자동차 입문자를 위한 자동차 작동 원리에 대한 기본 시리즈인 Gearhead 101에 오신 것을 환영합니다.
Art of Manliness를 읽었기 때문에 스틱 시프트를 운전하는 방법을 알고 있습니다. 하지만 기어를 변속할 때마다 후드 아래에서 무슨 일이 일어나고 있는지 아십니까?
아니요?
자, 오늘은 행운의 날입니다!
이번 Gearhead 101 에디션에서는 수동 변속기가 작동하는 방식에 대해 자세히 살펴봅니다. 이 글을 다 읽을 때쯤이면 차량의 구동계에서 이 중요한 부분에 대한 기본적인 이해를 하게 될 것입니다.
소매를 걷어붙이고 시작하겠습니다.
참고:변속기의 작동 원리를 읽기 전에 엔진과 구동계의 안팎에 있는 Gearhead 101을 검토하는 것이 좋습니다.
수동 변속기의 작동 원리에 대해 자세히 알아보기 전에 일반적으로 변속기가 하는 일에 대해 알아보겠습니다.
자동차 엔진의 작동 원리에 대한 입문서에서 논의한 것처럼 차량의 엔진은 회전력을 생성합니다. 자동차를 움직이려면 그 회전력을 바퀴로 전달해야 합니다. 이것이 바로 변속기가 일부인 자동차의 구동계가 하는 일입니다.
그러나 내연 기관에서 생성되는 동력에는 몇 가지 문제가 있습니다. 첫째, 엔진 속도의 특정 범위(이 범위를 엔진의 출력 대역이라고 함) 내에서만 사용 가능한 출력 또는 토크를 제공합니다. 너무 느리거나 너무 빠르면 자동차를 움직이는 데 필요한 최적의 토크를 얻지 못합니다. 둘째, 자동차는 엔진이 출력 범위 내에서 최적으로 제공할 수 있는 것보다 많거나 적은 토크가 필요한 경우가 많습니다.
두 번째 문제를 이해하려면 첫 번째 문제를 이해해야 합니다. 그리고 첫 번째 문제를 이해하려면 엔진 속도 및 엔진 토크 .
엔진 속도는 엔진의 크랭크축이 회전하는 속도입니다. 이는 분당 회전수(RPM)로 측정됩니다.
엔진 토크는 특정 회전 속도에 대해 엔진이 샤프트에서 생성하는 비틀림 힘입니다.
한 자동차 정비사가 엔진 속도와 엔진 토크의 차이를 이해하기 위해 다음과 같이 좋은 비유를 했습니다.
당신이 엔진이고 벽에 못을 박으려고 한다고 상상해 보세요.
Speed =1분에 못 머리를 몇 번이나 쳤는지
토크 =매번 못을 얼마나 세게 치나요.
마지막으로 못을 박았을 때를 생각해 보십시오. 당신이 정말로 빠르게 망치질을 한다면, 당신은 아마도 당신이 못을 많은 힘으로 치지 않는다는 것을 알아차렸을 것입니다. 더군다나, 당신은 아마도 너무 많은 미친 스윙에 지쳤을 것입니다.
반대로, 각 스윙 사이에 시간을 들이고 각 스윙을 가능한 한 세게 했다면 더 적은 스윙으로 못을 박을 수 있지만 그렇지 않기 때문에 시간이 조금 더 걸릴 수 있습니다. 일정한 템포로 스윙합니다.
이상적으로는 지치지 않고 스윙할 때마다 좋은 힘으로 못 머리를 여러 번 칠 수 있는 망치질 속도를 찾을 수 있을 것입니다. 너무 빠르지도 너무 느리지도 않게 그냥 맞습니다.
글쎄, 우리는 우리 차의 엔진이 똑같은 일을 하기를 원한다. 우리는 그것이 스스로를 파괴할 정도로 열심히 일하지 않고 필요한 토크를 전달할 수 있는 속도로 회전하기를 원합니다. 엔진이 출력 범위 내에서 유지되어야 합니다.
엔진이 출력 대역 아래로 회전하면 차를 앞으로 움직이는 데 필요한 토크가 없습니다. 출력 대역을 초과하면 토크가 떨어지기 시작하고 스트레스로 인해 엔진이 곧 끊어질 것 같은 소리가 나기 시작합니다(일종의 망치질을 너무 빨리 하려고 할 때 발생하는 것과 같습니다. 더 적은 출력으로 못을 치면 실제로, 정말 피곤해). 타코미터가 빨간색이 될 때까지 엔진을 돌렸다면 이 개념을 본능적으로 이해하게 될 것입니다. 엔진이 곧 죽을 것 같지만 더 빨리 움직이지 않습니다.
알겠습니다. 차량이 효율적으로 작동하려면 전력 대역 내에서 차량을 계속 작동해야 합니다.
하지만 이는 두 번째 문제로 이어집니다. 자동차는 특정 상황에서 더 많거나 적은 토크가 필요합니다.
예를 들어, 정지 상태에서 차에 시동을 걸 때 차량을 움직이기 위해서는 많은 동력 또는 토크가 필요합니다. 가속 페달을 밟으면 엔진의 크랭크축이 정말 빠르게 회전하여 엔진이 출력 대역을 훨씬 넘어설 수 있으며 그 과정에서 스스로 파괴될 수 있습니다. 그리고 가장 중요한 점은 엔진이 출력 대역 이상으로 올라갈수록 토크가 떨어지기 때문에 차를 많이 움직이지 않는다는 것입니다. 이 상황에서는 더 많은 토크가 필요하지만 이를 얻으려면 속도를 약간 희생해야 합니다.
좋아요, 가스를 살짝만 누르면 어떻게 될까요? 글쎄, 그것은 아마도 엔진이 처음부터 동력 대역에 들어갈 만큼 충분히 빠르게 회전하여 자동차를 움직이게 하는 토크를 전달할 수 있도록 하지 않을 것입니다.
다른 시나리오를 살펴보겠습니다. 고속도로에서 순항할 때처럼 차가 정말 빨리 움직인다고 가정해 보겠습니다. 자동차가 이미 빠른 속도로 움직이고 있기 때문에 엔진에서 바퀴로 많은 동력을 보낼 필요가 없습니다. 순전한 추진력은 많은 일을 하고 있습니다. 따라서 바퀴에 전달되는 동력에 대해 크게 걱정하지 않고 엔진을 더 빠른 속도로 회전할 수 있습니다. 더 많은 회전 속도가 필요합니다. 바퀴로 이동하고 회전 파워 감소 .
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( 내리막길이나 정말 빨리가는 중).
전송을 입력합니다.
트랜스미션은 엔진이 최적의 속도로(너무 느리거나 너무 빠르지 않음) 회전하도록 하는 동시에 상황에 관계없이 차를 움직이고 멈추는 데 필요한 적절한 양의 동력을 바퀴에 제공합니다.
기어비의 힘을 활용하는 일련의 다양한 크기의 기어를 통해 이러한 효과적인 동력 전달을 수행할 수 있습니다.
변속기 내부에는 토크를 생성하는 다양한 크기의 톱니 기어 시리즈가 있습니다. 서로 상호작용하는 기어의 크기가 다르기 때문에 엔진의 회전력 속도를 크게 바꾸지 않고도 토크를 높이거나 낮출 수 있습니다. 이는 기어비 덕분입니다.
기어비는 기어 간의 크기 관계를 나타냅니다. 서로 다른 크기의 기어가 서로 맞물리면 서로 다른 속도로 회전하고 서로 다른 양의 동력을 전달할 수 있습니다.
이를 설명하기 위해 작동 중인 기어의 멍청한 버전을 살펴보겠습니다. 10개의 톱니가 있는 입력 기어(입력 기어는 동력을 생성하는 기어를 의미함)에 20개의 톱니가 있는 더 큰 출력(출력 기어, 나는 동력을 받는 기어를 의미함)에 연결되어 있다고 가정합니다. 톱니 20개짜리 기어를 한 번 돌리려면 톱니 10개짜리 기어가 20개짜리 기어의 절반 크기이기 때문에 두 번 회전해야 합니다. 즉, 톱니가 10개인 기어는 빠르게 회전하지만 톱니가 20개인 기어는 천천히 회전합니다. 톱니가 20개인 기어가 더 느리게 회전하더라도 더 크기 때문에 더 많은 힘 또는 파워를 전달합니다. 이 배열의 비율은 1:2입니다. 낮은 기어비입니다.
또는 서로 연결된 두 개의 기어가 같은 크기(10개 이빨과 10개 이빨)라고 가정해 보겠습니다. 둘 다 같은 속도로 회전하고 같은 양의 전력을 전달합니다. 여기서 기어비는 1:1입니다. 두 기어가 같은 양의 동력을 전달하기 때문에 이를 "직접 구동" 비율이라고 합니다.
또는 입력 기어는 더 크고(20개의 톱니) 출력 기어는 더 작습니다(10개의 톱니). 톱니가 10개인 기어를 한 번 돌리려면 톱니가 20개인 기어를 절반만 돌리면 됩니다. 즉, 톱니가 20개인 입력 기어는 느리고 더 많은 힘으로 회전하지만 톱니가 10개인 출력 기어는 빠르게 회전하고 전력이 덜 전달됩니다. 여기서 기어비는 2:1입니다. 이것을 높은 기어비라고 합니다.
그 개념을 전달의 목적으로 되돌리자.
아래에서 5단 수동 변속기 차량의 다른 기어가 결합될 때의 동력 흐름 다이어그램을 찾을 수 있습니다.
첫 번째 기어 변속기에서 가장 큰 기어이며 작은 기어와 맞물려 있습니다. 자동차가 1단 기어일 때의 일반적인 기어비는 3.166:1입니다. 1단 기어가 맞물리면 저속이지만 높은 출력이 전달됩니다. 이 기어비는 정지 상태에서 차를 시동할 때 좋습니다.
두 번째 기어 두 번째 기어는 첫 번째 기어보다 약간 작지만 여전히 더 작은 기어와 맞물려 있습니다. 일반적인 기어비는 1.882:1입니다. 속도가 증가하고 위력이 약간 감소합니다.
세 번째 기어 세 번째 기어는 두 번째 기어보다 약간 작지만 여전히 더 작은 기어와 맞물려 있습니다. 일반적인 기어비는 1.296:1입니다.
4단 기어. 4단 기어는 3단 기어보다 약간 작습니다. 많은 차량에서 자동차가 4단 기어에 있을 때 출력 샤프트는 입력 샤프트와 동일한 속도로 움직입니다. 이 배열을 "직접 구동"이라고 합니다. 일반적인 기어비는 0.972:1입니다.
다섯 번째 기어. 5단 기어('오버드라이브'라고도 함)가 있는 차량에서는 훨씬 더 큰 기어에 연결됩니다. 이렇게 하면 다섯 번째 기어가 동력을 전달하는 기어보다 훨씬 빠르게 회전할 수 있습니다. 일반적인 기어비는 0.78:1입니다.
따라서 지금쯤이면 변속기의 목적에 대한 기본적인 이해가 있어야 합니다. 변속기는 엔진이 최적의 속도로(너무 느리거나 너무 빠르지 않음) 회전하도록 하는 동시에 바퀴가 움직이고 멈추는 데 필요한 적절한 양의 동력을 제공합니다. 당신이 처한 상황에 관계없이 자동차.
이를 가능하게 하는 전송 부분을 살펴보겠습니다.
입력 샤프트. 입력 샤프트는 엔진에서 나옵니다. 이것은 엔진과 동일한 속도와 출력으로 회전합니다.
카운터샤프트. 카운터 샤프트(일명 레이샤프트)는 출력 샤프트 바로 아래에 있습니다. 카운터 샤프트는 고정 속도 기어를 통해 입력 샤프트에 직접 연결됩니다. 입력 샤프트가 회전할 때마다 카운터 샤프트도 회전하며 입력 샤프트와 동일한 속도로 회전합니다.
입력 샤프트에서 동력을 얻는 기어 외에도 카운터 샤프트에는 후진을 포함하여 자동차의 각 "기어"(1~5차)에 대해 하나씩 여러 기어가 있습니다.
출력 샤프트. 출력 샤프트는 카운터 샤프트 위에서 평행하게 실행됩니다. 구동계의 나머지 부분에 동력을 전달하는 샤프트입니다. 출력 샤프트가 전달하는 동력의 양은 모두 어떤 기어가 맞물려 있는지에 따라 다릅니다. 출력 샤프트에는 볼 베어링으로 장착된 자유롭게 회전하는 기어가 있습니다. 출력 샤프트의 속도는 5개의 기어 중 "기어"에 있거나 맞물린 기어에 따라 결정됩니다.
1~5단 기어 이들은 베어링에 의해 출력 샤프트에 장착되어 자동차가 어떤 '기어'에 있는지 결정하는 기어입니다. 이러한 각 기어는 카운터 샤프트의 기어 중 하나와 지속적으로 맞물리며 지속적으로 회전합니다. 이 끊임없이 얽힌 배열은 대부분의 현대 차량에서 사용하는 동기화 변속기 또는 일정한 메시 변속기에서 볼 수 있는 것입니다. (잠시 후에 기어 중 하나만이 실제로 구동계에 동력을 전달하는 동안 모든 기어가 항상 회전할 수 있는 방법에 대해 알아보겠습니다.)
1단 기어가 가장 큰 기어이고 5단 기어로 올라갈수록 기어가 점차 작아집니다. 기어비를 기억하십시오. 첫 번째 기어는 연결된 카운터 샤프트 기어보다 크기 때문에 입력 샤프트보다 느리게 회전할 수 있지만(카운터 샤프트는 입력 샤프트와 동일한 속도로 이동함) 출력 샤프트에 더 많은 전력을 전달합니다. 기어를 위로 올리면 입력 및 출력 샤프트가 동일한 속도로 움직이고 동일한 양의 동력을 전달하는 지점에 도달할 때까지 기어비가 감소합니다.
아이들러 기어 아이들러 기어(때때로 "역 아이들러 기어"라고도 함)는 출력 샤프트의 후진 기어와 카운터 샤프트의 기어 사이에 있습니다. 아이들러 기어는 차가 후진할 수 있게 해주는 장치입니다. 후진 기어는 항상 카운터 샤프트 기어와 맞물리거나 회전하지 않는 동기화된 변속기의 유일한 기어입니다. 실제로 차량을 후진할 때만 움직입니다.
싱크로나이저 칼라/슬리브. 대부분의 최신 차량에는 동기화된 변속기가 있습니다. 즉, 출력 샤프트의 동력을 전달하는 기어가 카운터 샤프트의 기어와 지속적으로 맞물려 끊임없이 회전합니다. 하지만 "어떻게 다섯 개의 기어가 모두 계속해서 맞물리고 계속 회전할 수 있는데 그 중 하나의 기어만 실제로 출력 샤프트에 동력을 전달할 수 있나요?"라고 생각할 수도 있습니다.
기어가 항상 회전하면서 발생하는 또 다른 문제는 구동 기어가 종종 기어가 연결된 출력 샤프트와 다른 속도로 회전한다는 것입니다. 출력 샤프트와 다른 속도로 회전하는 기어를 어떻게 동기화하고 많은 연삭을 일으키지 않는 부드러운 방식으로 동기화합니까?
두 질문에 대한 답:싱크로나이저 칼라.
위에서 언급했듯이 기어 1-5는 볼 베어링을 통해 출력 샤프트에 장착됩니다. 이를 통해 엔진이 작동하는 동안 모든 기어가 동시에 자유롭게 회전할 수 있습니다. 이 기어 중 하나를 맞물리려면 출력 샤프트에 단단히 연결해야 출력 샤프트와 나머지 드라이브 트레인에 동력이 전달됩니다.
각 기어 사이에는 싱크로나이저 칼라라고 하는 링이 있습니다. 5단 변속기에는 1단과 2단 사이, 3단과 4단 사이, 5단과 후진 기어 사이에 고리가 있습니다.
자동차를 기어로 변속할 때마다 싱크로나이저 칼라는 연결하려는 움직이는 기어로 이동합니다. 기어 외부에는 일련의 원뿔 모양의 톱니가 있습니다. 싱크로나이저 칼라에는 이러한 톱니를 수용할 수 있는 홈이 있습니다. 우수한 기계 공학 덕분에 싱크로나이저 칼라는 기어가 움직이는 동안에도 소음이나 마찰이 매우 적은 기어에 연결할 수 있으며 기어의 속도를 입력 샤프트와 동기화할 수 있습니다. 싱크로나이저 칼라가 구동 기어와 맞물리면 구동 기어가 출력 샤프트에 동력을 전달합니다.
자동차가 "중립" 상태일 때마다 싱크로나이저 칼라는 구동 장치와 얽히지 않습니다.
싱크로나이저 칼라도 시각적으로 이해하기 쉬운 것입니다. 다음은 진행 상황을 잘 설명하는 짧은 클립입니다(약 1분 59초부터 시작).
기어 시프트. 기어 변속은 자동차를 기어에 넣기 위해 움직이는 것입니다.
시프트 로드. 시프트 로드는 동기화하려는 기어 쪽으로 싱크로나이저 칼라를 움직이는 것입니다. 대부분의 5단 속도 차량에는 3개의 변속 로드가 있습니다. 시프트 로드의 한쪽 끝은 기어 시프트에 연결됩니다. 시프트 로드의 다른 쪽 끝에는 싱크로나이저 칼라를 고정하는 시프트 포크가 있습니다.
시프트 포크. 시프트 포크는 싱크로나이저 칼라를 고정합니다.
클러치. 클러치는 변속기의 엔진과 기어박스 사이에 있습니다. 클러치가 해제되면 엔진과 변속기 기어박스 사이의 동력 흐름이 차단됩니다. 이러한 전원 차단으로 인해 자동차의 나머지 드라이브 트레인에 전원이 공급되지 않더라도 엔진이 계속 작동할 수 있습니다. 변속기에서 엔진 동력을 차단하면 기어 변속이 훨씬 쉬워지고 변속기 기어의 손상을 방지할 수 있습니다. 이것이 기어를 변속할 때마다 클러치 페달을 밟고 클러치를 푸는 이유입니다.
클러치가 결합되면(발이 페달에서 떨어지며) 엔진과 변속기 사이의 동력이 복원됩니다.
이제 이 모든 것을 종합하고 차량에서 기어를 변속할 때마다 일어나는 일을 살펴보겠습니다. 시동을 걸고 2단 기어로 변속하는 것으로 시작하겠습니다.
수동 변속기 차량에 시동을 걸 때 키를 돌리기 전에 클러치를 풉니다. 클러치 페달을 밟음으로써. 이것은 엔진의 입력 샤프트와 변속기 사이의 동력 흐름을 차단합니다. 이렇게 하면 차량의 나머지 부분에 전원을 공급하지 않고 엔진이 작동할 수 있습니다.
클러치가 풀린 상태에서 기어 변속 장치를 이동합니다. 첫 번째 기어로. 이로 인해 변속 막대가 발생합니다. 변속기의 기어박스에서 변속 포크를 움직이십시오. 출력 샤프트에 장착된 첫 번째 기어 쪽으로 볼 베어링을 통해.
출력 샤프트의 이 첫 번째 기어는 카운터 샤프트에 연결된 기어와 맞물려 있습니다. . 카운터 샤프트는 기어를 통해 엔진의 입력 샤프트에 연결되고 엔진의 입력 샤프트와 동일한 속도로 회전합니다.
변속 포크에 싱크로나이저 칼라가 부착되어 있습니다. . 싱크로나이저 칼라는 두 가지 역할을 합니다. 1) 구동 기어를 출력 샤프트에 단단히 장착하여 기어가 출력 샤프트에 동력을 전달할 수 있도록 하고, 2) 기어가 출력 샤프트의 속도와 동기화되도록 합니다.
싱크로나이저 칼라가 첫 번째 기어와 맞물리면 기어가 출력 샤프트에 단단히 연결되고 이제 차량이 기어에 들어갑니다.
자동차를 움직이려면 가스를 살짝 누르고(더 많은 엔진 출력을 생성함) 클러치에서 천천히 발을 뗍니다(클러치를 결합하고 엔진과 변속기 기어박스 사이에 동력을 다시 연결함).
첫 번째 기어가 크기 때문에 출력 샤프트가 엔진의 입력 샤프트보다 느리게 회전하지만 나머지 드라이브 트레인에 더 많은 동력을 전달합니다. 이는 기어 비율의 경이로움 덕분입니다. .
모든 작업을 올바르게 수행했다면 차가 천천히 전진하기 시작합니다.
일단 차를 몰고 나면 더 빨리 가고 싶어질 것입니다. 그러나 자동차가 1단 기어에 있으면 기어비가 출력 샤프트를 특정 속도로 회전시키기 때문에 매우 빠르게 갈 수 없습니다. 자동차가 1단 기어에 있는 상태에서 가속 페달을 밟으면 엔진의 입력 샤프트가 정말 빠르게 회전하게 되지만(이 과정에서 모터가 손상될 수 있음) 차량 속도는 증가하지 않습니다.
출력 샤프트의 속도를 높이려면 2단 기어까지 변속해야 합니다. 그래서 우리는 클러치를 밟아 엔진과 변속기 기어박스 사이의 동력을 차단하고 2단 기어로 변속합니다. 이렇게 하면 시프트 포크와 싱크로나이저 칼라가 있는 변속 로드가 2단 기어로 이동합니다. 싱크로나이저 칼라는 두 번째 기어의 속도를 출력 샤프트와 동기화하고 출력 샤프트에 단단히 장착합니다. 출력 샤프트는 이제 엔진의 입력 샤프트가 자동차에 필요한 출력을 생성하기 위해 격렬하게 회전하지 않고도 더 빠르게 회전할 수 있습니다.
나머지 5단 기어는 헹구고, 씻고, 반복합니다.
후진 기어는 예외입니다. 차를 완전히 멈추지 않고 위로 변속할 수 있는 다른 구동 기어와 달리 후진으로 변속하려면 정지 상태에 있어야 합니다. 후진 기어가 카운터 샤프트의 기어와 지속적으로 맞물리지 않기 때문입니다. 후진 기어를 해당 카운터 샤프트 기어로 밀어 넣으려면 카운터 샤프트가 움직이지 않는지 확인해야 합니다. 카운터 샤프트가 회전하지 않도록 하려면 차가 완전히 멈춰야 합니다.
물론 전진하는 차를 후진 기어로 밀어넣을 수는 있지만 소리가 나지 않거나 느낌이 좋지 않고 변속기에 많은 손상을 줄 수 있습니다.
이제 차를 변속할 때마다 후드 아래에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알게 될 것입니다. 다음 단계:자동 전송
