1. 기계
변속기(變速機)는 각종 동력원의 동력을 속도나 환경에 맞추어 필요한 회전력으로 바꾸는 장치다. transmission의 일본식 발음인 토란스밋숀(トランスミッション)에 따라 밋숑[1]이라고 부르기도 한다. 한국에서는 주로 기어라고 부른다. 중국어로는 變速器[2]，變速箱[3]，排檔, 한자로는 動力傳達裝置(동력전달장치)[4], 영어로는 Transmission, Gearbox[5]라고 한다.
| 변속기의 작동 원리[6] |
1.1. 자동차 변속기
| 자동차 내부 장치 | ||||||
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| 포르쉐 911 GT3의 수동변속기 |
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보통 자동차 등 이동수단에 많이 이용된다. 자동차에서 이용되는 내연기관은 특정 회전 속도(RPM) 대역에서 최대 토크가 나오고, 또 다른 대역에서 최대 출력이 나온다. 이에 따라 엔진의 회전을 일정하게 유지하기 위해 기어를 사용하여 출발할 때는 회전속도보단 토크를 중시하고, 주행시에는 속도의 증가에 맞춰 회전속도를 높이는 역할을 한다.
각 단은 변속기와 엔진이 연결된 입력축[7]에 비해 출력축의 회전하는 비율인 기어비[8][9]에 따라 다음과 같이 분류한다.
- 기어비 1 초과 - 언더 드라이브 (Under Drive, 감속기)
- 기어비 1 - 다이렉트 드라이브 (Direct Drive, 직결)
- 기어비 1 미만 - 오버드라이브 (Over Drive, 증속기)
위는 변속기이 출력부 전단에서의 분류이다. 최종 감속비를 거쳐서 나오는 출력은 감속되어서 나온다.
때문에 기어비에 따라서 차량이 낼수 있는 최고 구동력과 최고 속도가 결정된다. 토크(힘)와 속도는 반비례 관계로, 저단일수록 기어비가 높아 힘을 세게 발휘 할 수 있고 고단일수록 기어비가 낮아 속도가 빨라진다.
최고단의 기어를 "탑기어(Top Gear)"라고 한다. 기존에는 1:1인 다이렉트 드라이브를 지칭하는 말이었다. 그러나 90년대 중반 이후 다단화로 인해 오버드라이브를 달고 나오는 차들이 많아지고 사실상 오버드라이브가 전부 달려있다 보면 되기에 오버드라이브를 지칭하는 쓰임이 더 많아졌다.[10]
변속기는 엔진의 출력과 토크에 맞는 것을 사용해야 하는데, 변속기의 허용치가 지나치게 낮다면 변속기가 과부하로 작살나기 쉽고, 지나치게 높으면 변속이 굼떠진다.
크게 수동변속기와 자동변속기로 나뉘고 있으며, 보통 수동은 스틱, 자동은 오토로 통칭한다.[11][12] 운전하기엔 당연하지만 자동변속기가 훨씬 편하다. 두 방식 모두 각자 나름의 장단점이 있다. 자동변속기의 경우, 수동변속기에 비해 운전이 편하고 변속에 대한 부담이 덜어진다는 장점이 있다. 반대로 차의 무게, 가격이 증가하고, 변속기 고장이 발생할 경우 수리비가 크게 증가하는 편이다.
수동변속기의 장점은 자동차 내에 내장된 컴퓨터가 아닌 자신이 직접 자동차의 움직임을 통제할 수 있는 범위가 늘어난다는 점에 있다. 이른바 '운전의 재미'가 바로 여기에 해당한다. 차량의 무게도 가볍고, 동력손실이 적기 때문에 유체 토크컨버터 형식의 자동변속기보다 연비가 높게 나오는 편이기도 하다. 구조가 단순하기 때문에 정비가 쉽고, 비용도 적게 든다는 장점도 있다.[13] 그리고 아직 논란이 끊이지 않고 있는 자동변속기 차량의 급발진문제에서도 100% 자유롭다. 변속 과정에서 전자 기기의 개입이 없으며, 엔진이 ECU 에러 등으로 문제를 일으킨다고 해도 클러치를 밟는 즉시 동력이 물리적으로 끊어지기 때문이다. 그럴 리는 없지만 클러치가 작동을 안 한다면 변속 레버를 강제로 빼서 중립으로 놓으면 그만이다. [14]
다만 수동변속기의 장점은 보는 관점에 따라 단점이 되기도 한다. 스스로 컨트롤 해야하는 범위가 많아진다는 것은 운전자가 차에 대해 스스로 공부해야할 것이 많아진다는 점을 의미한다. 수동변속이 주는 '피로감'은 단순히 클러치를 반복해서 밟는 것 이상의 의미로 다가올 수도 있다. 연비의 경우도 운전자의 운전습관에 따라 오히려 낮게 나올 수 있다. RPM을 올려서 출력을 뽑아내는 저단 위주 주행을 한다면 당연히 연비가 좋을리 없다. 자동화 수동변속기(주로 DCT)의 경우 오히려 수동변속기보다 높은 효율을 보여주는 편이다.[15] 수동기어의 부속은 기본적으로 소모품이라 주기적으로 교환해야 하는데, 국산차의 경우는 30~40만원 정도의 비용이 들어간다. 물론 몇 만 km를 주행하고 교환을 하는 것이니 교환주기가 짧은 것은 아니지만, 은근 신경이 쓰일 수 밖에 없는 부분.[16] 그러나 수동변속기의 경우는 차량마다 다르지만 구조가 간단하고 작은데다 설계부터 정비성 측면에서 엔진을 내리지 않고 변속기를 쉽게 떼어낼 수 있는 등 어느정도 유리한 측면이 많기 때문에 공임 자체가 적게 들어가기도 한다.
전기자동차의 경우는 초기 토크가 워낙 좋으므로 감속기 같은 간단한 변속기어 정도만 쓰지만, 고속대역에서의 효율성을 크게 까먹는다는 문제점이 있어 일부 메이커들이 전기차에도 고속구간용 2~3단 변속기를 탑재하는 경우가 가끔 있다.
일부 초기형 하이브리드 차량이나 디젤 전기 기관차는 파워트레인에서 변속기 대신 모터를 박아놓은 케이스이다.
1.1.1. 별도의 문서가 있는 변속기
- 수동변속기 (Manual Transmission)
- 자동변속기 (Automatic Transmission)
- CVT(무단변속기 = 연속 가변 변속기)
- 듀얼 클러치 변속기[17]
- ERev 변속기[18]
- 클러치
- 원심클러치
- 유체클러치
- 파워트레인
- 변속 방법
2. BLDC 모터 드라이브
교류 유도 전동기는 인버터 문서로.DC 전동기나 BLDC 전동기를 돌리는 용도의 컨트롤러를 지칭한다. 수많은 RC 모형이나 산업기계 등 용도가 매우 많다. ESC라고도 한다.
1번 문단의 변속기와 같은 단어가 쓰이지만, 작동 원리와 역할은 다르다. 내연기관 엔진으로 치자면, 기어변속기가 아니라, 엔진의 스로틀밸브에 가깝다.[19] 1번 항목의 변속기가 어떻게 기어비를 바꾸는지 생각해보면 알 수 있는 사항이다.
신호는 PWM 형식으로 전환되며, 10bit 의 resolution 을 가진다. 또한, 변속기에 따라 정회전만 지원하기도 하고, 정-역회전 모두를 지원하기도 있다.
이들 변속기에도 여러가지 규격이 있는데,
- 연속가동전류
- 최대 가동전류/ 허용시간
- 사용하는 PWM 주파수 or 주기
- 주 배터리 전압
- 출력 방식
- 저전압 컷오프
- 캐리어 주파수
등이 있다. 이 중 크게 신경 쓸 것은 출력 방식이나 전류, 그리고 전압이다. 3번 항목은 대부분이 자동으로 잡아주니까. 특히, 5번 항목은 일반적인 출력방식과 더불어 OPTO란 방식이 있는데, OPTO는 optical isolator의 약자이다. 대전력을 사용하는 BLDC 변속기의 대부분이 OPTO 형식으로 출력단을 드라이브 하는 경우가 있다. 상당 사진도 대전력 제품군으로, 6KW 의 BLDC 모터를 제어한다. 이 경우 전동기용 주 전원과 더불어 변속기의 컨트롤러에 별도의 전압을 공급해야 한다. 이때 사용하는 것을 BEC 라고 부른다.
[1] 비슷한 사례로 전기 변압기는 '도란스'라고 부른다.[2] 변속기에서 機를 器로 바꾸었다.[3] Gearbox.[4] Transmission이라고 부르는 이유는 이 의미이기 때문이다.[5] 영국 영어에서 transmission은 gearbox를 포함한 전 구동렬(驅動列, drive train)을 가리킨다. 그러니까 트랜스미션이라고 하면 변속기부터 바퀴까지 전부 포함이고, 기어박스는 변속기만 뜻하는 거다.[6] 위 영상은 1932년에 제작된 것으로, 제너럴 모터스가 쉐보레 차종 구매자들을 교육하기 위해 만든 것이다. 이 당시에는 자동변속기가 개발되지 않아 모든 운전자가 수동변속기를 사용해야 했고, 당연히 저단기어와 고단기어의 원리와 차이점을 알아야 했다. 당장 톱니바퀴의 작동 원리부터 지렛대에 비유해서 설명하는것부터 시작하고 있다.[7] 기솔린 엔진 기준으로 보통 분당 1,000~5,000 회전하는데, 이는 초당 16~80 회전 정도이다.[8] 입력축의 기어 잇수에 대한 출력축의 기어 잇수 비를 말한다. 예를 들어, 입력축의 기어 잇수가 20 이고 출력축의 기어 잇수가 40이라면 현재 기어비는 40/20 = 2 가 된다.[9] 철도계에서도 쓰이는 말이긴 한데 이쪽은 치차비가 더 많이 보인다. '치차(歯車)'는 기어를 의미하는 일본식 한자어이다. 자세한 정보는 톱니바퀴 항목 참고.[10] 다만, 여전히 일부 상용차는 최고단수가 다이렉트 드라이브이다. 이런 경우는 보통 옵션으로 오버드라이브 방식 변속기를 선택할 수 있다. 그런 차들은 고속항속보다 저속토크가 더 중요한 경우가 많기 때문이다.[11] 공학적 관점의 구분(기계적 원리)과 사용자 인식상의 구분(클러치 페달 유무)은 미묘하게 다르다. 대표적인 인식의 차이를 보여주는 예가 바로 자동화 수동변속기.[12] 다만, 운전면허에서는 클러치 페달 유무로 자동/수동 여부를 보기 때문에 수동변속기라도 클러치 조작이 자동화되어있는 자동화 수동변속기 같은 것은 자동변속기 한정조건으로도 운전이 가능하다.[13] 자동변속기의 오일은 동력 전달 역할을 하므로 양도 많고 비싸다. 수동변속기에도 오일이 들어가나, 동력 전달 기능은 없고 단순히 윤활과 냉각 역할만 한다. 그 양도 훨씬 적고, 저렴하며, 교환 주기도 길다. 경제성만큼은 자동변속기가 수동의 상대가 되지 않는다.[14] 클러치 동작이 없어도 기어를 빼는 것 까지는 크게 무리가 가지 않는다. 클러치 없이 다시 넣으려고 할 때 회전수 매칭이 되지 않으면 문제가 생길 가능성이 크다.[15] 이론적으로는 DCT가 수동변속기보다 같거나 약간 높은 동력 효율을 가지긴 하지만, 변속기 자체가 크고 무거워서 실연비는 변속기 무게가 가벼운 수동이 미세하게 높다는 의견이 많다.[16] 자동변속기도 소모품인 것은 마찬가지며, 수동변속기라고 부품 교환 주기가 짧은 것은 아니다. 연 2만 km씩 탄다 해도 10년 이상 부품 교환 없이 타고도 남는다. 변속기 오일도 10만 km까지 쓴다. 그 이전에 클러치 디스크 교체 주기가 오긴하지만, 기어 박스 자체는 수명이 매우 길다.[17] 공학적 원리로는 수동변속기에 가까우나 클러치 페달이 없어 일반인들에게는 자동변속기에 가깝게 여겨지며 법적으로도 자동 면허로도 운전이 가능하다.[18] 엔진으로 발전기만 돌리고, 이 발전기와 연결된 모터가 실질적으로 변속기의 역할을 수행하는구조. 즉 엔진의 회전으로 전기를 만들어내는 전기차라고 생각하면 된다. 구조상 동력전달에 케이블만 있으면 되므로 후륜이나 사륜으로 생산하기도 좋으며, 발전기에 마찰할 금속 파트 자체가 없으므로 내구성도 좋다. 현재 일본 기업들이 변속기의 일종 으로써 이시스템을 연구중이다. 도요타의 eCVT의 경우 엔진의 동력을 이 시스템과, 일반 cvt로 분배하여 구동하는 구조를 가지고 있다.[19] 전기모터는 회전수에 따라 토크 변화가 크지 않기 때문.