구동계는 변속기와 차축, 디퍼렌셜 등으로 구성되어 있다. 자동차에 쓰이는 변속기는 조작방법과 구조에 따라 크게 수동(MT), 자동(AT), 무단변속기(CVT)로 구분된다. 클러치는 필요에 따라 힘의 전달을 조절하는 장치로, 자동차에서는 보통 엔진과 변속기 사이에 자리하고 있는 것을 말한다. 엔진에서 나온 회전력을 어느 바퀴에 전달하느냐에 따라 구동계는 앞바퀴굴림, 뒷바퀴굴림, 네바퀴굴림으로 나뉜다 글·류청희 기자
BMW535xj의 구동계를 보여주는 투시도. 엔진과 바퀴 사이를 잇는 변속기, 차축, 디퍼렌셜 등이 나타나 있다
GM의 뒷바퀴굴림 방식 하이드라메틱 자동변속기(AT)의 분해도. 왼쪽의 지름이 큰 원형 구조물이 AT의 구조적 특징인 토크 컨버터다.
TTC의 뒷바퀴굴림방식 트레멕 수동변속기(MT)의 분해도. 가운데 보이는 여러기어들이 다르게 맞물리면서 회전수를 달리해 토크를 전달한다
GM의 앞바퀴굴림 방식 하이드라메틱 자동 트랜스액슬. 좁은 공간을 활용하기 위해 출력축과 변속기어를 수평으로 배치했다.
크라이슬러의 센터포드 클러치. 디스크(위)와 플레이트 사이의 마찰력을 이용해 회전력을 잇고 끊는다.
포드 퓨전의 앞바퀴굴림 구동계. 아래쪽 앞의 가로로 놓인 엔진이 앞바퀴를 굴리는 형태다.
시보레 코베트의 뒷바퀴 굴림 구동계. 오른쪽 앞의 세로로 놓인 엔진에서 나온 회전력이프로펠러 샤프트와 디퍼렌셜을 거쳐 뒷바퀴로 전해진다.
재규어 X타입의 구동계. 트랜스퍼케이스와 저속기어가 없는 앞바퀴굴림방식의 AWD다.
구동계
엔진에서 발생된 힘이 크랭크 샤프트에서 회전력으로 바뀐 것을 각각의 바퀴에 전달하는 기계적 구성요소를 통틀어 구동계(drivetrain)라고 한다. 구동계는 변속기와 차축(프로펠러 샤프트 또는 드라이브 샤프트), 그리고 디퍼렌셜(differential) 등으로 구성되어 있다.
변속기
변속기(트랜스미션, transmission)는 구동계에서 가장 핵심을 이루는 요소 중 하나다. 기어와 축, 그리고 이들을 움직이는 관련부품들이 모여있는 것으로, 자동차에 쓰이는 변속기는 조작방법과 구조에 따라 크게 수동변속기(manual trans-mission)와 자동변속기(automatic transmission), 무단변속기(continuously variable transmission)로 구분된다. 세 장치의 영어 표기 앞글자를 따서 수동변속기는 MT, 자동변속기는 AT, 무단변속기는 CVT로 쓰기도 한다.
변속기가 필요한 이유는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 먼저 모든 엔진은 정상적으로 작동할 수 있는 최대 회전수가 있으므로 이 회전수를 넘지 않는 범위 내에서 엔진이 작동하면서 속도를 높이도록 바퀴를 굴릴 수 있는 장치가 필요하기 때문이다. 그리고 엔진의 출력과 토크를 최대한 살릴 수 있는 엔진회전수가 정해져 있기 때문에, 변속기는 이 회전수를 꾸준히 이용할 수 있도록 회전수를 특정한 범위 내로 유지하는 역할을 한다.
일반적으로 자동차 변속기의 기능은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫째, 크랭크 샤프트와 굴림바퀴 사이에 자리잡아 기어비를 변화시켜 다양한 주행상태에 맞게 바퀴를 굴리는 데 필요한 힘을 공급한다. 둘째, 차를 후진할 수 있도록 한다. 셋째, 시동을 걸 때 또는 공회전 때 중립으로 변속해 바퀴로의 동력전달을 끊고 차의 움직임을 막는다.
자동차용 변속기는 일반적으로 2∼3개의 축에 기어를 몇 개씩 달고, 기어의 조합을 조절해 엔진의 크랭크 샤프트에서 전달된 회전수를 줄이면서 회전력(토크)을 크게 만들어 바퀴로 전달한다. 예를 들어 변속기 기어의 톱니 수가 크랭크 샤프트에 연결된 기어의 2배가 되면 변속기 기어의 회전수는 크랭크 샤프트 회전수의 1/2이 되지만 회전력은 2배가 된다. 변속기는 이런 역할을 하는 기어를 차의 주행특성에 맞춰 여러 개를 조합하여 필요한 회전력을 만들게 된다.
수동변속기는 이런 기어 조합의 조절이 운전자가 레버를 조작하는 것에 따라 수동적으로 이루어지는 것이고, 자동변속기는 토크 컨버터 등 별도로 더해진 기계부품에 의해 자동으로 이루어지는 것이다. 무단변속기는 자동변속기의 일종으로, 크랭크 샤프트쪽에 연결된 축과 바퀴에 연결된 축에 각각 풀리(pulley)를 달고 두 풀리를 체인이나 벨트로 연결한 뒤 속도에 따라 풀리의 간격을 연속적으로 조절하는 장치다.
트랜스미션과 트랜스액슬
엄밀히 말하면 변속기는 트랜스미션(transmission)과 트랜스액슬(transaxle)으로 나뉜다. 트랜스미션은 보통 뒷바퀴굴림 차에 쓰이는 것으로, 위에서 보았을 때 크랭크 샤프트와 변속기를 거친 출력축이 일직선 상에 놓이고 출력축의 최종감속 기어가 드라이브 샤프트 뒤에 따로 분리되어 있다. 트랜스액슬은 보통 앞바퀴굴림 차에 쓰이고, 위에서 보았을 때 크랭크 샤프트와 변속기를 거친 출력축이 평행을 이루고 최종감속 기어가 변속기와 같은 케이스 안에 들어 있다.
클러치
클러치(clutch)는 회전력이 전달되는 두 축을 연결하거나 분리시켜 필요에 따라 힘의 전달을 조절하는 장치를 말한다. 자동차에서는 보통 엔진과 변속기 사이에 자리잡고 있는 것을 말하지만, 자동변속기 내부의 록업 클러치 등 다른 부품에서도 발견할 수 있다.
물체와 물체의 마찰을 통해 회전력을 직접 전달하는 마찰 클러치와 액체의 점도와 유동성을 이용해 회전력을 간접적으로 전달하는 유체 클러치가 있다. 일반적으로 수동변속기에는 마찰 클러치가, 자동변속기에는 유체 클러치의 원리를 응용한 토크 컨버터(torque converter)라는 장치를 쓴다.
굴림방식
엔진에서 나온 회전력을 어느 바퀴에 전달하느냐에 따라 구동계, 즉 굴림방식은 앞바퀴굴림, 뒷바퀴굴림, 네바퀴굴림으로 나뉜다. 또한 엔진의 위치와 굴림바퀴를 한데 묶어 표기한 영어를 줄여 부르기도 한다. 앞 엔진 앞바퀴굴림(front engine front drive) 방식을 FF, 앞 엔진 뒷바퀴굴림(front engine rear drive) 방식을 FR, 뒤 엔진 뒷바퀴굴림(rear engine rear drive) 방식을 RR이라고 한다. 그리고 엔진을 앞 뒤 차축 사이에 둔 것을 미드십(midship) 엔진 배치라고 부르고, 미드십 엔진 뒷바퀴굴림 방식을 줄여 MR이라고 한다. 네바퀴 모두에 동력이 전달되는 방식은 4WD(4-wheel drive) 또는 AWD(all-wheel drive)라고 한다.
4WD와 AWD의 차이점
네바퀴굴림 방식은 4WD와 AWD가 있다. 4WD는 일반적으로 FR 방식 구동계의 트랜스미션 뒤에 트랜스퍼 케이스(transfercase)를 달아 앞차축과 뒷차축으로 구동력을 나누고, 저속에서 높은 토크를 전달하도록 만든 저속 기어가 함께 있는 방식을 말한다. 트랜스퍼 케이스 내부의 기어를 조절해 앞바퀴로 전달되는 구동력을 끊거나 이을 수 있는 방식의 4WD를 파트타임(part-time) 4WD, 항상 앞 뒤 차축에 모두 구동력이 전달되는 방식의 4WD를 풀타임(full-time) 4WD라고 한다. AWD는 일반적으로 FF 방식 구동계의 차에서 저속 기어 없이 트랜스액슬에 달린 디퍼렌셜을 통해 앞차축과 뒷차축으로 구동력을 나누는 방식을 말한다. 그러나 FR 방식 구동계를 바탕으로 한 풀타임 4WD 중에도 저속 기어가 없는 것들이 있어 최근에는 거의 혼용되고 있다.
디퍼렌셜
디퍼렌셜(differential)은 디퍼렌셜 기어(differential gear)의 줄임말로, 하나의 축으로 전달된 회전력을 좌우 두 개의 축으로 나눠주는 역할과 함께 좌우 축에 걸리는 부하에 따라 회전수를 다르게 조절하는 역할을 한다. 한자로 표현하면 차동장치(差動裝置)라고 한다. FF 방식 구동계에는 트랜스액슬과 디퍼렌셜이 붙어있고, FR방식 구동계에는 좌우 뒷차축 사이에 최종감속 기어와 일체형으로 자리한다. 네바퀴굴림 방식 구동계에는 좌우 앞차축 사이에도 디퍼렌셜이 놓인다.
프로펠러 샤프트와 드라이브 샤프트
프로펠러 샤프트(propeller shaft)는 FR 방식에서 트랜스미션과 디퍼렌셜 기어를 연결해 구동력을 전달하는 축이다. 드라이브 샤프트(drive shaft)는 FF 방식에서 트랜스액슬의 최종감속 기어와 바퀴를, FR 또는 4WD 방식에서 디퍼렌셜과 바퀴를 연결해 구동력을 전달하는 축을 말한다. Z
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