변속기 - 수동, 자동, CVT 및 DCT 비교

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0. 이 글에서 설명하는 내용

바퀴를 엔진에 단순히 연결할 수 없는 이유와 기어비가 필요한 이유
수동변속기(MT), 토크컨버터 자동변속기(AT), 무단변속기(CVT), 이중변속기(DCT)의 기계적 요소, 효율, 열 발생, 제어 방식의 차이점
ZF 8HP, 토요타의 유성기어 THS 동력분할 시스템, DCT 등의 예시와 전기차에 감속기 사용이 집중되는 이유

1. 결론: 변속기란 무엇인가?

변속기는 원동기의 속도와 토크를 차량의 속도, 경사, 부하에 맞게 변환합니다. 여기서 감속비는 입력 대비 출력으로 정의합니다. 입력 토크가 $T_i$ , 출력 토크가 $T_o$ , 입력 속도가 $\omega_i$ , 출력 속도가 $\omega_o$ 일 때,

i=\frac{\omega_i}{\omega_o},\qquad \left.\frac{T_o}{T_i}\right|_{\eta_g=1}=i,\qquad \frac{T_o}{T_i}=\eta_g i,\qquad P_o=\eta_g P_i

중간 값은 손실이 없는 이상적인 경우입니다. 우측 관계식은 기어, 베어링, 오일 손실로 인한 효율 저하를 포함합니다. 감속비( $i$ )가 클수록 휠 토크는 증가하지만 휠 회전 속도는 감소합니다.

2. 기어비가 필요한 이유

내연기관은 제한된 속도 범위에서만 효율적이고 토크가 크며 정지 상태에서는 회전을 유지할 수 없습니다. 바퀴는 정지 상태에서 고속도로 속도까지 가속해야 하므로 출발 시에는 큰 감속비를 사용하고 순항 시에는 작은 감속비를 사용합니다. 전기 모터는 높은 저속 토크와 넓은 정출력 영역을 제공하므로 여러 개의 기어를 생략할 수 있지만, 무거운 차량, 고속 주행, 견인 시에는 두 개 이상의 기어비가 필요할 수 있습니다.

클러치는 속도 차이를 흡수하고 동력원을 차단하며, 차동 장치는 좌우 바퀴 속도 차이를 허용합니다. 따라서 변속기 효율에는 기어 맞물림 손실뿐만 아니라 변속 중단, 유압 펌프 손실, 냉각 및 제어 소프트웨어 손실도 포함됩니다.

3. 기본 구조

그림 1 — 비율이 선택되고, 클러치가 속도 차이를 흡수하며, 차동 장치가 휠에 토크를 분배합니다.

4. 수동 변속기(MT): 가장 직접적인 변속 방식

수동 변속기(MT)는 운전자가 클러치를 떼고, 축 속도를 동기화하고, 기어를 넣어야 합니다. 상시 맞물림 기어가 일반적입니다. 사용되지 않는 기어도 회전하며, 싱크로나이저 링과 도그 클러치가 선택된 기어를 연결합니다. 이 설계는 유압 제어가 거의 없어 기계적으로 투명하지만, 출발, 경사로 출발, 변속은 운전자의 조작에 달려 있습니다.

5. 자동변속기(AT): 토크 컨버터 및 유성 기어

일반적인 다단 자동변속기는 유체 토크 컨버터, 유성 기어 세트, 유압 클러치, 전자 제어 장치(ECU)를 결합합니다. 펌프, 터빈, 스테이터의 속도 차이를 이용하여 출발 토크를 증폭할 수 있으며, 록업 클러치는 고속 주행 시 슬립을 줄여줍니다. 유성 기어 세트는 태양 기어, 유성 캐리어 기어, 링 기어 중 어느 것을 고정, 구동 또는 출력으로 할지 선택하여 기어비를 변경합니다.

ZF는 5개의 변속 요소로 4개의 기어 세트를 선택하는 8HP 설계를 발표했는데, 이는 기어비가 많다고 해서 단순히 기어 수가 많은 것은 아님을 보여줍니다. 현재 8HP 변형은 내연기관, 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드 차량에 맞게 모듈식으로 설계되었습니다.

6. 무단변속기(CVT): 무단변속기

벨트식 CVT는 두 개의 풀리의 유효 반경을 가변적으로 조절합니다. 유압. 그 비율은 다음과 같습니다.

i_{CVT}=\frac{\omega_{in}}{\omega_{out}}=\frac{r_{driven}}{r_{drive}}

슬립이 없을 경우, ωin rdrive = ωout rdriven입니다. 구동 반경 50mm, 피구동 반경 100mm일 때 i=2가 되므로 출력 속도는 입력 속도의 절반입니다.

엔진을 효율적인 속도에 가깝게 유지할 수 있지만, 벨트 클램핑력, 풀리 마찰, 유압 펌프가 에너지를 소모합니다. 런치 토크 컨버터 또는 유성 기어를 추가할 수 있으며, 하이브리드 동력 분할 시스템은 전기 경로를 사용할 수 있습니다. 따라서 "CVT"라고 불리는 두 시스템은 매우 다른 동력 흐름을 가질 수 있습니다.

7. DCT: 두 개의 클러치 교대 작동

듀얼 클러치 변속기는 홀수 및 짝수 기어를 각각 다른 클러치에 할당하고 다음 기어를 미리 선택합니다. 변속 시 한쪽 클러치는 열리고 다른 쪽 클러치는 닫히므로 변속 중단을 최소화합니다. 건식 클러치는 오일 교반 손실이 적지만 출발 시 발생하는 열과 마모에 취약합니다. 습식 클러치는 냉각 성능이 우수하지만 펌프 동력이 필요합니다.

8. 접근 방식 비교

유형	기계적 원리	효율 경향	어려운 조건
수동 변속기(MT)	고정 기어 및 단일 클러치	높은 효율, 제어 손실 최소화	교통 상황, 출발, 운전자 변동
다단 자동 변속기(AT)	토크 컨버터, 유성 기어 세트, 유압 장치	록업 기능으로 높은 효율	유압/냉각 손실, 질량, 변속 지연
무단 변속기(CVT)	가변 풀리	원동기를 효율적인 지점 근처에 유지	높은 토크, 벨트 클램핑, 열 발생
이중 변속기(DCT)	홀수/짝수 기어 및 이중 클러치	높은 기계적 커플링	저속 클러치 열 발생 및 제어 복잡성
전기차(EV) 감속비	일반적으로 고정 감속비 및 차동 장치	기어비 관련 손실 최소화	고속 주행, 질량, 모터 속도 제한

9. 제어 및 실제 선택

변속 제어는 차량 속도, 가속 페달, 엔진 속도, 경사도, 오일 온도 및 횡가속도를 고려합니다. 간략화된 비용은 다음과 같습니다.

J= w_f\,\mathrm{fuel}+w_s\,\mathrm{shift\ shock}+w_d\,\mathrm{delay}+w_t\,\mathrm{temperature}

연료 효율만 최적화하면 잦은 변속이나 저속 진동이 발생할 수 있습니다. 전동화 시스템은 모터 속도 제한, 배터리 SOC, 회생 제동 토크 및 인버터 온도를 고려해야 합니다.

운전 감각 및 정비 편의성: 수동 변속기(MT), 클러치 마모 및 운전자의 조작 노력을 감수해야 함.
넓은 차량 중량, 견인 능력 및 편안함: 다단 자동 변속기(AT), 컨버터, 유압 장치 및 냉각 시스템을 종합적으로 비교.
정속 주행 연비: CVT, 최대 입력 토크 및 열용량 확인 후.
빠른 변속 및 스포티한 반응성: DCT, 정체 구간에서의 클러치 온도 확인 후.
승용 전기차: 고정 감속비가 기본이며, 고속 주행 및 견인 시에는 다단 기어가 필요할 수 있음.

10. 3줄 요약

변속기는 동력 전달 장치의 좁은 효율 속도 범위에 맞춰 바퀴의 넓은 속도 범위를 조정합니다.

수동 변속기(MT), 자동 변속기(AT), CVT 및 DCT는 기어, 유압 장치, 벨트 및 듀얼 클러치 작동 방식을 효율성, 발열 및 제어 복잡성과 맞바꿉니다. 전기차는 고정 감속비로 단순화할 수 있지만, 기어비는 신중하게 선택해야 합니다. 고속 주행, 견인, 회생 제동을 포함한 시스템 효율성 향상.

이해력 점검

감속비를 두 배로 늘리면 어떤 효과가 있나요?

이상적으로는 출력 속도가 절반으로 줄어들고 토크는 두 배가 됩니다. 동력이 생성되는 것은 아니며, 실제 변속기에도 손실이 발생합니다.

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