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종감속기어
종감속기어(final reduction gear)는 추진축에서 받은 동력을 직각에 가깝게 바꾸어 뒤차축에 전달하고, 최종 감속을 통해 회전력을 증대시키기 위해 설치하는 감속기이다.
개요
종감속기어는 구동 피니언과 링 기어로 구성되어 변속기 및 추진축에서 전달되는 회전력을 직각 또는 직각에 가까운 각도로 바꾸어 앞차축 또는 뒤차축에 전달함과 동시에 최종적으로 감속하는 역할을 한다. 즉, 최종적으로 바퀴에 전달되는 토크를 전달해 주면서 마지막으로 일정한 토크, 속도비로 감속을 해 주는 장치이다. 종감속기어는 최종감속장치, 종감속장치라고도 하며, 자동차의 추진축에서 받은 동력을 직각에 가까운 각도로 바꾸어 뒤차축에 전달하고, 기관의 출력이나 바퀴의 무게·지름 등에 따라 알맞은 감속비로 감속해 회전력을 높이는 역할을 한다. 주행 중에 회전을 하거나, 길바닥이 고르지 않아 좌우 바퀴에 회전 차가 생길 때 자동차가 제대로 회전할 수 있도록 설치하는 차동기어장치와 함께 액슬 하우징에 설치된다. 종감속기어는 구동 피니언(pinion)과 링기어로 구성되는데, 현재는 스파이럴 베벨 기어와 하이포이드 기어가 주로 사용된다. 최종감속기어의 링기어 톱니 수와 구동 피니언 톱니 수의 비를 최종감속비(final reduction gear ratio)라고 한다. 차량의 무게, 엔진 출력, 가속력, 등판력, 바퀴의 무게·지름, 가속도 등에 따라 최종감속비가 달라진다. 보통 몸체가 크고 무거운 차량일수록 최종감속비도 크다. 따라서 차량의 바퀴를 지름이 크고 무게가 더 무거운 것으로 바꿀 경우에는 늘어난 바퀴의 지름 비율만큼 최종감속비도 늘려 주는 것이 좋다.[1][2]
원리
기관에서 발생된 동력은 변속기에서 변속과 동시에 토크 변환이 되어 전륜구동형 자동차의 경우 드라이브 라인을 통하여, 후륜구동형 자동차는 추진축을 통하여 구동바퀴로 전달된다. 그러나, 기관에서 발생된 동력을 변속기의 변속비만으로는 구동 바퀴에서 충분한 구동력을 얻을 수 없으므로 변속기와 구동 바퀴 사이에 다시 한번 감속을 시켜 구동력을 키움과 동시에 동력 전달 방향을 직각 또는 이에 가까운 각도로 적절하게 바꾸어 준다. 이러한 역할을 하는 것을 종감속기어라 하며 이때 감속되는 감속비를 종감속비라 한다. 또, 주행 중 선회 운동이나 노면의 요철로 인하여 좌우 구동 바퀴의 회전 차이가 있을 때 구동 바퀴가 미끄러지지 않고 자동적으로 원활하게 주행할 수 있게 하는 장치가 차동 장치이다. 이들 종감속기어와 차동 장치는 대부분 1개의 하우징 내에 집적되어 있다. 즉, 전륜구동형 자동차에서는 변속기 출력부에 있으며, 후륜 구동형인 경우는 뒤차축 하우징 내에 조립되어 있다. 종갑속 기어의 종감속비는 '링기어 잇수/구동 피니언 잇수'의 비로 정의되며 기관의 출력 특성, 최고속도, 차량에 요구되는 가속력, 등판능력, 연료 소비, 차량 중량 및 타이어의 치수 등을 고려하여 선정된다. 종감속비는 고속을 필요로 하는 승용차에서는 4~6, 대형 트럭에서는 5~8 정도로 한다. 종감속기어의 기능은 다음과 같다. 회전수를 감속시키고, 회전 토크는 증가시켜 구동바퀴에 전달하는 것과 필요에 따라 동력 전달 방향을 변환시키는 것이다. 종감속기어에는 웜과 웜기어, 스퍼 기어, 스파이럴 베벨기어 및 하이포이드기어 등이 있으며 주로 스파이럴 베벨기어와 하이포이드기어가 사용된다.[3]
종류
스파이럴 베벨기어
스파이럴 베벨기어는 사전적으로 나선형의 베벨 기어를 뜻하는 말로, 직선 베벨 기어인 기존의 베벨 기어의 형상에서 기어를 나선형으로 만든 기어이다. 나선형의 기어로 인해 한번에 접촉하는 물림 길이가 커서 베벨 기어보다 소음/진동, 동력 전달 면에서 유리하다. 제작비가 베벨 기어보다는 비싸지만 종감속기어는 중요한 부품이기 때문에 높은 빈도로 사용되고 있다. 참고로 베벨기어는 90 각도로 교차하는 두 축 사이에서 동력을 전달하는 두 개의 기어이다. 또한, 피니언과 링기어 사용하며 중심이 일치한다 베벨 기어의 이빨 모양을 곡선으로 만들어 회전을 미끄럽게 전달하도록 한 것. 이빨 모양으로는 원, 인벌류트 및 트로코이드 등이 사용되고 있다. 같은 베벨 기어의 스퍼 베벨 기어에 비교하면 맞물림의 비율이 크고 전달 효율이 좋은 장점이 있으며, 종감속기어로서 사용되고 있다. 또한 스트레이트 베벨기어와 비교하여 물림률이 양호하고 회전이 원활하며 전달 효율이 좋고 마모가 적은 이점이 있다. 스파이럴은 ‘소용돌이, 감기’의 뜻이다.[4][2]
하이포이드기어
하이포이드기어는 스파이럴 베벨 기어의 일종으로서, 종감속기어로 이용되며, 링 기어의 회전 중심선과 이것에 맞물린 구동 피니언의 회전 중심선을 링 기어 지름의 10～20% 정도 오프셋시켜 추진축이나 차실의 바닥을 낮출 수 있도록 한 것이다. 물림률이 커 전달효율이 좋으나, 톱니의 폭 방향으로 미끄럼 접촉을 하므로 윤활에는 전용의 종감속기어 오일을 사용해야 한다. 세로 배열식 엔진 자동차의 종감속기어나 4WD차량의 트랜스퍼로 널리 사용되고 있다. 하이포이드는 미국 그리손사의 상표명.하이포이드 기어는 베벨 기어와 비슷하게 생겼지만 축간의 편심(offset)을 적용한 것이 큰 차이점이다. 구체적으로 말하자면, 축의 중심이 만나지 않게 피니언을 중심에서 낮춰서 설치한다. 높게 설치할 수도 있지만 의미는 없다. 링기어의 위치가 고정된 상태에서 피니언을 낮게 설치하면, 동일한 기어 박스 위치 대비 추진축의 레벨을 낮추는 효과를 볼 수 있다. 이를 통해 차량 내부 공간을 확보할 수 있다. 스파이럴 베벨기어의 장점에 차량 내부 공간을 확보하는 장점까지 살린 기어다. 효율이 안 나올 것 같지만 98%의 효율이 나온다고 한다. 하이포이드 기어는 스파이럴 베벨기어와 치형은 같지만 피니언과 링 기어의 중심을 편심시켜 물리도록 한 것으로 승용차뿐만 아니라 대형차에도 거의 이 형식을 사용하고 있다. 하이포이드기어는 편심에 의해 추진축 즉, 구동 피니언의 위치가 낮아 차량의 전체 높이를 낮게 할 수 있으므로 자동차의 중심이 낮아 안정성이 있으며 이의 물림률이 크기 때문에 운전이 정숙한 이점이 있다. 또한, 하중 부담 능력이 크므로 설치 공간을 작게 할 수 있다. 반면에 결점으로는 이의 너비 방향으로도 미끄러운 접촉을 하므로 극압성 윤활유 같은 특별한 윤활유를 사용해야 한다. 일반적으로 편심량은 승용차에서는 약 1인치, 대형차에서는 링 기어 지름의 약 10% 정도로 하고 있다.[4]
웜기어
웜기어는 나선 기어로, 맞물리는 기어의 회전축이 교차하거나 평행하지 않는 것으로서 축 기어의 일종이며 나사의 모양을 한 웜과 이것에 맞물리는 웜 휠로 되어있는 기어이다. 종감속장치로의 웜기어는 제작비가 비싸서 승용에서는 거의 사용되지 않지만, 무거운 승합차 등에서는 현재에도 사용된다고 한다. 비싸고 94%의 효율로 좋지 않지만, 정숙성이 뛰어나고 수명이 길다는 장점이 있다. 승합차에서 사용되는 만큼 크기 대비 높은 감속비를 제공한다.[4][2]
각주
- ↑ 〈최종감속기어〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 토미, 〈종감속기(Final Drive),종감속기어(Final Reduction Gear)〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-29
- ↑ 조길동, 〈종감속 기어 및 차동장치 알아보기〉, 《티스토리》, 2021-02-21
- ↑ 4.0 4.1 4.2 강주원 자동차 홈, 〈종감속기어 및 차동기어〉, 《강주원 자동차 홈》
참고자료
- 〈최종감속기어〉, 《네이버 지식백과》
- 강주원 자동차 홈, 〈종감속기어 및 차동기어〉, 《강주원 자동차 홈》
- 조길동, 〈종감속 기어 및 차동장치 알아보기〉, 《티스토리》, 2021-02-21
- 토미, 〈종감속기(Final Drive),종감속기어(Final Reduction Gear)〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-29
같이 보기
