새시 06 > 자동 변속기-1

1. 자동 변속기의 개요

기관에서 발생한 동력을 단속하는 클러치의 작용과 회전 속도 및 토크를 변화시키는 변속기의 작용이 자동적으로 이루어지는 변속기로서 클러치 페달이 없고, 주행 중 변속 조작을 하지 않기 때문에 운전하기가 편리하다. 동력 전달은 유체를 매개체로 하기 때문에 발진 및 가감속이 원활하게 되어 승차감이 좋으나, 구조가 복잡하고 가격이 비싸며, 연비가 수동 변속기에 비해 약간 떨어진다. 그러나 운전 편의성 때문에 현재는 사용이 증가되고 있는 추세이다.

자동 변속기 구성도

2. 자동 변속기 구성

    자동 변속기 구성은 아래의 주요 구성품으로 조합된 것으로 주행 조건에 따라서 자동적으로 변속기어를 선택한다.

◆ 토크 컨버터 : 엔진의 토크를 변속기에 원활하게 전달하는 기능

◆ 오일 펌프 : 오일 압송. 윤활

◆ 유성 기어 : 회전수(증속, 감속, 직결, 후진)

◆ 작동기구( 클러치와 브레이크) :유성기어 구동

◆ 제어기구( 밸브 보디)(전자제어 기구) : 작동기구 제어

 

(1) 오일 펌프

   자동변속기에는 엔진에 의해서 구동되는 오일펌프가 장착되어 있으며, 자동변속기의 오일 팬에 저장되어 있는 자동변속기 오일을 흡입하여 변속기 내의 각 요소에서 필요한 유량과 유압을 생성하여 공급하는 역할을 한다.

오일 펌프의 구조

기 능

① 토크 컨버터에서 동력이 원활하게 전달되도록 유압을 공급한다.

② 클러치와 브레이크 같은 마찰요소에 작동유량을 공급한다.

③ 유압제어 시스템에서 각종 제어에 필요한 유압을 밸브 보디를 통해 공급한다.

④ 마찰 부분에 윤활유로서 공급한다.

⑤ 자동변속기 오일의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 냉각기로 순환되는 유량을 공급한다.

 

내접기어 펌프1) 특징

① 드라이브 기어를 토크 컨버터 슬리브 축으로 지지되고 있기 때문에 베어링이 필요 없다.

② 내접기어를 사용하기 때문에 대형의 기어를 사용할 수 있다.

③ 기어의 잇수를 많게 할 수 있어 배출의 맥동이 적고 용량을 크게 할 수 있다.

④ 소형의 케이스 내에 펌프 전체를 내장시킬 수 있어 구조가 간단하고 제작비가 저렴하다.

 

오일펌프 작동 원리

    오일펌프의 토크 컨버터의 컨버터 슬리브와 드라이브 기어가 맞물려 엔진과 동일한 회전수로 구동된다. 그림에서 드라이브 기어가 회전하면 바깥쪽의 드리븐 기어도 함께 회전하게 됨으로써 ⓐ부분에서 부압이 발생되어 오일을 흡입하여 체적이 넓어지는 ⓑ부분으로 운반과 동시에 배출구로 송출된다.

   오일펌프는 자동변속기 프런트 커버 내측에 설치되어 있고 펌프 하우징의 내면은 복잡한 오일 통로가 만들어져 있으며, 오일의 흐름은 오일 흐름의 경로 그림의 ⓐ에서 보내진 오일은 펌프의 흡입구로 흡입 가압하여 배출구로 송출되어 ⓑ에서 라인 압력이 된다.

이 오일은 컨트롤 밸브 보디 안에 설치되어 있는 압력조절 밸브에 의해 압력이 조정되어 토크 컨버터용 압력과 각 부분의 작동압력으로 배분된다. 컨버터 압력은 ⓒ에서 펌프 하우징 내부의 오일 통로를 지나 토크 컨버터 내부를 경유하여 펌프 하우징 내부의 귀환용 통로를 지나 ⓓ에서 외부로 배출된다.

그리고 토크 컨버터 내부에서 작동한 오일은 과열되어 있으므로 파이프 라인에 의해 오일 쿨러까지 유도됨과 동시에 냉각되어 다시 ⓔ에서 펌프 하우징 내부의 통로로 들어간다. 동시에 오일은 각 부분의 베어링과 내부 윤활의 역할을 하는 윤활유로 사용되며, 역할이 완료되면 오일 팬 내부로 돌아온다. 오일은 다시 스트레이너를 통과할 때 먼지 및 금속분말 등을 제거하고 오일펌프에 의해 ⓐ부분으로 흡입된다.

 

(2) 유성 기어

    자동변속기는 토크 컨버터를 통하여 엔진에서 출력되는 동력을 변속하여 구동축에 전달하는 과정에서 유성기어는 가장 중요한 역할을 하며, 단순 유성기어식과 복합 유성기어식(심프슨형, 라비뇨형)으로 분류된다.

유성기어 유닛의 구조

유성기어 유닛은 바깥쪽에 링기어(Ring Gear)가 있고 중앙부에는 선기어(Sun Gear)가 설치되며, 링기어와 선기어 사이에는 이들과 동일한 축에서 유성기어 캐리어(Planetary Gear Carrier)에 지지되어 있는 유성기어(유성피니언) 등으로 구성되어 있다.

유성기어 유닛의 구조

라비뇨식 유성기어 장치

2세트의 유성기어 장치를 연이어 접속시킨 방식에서 링 기어와 유성기어 캐리어를 각각 1개씩만 사용한 형식으로 1차 선 기어는 쇼트 피니언 기어와 결합되어 있고 2차 선 기어는 롱 피니언 기어와 결합되어 있다. 그리고 쇼트 피니언 기어는 1차 선 기어와 롱 피니언 기어 사이에 결합되어 있고 링 기어는 롱 피니언 기어와 결합되어 있다. 엔진의 동력은 링기어 또는 유성기어 캐리어를 통하여 출력되며, 3(현대 3A/T) 또는 4(현대 4A/T)의 변속이 가능하다. 그리고 라비뇨 유성기어 장치 뒤에 단순 유성기어 장치를 결합시켜 4단 자동변속기(대우 DW14/20)로 이용한 것도 있다.

심프슨식 유성기어 장치

2세트의 유성기어 장치를 연이어 접속시킨 형식으로 선 기어는 1개를 공통으로 사용한다. 전?후 유성기어 장치의 선 기어는 일체식이며, 각각 직경과 이수가 동일한 2개의 링 기어, 동일한 6개의 유성기어 및 2개의 유성기어 캐리어로 구성된다.

엔진의 동력은 2개의 링 기어 중 1개를 통하여 출력하며, 심프슨 유성기어 장치 앞에 단순 유성기어 장치를 결합시켜 4단 자동변속기(기아 N4A-H, 대우 AW-03)로 이용된다.

단순 유성기어식의 변속 원리

유성기어 유닛의 변속 원리는 선기어, 링기어, 유성기어 캐리어를 동시에 구동하는 경우와 각각 고정하는 경우에 따라서 증속, 감속, 역전이 이루어진다.

1) 증속시키는 경우(변속비가 1보다 작은 경우)

① 선기어를 고정시키고 유성기어 캐리어를 구동(엔진 동력의 입력)시키면 링기어가 증속(변속기의 출력축)된다.

② 링기어를 고정시키고 유성기어 캐리어를 구동(엔진 동력의 입력)시키면 선기어가 증속(변속기의 출력축)된다.

2) 감속시키는 경우(변속비가 1보다 클 경우)

① 선기어를 고정시키고 링기어를 구동(엔진 동력의 입력)시키면 유성기어 캐리어가 감속(변속기의 출력축)된다.

② 링기어를 고정시키고 선기어를 구동(엔진 동력의 입력)시키면 유성기어 캐리어가 감속(변속기의 출력축)된다.

3) 역회전(후진)시키는 경우

① 유성기어 캐리어를 고정시키고 선기어를 구동(엔진 동력의 입력)시키면 링기어가 역회전하며 감속(변속기의 출력축)된다.

② 유성기어 캐리어를 고정시키고 링기어를 구동(엔진 동력의 입력)시키면 선기어가 역회전하며, 증속(변속기의 출력축)된다.

4) 입력과 출력의 직결되는 경우

    직결이 되는 경우는 선기어, 링기어 및 유성기어 캐리어의 3요소 중 2요소를 고정시키면 각 기어는 개별적으로 회전할 수 없기 때문에 유성기어 유닛은 일체가 되어 회전하므로 직결이 된다.

5) 중립의 경우

중립의 경우는 선기어, 링기어 및 유성기어 캐리어의 3요소가 모두 자유롭게 회전하므로 동력을 전달할 수 없는 중립상태가 된다.

 

(3) 유압 제어 기구

    유압 제어 기구는 유압을 발생시키는 오일 펌프와 발생 유압을 제어 유압으로 조절하는 유압 조절 밸브 및 제어 유압을 받아 유로를 전환시키는 작용을 하는 컨트를 밸브로 구성되어 있다. 밸브 보디 내에서 조절된 압력이 각 작동부(다판 클러치와 브레이크 밴드)로 전달되어 이에 따른 유성 기어 장치의 조합으로 기어가 변속된다.

 

(4) 변속 제어 장치

     각종 습식 클러치, 밴드 브레이크 및 일방향 클러치로 구성되어 있으며, 차량의 주행 조건에 적합한 변속비를 얻도록 제어하는 장치이다.

각 클러치는 유성 기어 장치의 입력을 제어하는 일을 하는 작동 요소이고, 밴드 브레이크와 일방향 클러치는 유성 기어 장치의 각부를 고정 또는 회전시키는 일을 하는 작동 요소이다. 따라서, 이들의 작동 요소에 의해 유성 기어 장치의 어느 곳으로 입력되고 어느 곳을 고정시키는가에 따라 운전 조건에 알맞은 변속비를 얻을 수 있다.

 

(5) 전자 제어 기구

 

자동 변속기의 전자 제어 유닛 입력 신호

전자 제어 기구는 그림 Ⅲ-13에 나타낸 것과 같이 각종 솔레노이드 밸브,센서 및 변속기 제어 유닛(TCU : Transmission Control Unit)으로 구성되어 있고, 각 센서로부터의 정보가 TCU로 입력되면, TCU는 이를 기초로 각종 솔레노이드를 작동시켜 변속단 제어, 변속시 유압 제어 및 직결 클러치(댐퍼 클러치 또는 로크업 클러치) 제어 등을 행한다. 직결 클러치(댐퍼 클러치)는 그림 Ⅲ-14와 같은 구조로 토크 컨버터에서 발생하는 슬립에 의한 손실을 최소화하기 위한 기구이며, 솔레노이드의 ON/OFF 또는 듀티 제어로 직결시킴으로써 전달 효율이 증가되어 연비가 개선된다.

 

(6) 밸브 보디

    밸브 보디에는 6개의 솔레노이드 밸브가 조립되어 유압 계통에 오일 흐름의 정지, 유량의 조정, 압력 조정, 방향 변환 등의 기능을 하는 밸브를 보호함과 동시에 유로가 설치되어 있다. 밸브의 기능에 따라 방향제어 밸브, 유량제어 밸브, 압력제어 밸브 분류된다.

밸브 보디

1) 밸브의 종류

① 방향제어 밸브 : 일반적으로 오일 흐름의 방향을 제어하는 밸브로 유압의 평형 또는 수동으로서 왕복 이동을 통해 유로를 변경시키는 역할을 한다. 자동변속기에서는 매뉴얼 밸브, 1-2/2-3 변속밸브, 변속 조절 밸브, 셔틀밸브, 변속 컨트롤 솔레노이드 밸브 등이 이에 속한다.

② 압력제어 밸브 : 유압 회로 압력의 제한, 감압과 부하 방지, 무부하 작동, 조작의 순서 작동, 외부 부하와의 평형 작동을 하는 밸브로 일의 크기를 제어하는 역할을 한다. 자동변속기에서는 압력 조절 밸브, 토크 컨버터 조절 밸브, 스로틀 밸브, 거버너 밸브, 감압 밸브 등이 이에 속한다.

③ 유량제어 밸브 : 유량제어 밸브는 유압계통의 유량을 조절하는 밸브로 유압 모터나 유압 실린더의 속도를 제어하는 역할을 한다. 자동변속기에서는 댐퍼 클러치 솔레노이드 밸브, 압력 컨트롤 솔레노이드 밸브가 이에 속한다.

 

2) 밸브의 기능

① 매뉴얼 밸브(Manual Valve)

매뉴얼 밸브는 운전석에 있는 선택레버의 위치(P, R, N, D, 2, L)에 따라 연동되어 작동하여 유로를 변환시키며, 각 밸브에 라인 압력을 보내거나 배출시키는 기능을 한다.

② 압력 조절 밸브와 압력 컨트롤 솔레노이드 밸브

압력 조절 밸브는 각 작동 요소에 공급되는 유압을 압력 컨트롤 솔레노이드 밸브의 제어에 따라 조절하여 변속시 충격의 발생을 방지하는 역할을 한다. 압력 컨트롤 솔레노이드 밸브는 TCU의 제어 신호에 따라 듀티 제어되며, 각 작동 요소의 제어를 위하여 전기적인 신호를 압력 조절 밸브에 작용하는 유압으로 변환시키는 역할을 한다.

② 감압 밸브(Reducing Valve)

감압 밸브는 로워 밸브 보디에 조립되어 있으며, 이 밸브는 라인 압력을 근원으로 하여 항상 라인 압력보다 낮은 일정압력을 만들기 위한 밸브이다. 이 유압을 이용하여 압력 컨트롤 솔레노이드 밸브와 댐퍼 클러치 컨트롤 솔레노이드 밸브로부터 제어 압력을 만들어 압력 조절 밸브와 댐퍼 클러치 컨트롤 밸브를 작동시킨다.

④ 변속 조절 밸브(shift control valve)와 변속 조절 솔레노이드 밸브-A, B의 작동

TCU는 그림과 같이 각 변속단에 따라 2개의 변속 조절 솔레노이드 밸브를 ON-OFF제어하여 변속 조절 밸브에 작용하는 라인 압력을 조절한다. , 변속 조절 밸브를 각 변속단에 맞는 위치로 이동시켜 유로를 변환시킨다.

  변속 조절 솔레노이드 밸브 A는 양측 플러그에 작용하는 유압을 제어하고, 변속 조절 솔레노이드 밸브 B는 변속 조절 밸브 #1랜드의 좌측에 작용하는 유압을 제어한다. 변속 조절 밸브 #1랜드의 직경은 #2랜드의 직경보다 크기 때문에 #1#2랜드 사이에 유압이 작용할 경우 좌측으로 이동하게 된다.

또한 5B의 포트를 통한 유압이 #1랜드의 좌측에 작용할 경우에는 #1랜드 양단에 작용하는 유압이 서로 상쇄되기 때문에 #2랜드에 가해진 유압에 의해 변속 조절 밸브가 우측으로 이동하게 된다. TCU의 신호에 의해 작동되는 변속 조절 솔레노이드 밸브 A, BON-OFF 관계는 다음과 같다.

 

댐퍼 클러치의 구조