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    자동변속기 전자제어장치(TCU : Transmission Control Unit)

  자동변속기의 전자제어장치를 TCU라고 칭합니다. 이 TCU는 자동차의 운행상황에 따른 각종 정보를 기본으로 최적의 변속이 가능하도록 자동변속기를 제어합니다. TCU에 제공되는 정보로는 변속레버의 위치, ATF의 온도, 가속페달의 밟힘 정도 등이 있습니다.
  최적의 변속제어를 위하여 각각의 정보량은 TCU에 입력되고 TCU는 이들 정보를 통하여 차량의 상황과 운전자의 요구사항을 판단하게 됩니다. 이 판단에 따라 TCU는 유압제어 솔레노이드 밸브나 변속제어 솔레노이드 밸브를 적절하게 제어하는 것입니다. TCU로의 정보 제공에 관련된 센서들과 TCU에 의한 변속제어의 체계에 관한 한 예를 아래 그림에 소개합니다. 여기에서 TPS는 드로틀밸브 포지션 센서를 말하는데 이는 가속페달이 어느 정도 밟혔는가(드로틀 밸브가 어느 정도 열렸는가)를 전압으로 나타내는 센서를 말하며, O/D스위치는 오버드라이브 스위치를 말합니다. 또, K/Down 스위치는 Kick-Down 시 On되는 스위치로 이 스위치가 장착되지 않은 차량도 있습니다.
  한편, 인히비터(Inhibitor) 스위치는 변속 레버의 위치를 전기적인 신호로 변환해주는 스위치를 말합니다. 이 인히비터 스위치의 신호에 의해서 변속 레버가 P 또는 N의 위치에 있을 때에만 엔진의 시동이 가능하며, 레버조작의 확인, 후진등의 점등 등이 바로 이 인히비터 스위치에 의해서 이루어집니다. 그림에서 표시된 각 센서들은 자동변속기의 종류에 따라 다르게 구성될 수도 있습니다. 즉, 모든 변속기의 TCU 입력센서들이 위 그림과 같게 구성되지는 않습니다. 다른 변속기들 중에는 엔진의 냉각수온 정보도 TCU에 입력되어 냉각수온이 낮을 때에는 변속을 늦추는 기능을 가지고 있기도 합니다.
 

    자동변속기 오일(ATF : Automatic Transmission Fluid) --(2)
 
  ATF도 엔진오일과 마찬가지로 오일 팬에 비축되어 있는 오일이 오일 스트레이너를 통하여 오일 통로로 보내집니다. 오일 스트레이너는 이물질이 오일 통로로 유입되는 것을 1차적으로 막는 구실을 합니다. 그런데, 엔진에서는 엔진오일 필터가 있을 뿐만 아니라, 엔진오일이 막히게 되면 엔진오일 압력 스위치가 이상 여부를 확인하여 경고등을 통해 계기판에 표시함으로써 위험이 고지되지만, 자동변속기에서는 이런 경고등이 없기 때문에 ATF의 막힘에 세심한 관리가 필요합니다. 그물 눈이 큰 엔진 오일 스트레이너에 비해 자동변속기에서는 스트레이너 그물 눈이 작은 것은 이 때문입니다. 따라서, 엔진오일은 부족한 오일을 보충하는 경우도 있지만, ATF는 완벽하게 오래된 오일을 배출시키고 새로운 오일로 교환하는 작업이 필요합니다.
  한편, 자동변속기의 변속기구를 보면 변속을 하기 위하여 클러치나 브레이크 밴드와 같은 마찰재를 사용합니다. 이들 마찰재를 사용하므로 변속시 마모분이나 금속분말이 ATF에 혼입될 수 있는데, 이것들이 ATF의 막힘을 유발할 수 있습니다.
  ATF의 성능이 저하되는 것을 열화(또는 산화)라고 합니다. ATF의 열화 원인으로는 여러 가지가 있으나 주요 원인으로 들 수 있는 것은 아래와 같습니다.
  (1) 엔진 과열이나 다른 차량을 끄는 등의 무리한 운전에 의한 오일온도 상승
  (2) 자동변속기 내부의 다판 클러치의 slip
  (3) 장시간 사용에 따른 열화
  ATF의 열화가 심해지면 자동변속기의 고장 원인이 됩니다. 위와 같은 ATF의 열화 원인들 중에서 가장 큰 요인은 ATF 온도의 상승입니다. 도로 정체시에「 D레인지」로 장시간 서행운전을 하거나 다른 차량을 끌고 언덕 길을 주행하는 등의 사용조건에서는 ATF의 온도가 많이 상승합니다. 특히, 정체 주행시에는 ATF 온도가 120℃ 이상으로 상승되기도 하여 오일의 열화가 촉진됩니다. ATF가 열화되면 클러치 디스크에 슬러지 등이 엉겨 붙어 클러치 slip의 원인이 되기도 합니다.
  ATF의 온도가 상승할수록 주행가능거리가 단축됩니다. ATF온도를 100℃로 주행하면 80,000km을 주행할 수 있지만, ATF온도가 116℃가 되면 40,000km밖에 주행하지 못합니다. 그래서 자동차 제작사에서는 아무리 가혹한 조건에서 차량이 운전되더라도 ATF의 온도가 130℃ 이상으로 상승되는 것은 제한하고 있으며, 대개 40,000km에서 ATF를 교환하는 것을 추천하고 있습니다.

    자동변속기 오일(ATF : Automatic Transmission Fluid) --(1)
 
  금속으로 제작된 기어의 물림에 의해서 기계적으로 동력이 전달되는 수동변속기와는 달리 자동변속기에서는 오일에 의해서 동력이 전달됩니다. 자동변속기 오일을 ATF(Automatic Transmission Fluid)라고 하는데, ATF는 토오크 컨버터의 작동유체로서 동력을 전달하는 기능을 하는 것 외에도 다음과 같은 여러 기능을 수행합니다.
  (1) 기어, 베어링, 클러치, 밸브 등 자동변속기 내부 구성부품들의 윤활
  (2) 변속시 쇼크(Shock) 저감
  (3) 변속기 내부의 냉각 작용
  ATF가 수행하는 기능이 많다보니 ATF에 요구되는 조건들 또한 특별한 것들이 많이 있습니다. ATF에 요구되는 조건으로는 다음과 같은 조건들이 있습니다.

    자동변속기의 로크-업(Lock-up) 제어
 
  자동변속기가 수동변속기에 비해 유리한 점은 (1) 기어 변속의 필요가 없어서 운전자의 피로를 경감시키고, (2) 과부하상태에서도 부하가 직접 엔진에 전달되지 않으므로 엔진이 보호되며, (3) 유체를 매개로 동력이 전달되기 때문에 발진, 가속, 그리고 감속이 원활하여 승차감이 좋다는 점 등입니다. 반면에, 값이 비싸고 연료 소모가 10~20%정도 많다는 점은 수동변속기에 비해 약점으로 지적되고 있습니다. 연료 소모가 10~20% 많은 것은 다른 이유도 있지만, 자동변속기의 구조적 특성으로만 보자면, 동력전달의 매개체인 오일의 미끄럼 때문에 동력 전달이 100% 이루어지지 않기 때문입니다.
  그러므로, 이런 단점을 최소화하기 위해서는 차량이 일정 속도에 도달하면 엔진의 동력을 그대로 출력축에 전달하여 토오크 컨버터 내부에서의 동력전달손실을 없앨 필요가 있습니다. 이런 목적으로 설치된 것이 로크 업 클러치(Lock-up Clutch) 또는 댐퍼 클러치(Damper Clutch)입니다.
                                           
   위 그림은 로크 업 클러치가 왼쪽의 프론트 커버(Front Cover)와 체결된 상태를 보인 것입니다. 이렇게 로크 업 클러치가 프론트 커버와 체결되면 동력 전달은 엔진 -> 프론트 커버 -> 로크 업 클러치 -> 출력축으로 이루어집니다.
  로크 업 클러치를 해제할 경우에는, TCU(Transmission Control Unit)의 해제 명령에 의해 로크 업 클러치와 프론트 커버 사이로 오일이 유입되는데, 이렇게 오일이 유입되면 오일 압력에 의해 로크 업 클러치가 프론트 커버에서 분리되어 동력 전달이 해제됩니다. 이때의 동력전달은 엔진 -> 프론트 커버 -> 펌프 -> 터어빈 -> 출력축으로 이루어집니다.

    자동변속기의 변속 메카니즘
 
    앞에서 거론했던 것과 같이 차량속도와 드로틀밸브의 開度에 따라 설정된 Shift Pattern대로 자동으로 변속이 이루어지는 메카니즘에 대한 이해를 쉽게 하기 위하여 아래 그림과 같이 후진(reverse)이 없는 2단 자동변속기를 고려합니다. 이 2단 자동변속기는 단일 유성기어에 다판 클러치와 원웨이 클러치( One-way Clutch : 브레이크로서 작용함)를 조합한 것입니다. One-way클러치는 링기어가 엔진과 동일한 방향으로 회전할 때는 자유회전하고, 링기어가 엔진의 반대방향으로 회전할 때에는 Lock됩니다. 그림의 유성기어에서 녹색 사각형은 링기어를, 검은색 사각형은 피니언기어를, 그리고 파란색 사각형은 선기어를 의미합니다.
           
   1속 상태에서는 다판클러치는 open되어 있고, 토오크 컨버터에서 선기어로 입력되는 동력은 피니언기어를 스스로 회전하게 하여 그 결과 링기어가 회전하게 됩니다. 그러나, One-way클러치에 의해 링기어의 회전이 저지되기 때문에 피니언기어가 감속되어 출력됩니다. 이때의 기어비는 앞에서 설명되었듯이 1/(1+ Zr/Zs)가 됩니다.
  다음에 다판클러치가 작동하게 되면, 유성기어는 한 몸이 되어 회전하게 됩니다. 링기어의 회전방향이 앞의 경우와는 반대이기 때문에 One-way클러치는 자유회전하게 되고, 입력은 그대로 출력됩니다, 따라서, 기어비는 1이고 이것이 2속입니다.
 위에서 설명한 예에서는 링기어는 One-way클러치에 의해 제어되고 있지만, 통상의 브레이크로도 가능합니다. 브레이크를 사용할 경우에는 다판클러치와 브레이크 사이에 고도의 정밀한 타이밍 제어가 요구됩니다. One-way클러치의 경우에는 회전방향의 변화에 의해 자동적으로 구속과 해제가 수행되므로 별도의 제어가 필요하지 않습니다. 반면에 출력축으로부터 거꾸로 동력이 입력되는 경우에는 One-way클러치가 공전하기 때문에 소위 엔진브레이크 효과를 기대할 수 없습니다.

    자동변속기의 Shift Pattern
 
   자동변속기의 변속레버를 D단에 놓으면, 액셀페달을 밟음에 따라 자동으로 고속으로 변속되거나(Up-shift), 고속에서 저속으로 변속되는(Down-shift) 작동이 이루어집니다. 이렇게 자동으로 변속이 일어나는 것은 TCU(Transmission Control Unit)라는 변속기 제어장치의 기악장치에 미리 기억된 변속패턴에 따르는 것입니다. 이 변속패턴을 자동변속기의 Shift pattern(자동변속선도)이라고 합니다.
   자동변속선도는 아래 그림과 같이 차량속도와 드로틀밸브의 開度를 각각 가로축과 세로축으로 하여 구성되어 있습니다. 여기서 드로틀밸브 개도는 액셀페달을 밟는 정도를 나타내는 것으로 0~100% 사이의 비율을 가집니다. 즉, 자동변속기의 변속단은 차량속도와 드로틀밸브의 열림 정도로 결정되는 것입니다.
   아래 자동변속선도에서 파란색 선들은 up-shift를 표시하는 것으로, 파란색 1점쇄선은 1속에서 2속으로 변경되는 변속선을, 파란색 점선은 2속에서 3속으로 변경되는 변속선을, 그리고 파란색 실선은 3속에서 4속으로 변경되는 변속선을 의미합니다. 빨간색 선들은 반대로 down-shift를 표시하는 것입니다. 빨간색 실선은 4속에서 3속으로 변경되는 것이고, 빨간색 점선은 3속에서 2속으로 변경되는 것이며, 그리고 빨간색 1점쇄선은 2속에서 1속으로 변경되는 것을 나타냅니다.
       
   여기서 up-shift와 down-shift이 따로 구분되어 있음을 알 수 있는데, Shift-busy 현상의 발생을 예방하기 위하여, 이렇게 up-shift와 down-shift를 따로 설정합니다. 만일, 1개의 변속선으로 up-shift와 down-shift에서 모두 사용한다면, 주행조건이 그 변속선 근처에 있을 때에는 up-shift와 down-shift가 교대로 계속해서 반복될 염려가 있습니다. 이런 현상을 shift-busy라고 합니다.
   정차 중인 차량이 차량속도가 서서히 증가하여 위 그림의 검정색 실선을 따라 A점까지 주행한다면, 그 사이에 변속단은 1->2 변속(파란색 1점쇄선), 2->3 변속(파란색 점선), 3->4 변속(파란색 실선)을 거치게 됩니다. A점에서 액셀페달을 놓아 차량속도를 감소시켜 B점으로 이동한다면 그 사이에서의 변속은 없습니다. 여기서 급하게 액셀페달을 힘껏 밟아 드로틀밸브의 개도를 100%에 가깝게 열면, 차량의 주행조건은 C점으로 이동하게 됩니다. 이 경우에는 차량속도에 변동이 거의 없음에도 변속단은 down-shift하게 됩니다. 이것은 주행 중에 급격한 가속 및 추월 등의 목적으로 큰 회전력(토오크)이 요구될 때 사용하는 기능으로, 이것을 킥다운(Kick-down)이라고 합니다.

    유성기어 장치의 특징
 
   전진 3단, 후진 1단의 자동변속기를 구성함에 있어서, 수동변속기에서와 같이 평행축 방식으로 한다면 2개의 축과 3개의 전진용 기어, 1개의 후진용 기어 및 아이들러 기어와 축이 포함되는 공간이 필요하게 될 것입니다. 그러나, 유성기어 조합을 사용하면 1개의 축상에서 모든 조합이 가능해집니다. 변속기능을 1개의 축상에서 모두 가능하게 하는 것이 유성기어의 가장 큰 장점이자 특징입니다. 또한, 보통 복수개의 캐리어피니언이 선기어, 링기어와 물려있어서 기어의 강도면에서 평행축 방식에 비해 유리합니다. 다만, 설정할 수 있는 변속비가 유성기어의 조합에 의해 결정되기 때문에 평행축 방식에 비해 변속비 설정에 있어서 약간의 제약을 받습니다.
  유성기어조합은 여러 가지 종류가 있지만 가장 기본이 되는 단일유성기어를 살펴보면, 오른쪽 그림에서와 같이 선기어, 캐리어, 그리고 링기어로 구성되어 있습니다. 이들 선기어, 캐리어, 그리고 링기어의 작동조건을 입력, 출력, 고정으로 변경함에 따라 여러 가지 변속비가 가능해집니다. 예를 들어, 캐리어를 통해서 동력이 입력(구동축)되고, 선기어를 통해 출력(피동축)되며, 링기어는 고정인 경우에 입력과 출력 사이의 회전속도는 增速됩니다. 또, 링기어를 입력으로 하고, 선기어를 출력으로 하며, 캐리어를 고정으로 하면 역방향으로 增速 회전합니다. 이렇게 선기어, 링기어, 캐리어가 역할을 변경하는 예를 아래 그림에 보입니다.
               
  단일 유성기어에 있어서 선기어, 링기어, 캐리어의 작동조건에 따른 회전특성은 아래 표와 같습니다.(여기서 Zr : 링기어 잇수, Zs : 선기어 잇수)

    자동변속기의 기능과 구성
 
   수동변속기에서는 클러치의 조작과 변속기어 조작, 두 가지를 행함으로써 발진이나 주행이 가능하지만, 자동변속기에서는 이 두 가지의 작동이 자동으로 행해집니다. 이때, 자동변속기의 작동에는 가속페달의 밟음 수준(드로틀밸브의 開度), 차량의 속도, 엔진의 부하 등에 의해 영향을 받습니다. 따라서, 자동변속기가 자동으로 행하는 기본 기능에는
(1) 변속비를 변화시킨다.
(2) 역회전이 가능하다.
(3) 동력전달을 행하지 않는 상태가 가능하다.
(4) 클러치의 접속과 차단을 자동으로 행한다.
를 들 수 있습니다.
  이러한 기능을 수행함에 있어 자동변속기는 기본적으로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.

  아래 그림에 자동변속기 구조의 예를 보인다.

    토오크 컨버터의 전달 효율
 
   앞에서 설명하였듯이, 펌프의 회전속도에 비해 터빈의 회전속도가 작을 때, 즉 차량이 출발할 때나 언덕길을 올라갈 때에는 큰 회전력을 얻을 수 있으며, 터빈의 회전수가 증가함에 따라 효율이 좋아집니다. 이런 특성을 가지는 토오크 컨버터의 성능을 표현하는 것으로 토오크 비(Torque ratio)와 전달효율이 있습니다. 토오크 비는 터빈(출력)축의 토오크와 펌프(입력)축의 토오크 사이의 비율이며, 터빈축 회전수가 펌프축 회전수에 가까워질수록 토오크 비는 작아집니다. 또, 펌프축의 회전수에 대한 터빈축의 회전수를 속도비라고 하는데, 전달효율은 토오크 비와 속도비를 곱한 값으로 표현됩니다. 정리하면,
  속도비 = 터빈축 회전수/ 펌프축 회전수
  토오크 비 = 터빈축 토오크/ 펌프축 토오크
  전달효율 = 속도비 * 토오크 비
 토오크 컨버터의 성능곡선을 아래 그림에 나타냅니다.
     
 속도비가 0일 때를 스톨포인트(Stall Point)라고 하며, 그때의 토오크를 스톨 토오크, 또 그때의 회전수를 스톨회전수라고 합니다. 토오크 비가 1이상인 범위를 converter range라고 하고, converter range이상의 속도비 영역을 coupling range라고 하는데, 이 두 range의 교차점을 클러치포인트(Clutch Point)라고 합니다. 다시 말하면, 속도비가 0에서 클러치포인트까지는 토오크 컨버터 기능을 하며, 그 이상의 속도비에서는 유체커플링의 기능을 합니다. 위 그림에서는 스톨토오크 비가 2.5, 클러치포인트의 속도비는 0.85입니다. 클러치포인트 이전의 속도비에서는 토오크 컨버터의 스테이터가 고정되어 있으나, 클러치포인트 이상의 속도비에서는 스테이터가 공회전하게 됩니다.
 한편, 컨버터레인지에서 토오크 비가 속도비에 대하여 일차함수로 포현될 수 있으므로, 속도비와 토오크 비의 곱으로 표현되는 전달효율은 속도비의 2차함수꼴로 표현될 수 있습니다. 따라서 전달효율이 최대값을 보이는 속도비를 산출할 수 있습니다. 

    토오크 컨버터의 작동 원리
 
   토오크 컨버터가 유체클러치와 다른 점은 토오크 컨버터는 토오크 증대작용을 가지고 있다는 점입니다. 토오크 증대작용이란, 토오크 컨버터에 입력되는 회전력보다 더 큰 회전력을 출력할 수 있는 것을 말합니다. 이 토오크 증대작용을 이해하기 위해서는 토오크 컨버터 내부에서 유체가 순환하는 방향을 따라가면서 내부의 유체의 흐름을 살펴볼 필요가 있습니다. 왼쪽 그림에 펌프, 터빈, 스테이터, 그리고 다시 펌프로 순환하는 오일의 흐름을 그렸습니다.
 엔진의 회전에 의해서 펌프의 임펠러가 회전하면 그 안의 변속기오일은 원심력에 의해 순환운동을 시작합니다.
 (1) 펌프에서 유출된 오일은 터빈으로 들어가서 터빈에 회전력을 주면서 스테이터쪽으로 빠져 나갑니다.
 (2) 스테이터로 유입된 오일이 스테이터를 빠져 나오면 다시 펌프로 유입되게 되는데, 이때의 흐름방향은 펌프를 뒤에서 밀어주는 형태가 됩니다.
 (3) 따라서, 스테이터에서의 반력이 펌프의 회전을 증대시키는 결과를 가져오고, 펌프의 회전이 증대된 만큼 터빈의 회전력은 증대됩니다. 즉, 터빈의 회전력= 엔진 회전력 + 스테이터의 반력이 되어 토오크가 증대됩니다.
  펌프의 회전이 일정할 때, 터빈의 회전속도에 따른 오일의 흐름은 왼쪽 아래 그림과 같고 이를 설명하면 다음 표와 같습니다.

    토오크 컨버터(Torque Converter)
 
  토오크 컨버터(Torque Converter)는 엔진에서 발생한 토오크(회전력)를 자동변속기에 전달하는 장치로 자동변속기의 중요 구성품의 하나입니다. 토오크 컨버터는 힘을 전달하는 수단으로 流體(Fluid)를 사용하고 있으며, 입력축과 출력축이 서로 다른 속도로 회전할 수 있습니다. 또, 입력과 출력 사이에서 미끄러짐(Slip)이 허용된다는 특성도 가지고 있습니다. 이 때문에 차량이 정지상태에 있어도 구동력을 얻을 수 있고, 발진장치로서 부드러운 동력전달이 가능하게 됩니다.
  또, 다른 특징은 토오크 컨버터에는 토오크의 증대작용이 있다는 점입니다. 입력되는 토오크의 약 2배까지 증대하여 출력하는 일이 가능합니다. 그렇지만 미끄러짐(Slip)에 의해 동력을 전달하기 때문에 기어의 맞물림으로 동력을 전달하는 방식에 비해 동력전달효율이 떨어지고, 또 토오크 증대작용을 자주 사용하면 연료의 소모가 많아지는 단점도 있습니다. 참고로, 토오크 컨버터와 유사하게 유체를 매개로 하여 동력을 전달하는 것으로는 유체커플링(Fluid Coupling)이 있습니다만, 이 유체커플링은 스테이터(Stater)가 없는 관계로 토오크 증대작용은 가지고 있지 않습니다.
  토오크 컨버터는 임펠러(Impeller 또는 펌프), 터빈(Turbine), 그리고 스테이터(Stater)를 기본 구성품으로 가지고 있으며, 토오크 컨버터 안에는 작동유체로서 자동변속기 오일이 채워져 있습니다.
                     

    클러치 페달의 조작과 클러치 정비
 
  클러치 페달의 조작에는 승용차의 경우, 보통 8~10kg의 힘이 필요로 합니다. 이런 힘을 클러치 페달에 가하면 클러치 페달은 오른 쪽 그림에서와 같이 이동하게 됩니다.
  그림에서 자유 간극은 보통 유격이라고 말하는데, 이것은 페달을 밟은 후부터 실제로 클러치에 힘이 작용할 때까지 페달이 움직인 거리를 말합니다. 이 자유 간극은 변속 기어의 물림을 쉽게 하고, 클러치의 미끄럼을 방지하며, 클러치 페이싱의 마모를 줄여주는 역할을 합니다.
  자유 간극으로부터 클러치의 연결이 완전히 끊어질 때까지의 페달 이동거리를 작동 간극이라고 합니다. 또, 클러치의 연결이 완전히 끊어졌을 때, 클러치 페달과 차량의 밑판과의 사이 거리를 밑판 간극이라고 합니다. 보통 전체적인 클러치 페달의 이동거리는 12cm를 넘지 않도록 되어 있으며, 이때 자유 간극은 대개 2~3cm, 작동 간극은 6~8cm정도됩니다.
  클러치가 동력을 전달하지 않고 마찰면에서 미끄러짐 현상이 있을 때, 이것을 슬립(Slip)이라고 하는데, 이것은 주차브레이크를 당겨서 확실하게 제동하고 변속기를 1속으로 한 상태에서, 액셀페달을 서서히 밟으면서 클러치페달을 서서히 떼는 방법으로 확인할 수 있습니다. 이때 엔진의 시동이 꺼지면 클러치가 양호한 상태이고, 엔진의 시동이 꺼지지도 않고 차량이 전진하지도 않으면 클러치 슬립이 있는 것입니다.
  그 외에도 여러 가지 원인에 의해서 클러치와 관련된 이상현상이 발생할 수 있습니다. 클러치와 관련된 이상현상에 대해서 정리합니다.

    건식 마찰 클러치
 
  클러치는 엔진과 수동변속기 사이에 설치되어 있으며, 동력전달장치에 전달되는 엔진의 회전력을 단속하는 기능을 합니다. 자동차가 움직이기 위해서는 엔진에서 발생한 동력이 바퀴까지 전달되어야 하지만, 자동차의 주행 중에 엔진의 회전력이 단속되어야 하는 경우도 있습니다. 즉, 엔진이 무부하상태로 있는 경우라든지, 변속시에 엔진의 회전력 전달을 일시적으로 차단한다든지, 발진시에 엔진의 회전력을 서서히 전달한다든지 하는 경우에 클러치가 필요합니다. 또, 엔진과 동력전달장치를 과부하로부터 보호하고 플라이휠과 함께 엔진의 회전진동을 감소시키는 역할도 합니다.

  건식 마찰 클러치는 구조가 간단하고 작동도 확실하여 많은 차량에서 사용되고 있는데, 클러치 판(Clutch Plate), 압력판(Pressure Plate), 클러치 스프링(Clutch Spring), 릴리스 레버(Release Lever) 등으로 구성되어 있습니다. 마찰 클러치라 함은 회전력을 전달하는 방법이 마찰력을 이용하기 때문입니다. 건식은 마찰면이 건조한 상태로 접촉하는 것이며, 습식은 마찰면을 보호하고 작동을 원활하게 하기 위해 마찰면이 오일 속에 들어 있는 것을 말합니다. 따라서, 마찰계수는 건식에서는 0.2~0.4이고, 습식에서는 0.1~0.2정도가 됩니다.

  클러치의 기본 설계에는 클러치의 크기, 클러치를 누르는 하중이 중요합니다. 클러치의 크기는 부로 발진시의 미끄럼에 의한 열발생에 따른 열부하를 고려하여 결정되어야 하며, 누르는 하중은 필요한 전달토오크의 용량에 따라 결정됩니다. 특히, 마찰 클러치는 마찰에 의해서 엔진의 회전력을 전달하는 것이므로, 전달력에 맞게 클러치의 용량이 설정되어야 합니다. 클러치의 전달회전력이 엔진의 회전력에 비해 너무 크면 엔진이 정지하기 쉽고, 반대로 엔진의 회전력에 비해 너무 작으면 클러치의 미끄럼현상이 심해져서 마모가 과대해집니다. 1개의 마찰면에 의한 전달 회전력은 아래 식으로 표현되며, 클러치의 전달 회전력은 엔진의 최대회전력의 1.5~2.5배로 설계됩니다.
   T = (R_o+R_i)/2 * μ * P * A
 여기서, T : 마찰 클러치의 회전력
             R_o : 마찰면의 바깥 지름
             R_i : 마찰면의 안지름
             μ : 마찰계수
             P : 마찰면의 압력 (승용차의 경우, 보통 3kg/cm²)
             A : 마찰면 면적

    수동변속기의 변속
 
  확실한 변속 조작과 양호한 조작성을 확보하기 위해, 수동변속기의 변속기구에는 다음과 같은 기능이 요구됩니다.
(1) 각 연결부 및 습동부의 저항이 작을 것.
(2) 전달 토오크의 변동과 도로면의 요철 등에 의해 기어가 빠지지 않을 것.
(3) 엔진, 구동계의 진동이나 변속 조작 등에 의해 이음이나 공진이 발생하지 않을 것.
(4) 기어가 2중으로 맞물리는 등의 오작동이 일어나지 않을 것.
  변속기의 변속기구의 구조는 아래 그림과 같습니다.

   그림에서는 잘 인식되지 않지만, 운전자가 변속레버를 움직이면, 변속레버의 움직임은 변속레버에 연결되어 있는 셀렉터로드(Selector Rod)로 전달됩니다. 변속레버의 횡방향의 회전으로 해당되는 셀렉터로드가 선택되고, 다시 변속레버의 종방향의 이동으로 기어포지션이 선택됩니다. 이것은 아래 그림과 같은 메카니즘으로 작동된다고 이해하면 됩니다. 변속레버를 1단으로 이동시키면(변속레버의 손잡이를 왼쪽의 윗 방향으로 이동시키면), 1/2단용 Selector Rod는 아랫 방향으로 움직입니다.
                       
   조작력의 전달방법은 직접(Direct)조작방식과 링크케이블(Link-cable)을 이용한 원격조작방식이 있습니다.

    수동변속기의 동기기구(Synchronizer)
 
  수동변속기의 변속 조작 프로세스에서, 변속레버를 원하는 변속단으로 이동시키면 해당 변속단의 기어와 출력축이 맞물려서 서로 동일한 회전수로 회전하는 단계를 거칩니다. 이 단계에서 동일한 회전수를 가지게끔 기어와 출력축이 맞물리는 것은 동기기구를 통하여 이루어집니다. 동기기구란, 변속시에 동기측과 피동기측의 회전속도를 마찰력에 의해 서로 동일하도록 함으로써 원활한 변속조작이 가능하게 하는 장치를 말합니다. 동기 기구의 작동에 대한 가장 단순한 형태를 아래 그림에 소개합니다.

   동기기구로는 일정 부하형, 핀(Pin)형식 싱크로메쉬(Synchro-mesh)기구, 키(Key)형식 싱크로메쉬 기구 등이 있으나, 그 중에서 키형식 싱크로메쉬 기구가 조작성, 내구성, 조립성 등에서 가장 양호한 특성을 보여, 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 동기 기구입니다.
   키형식 싱크로메쉬 기구에서는 싱크로나이저 링과 싱크로나이저 링을 출력축(피동기기어)의 원추형 마찰면으로 누르는 키(key), 그리고 키를 커플링 슬리브로 누르는 키 스프링(key spring) 등으로 구성되어 있습니다. 아래 그림에 키형식 싱크로메쉬 기구의 작동 형태를 작동 순서대로 표현합니다.

    수동변속기의 변속 조작 프로세스
 
     
   왼쪽 그림은 수동변속기 내부의 기어들의 조합을 표현해놓은 그림이고, 오른쪽 그림은 Toyota 2003년식 Corolla의 5단 수동변속기의 단면을 그린 것입니다. 수동변속기의 내부는 이처럼 복잡한 구조로 되어 있습니다만, 아래의 순서와 같이 변속 조작을 행하면, 원하는 속도나 토오크를 얻을 수 있도록 변속이 원활하게 이루어질 수 있습니다. 변속의 과정에서 클러치의 연결을 해제하는데, 클러치연결의 해제와 동시에 엔진에 걸려있던 부하가 해제되므로, 이때 액셀페달을 계속 밟고 있으면 엔진회전수의 급등이 야기됩니다. 엔진에 아무런 부하가 걸려있지 않은 상태를 아이들 또는 공회전 상태라고 하는데, 이 상태에서 액셀페달을 밟아 엔진회전수를 증가시키는 동작을 No Load Racing이라고 합니다.
   아래 표에 수동변속기의 변속 조작에 의한 변화 과정을 설명합니다.

    수동변속기(Manual Transmission)의 동력 전달 구조
 
    엔진에서 동력이 변속기를 통하여 전달되는 과정을 아래 그림에 보입니다. 그림에서는 그 한 경로를 보이는 것이고, 서로 다른 변속단에 있어서의 변속기의 출력축으로 전달되는 과정은 맞물리는 변속기어에 따라 달라집니다. 그림에서 엔진에서 나온 동력은 파란색 경로를 따라 변속기의 출력축으로 전달됩니다.
      
   엔진에서의 출력은 변속기의 입력이 되며, 이 입력 회전은 입력축(Clutch Shaft) 최전방에 있는 입력 기어를 거쳐서 부축(Counter Shaft)으로 전달됩니다. 부축과 출력축(Main Shaft)사이의 기어의 맞물림에 따라 변속비와 동력 전달 경로가 선택되는데, 부축과 출력축은 모두 평행한 평면에 놓여 있습니다.
   출력축과 입력축의 사이에서는 아래의 관계가 성립합니다.
  ● 출력축 회전수 = 입력축 회전수 / 변속비
  ● 출력축 토오크 = 입력축 토오크 X 변속비
 변속비가 가장 큰 기어의 조합을 제1속(저속)이라고 하고, 변속비가 작아지는 순서대로 제2속,3속...이라고 합니다. 자동차가 큰 토오크를 필요로 하는 발진시에는 제1속을 사용하는 것이 당연하며, 고속으로 주행할 때에는 입력축과 출력축을 직결하여 변속비를 1로 하거나 출력축의 회전속도를 입력축 회전속도 보다 더 크게 하는 오버드라이브(Over Drive)를 사용하기도 합니다. 오버드라이브의 경우는 변속비가 1 보다 작습니다. 後進의 경우에는 이 사이에 中間 기어가 삽입되어 회전 방향을 반대로 하는 것입니다.
  부축과 출력축 사이의 기어 맞물림 방식에는 크게 3가지의 방식이 있습니다. 3가지 방식은 슬라이딩 기어식(Sliding-Mesh type), 상시 물림식(constant-Mesh type), 그리고 동기 물림식(Synchro-Mesh type)을 말합니다. 이들의 특징은 아래와 같습니다.