유압기구와 유성기어를 통한 자동변속기

유압기구는 변속기에 있어서 굉장히 중요한 역할을 합니다. 액체의 압력을 이용해 기계를 작동시키기 때문입니다. 또한 자동변속기에서 유성기어는 변속을 담당합니다.

[이지탭]

유압기구

유압기구는 자동 변속기의 유성기어식 변속기나 CVT의 벨트식 변속기에 사용할 뿐만 아니라 풋 브레이크나 파워 스티어링에서 주요 역할을 담당합니다. 현재는 오일을 사용하는 경우가 적기 떄문에 엄밀히는 액압 기구라고 불러야 하겠지만, 액압을 이용해 작동하는 기구를 관습적으로 유압기구라고 부르는 일이 많습니다.

유압기구의 기본적인 형태는 호스의 양끝에 주사기를 끼우고 내부를 액체로 채운 것입니다. 한쪽 주사기의 피스톤을 누르면 힘이 전달되어 다른 쪽 주사기의 피스톤이 밀려납니다. 와이어나 로드로도 이런 식의 힘이 전달이 가능하지만, 경로가 얽혀 있으면 구조가 복잡해지고 손실도 늘어납니다.

반면 유압의 경우, 호스만 연결할 수 있으면 경로가 복잡하더라도 힘을 전달하는 데에 아무런 문제가 없습니다. 힘을 전달해야 하는 양쪽의 거리가 달라지는 경우라도 호스에 주름을 만들어놓으면 그만입니다. 유압 기구는 힘을 증폭하기도 합니다. 출력측 실린더의 단면적을 입력측 실린더의 단면적의 두배로 만들면 힘이 두배로 늘어납니다.

이떄 이동거리는 절반이 됩니다. 또 힘의 분할도 가능합니다. 출력측 실린더를 두개로 만들면 양쪽에 힘을 전달할 수 있습니다. 이런 기구는 풋 브레이크에 사용합니다

또한 펌프를 이용해 만들어낸 유압으로 실린더 안의 피스톤을 움직일 수도 있습니다. 실린더의 두곳에 액체과 드나들 출입구를 만들고, 그 사이에 피스톤을 놓은 다음 유압 경로의 중간에 전환 밸브 등을 설치하면 피스톤이 쌍방향으로 움직일 수 있습니다. 이런 기구는 자동변속기나 CVT의 내부, 그리고 파워 스티어링 등에 사용합니다.

오일과 플루이드

과거에는 유압 기구의 액체로 광물에서 유래한 기름을 사용했기 떄문에 해당 액체를 오일이라고 부를 때가 많았습니다. 그러나 현재는 자동차에 사용되는 액체 가운데 주로 윤활에 사용되는 것을 오일, 주로 유유압 전달 등에 사용되는 것은 플루이드라고 구분해서 부릅니다.

유성기어

자동변속에는 유성기어식 변속기가 쓰입니다. 유성기어는 안기어와 바깥기어 같은 기어의 모양이 아니라, 기어의 조합 방식을 표현하는 말입니다. 가장 기본적인 형태의 유성기어는 두 종류의 바깥기어와 안기어로 구성됩니다. 여기에서 중앙의 바깥기어를 태양기어, 바깥쪽의 안기어를 링 기어라고 하며, 그 사이에 여러 개의 바깥기어를 배치합니다. 이 바깥기어를 피니언 기어라고 하며, 피니언 기어 캐리어라는 틀에 묶여 있습니다.

피니언 기어

피니언 기어는 그 자체가 회전할 수 있을 뿐만 아니라 태양 기어의 주위를 회전할 수도 있습니다. 태양 기어, 링 기어, 피니언 기어 캐리어의 회전축 세개는 모두 같은 축 위에 있습니다. 유성기어는 세개의 회전축에서 입출력을 선택할 수 있으며, 특정 회전축을 고정하는 방법으로 증속과 감속은 물론 회전방향을 바꿀수도 있는 편리한 톱니바퀴입니다.

피니언 기어 캐리어를 고정한 상태에서 태양 기어에 회전을 입력하면 피니언 기어는 공전하지 못하지만 자전을 통해 링 기어에 회전을 전달합니다. 이때 출력이 되는 링 기어의 회전 방향은 입력과는 반대가 됩니다. 또 링 기어를 고정한 상태에서 태양 기어에 회전을 압력하며 피니언 기어는 태양 기어와 반대 방향으로 자전하는 동시에 태양 기어와 같은 방향으로 공전하며, 그 결과 피니언 기어 캐리어에 태양 기어와 같은 방향의 회전이 출력됩니다.

유성기어는 바깥기어의 조합과 달리 같은 축에 입출력을 할 수 있고 다양하게 작동할 수 있어 편리하지만, 중공축이 필요하다는 점에서 알 수 있듯 구조가 복잡해지는 경향이 있으며 가격도 비쌉니다.

자동변속기

수동 변속기의ㅔ 경우 클러치와 수동 변속기를 독립된 장치로 파악할 떄가 많지만, 자동변속기는 토크 컨버터까지 포함해 취급하는 일이 많습니다. 실제로 토크 컨버터는 자동 변속기의 케이스 안에 들어있고, 토크 컨버터의 유체는 변속기의 윤활 등에도 사용되며 컴퓨터 제어도 통합해 실행합니다. 또 유성기어식 변속기의 정식 명칭은 부변속깅ㄴ데, 토크 컨버터에서도 토크의 증폭과 변속을 실시합니다.

실제 유성기어식 변속기는 유성기어 여러개로 입출력의 회전축을 전환하는 클러치 기구와 회전축을 고정하는 제동 기구, 일정 방향으로만 회전하게 하는 일방향 클러치 기구 등이 조합되어 있습니다. 실제 변속 작동은 매우 복잡한 까닭에 지면상 설명을 생략하지만, 유성기어 2조로도 전진 4단, 후단 1단의 자동 변속기를 만들 수 있습니다. 현재는 변속이 매끄럽고 연비도 향상되어서 전진 7단이나 8단 변속기도 만들지만, 이렇게 만들면 그만큼 변속기가 크고 무거워지며 가격도 비쌉니다.

ATF

유성기어식 변속기의 클러치 기구나 제동 기구 등은 유압쪽으로 작동합니다. 유압경로의 곳곳에는 전기로 여닫을 수 있는 밸브가 설치되어 있어서, 자동 변속기를 제어하는 TCU의 지시에 따라 유압 경로가 바뀌면서 변속이 이루어집니다. TCU는 차속이나 엔진 회전수 등 다양한 정보를 바탕으로 변속 타이밍을 결정합니다.

이 유압기구에 사용하는 액체를 ATF라고 하는데, 변속기 내부에 있는 톱니바퀴 등의 윤활에 사용할 뿐만 아니라 토크 컨버터에서 토크를 전달하는 유체로도 사용합니다.