Gearhead 101에 다시 오신 것을 환영합니다. 자동차 입문자를 위한 자동차 작동 원리에 대한 기본 시리즈입니다.
Gearhead 101을 사용해 본 적이 있다면 자동차 엔진이 어떻게 작동하는지, 엔진이 구동계를 통해 생성한 동력을 어떻게 전달하는지, 수동 변속기가 엔진과 구동계 사이에서 일종의 동력 교환기 역할을 하는 방식을 알고 있을 것입니다.
그러나 오늘날 대부분의 사람들(적어도 미국에 거주하는 경우)은 자동 전송. 가속 페달이나 브레이크를 밟는 것 외에는 아무 것도 하지 않고 자동차가 어떻게 적절한 기어로 변속될 수 있는지 궁금하신가요?
글쎄, 엉덩이를 잡아. 인류 역사상 가장 놀라운 기계(및 유체) 공학 중 하나인 자동 변속기에 대해 안내해 드리겠습니다.
(진심으로 과장이 아닙니다. 자동 변속기가 어떻게 작동하는지 이해하면 사람들이 컴퓨터 없이도 이것을 생각해낼 수 있다는 사실에 경외감을 느낄 것입니다.)
자동 변속기가 작동하는 방식에 대해 자세히 알아보기 전에 우선 차량에 변속기가 필요한 이유를 간단히 검토해 보겠습니다.
자동차 엔진의 작동 원리에 대한 입문서에서 논의한 바와 같이 차량의 엔진은 회전력을 생성합니다. 자동차를 움직이려면 그 회전력을 바퀴에 전달해야 합니다. 이것이 바로 변속기가 포함된 자동차의 구동계가 하는 일입니다.
그러나 여기에 문제가 있습니다. 엔진은 효율적으로 작동하기 위해 특정 속도 내에서만 회전할 수 있습니다. 너무 낮게 회전하면 차가 정지 상태에서 움직일 수 없습니다. 너무 빨리 회전하면 엔진이 자폭할 수 있습니다.
우리에게 필요한 것은 필요할 때(정지 상태에서 시작하여, 언덕을 올라갈 때 등) 엔진에서 생성된 동력을 배가하고 필요하지 않을 때 엔진에서 보내는 동력의 양을 줄이는 방법입니다( 내리막길, 정말 빠르게, 브레이크 밟기).
전송을 입력합니다.
트랜스미션은 엔진이 최적의 속도로 회전하도록(너무 느리거나 너무 빠르지 않음) 동시에 상황에 관계없이 바퀴가 차를 움직이고 멈추는 데 필요한 적절한 양의 동력을 제공합니다. 엔진과 나머지 드라이브트레인 사이에 있으며 일종의 자동차 전원 스위치보드와 같은 역할을 합니다.
이전에 수동 변속기가 기어비를 통해 이를 달성하는 방법에 대해 자세히 설명했습니다. 크기가 다른 기어를 서로 연결하면 엔진의 회전력 속도를 크게 바꾸지 않고도 나머지 차량에 전달되는 동력을 높일 수 있습니다. 기어비에 대한 개념을 아직 이해하지 못했다면 계속 진행하기 전에 지난 시간에 포함된 비디오를 시청하는 것이 좋습니다. 이 개념을 이해하지 않으면 아무 의미가 없습니다.
수동 변속기의 경우 클러치를 누르고 기어를 제자리로 이동하여 결합되는 기어를 제어합니다.
자동 변속기에서 뛰어난 엔지니어링은 가속 페달이나 브레이크 페달을 누르는 것 외에는 아무것도 할 필요 없이 어떤 기어가 맞물릴지 결정합니다. 자동차 마술입니다.
따라서 지금쯤이면 변속기의 목적에 대한 기본적인 이해가 있어야 합니다. 변속기는 엔진이 최적의 속도로 회전하도록 하는 동시에(너무 느리거나 너무 빠르지 않게) 바퀴에 적절한 양의 동력을 제공하여 움직이고 멈출 수 있도록 합니다. 상황에 관계없이 자동차.
자동 변속기의 경우 이를 가능하게 하는 부분을 살펴보겠습니다.
전송 케이스
변속기 케이싱에는 변속기의 모든 부품이 들어 있습니다. 그것은 일종의 종처럼 보이기 때문에 종종 "벨 케이싱"이라고 하는 소리를 듣게 될 것입니다. 변속기 케이스는 일반적으로 알루미늄으로 만들어집니다. 변속기의 모든 움직이는 기어를 보호하는 것 외에도 현대 자동차의 벨 케이싱에는 엔진의 입력 회전 속도를 추적하고 자동차의 나머지 부분에 대한 출력 회전 속도를 추적하는 다양한 센서가 있습니다.
토크 변환기
자동차의 엔진을 켤 수 있지만 앞으로 나아가지 못하는 이유가 궁금하신가요? 글쎄, 그것은 엔진에서 변속기로의 동력 흐름이 차단되기 때문입니다. 이 연결 해제로 인해 자동차의 나머지 드라이브 트레인에 전원이 공급되지 않더라도 엔진이 계속 작동할 수 있습니다. 수동 변속기에서는 클러치를 눌러 엔진에서 구동계로의 전원을 차단합니다.
하지만 클러치가 없는 자동 변속기에서 엔진에서 나머지 구동계로의 전원을 어떻게 차단합니까?
물론 토크 컨버터와 함께.
여기에서 자동 변속기의 흑마법이 시작됩니다(아직 유성 기어까지 도달하지 않았습니다).
토크 컨버터는 엔진과 변속기 사이에 있습니다. 변속기 벨 케이스의 큰 구멍 안에 있는 도넛 모양의 물건입니다. 토크 전달 측면에서 두 가지 주요 기능이 있습니다.
변속기 내부의 변속기 오일이 제공하는 유압 덕분에 이 두 가지 기능을 수행합니다.
이것이 어떻게 작동하는지 이해하려면 토크 컨버터의 다른 부분이 어떻게 작동하는지 알아야 합니다.
토크 변환기의 일부
대부분의 현대식 차량에서 토크 컨버터는 4가지 주요 부품으로 구성되어 있습니다. 1) 펌프, 2) 고정자, 3) 터빈, 4) 토크 컨버터 클러치입니다.
1. 펌프(임펠러라고도 함). 펌프는 팬처럼 보입니다. 그것은 중앙에서 방사되는 많은 블레이드를 가지고 있습니다. 펌프는 엔진의 플라이휠에 직접 볼트로 고정되는 토크 컨버터 하우징에 직접 장착됩니다. 결과적으로 펌프는 엔진의 크랭크축과 같은 속도로 회전합니다. (토크 컨버터의 작동 방식을 살펴볼 때 기억해야 합니다.) 펌프는 변속기 오일을 중앙에서 바깥쪽으로 "펌핑"합니다. . .
2. 터빈. 터빈은 컨버터 하우징 내부에 있습니다. 펌프처럼 팬처럼 보입니다. 터빈은 변속기의 입력 샤프트에 직접 연결됩니다. 펌프와 연결되어 있지 않아 펌프와 다른 속도로 이동할 수 있습니다. 이것은 중요한 포인트입니다. 이것이 엔진이 나머지 구동계와 다른 속도로 회전할 수 있게 해주는 것입니다.
터빈은 펌프에서 보내지는 변속기 유체 덕분에 회전할 수 있습니다. 터빈의 블레이드는 받는 유체가 터빈의 중심 쪽으로 이동하고 다시 펌프 쪽으로 이동하도록 설계되었습니다.
3. 고정자(리액터라고도 함). 고정자는 펌프와 터빈 사이에 있습니다. 팬 블레이드나 비행기 프로펠러처럼 보입니다(여기에 패턴이 보입니까?). 고정자는 2가지 일을 합니다. 1) 터빈에서 다시 펌프로 변속기 유체를 더 효율적으로 보내고, 2) 엔진에서 나오는 토크를 곱해 자동차가 움직이도록 돕지만 자동차가 좋은 상태로 돌아가면 더 적은 토크를 보냅니다. 클립.
이는 영리한 엔지니어링 덕분에 가능합니다. 첫째, 원자로의 블레이드는 터빈을 떠나는 변속기 유체가 고정자의 블레이드에 부딪힐 때 유체가 펌프의 회전과 같은 방향으로 우회되도록 설계되었습니다.
둘째, 고정자는 원웨이 클러치를 통해 변속기의 고정 샤프트에 연결됩니다. 이것은 고정자가 한 방향으로만 움직일 수 있음을 의미합니다. 이것은 터빈의 유체가 한 방향으로 향하도록 합니다. 고정자는 터빈의 유체 속도가 특정 수준에 도달할 때만 회전을 시작합니다.
고정자의 이 두 가지 설계 요소는 펌프의 작업을 더 쉽게 만들고 더 많은 유체 압력을 생성합니다. 이것은 차례로 터빈에서 증폭된 토크를 생성하고 터빈이 변속기에 연결되어 있기 때문에 더 많은 토크를 변속기와 자동차의 나머지 부분에 보낼 수 있습니다. 아휴.
4. 토크 컨버터 클러치. 유체 역학이 작동하는 방식 덕분에 변속기 유체가 펌프에서 터빈으로 이동할 때 동력이 손실됩니다. 그 결과 터빈이 펌프보다 약간 느린 속도로 회전합니다. 이것은 차가 출발할 때는 문제가 되지 않지만(사실 속도 차이는 터빈이 변속기에 더 많은 토크를 전달할 수 있게 함), 순항 중일 때는 그 차이로 인해 일부 에너지 비효율이 발생합니다.
이러한 에너지 손실을 무효화하기 위해 대부분의 최신 토크 컨버터에는 터빈에 연결된 토크 컨버터 클러치가 있습니다. 자동차가 특정 속도(보통 45-50mph)에 도달하면 토크 컨버터 클러치가 작동하여 터빈이 펌프와 동일한 속도로 회전합니다. 컨버터 클러치가 결합되면 컴퓨터가 제어합니다.
이것이 토크 컨버터의 부품입니다.
모든 것을 종합하여 정지 상태에서 순항 속도까지 이동할 때 토크 컨버터의 동작이 어떻게 보이는지 살펴보겠습니다.
당신은 차를 켜고 공회전합니다. 펌프는 엔진과 같은 속도로 회전하며 변속기 유체를 터빈으로 보내고 있지만 엔진이 정지 상태에서 매우 빠르게 회전하지 않기 때문에 터빈이 그렇게 빨리 회전하지 않으므로 전달할 수 없습니다. 변속기에 토크를 가합니다.
가스를 밟습니다. 이로 인해 엔진이 더 빨리 회전하여 토크 컨버터 펌프가 더 빨리 회전합니다. 펌프가 더 빠르게 회전하기 때문에 변속기 유체는 펌프에서 터빈을 더 빠르게 회전시키기 시작할 만큼 충분히 빠르게 움직입니다. 터빈 블레이드는 유체를 고정자로 보냅니다. 변속기 오일 속도가 충분히 높지 않아 고정자가 아직 회전하지 않습니다.
그러나 고정자 블레이드의 설계로 인해 유체가 이를 통과할 때 펌프가 회전하는 것과 같은 방향으로 유체를 다시 펌프로 우회시킵니다. 이를 통해 펌프는 유체를 더 높은 속도로 터빈으로 다시 이동시키고 더 많은 유체 압력을 생성할 수 있습니다. 유체가 터빈으로 돌아갈 때 더 많은 토크로 그렇게 하여 터빈이 변속기에 더 많은 토크를 전달하도록 합니다. 차가 앞으로 움직이기 시작합니다.
이 주기는 자동차의 속도가 빨라짐에 따라 계속됩니다. 순항 속도에 도달하면 변속기 유체가 원자로 블레이드를 최종적으로 회전시키는 압력에 도달합니다. 리액터가 회전하면 토크가 감소합니다. 이 때 차가 좋은 클립으로 움직이기 때문에 차를 움직이는 데 많은 토크가 필요하지 않습니다. 토크 컨버터 클러치가 맞물려 터빈이 펌프 및 엔진과 같은 속도로 회전하도록 합니다.
자, 토크 컨버터는 엔진의 동력이 트랜스미션으로 전달되는 것을 허용하거나 방지하고 자동차가 정지 상태에서 벗어나도록 하기 위해 트랜스미션에 몇 배의 토크를 전달하는지입니다. 자동차가 자동으로 변속되도록 하는 변속기 부품을 살펴볼 시간입니다.
유성 기어
차량이 더 높은 속도에 도달하면 차량을 계속 유지하기 위해 더 적은 토크가 필요합니다. 변속기는 기어비 덕분에 자동차 바퀴에 전달되는 토크의 양을 늘리거나 줄일 수 있습니다. 기어비가 낮을수록 더 많은 토크가 전달됩니다. 기어비가 높을수록 전달되는 토크가 줄어듭니다.
수동 변속기의 경우 기어비를 변경하려면 기어 변속을 움직여야 합니다.
자동 변속기에서 기어비는 자동으로 증가 및 감소합니다. 이는 유성 기어의 독창적인 설계 덕분에 가능했습니다.
유성 기어는 세 가지 구성 요소로 구성됩니다.
단일 유성 기어 세트는 후진 구동 및 5단계 전진 구동을 달성할 수 있습니다. 그것은 모두 기어 세트의 세 가지 구성 요소 중 어느 것이 움직이거나 고정되어 있는지에 달려 있습니다.
입력 기어(동력을 생성하는 기어), 출력 기어(동력을 받는 기어) 또는 정지 상태로 작동하는 다양한 구성 요소의 작동 방식을 살펴보겠습니다.
썬 기어:입력 기어 / 유성 캐리어:출력 기어 / 링 기어:고정된 상태
이 시나리오에서 태양 기어는 입력 기어입니다. 링 기어가 움직이지 않습니다. 태양 기어가 움직이고 링 기어가 제자리에 고정되면 유성 기어는 자체 캐리어 샤프트에서 회전하고 링 기어 내부 주위를 걸어 다니지만 태양 기어와 반대 방향입니다. 이로 인해 캐리어가 태양 기어와 같은 방향으로 회전합니다. 따라서 캐리어는 출력 기어가 됩니다.
이 구성은 입력 기어(이 경우 태양 기어)가 출력 기어(유성 캐리어)보다 빠르게 회전한다는 것을 의미하는 낮은 기어비를 생성합니다. 그러나 행성 캐리어가 생성하는 토크의 양은 태양 기어가 제공하는 것보다 훨씬 많습니다.
이러한 종류의 구성은 자동차가 이제 막 출발할 때 사용됩니다.
썬 기어:고정 고정 / 유성 캐리어:출력 기어 / 링 기어:입력 기어
이 시나리오에서 태양 기어는 고정되어 있지만 링 기어가 입력 기어가 됩니다(즉, 기어 시스템에 동력을 전달함). 태양 기어를 잡고 있기 때문에 회전하는 유성 기어가 태양 기어 주위를 돌아다니며 유성 캐리어를 운반합니다.
플래닛 캐리어는 링 기어와 같은 방향으로 움직이며 출력 기어입니다.
이 구성은 첫 번째 구성보다 약간 더 높은 기어비를 생성합니다. 그러나 입력 기어(링 기어)는 여전히 출력 기어(유성 캐리어)보다 빠르게 회전합니다. 그 결과 유성 기어가 나머지 구동계에 더 많은 토크 또는 동력을 전달합니다. 이 구성은 차가 막힌 곳에서 속도를 높이거나 언덕을 운전할 때 작동할 가능성이 높습니다.
썬 기어:입력 기어 / 유성 캐리어:출력 기어 / 링 기어:입력 기어
이 시나리오에서는 태양 기어와 링 기어가 모두 입력 기어로 작동합니다. 즉, 둘 다 같은 속도로 같은 방향으로 회전하고 있습니다. 이로 인해 유성 기어가 개별 샤프트에서 회전하지 않습니다. 왜요? If the ring gear and the sun gear are the input members, the internal teeth of the ring gear will try to rotate the planetary gears in one direction, while the external teeth of the sun gear will try to drive them in the opposite direction. So they lock into place. The whole unit (sun gear, planetary carrier, ring gear) moves together at the same speed and they transfer the same amount of power. When the input and the output transfer the same amount of torque, it’s called direct drive.
This arrangement would be in play when you’re cruising around 45-50 mph.
Sun Gear:held stationary / Planetary Carrier:input gear / Ring Gear:output gear
In this scenario, the sun gear is held stationary, and the planetary carrier becomes the input gear that delivers power to the gear system. The ring gear is now the output gear.
As the planet carrier rotates, the planetary gears are forced to walk around the held sun gear, which drives the ring gear faster. One complete rotation of the planet carrier causes the ring gear to rotate more than one complete revolution in the same direction. This is a high gear ratio and provides more output speed but less torque. This arrangement is also known as “overdrive.”
You’d be in this configuration when you’re driving on the freeway at 60+ mph.
An automatic transmission usually has more than one planetary gear set. They work together to create multiple gear ratios.
Because the gears are in constant mesh in a planetary gear system, gear changes are made without engaging or disengaging gears, like you do on a manual transmission.
But how does an automatic transmission tell which parts of the planetary gear system should act as the input gear, the output gear, or be held stationary, so we can get those varying gear ratios?
With the help of brake bands and clutches inside the transmission.
Brake Bands and Clutches
Brake bands are made of metal lined with organic friction material. The brake bands can tighten to hold the ring or sun gear stationary or loosen to let them spin. Whether a brake band tightens or loosens is controlled by a hydraulic system.
A series of clutches also connect to the different parts of a planetary gear system. Transmission clutches in automatic transmissions are made up of multiple metal and friction discs (which is why they’re sometimes referred to as a “multi disc clutch assembly”). When the discs are pressed together, it causes the clutch to engage. A clutch can cause a planetary gear part to become an input gear or it could cause it to become stationary. It just depends on how it’s connected to the planetary gear. Whether a clutch engages or not is driven by a combination of mechanical, hydraulic, and electrical design. And it all happens automatically.
Now the intricacies of how the various clutches work together to hold and drive different components is pretty complicated. Too complicated to describe it in text. It’s best understood visually. I highly recommend checking out this video that walks you through it:
As you can see, there are a lot of moving parts inside an automatic transmission. It uses a combination of mechanical, fluid, and electrical engineering to give you a smooth ride from dead stop to highway cruising speed.
So let’s walk through a big picture overview of the power flow in an automatic transmission.
The engine sends power to the torque convertor’s pump .
The pump sends power to the torque converter’s turbine via transmission fluid.
The turbine sends the transmission fluid back to the pump via the stator .
The stator multiples the power of the transmission fluid, allowing the pump to send more power back to the turbine. A vortex power rotation is created inside the torque converter.
The turbine is connected to a central shaft that connects to the transmission. As the turbine spins, the shaft spins, sending power to the first planetary gear set of the transmission.
Depending on which multiple disc clutch or brake band is engaged in the transmission, the power from the torque converter will either cause the sun gear , the planetary carrier , or the ring gear of the planetary gear system to move or stay stationary.
Depending on which parts of the planetary gear system are moving or not determines the gear ratio . Whatever planetary gear arrangement you have (sun gear acting as input, planetary carrier acting as output, ring gear stationary — see above) will determine the amount of power the transmission sends to the rest of the drive train.
That, broadly speaking, is how an automatic transmission works. There are sensors and valves that regulate and modify things, but that’s the basic gist of it.
It’s something that’s easier understood visually. I highly recommend watching the following video. The background we went through will make it much easier to understand:
What did I tell you? The automatic transmission is pretty dang amazing.
Now as you feel the car shift gears as you cruise down the freeway, you’ll have a good idea of what’s going on under the hood.
