수동 변속기는 수동 조작의 유무와 변속 단계에 따라 분류하지만 자동 변속기는 자동으로 변속비를 변환합니다.
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회전수와 토크는 주행상황에 따라 변합니다. 또 자동차의 엔진은 회전수에 따라 토크가 변합니다. 그래서 변속기를 이용해 엔진의 회전을 주행에 필요한 회전수나 토크로 변환합니다. 변속에는 기본적인 기계요소인 기어와 폴리, 벨트가 사용됩니다. 변속이라고 하지만 실제로는 회전수만 바꾸는 것이 아닙니다. 회전수를 바꾸면 토크도 바뀝니다. 예를 들어 발진을 할 때는 커다란 구동력이 필요하지만 회전수는 낮아야 합니다.
그래서 출력을 높이기 위해 엔진의 회전수를 높이고, 변속기로 회전수를 떨어뜨리는 동시에 토크를 높입니다. 기어는 잘 알려진 기계 요소입니다. 가장 일반적인 바깥기어의 경우, 양 기어의 틀니의 비에 비례해 변화가 일어납니다. 가령 입력이 되는 톱니의 수가 20개이고 출력이 퇴는 톱니의 수가 40개라면 회전수는 20/40=1/2, 즉1/2 이 됩니다. 그리고 이떄 토크는 2배가 됩니다. 토크는 변속비에 반비례합니다. 참고로 바깥기어의 조합일 경우는 회전 방향이 반대가 됩니다.
기어
그 밖에도 자동차에는 안기어와 바깥기어의 조합이나 회전축의 방향을 바꿀 수 있는 베벨 기어, 세종류의 기어를 조합한 유성기어, 엄밀하게는 기어가 아니지만 막대에 톱니를 낸 랙 기어 등을 사용합니다. 폴티와 벨트로 변속을 하는 경우, 인풋과 아웃풋, 양쪽 폴리의 지름의 비가 기어의 변속비에 해당합니다. 지름의 두배인 풀리에 회전을 전달하면 회전수는 1/2이 되며 토크는 2배가 됩니다. 폴리와 벨트의 경우, 인풋과 아웃풋의 회전 방향은 같습니다
- 기어를 이용한 변속은 바깥기어는 톱니 수 : 20 / 바깥기어 톱니수 :40
- 다양한 기어는 인기어 톱니수 : 36 바깥기어 톱니수 : 18 베벨기어입니다.
- 풀리와 벨트를 이용한 변속 : 입력 : 큰폴리 출력 : 작은 폴리 회전수 : 2배 토크 1/2
변속기
변속기의 입력축 회전수와 출력축 회전수와의 비율을 변속비라고 합니다. 즉, 엔진의 회전수와 추진축 사이의 회전수 비율을 말합니다. 주행 상황에 맞춰 회전수와 토크를 변화시키려면 변속기에 어느 정도 폭의 변속비가 필요합니다.
몇단계의 변속비를 갖추고 수동으로 전호나하는 변속기를 수동 변속기라고 합니다. 변속기에는 변속비가 다른 기어의 조합이 여러 갖춰져 있습니다. 그리고 변속비를 전환할 때의 단속 기구로는 마찰 클러치를 사용합니다.
자동 변속기
수동 조작 없이 주행 상황에 맞춰 자동으로 변속비를 변환하는 변속비를 자동변속기라고 합니다. 자동 변속기는 CVT도 포함되지만, 일반적으로 AT라고 하면 오랫동안 주류로 사용되어온 유성기어식 변속기와 토크 컨버터를 조합한 변속기를 가리킵니다. 자동 변속기는 자동으로 변속을 하지만, 변속기 내부에서는 단계적으로 변속비가 전환됩니다.
토크 컨버터는 유체 클러치의 일종으로, 단속 기구인 동시에 토크를 증폭하는 능력도 있습니다.
CVT
CVT는 연속 가변 변속기의 영어 머리글자로, 자동 변속기의 일종이지만 자동 변속기라고 부르는 경우는 거의 없습니다. 기존 자동 변속기는 변속비의 전환이 단계적이어서 일정 범위의 엔진 회전수를 사용하는데, 이 경우에 다소 효율이 나쁜 회전수도 사용합니다. 그러나 CVT는 무단계로 변속비를 바꿀 수 있기 때문에 가장 효율이 좋은 엔진 회전수를 유지할 수 있으며, 따라서 연비나 가속 성능 등을 높일 수 있습니다. 다양한 구조의 CVT가 있지만 벨트식 변속기와 토크 컨버터의 조합이 주류입니다.
- AMT : 현재는 AMT라는 변속기도 등장했습니다. 조금 이상한 표현이지만, 이것은 자동 변속을 하는 수동 변속기라는 의미입니다. 현재는 자동 변속기나 CVT는 매우 효율이 높지만, 숙련된 운전자가 수동 변속기를 조작하는 편이 연비나 가속 성능을 높일 수 있습니다. 이것을 자동 제어로 실현한 것이 AMT입니다. 다양한 구조가 있지만 듀얼 클러치 변속기라는 유형이 주류입니다.
수동 변속기
수동 변속기도 변속 단계를 늘리는 등 무단 변속에 가깝게 만들어 엔진을 효율적으로 사용수 있지만, 수동 조작 횟수가 늘어나 번거로울 뿐만 아니라 변속기도 크고 무거워집니다. 그래서 수동 변속기의 변속비는 전진 4~7단, 후진 1단이 일반적입니다. 톱니바퀴의 조합은 변속비가 큰 순서대로 높은 숫자를 붙여 부릅니다
수동 변속기에는 여러 가지 구조가 있는데, 축 두개에 각각 변속비가 다른 기어가 서로 짝을 이루는 게 일반적입니다. 입력축의 회전은 먼저 부축에 전달됩니다. 모든 기어가 축에 고정되어 있으면 축이 회전하지 못하지만, 출력축 위의 기어는 축에 고정되어 있지 않으며 그 대신 슬리브라는 클러치 기구가 축에 고정되어 있습니다. 그래서 중립 상태일 경우 출력축 위의 기어는 축에 대해 공회전을 합니다
가령 단으로 변속할 경우 슬리브를 왼쪽으로 이동시켜 2단 기어를 출력축에 고정합니다. 그러면 2단의 변속비로 출력축이 회전합니다. 수동 변속기의 경우, 차내의 변속 레버를 조작해 변속을 하는데 이 조작으로 슬리브가 이동합니다.
동기 기구
변속비를 전환할 때 클러치는 엔진의 토크가 변속기에 전달하지 않도록 합니다. 하지만 변속기의 기어나 축이 다른 속도로 회전을 계속하기 떄문에 슬리브로 기어를 고정하는 일은 쉽지 않습니다. 그래서 슬리브 안에는 마찰을 일으켜 회전속도를 맞추는 기구가 장착되어 있습니다.