로 구성된다 .

▷ 허브싱크로나이저 허브는 주축에 있는 스플라인과 고정되며 , 외주에는 슬리브와 결합하여 슬리브가 움직일 수 있도록 안내하는 기어가 있다 .또한 허브의 3곳 (120。간격 ) 은 키가 들어갈 수 있는 홈이 있다 .▷ 슬리브 싱크로나이저 슬리브는 허브위에 물려서 움직일 수 있으며 바깥 둘레에는 시프트 포크가 물릴 수 있는 홈이 파져 있다 .시프트에 의해 전후로 움직이게 되면 싱크로나이저 링의 동기화 작용에 의해 변속기의 클러치 기어에 물리게 된다 . ▷ 싱크로나이저 링링은 각 기어에 마련된 경사면 (7。 ) 에 결합되어 변속시에는 경사면과 접촉하여 마찰력에 따라 클러치 작용을 하기 때문에 주축에 물려있는 허브와 변속기어를 동기화시키는 작용을 한다 .▷ 키 및 스프링키는 윗면이 3 각 돌기부분 형상으로 되어 있으며 , 허브의 파진 홈에 들어가며 , 스프링에 의해 슬리브 안쪽면에 항상 눌려 있다 . 양쪽 끝은 링의 홈에 일정한 틈새를 두고 끼어져 있다 .

◆ FR 자동차의 수동변속기

FR 자동차의 변속기는 엔진을 앞부분에 놓고 뒷바퀴를 구동시키는 형식의 변속기로서 , 동력전달은 엔진에서 변속기를 거쳐 추진축과 뒤 차축 ( 차동장치 ) 을 통해 뒷바퀴를 구동하도록 되어 있다 .   이 형식은 뒤차축까지 동력을 전달해야 하기 때문에 긴 추진축 (드라이브 샤프트 , 프로펠러 샤프트 )이 필요하다 . FF 자동차에 비해 추진축의 설치에 따른 실내 바닥이 터널모양으로 솟아 오르고 추진축의 회전에 따른 차체의 진동문제 , 동력 손실문제 등이 있으나 엔진 룸 여유 공간이 많고 등판길에서의 출발이 용이하다는 장점도 있다 .

■ 4 단 변속기의 동력전달 순서    ▷ 1 단 변속

1 단 기어는 카운터 기어 4 치와 맞물리고 , 싱크로나이저 슬리브가 클러치 기어에 물려 동력이 전달된다 .  메인 드라이브 기어 →카운트 기어 (4 치 ) →1 단 기어 →슬리브 (1-2 단용 ) →허브 →메인 샤프트 →추진축

 ▷ 2 단 변속

 2 단기어는 카운터 기어 3 치와 같이 맞물리고 , 다른 기어가 동력 전달을 할 경우엔 내경의 니들 베어링 위에서 공회전하며 슬리브가 클러치 기어에 물리면 메인 샤프트에 동력이 전달된다 .

메인 →드라이브 기어 →카운터 기어 (3 치 ) →2 단 기어 →슬리브 (1-2 단용 ) →허브 →메인 샤프트 →추진축

▷ 3 단 변속

3 단 변속을 하면 3-4 단용 슬리브는 3 단쪽으로 이동하여 다음과 같이 동력전달이 이루어 진다 .

메인 드라이브기어 →카운터 기어 (1 차 ) →카운터 기어 (2 치 ) →3 단 기어 →슬리브 (3 & 4 단 ) →허브 →메인 샤프트 →추진축

▷ 4 단 변속

4 단 변속후 클러치 페달을 떼게 되면 엔진 크랭크 축의 회전력은 플라이 휠과 클러치 디스크를 통하여 그림과 같이 메인 드라이브 기어는 싱크로 나이저 슬리브 3,4 단을 구동하고 , 싱크로 나이저 슬리브는 다시 허브를 구동하므로 허브와 스플라인으로 고정된 메인 샤프트는 엔진 회전수와 동일한 속도로 회전한다 .

▷ 후진 변속

카운터 기어 4 치와 항상 물리고 있는 리버스 아이들러가 공전상태에서 포크 (Fork) 에 의해서 후진 기어 쪽으로 밀리면 리버스 아이들 스퍼기어와 리버스 스퍼 기어가 물리면서 역전이 된다 .

메인 드라이브 기어 →카운터 기어 (1 치 ) → 리버스 아이들 기어 →리버스 기어 →메인 샤프트 →추진축

◆ FF 자동차의 수동변속기

트랜스 액슬 (T/A) 은 전륜구동형 자동차에 사용되는 변속기로 , FR 자동차와는 달리 변속기 내부에 차동장치 (Differential) 가 장착된 변속기이다 .   동력전달은 변속기 ( 차동장치 ) → 등속조인트 (C.V)→앞바퀴 순으로 전달된다 . FF 방식의 장점으로는 동력전달과정에서의 소음과 진동이 적고 , 엔진에서 가까운 앞 바퀴에 동력을 전달하기 때문에 동력 전달효율 또한 커서 연비 손실이 적은 장점이 있다 . 

■ 트랜스액슬의 구조 그림의 변속기는 외부는 클러치 하우징과 T/A 케이스로 결합되어 있고 , 내부는 클러치 디스크의 스플라인에 물려서 동력을 받는 입력축 (Input Shaft) 과 중간축인 인터메디트 축 , 출력축 및 차동장치가 있으며 , 입력축과 인터메디트 축에는 각 변속 기어와 싱크로 메시 기구가 결합되어 있다 . FF 트랜스 액슬의 동력 전달 방식은 1 단에서 5 단 , 후진까지의 변속하는 구조가 2 축과 3 축의 기종으로 나눌 수 있다 .  

 ( 2 축 수동변속기 )                        ( 3 축 수동변속기 ) 2 축과 3 축의 차이점을 보면 3 축은 각 단기어에서 인터메디트 축을 지나 출력축이라는 별도의 축을 거치도록 되어 있어 무게 , 소음 , 경량화 등에서 단점이 있으나 , 2 축에서는 별도의 디프렌셜 드라이브 기어를 인터메디트축에 삽입시켜 디퍼렌셜에 동력을 전달하므로 출력축 자체를 줄일 수 있어 경량화 , 소음 , 무게 등에서의 문제를 보완하였다 .

■ 트랜스액슬의 동력전달

그림의 단면도와 같은 실차 상태로 운전석에서 보았을 때 동력전달 축의 수량에 따라 엔진과 트랜스 액슬의 장착위치가 달라진다 .

▷ 1 단 변속 (1-2 단용 슬리브가 1 단 기어에 물림 )  

1 단 변속 후 클러치 페달을 떼게 되면 플라이 휠과 클러치가 접속되고 클러치 디스크의 허브에 물려있는 입력축이 회전되면서 그림과 같이 동력이 전달된다 .

입력축 → 1 단기어 →슬리브 (1-2 단용 ) → 인터메디트 축 →출력축 →디프 드라이브 기어 →디프 케이스 →디프 사이드 기어 →추진축

▷2 단 변속 (1-2 단용 슬리브가 2 단 기어에 물림 )    

2 단 변속의 동력전달은 그림과 같은 경로로 이루어진다 . 

입력축 → 2 단기어 →슬리브 (1-2 단용 ) → 인터메디트 축 →출력축 →디프 드라이브 기어 →디프 케이스 →디프 사이드 기어 →추진축

▷3 단 변속 (3-4 단용 슬리브가 3 단 기어에 물림 )

입력축 → 3 단기어 →슬리브 (3-4 단용 ) → 인터 메디터 축 →출력축 →디프 드라이브 기어 →디프 케이스 →디프 사이드 기어 →추진축

▷4 단 변속 (3-4 단용 슬리브가 4 단 기어에 물림 )   

입력축 → 4 단기어 →슬리브 → 3-4 단용 →인터 메디트 축 →출력축 →디프 드라이브 기어 →디프 케이스 →디프 사이드 기어 →추진축

▷5 단 변속 (5 단용 슬리브가 5 단 기어에 물림 ) 

입력축 →허브 (5 단용 ) → 슬리브 (5 단용 ) →5 단기어 →인터메디트 축 (5 단기어 ) → 출력축 →디프 드라이브 기어 →디프 케이스 →디프 사이드 기어 →추진축

▷ 후진 변속

리버스 아이들러 기어가 입력축의 스퍼기어와 1-2 단용 슬리브 외경에 있는 스퍼기어 사이로 들어가 물려 , 그림과 같이 후진 동력전달이 이루어 진다 . 

입력축 →리버스 아이들러 기어 →슬리브 (1-2 단용 ) →허브 (1-2 단용 ) → 인터 메디트 기어 →출력축 →디프 드라이브 기어 →디프 케이스 →디프 사이드 기어 →추진축

◆ 변속기 조작기구

■ 직접 조작식 변속기

직접 조작식 (floor shift type) 은 그림과 같이 변속 레버는 변속기의 뒷 부분에 부착되어 컨트롤 레버에 의해 실렉터가 선택되고 , 각 실렉터는 시프트 레일 ( 바 ) 과 함께 전후로 동작하며 , 시프트레일에 고정된 시프트 포크가 싱크로 나이저 슬리브 홈에 들어가서 슬리브를 작동시킨다 . 

또한 슬리브는 각 기어의 클러치 기어와 싱크로 허브를 연결하게 되어 변속이 이루어 진다 . 

■ 원격 조작식 변속기

원격조작식은 컬럼형과 플로어형으로 대별된다 .  

▷ 컬럼형 원격 조작식 변속기

컬럼형 (column) 원격조작식 변속기는 연결로드를 이용한 것으로 , 이 형식은 시프트 레버를 움직이면 연결 로드가 움직이면서 시프트 포크가 작동하여 변속이 이루어 진다 .

▷ 플로어형 원격 조작식 변속기

전륜 승용차에서 사용되고 있는 트랜스 액슬의 변속 조작기구를 나타낸 것으로 케이블을 이용한 플로어 (floor) 형 변속기이다 .

이 형식은 운전석 옆에 있는 시프트 레버의 동작에 따라 시프트 케이블과 실렉터 케이블이 움직이게 되고 , 2 개의 케이블은 그림의 시프트 레버와 실렉터 레버를 움직여 변속이 이루어지게 된다 .   즉 , 실렉터 케이블의 이동에 따라 실렉터 레버는 컨트롤 샤프트를 상호로 움직이고 , 컨트롤 샤프트에 있는 컨트롤 핑거는 (5 단 - 후진 )↔ 중립 (3 단 -4 단 )↔(1 단 -2 단 ) 시프트 러그를 선택하게 된다 .    한편 시프트 케이블이 움직이면 시프트 레버가 좌우로 움직이고 , 컨트롤 핑거는 (1,3,5 단 )↔ 중립↔(2 당 ,4 당 , 후진 ) 쪽으로 시프트 러그를 움직이며 , 시프트 러그는 레일에 시프트 포그와 함께 고정되어 있기 때문에 결국 시프트 포크가 싱크로나이저 슬리브를 움직여 변속이 이루어진다 . 

트랜스액슬의 후진 변속을 위한 기구는 5th-R(5 단 및 후진 ) 시프트 레일 , 후진 시프트 러그 및 인터록 플런저로 구성되며 , 중립 또는 5 단 변속시의 후진 시프트 러그는 그림과 같이 5th-R(5 단 및 후진 ) 시프트 레일의 간섭을 받지 않는다 . 

( 변속기구 )

트랜스액슬의 후진 변속을 위한 기구는 5th-R(5 단 및 후진 ) 시프트 레일 , 후진 시프트 러그 및 인터록 플런저로 구성되며 , 중립 또는 5 단 변속시의 후진 시프트 러그는 그림과 같이 5th-R(5 단 및 후진 ) 시프트 레일의 간섭을 받지 않는다 . 

( 5 단 변속시 )                                   ( 후진 변속시 )   후진시에는 위의 그림과 같이 5th-R(5 단 및 후진 ) 시프트 레일과 후진 시프트 러그가 인터록 플런저에 의해 일체로 되어 후진 변속이 이루어지며 , 후진에서 중립으로 변속할 때에는 3-4 단 시프트 레일의 홈 위치 ( 중립 )까지만 인터록 플런저와 후진 시프트 러그가 일체로 이동하게 되며 , 이 때 리스트릭 볼은 후진 시프트 러그의 위치를 중립과 후진 위치가 되도록 제한하는 역할을 한다 . 

◆ 오조작 방지기구

■  2 중치합 방지기구

▷ 인터록 플런져 변속기에는 기어가 변속될 경우 , 동시에 2 중으로 변속이 이루어지지 않도록 그림과 같이 인터록 기구 (2 중물림 방지장치 ) 가 마련되어 있다 .

각 시프트 레일 ( 바 ) 에는 홈이 있고 , 홈에는 인터록 플런저가 삽입되어 있으며 , 시프트레일을 움직이면 인터록 프런저가 밀려나면서 다른 2 개의 축을 고정하여 1 개의 기어 외에는 변속되지 못하도록 되어 있다 . 

▷ 인터록 플레이트

트랜스액슬에는 2 중치합 방지기구로 그림과 같이 인터록 플레이트가 사용되고 있으며 , 컨트롤 핑거가 3 개의 시프트 러그중 하나를 선택하게 되면 다른 시프트 러그는 인터록 플레이트에 의해 간섭( 고정 ) 되어 결국 시프트 포크를 움직이지 못하게 하여 기어가 2 중으로 선택되는 것을 방지하고 있다 .  컨트롤 핑거가 중립위치에서는 그림과 같이 3, 4 단 기어로 변속할 수 있는 곳에 위치한다 . 이 위치에서는 인터록 플레이트에 의해 3, 4 단을 제외한 다른 기어로는 변속이 이루어 질 수 없다 .그림에서 인터록 플레이트는 볼트에 의해 위아래로만 움직이는 구조로 되어 있다 .

( 중립위치의 인터록 플레이트 )

만약 그림처럼 1, 2 단 쪽을 선택하게 되면 3, 4 단의 변속 레일과 5 단 , 후진의 레일은 인터록 플레이트에 의해 고정되어 진다 . 따라서 이 위치에서는 1 단과 2 단만 선택할 수 있게 된다 .

( 1-2 단 위치의 인터록 플레이트 )  

■ 기어 풀림 방지 기구

싱크로 허브 , 슬리브와 클러치 기어에 챔퍼 (chamber) 를 만들어 변속 기어의 풀림을 방지하는 장치이다 . 싱크로 슬리브와 클러치 기어의 스플라인 접촉부에는 테이퍼 모양의 챔퍼를 마련하여 회전시 테이퍼면에서 기어 스플라인을 구동하고 기어 빠짐을 방지하고 있다 .

■포핏 스프링 및 플러그 포핏 스프링은 볼을 일정한 힘으로 밀어 시프트 레일의 헐거운 움직임을 제한하는 역할을 하며 , 스프링에 가하는 장력은 플러그를 돌려 조정할 수 있도록 되어 있다 .

만일 스프링의 장력이 너무 약하면 시프트 레일이 움직여 기어 빠짐의 원인이 될 수 있고 , 장력이 너무 세면 시프트바 (bar) 가 움직이지 않거나 시프팅시 무거운 현상이 일어난다 .

■ 후진 오작동 방지 기구

5 단용 트랜스액슬이 탑재된 자동차에서는 5 단에서 중립으로 변속시 오버 시프트 (over shift) 에 의해 후진 기어와 아이들 기어의 치면이 크게 손상될 우려가 있기 때문에 후진 오작동을 방지할 목적으로 컨트롤 샤프트에 스토퍼가 장착되어 있어 5 단에서 후진으로의 변속이 되지 않도록 하고 있다 .

▷ 후진 오조작 방지 기구의 작동

 3-4 단 변속시

컨트롤 샤프트에 있는 스토퍼의 위치는 스토퍼 브래킷과 떨어져 있다 .

3-4 단의 중립에서 5 단 또는 후진으로 변속할 때

스토퍼의 위치는 (b) 와 같이 스토퍼 브래킷과 접촉되면서 쉽게 변속이 이루어 진다 .

5 단 변속후 중립으로 변속될 때

스토퍼가 스토퍼 브라킷과 간섭이 되어 후진으로의 변속이 불가능하게 된다 .