동력전달장치의 원리와 구조

동력전달장치

• Front engine, Rear Drive(후륜)의 경우
  • 클러치, 변속기, 추진축, 차동 기어, 구동축, 타이어 순서대로 동력이 전달된다.
• 클러치: 엔진의 동력을 연결하거나 차단한다.
• 변속기: 차량의 구동 조건에 맞춰 적절한 회전력과 회전수로 변환한다.
  • 변속 시점에(기어를 바꿀 때) 엔진으로부터 동력을 차단해야한다.
• 차동기어: 선회 시 후륜의 좌우바퀴 회전수를 다르게 한다.
  • 안쪽 바퀴는 천천히, 바깥쪽 바퀴는 빠르게 회전해야 부드럽게 선회할 수 있다.
• RR타입, FF타입은 클러치, 변속기, 감속기, 차동기어가 하나로 일체화 되어있어 추진축 없이 동력을 바퀴에 전달한다.

클러치

• 엔진의 동력을 변속기에 전달하거나 차단해주는 역할
• 변속 충격을 완화하여 부드럽게 주행하게 한다.
• 마찰식(수동변속기), 유체식(자동변속기), 전자석식 클러치
• 클러치에 요구되는 특성
  • 접속, 차단이 원활하게 되어야 한다.
  • 충분한 토크 전달 용량
  • 관성모멘트가 적어야 한다.
  • 방열성이 좋은 구조
  • 간단한 구조, 편리한 취급 방식, 고장이 잘 나지 않는 특성
• 클러치의 구조
  • 클러치판, 압력판, 다이어프램 스프링, 클러치 커버로 이루어진다.
• 클러치의 작동원리 및 순서
  • 운전자가 클러치 페달을 밟으면 유압장칭서 압력판과 클러치판을 분리하여 엔진과 동력이 차단된다.
  • 이후 원하는 기어로 바꾸면 클러치 페달에서 발을 떼면 압력판과 클러치판이 접촉하여 엔진에 동력이 전달된다.
  • 반 클러치: 클러치를 반만 밟으면 약간의 마찰을 일으키면서 동력의 일부가 전달된다.
    • 부드럽게 차량을 출발시킬 수 있다.

변속기

• 엔진에서 발생한 동력을 상황에 맞게 회전력, 속도로 변환하기 위해 추진축에 전달해주는 기구
  • 오르막 등판 시, 출발 시 큰 토크(회전 수)가 필요하다.
• 변속기에 요구되는 사항
  • 소형 경량, 내구성과 신뢰성
  • 차량에 적합한 속도비
  • 조작이 쉽고 빠르고 정확하며 정숙한 변속
• 변속비: 변속 정도를 나타내는 것
  • $\frac{\text{입력측 회전속도}}{\text{출력측 회전속도}}$
  • $\frac{\text{출력측 기어잇수}}{\text{입력측 기어잇수}}$
  • 변속비가 3이면, 엔진에서 3바퀴 돌아야 출력측에서 한바퀴 회전하고 토크는 세배 증가한다. - 오르막길에서는 변속비를 크게하고 평지에서는 1, 내리막길에서는 1보다 작게 해야한다.
• 수동변속기(MT)
  • 운전자가 직접 기어를 변속하는 형태
  • 자동변속기에 비해 동력 전달 효율, 연비가 다소 우수하다.
  • 메인 드라이브 축, 카운터 축을 동기화해주는 장치가 있다.
• 자동변속기(AT)
  • 유체 클러치의 일종인 토크 컨버터와 유성기어로 구성된다.
  • 변속을 자동으로 하기 때문에 편리하다.
  • 동력 전달 매체가 기름(유체)이기 때문에 수동에 비해 연비가 10% 정도 떨어진다.
  • ECU에 의해 최적의 토크 변환을 자동으로 제어한다.
  • 변속에 의한 충격이 거의 없고 부드러운 감속, 가속이 가능하다.
  • 유성기어 변속: 선기어, 링기어, 유성기어, 캐리어를 어떻게 구동하는지에 따라 속도와 방향을 변환시킬 수 있다.
    • 1단: 선기어 입력, 캐리어 출력, 링기어 고정
    • 2단: 선기어 입력, 링기어 출력, 캐리어 고정
    • 3단: 캐리어 입력, 링기어 출력, 선기어 고정
  • 변속단수와 변속비는 최상단 기어에 비해 최고속도가 얻어질 수 있도록 설계한다.
    • 가속성능이 좋아지면 연비가 나빠지는 trade-off
    • 변속단수를 다단화하게 되면 엔진의 동력을 최대한 활용할 수 있어 연비가 좋아질 수 있다.
• 무단변속기(CVT):
  • 자동변속기의 일종
  • 변속의 단을 없애 무단으로 가능하게 한 형태
  • 동력 성능과 연비 특성에 있어 최적 제어가 가능하기 때문에 최근 많은 차량에 적용되고 있다.
  • 장점
    • 운전이 편하고 변속 충격이 거의 없다.
    • 차량의 주행조건에 맞도록 변속되기 때문에 동력성능이 향상되나.
    • 최적의 연비를 위해 가장 효율적인 회전수에서 엔진을 작동시킬 수 있다.
• DCT(Dual Clutch Transmission)
  • 클러치 2개를 갖추고 변속기어를 반 나누어 변속을 해주는 변속기
  • 하나의 클러치는 홀수, 다른 클러치는 짝수 기어에 연결되어 신속하고 부드러운 변속을 가능하게 한다.
  • 전달 효율이 우수하고 연비가 좋다.
  • 정숙한 변속이 가능하다.
  • 수동 변속기와 자동 변속기의 장점을 모두 살린 변속기
  • 변속 과정
    • 수동변속기의 경우 클러치 동력 차단, 기어 변경, 클러치 연결 3단계 과정이 필요하다
    • DCT는 1번 클러치가 떨어짐과 동시에 2번 클러치가 바로 연결되면서 하나의 과정으로 변속이 끝난다.

추진축

• FR 차량의 경우 변속기에서 들어온 동력은 추진축 회전을 통해 뒷차축으로 전달된다.
  • 비틀림과 굽힘에 대한 적응력이 커야한다.
  • 너무 무겁지 않고 두께가 얇은 강관의 원형 파이프 같은 형태로 사용된다.

차동기어

• 좌우 휠의 움직임에 차이를 둔다.
  • 차량이 곡선도로 주행할 때 안팎의 바퀴 회전 속도를 조정해주는 역할
• 저항이 적은 쪽을 더 많은 회전 수, 저항이 큰 쪽을 더 작은 회전수로 조정한다.

드라이브축

• 차동기어로부터의 동력을 양쪽 타이어로 전달한다.
• 노면에서 받는 충격을 흡수하면서 축의 각도가 변화할 때 문제없이 동력을 전달한다.
• 등속 조인트: 조인트 전의 입력과 조인트 후의 출력 회전 속도를 동일하게 하면서 축의 각도를 흡수하는 장치
• 차체의 중량을 지지하지 않고 동력만을 전달하기 때문에 얇은 축을 사용한다.
  • 추진축과 같은 정도의 강도를 지닌 재질
  • 경량화를 위해 중공 형태를 사용한다.

타이어

• 차량의 중량을 바퀴가 지행하면서 구름 운동을 통해 구동된다.
• 노면과의 마찰을 이용해서 제동한다.
• 노면으로부터 충격을 흡수하여 완충작용을 한다.
• 선회시 안전하게 조향한다.
• 타이어가 자동차 연비에 영향을 준다.
  • 휠의 무게를 줄이기 위한 재질 사용
  • 구름 저항을 줄이기 위한 다양한 연구와 노력
  • 타이어에 자동차 연비등급과 같은 효율등급을 표기한다.
• 타이어에 요구되는 조건
  • 하중에 충분히 견디며 노면으로부터의 충격을 충분히 흡수할 수 있어야 한다.
  • 구동력, 제동력, 선회력 등을 노면에 충분히 전달할 수 있어야 한다.
  • 마찰 또는 발열량이 적어야 한다.
  • 주행할 때 타이어에서 나오는 소음과 진동이 적고 수명이 길어야 한다.
• 트레드: 노면과 직접 접촉하는 부분
  • 내마모성이 좋은 두꺼운 고무층
  • 마찰에 대한 저항이 크고 미끄러움과 소음, 마모를 최소화한다.
  • 추진력과 열방산 능력이 좋아야 한다.
  • 러그 패턴: 직각 방향의 홈으로, 전후진 시 강한 추진력이 발휘되고 제동력이 좋아 대형 버스와 트럭에 사용된다. 고속주행 시 마모가 쉽다.
  • 리브 패턴: 여러개의 홈을 둔 형태로, 사이드슬립에 대한 저항이 크고 조향성이 좋다. 포장된 도로에서 고속으로 주행하는 차량에 적합하다.
  • 블록 패턴: 오프로드에서 노면을 다지면서 주행할 수 있다. 사이드슬립에 유리하다.
  • 리브.러그 패턴: 숄더부에 러그, 트레드 중앙에 리브형을 사용해 포장도로와 거친 노면에 겸용할 수 있다.
• 타이어의 형태
  • 레디얼 타이어: 카커스가 방사형으로 배열된 타이어로, 접지면을 크게 하여 슬립이 잘 일어나지 않아 강성이 좋다. 조종성과 방향성이 좋지만 사이드 월 부분이 다소 약하다.
  • 바이어스 타이어: 카커스 코드층이 타이어 트레드 중심선에 대해 약간의 각도를 준 타이어로 대형 트럭이나 버스에 사용된다.
  • 스노우 타이어: 체인을 사용하지 않고 눈길을 주행할 수 있도록 접지력을 높인 타이어로, 중앙부 리브패턴이 방향성을, 러그와 블록패턴으로 견인력을 확보한다.
• 제원
  • 폭, 편평비, 림 직경은 타이어 옆면에 숫자와 알파벳으로 적혀있다.
  • 215 / 45 R17 91H
  • 타이어의 폭은 215mm이고 타이어 폭에 대한 옆면 높이의 비는 45$, 타이어 형태는 래디얼(R), 림 지름은 17, 하중인덱스는 91(615kg), 주행속도범위는 H(210km)이다.
• 타이어에 발생할 수 있는 현상
  • 스탠딩 웨이브 현상: 타이어 공기압이 부족한 상태에서 고속으로 주행할 때 발생
    • 레디얼 타이어, 편평비가 작은 타이어를 사용하면 방지할 수 있다.
    • 고속 장거리 주행을 하기 전에는 적정 타이어 공기압을 확인해야 한다.
  • 하이드로 플래닝 현상: 수막이 형성되어 노면에 뜨는 듯한 현상
    • 우천시에 주행 속도를 낮추고 주기적으로 타이어를 점검해주어야 한다.