자동변속기를 구성하는 여러가지 부품에 대해 알아볼께요. 그럼 함께 출발해볼까요? 먼저, 자전거에는 크기가 다른 여러장의 기어가 겹쳐져 있어서, 기어 레버를 통해 체인을 각기 다른 기어로 변동을 하게 됩니다. 그럼 자동차의 자동변속기는 어떤 원리로 기어가 변경되는것일까요?
수동변속기
자동 변속의 이해를 돕기 위해 간단하게 수동 기어 방식에 대해 설명드리겠습니다. 차는 엔진에서 나오는 힘으로 구동축을 돌려서 움직이게 되는데, 자동차 기어를 변속을 위해서는 이 구동축과 연결된 기어를 분리시켜서 기어 변경 후 다시 체결하는 방식이 수동 기어 방식의 기술입니다. 이 역할을 담당했던게 클러치이고, 기어를 바꿀때다마 매번 클러치를 사용해야 했죠.
유체 커플링(Fluid coupling)
하지만, 자동변속기는 기어 변속을 위해 물리적인 방법이 아닌 오일을 이용한 방법을 사용했습니다. 이를 유체 커플링(Fluid coupling) 혹은 유체클러치라고 합니다. 단어 그대로 액체의 흐름을 사용한거죠. 이렇게 자동변속기에서 수동변속기의 클러치 역할을 하는 하는 부품이 토크컨버터(Torque converter)입니다.
토크컨버터(Torque converter)
자, 그럼 금속도 아닌 액체로 어떻게 클러치 역할을 할까요? 위에 보이는 가운데 황동색 동그란 냄비같은게 토크컨버터입니다. 이 부품은 엔진과 변속기 사이에 위치하고(자동변속기에 포함), 엔진과 직접적으로 연결되어 있어 엔진의 회전수와 동일하게 회전합니다. 그럼 내부를 살펴볼께요.
토크컨버터 안에는 오일이 채워져 있고, 양쪽에 각각 선풍기 날개같은 팬이 있습니다. 왼쪽 팬(임펠러)은 엔진에 연결되어 있고, 오른쪽 팬(터빈)은 변속기와 연결이 되어 있습니다. 임펠러가 돌아가서 오일의 흐름을 일으키면 그 힘으로 터빈을 돌려주는 원리입니다. 선풍기 두대를 서로 맞대고 한쪽 선풍기를 틀어서 반대쪽 선풍기를 돌리는것에 비유할수 있습니다. 가운데 팬은 스테이터라는 부품입니다. 이 부품은 오일의 흐름을 빠르게 해주어서 임펠러에서 일으킨 유속을 더 빠르게 해줍니다(물이 좁은 공간을 통과하면 속도가 빨라지는 원리와 같음). 이렇게 힘(토크)이 증가 되기 때문에 부품의 이름을 토크 컨버터(힘을 변환시킨다)라고 부르게 된것입니다.
기어비(Gear ratio)
더 쉽게 이해하기 위해 기어비를 간략하게 설명해드릴께요. 엔진이 한바퀴 돌때 바퀴가 더 많이 돈다면 더 빨리 갈수 있겠죠. 그럼 엔진에 달린 기어의 톱니수가 바퀴에 달린 기어의 톱니수보다 많아야 합니다. 맞물린 두개의 톱니가 같이 돈다면 작은 톱니가 더 많이 돌아야할테니까요. 이 상황에 숫자를 대입해볼께요. 엔진에 달린 기어의 톱니는 60개, 바퀴에 달린 톱니는 30개. 기어비는 이걸 1 대 2가 된다고 말합니다. 구동축이 한바퀴돌때 딸려 도는 기어는 두바퀴 돌았다는거죠. 이것이 고단 기어입니다. 이렇게 엔진 구동측에 연결된 기어 톱니수를 바퀴에 연결된 톱니수로 나누면 기어비가 됩니다.
반대로 자전거로 오르막을 갈때 뒷바퀴 기어가 크면 커질수록 페달링이 쉬워지는 경우는 저단기어를 사용해서 입니다. 이렇듯 톱니 수가 많을 수록 적은 힘으로 큰 출력을 발휘할수 있습니다. 대신 속도는 느리겠죠. 엔진쪽 기어 톱니가 30개, 바퀴쪽 기어가 60개라고 가정하면, 기어비는 2:1이 됩니다. 엔진이 두바퀴 돌았을때 바퀴는 1바퀴 돌았다는거죠. 속도가 안좋고, 연비가 안좋습니다. 대신 힘은 좋죠.
유성기어(Planetary gear)
자전거에는 각 기어마다 서로 크기가 다른 여러 장의 기어가 있습니다. 6단이면 6장의 기어가 있어야하죠. 자동차의 수동기어도 마찬가지 입니다. 하지만 자동변속기에는 각각 다른 기어수 만큼의 기어가 필요하지 않은 유성기어 방식을 사용합니다. 가운데 기어를 중심으로 태양계 행성의 움직임과 비슷하다고 해서 그렇게 이름을 지었는데요. 위에서 언급한것 처럼 기어비는 서로 맞물린 톱니바퀴의 수의 비율에 따라 결정됩니다. 기존 수동 기어 방식은 원하는 기어 단수만큼 각각 다른 톱니의 수를 가진 기어가 필요한데 반면에, 유성기어는 큰 톱니 기어 내부에 여러개의 톱니가 있어서 이 톱니들을 원하는 기어비만큼 각각 구동시켜서 원하는 기어를 만들어내는거죠.
태양계에서 태양을 중심으로 여러행성들이 공전하는것과 비슷해서 유성기어라 부르게 되었고, 중심에 있는 기어는 선기어(Sun gear), 가운데를 플래닛기어(Planet gear) 그리고 가장 바깥쪽 기어를 링기어(Ring gear)라고 합니다. 그럼 이렇게 해서 과연 어떻게 다양한 기어비를 만들수있는 걸까요?
위 그림은 1단 기어입니다. 바깥 테두리 기어(링기어)는 고정, 나머지 톱니는 다 돌고 있습니다.
2단 기어입니다. 모든 톱니가 다같이 돌고 있습니다. 그럼 엔진 회전수와 바퀴 회전수가 같겠죠? 네, 기어비는 1:1입니다.
3단 기어입니다. 이번에는 가운데 기어(선기어)만 제외하고 나머지가 다 돌고 있네요.
위 사진 속 각 기어의 톱니바퀴 수는 바깥링(링기어) 72개, 가운데(선기어) 30개, 나머지 3개(유성기어) 기어 21개, 바깥 기어가 가장 크니까 톱니수도 가장 많겠죠? 이렇게 해서 공식으로 기어비를 계산해보면
1단 3.41 : 1
2단 1: 1
3단 0.71 : 1
윗 단락 기어비 설명에서 구동축에 맞물린 기어비가 클수록 힘이 좋고 속도는 느리다고 했습니다. 오르막에서 사용하는 자전거의 가장 큰 기어죠. 여기서 선기어를 반대로 돌리면 후진을 합니다. ㅠ유성기어는 이런식으로 해서 각각의 기어비를 만들어 냅니다. 그럼 각각의 톱니는 어떻게 고정시키고 움직이게 하는걸까요?
위 그림은 1단 기어가 실제로 구동되는 모습입니다. 바깥링(링기어)은 고정되어 있고 나머지는 다 돌아가고 있죠? 그리고 왼쪽에 반원이 같이 같이 돌고 있네요, 설명을 위해 단면도로 볼께요.
위 그림은 왼쪽 화살표가 움직이면서 공간이 그 사이의 공간이 줄어들고 선기어(중심기어)를 고정시켜줍니다. 이렇게 되면 선기어는 고정이 되고 나머지 기어들은 회전합니다. 위 기어비에서 언급한 1단입니다. 이렇게 잡아주는 역할을 하는 것이 다판클러치입니다. 여러장의 클러치가 겹쳐서 수축과 이완을 반복하며 기어의 움직임을 제어합니다. 브레이크가 작동하는 것과 같은 원리죠.
위 그림은 오른쪽 위 활살표가 움직이며 링기어(바깥기어)를 잡아주는 모습입니다. 마찬가지 원리죠. 정리를 하면, 수동변속기에서 엔진의 구동축과 기어를 분리시켜주는 클러치의 역할을 자동변속기에서는 토크 컨버터가 담당하고, 수동변속기의 기어는 자동변속기에서는 유성기어가 대신하고 있는겁니다.
최근에 출시되는 차량은 8단, 9단 이상으로도 개발이 되서 그만큼 여래개의 유성기어 세트가 필요해서 위 사진 처럼 나란히 배열시키고, 각각의 위성기어의 움직임을 조합시켜 원하는 기어를 만들어 냅니다.
오일펌프
토크 컨퍼버터 안에는 오일이 있고 이 오일의 유량과 유압을 조정하기 위한 오일 펌프가 변속기 내부에 있습니다.
유압제어장치(Valve body)
변속기의 바닥 부분에 위치하며 납작한 판에 꼬불꼬불한 루트가 복잡하게 홈으로 파여있고, 오일 펌프가 작동하면 자동변속기 하부에 설치된 오일팬에서 이 중 어느 루트를 타고 공급이 되느냐에 따라 변속 속도, 단수가 달라지게 됩니다. 변속기 내부에 장착되어 운전자가 기어를 변경할때 그 전기적 신호를 받는 기능을 하는 컨트롤 모듈(Transmission Control Module) 이 있습니다.
오늘은 오토미션의 부품들 그리고 어떻게 작동되는지에 대해서도 간단히 알아봤어요. 쉽게 설명해드리려고 했는데 충분히 이해가 되셨는지 모르겠네요. 자동차에는 참 많은 기술들이 들어가있죠? 이를 개발한 엔지니어들이 참 대단하다는 생각이 들어요. 이렇게 여러거 기계적인 부분이 맞물려 있어서, 미션 오일을 제때 갈아주시고, 후진시 차가 완전히 정차하기 전에 기어를 드라이브에 놓는다던지, 이렇게 미션에 무리를 주는 운전습관은 당연히 수명을 단축시키고 고장의 원인이 되겠죠?