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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
종감속기어(final reduction gear)는 추진축에서 받은 동력을 직각에 가깝게 바꾸어 뒤차축에 전달하고, 최종 감속을 통해 회전력을 증대시키기 위해 설치하는 감속기이다. 쉽게 말하자면, 최종적으로 바퀴에 전달되는 토크를 전달해주면서 마지막으로 일정한 토크,속도비로 감속을 해주는 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, 길 바닥이 고르지 않아 좌우 바퀴에 회전 차가 생길 때 자동차가 제대로 회전할 수 있도록 설치하는 차동기어장치와 함께 액슬 하우징에 설치된다. 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]
종류
스파이럴 베벨기어
스파이럴 베벨기어는 사전적으로 나선형의 베벨 기어를 뜻하는 말로, 기존의 베벨 기어(직선 베벨 기어)의 형상에서 기어이를 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, 종감속 기어로서 사용되고 있다. 스파이럴은 ‘소용돌이, 감기’의 뜻이다.[2][3]
하이포이드기어
스파이럴 베벨 기어의 일종으로서, 종감속 기어로 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 것. 물림률이 커 전달효율이 좋으나, 톱니의 폭 방향으로 미끄럼 접촉을 하므로 윤활에는 전용의 종감속기어 오일을 사용해야 한다. 세로 배열식 엔진 자동차의 종감속 기어나 4WD차량의 트랜스퍼로 널리 사용되고 있다. 하이포이드는 미국 그리손사의 상표명.하이포이드 기어는 베벨기어와 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 내부공간을 확보할 수 있다. 스파이럴 베벨기어의 장점에 차량 내부공간을 확보하는 장점까지 살린 기어다. 효율이 안 나올 것 같지만 98%의 효율이 나온다고 한다.[2][3]
웜기어
나선 기어로, 맞물리는 기어의 회전축이 교차하거나 평행하지 않는 것으로서 축 기어의 일종이며 나사의 모양을 한 웜과 이것에 맞물리는 웜 휠로 되어 있다. 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.[2][3]
원리
차동장치
요즘의 승용차는 주로 FF방식(Front Engine Front Drive)을 취하여 차축장치를 볼 수 없는 경우가 많지만 옛날 FF방식의 자동차가 나오지 않았을 때는 거의 모든 차가 FR(Front Engine Rear Wheel Drive)방식의 구동방식을 취했으며 이 때는 차축이라는 것이 뒷바퀴 두 개 사이에 있었다. 그 안에는 그 유명한 차동장치가 들어 있었다. 그러나 요즘의 FF방식의 동력전달 장치를 가지는 자동차에서도 이것이 없어진 것은 아니고 단지 변속기 안으로 들어가 버렸기 때문에 보이지 않을 따름이다. 이 차동장치가 하는 일은 자동차가 선회할 때 좌우 바퀴가 돌아야 하는 거리의 차이가 생기게 되는데 차동장치가 이것을 자동적으로 해결해주는 일을 한다. 파워 트레인 분야에 종사하는 사람이면 누구나 이 차동장치를 발명한 사람의 천재성에 감탄을 금치 못한다고 하는데, 원자 폭탄보다도 더 훌륭한 발명이라고 해도 전혀 과찬이 아닐 정도라 한다. 이 차동장치는 몇 개의 기어를 조합한 것으로 하나의 동력 전달 축으로 들어오는 동력을 두 개의 축으로 꼭 같은 속도로 나누어 주는데 만일 동력을 전달해야 할 두 대의 축간이 서로 속도의 차이가 있어야 한다면 그것이 자동적으로 이루어지게끔 해주는 장치인것이다.
자동차 선회시의 운동: 오른쪽 바퀴의 회전반경이 훨씬 크므로 달려야 할 거리가 길어지게 된다.
가운데의 직선형으로 된 톱니바퀴가 위로 들어 올려지면 양쪽에 매달려있는 기어 두개도 같이 들려 올라갈 것이다. 그런데 만일 양쪽의 기어 중 오른쪽 하나를 회전할 수는 있게 하지만 위로는 올라가지 못하도록 손으로 잡고 있는 상태에서 가운데의 기어를 들어 올리면 왼쪽의 기어는 가운데 기어의 속도보다 두 배의 속도로 들려 올라가게 된다. 따라서 이 세 개의 기어 사이에는 아래와 같이 표현할 수 있는 수학적 관계가 항상 성립하게 된다.
차동장치의 원리: 2 x 가운데 기어 속도 = 왼쪽 기어 속도 + 오른쪽 기어 속도[4]
용도
- 동력 전달 및 회전축 방향 변경 : 바퀴의 축에 수직으로 전달되는 힘을 바퀴에 온전히 전달하기 위해 회전축을 변경한다.
- 감속 및 회전력(토크) 증대 : 변속기에서 나온 동력은 속도가 빠르지만 아직 바퀴를 돌리기에는 구동력이 부족하다. 기어비를 통해 속도를 낮추면 토크가 증대하는데 이를 통하여 구동력을 보정한다.
보통 승용차는 3~5의 감속비를, 승합차는 5~11정도의 감속비를 사용한다고 한다. 그런데 "종감속기어를 설치하지 않고 변속기에서 한번에 기어비를 맞춰서 회전력을 보정하면 안되나?"라는 생각도 할 수 있다. 변속기로 기어비를 모두 결정하기에는 변속기의 크기에 한계가 있다. 흔히들 사용되는 6단 자동변속기 1단의 기어비가 4 대 1정도 된다. 그런데 종감속비가 없다면 약 10몇 대 1정도의 기어비를 맞춰야 하는데, 이는 유성 기어를 더 설치해야 하고 크기도 커질 것이다. 따라서 변속기 크기의 증대를 야기한다. 어떻게 보면 자동차의 무게 중심을 맞추는데에도 종감속기어가 요긴하게 쓰인다고 볼 수 있다.[2]
각주
참고자료
- 〈최종감속기어〉,《네이버 지식백과》
- 토미,〈종감속기(Final Drive), 종감속기어(Final Reduction Gear)〉,《네이버 블로그》,2017-02-29
- 강주원 자동차 홈,〈종감속 기어 및 차동기어〉,《강주원 자동차 홈》
- henry0009,〈차동장치〉,《네이버 블로그》,2014-01-18
같이 보기
