종감속 기어 및 차동장치 알아보기

종감속 기어 및 차동장치

종감속 기어 및 차동장치 이해

종감속 기어의 이해

기관에서 발생된 동력은 변속기에서 변속과 동시에 토크 변환이 되어 전륜 구동형 자동차의 경우 드라이브 라인을 통하여, 후륜 구동형 자동차는 추진축을 통하여 구동바퀴로 전달된다. 그러나, 기관에서 발생된 동력을 변속기의 변속비만으로는 구동바퀴에서 충분한 구동력을 얻을 수 없으므로 변속기와 구동바퀴 사이에 다시 한번 감속을 시켜 구동력을 키움과 동시에 동력 전달 방향을 직각 또는 이에 가까운 각도로 적절하게 바꾸어 준다. 이러한 역할을 하는 것을 종감속 기어라 하며 이때 감속되는 감속 비를 종감속 비라 한다. 또, 주행 중 선회 운동이나 노면의 요철로 인하여 좌우 구동바퀴의 회전 차이가 있을 때 구동바퀴가 미끄러지지 않고 자동적으로 원활하게 주행할 수 있게 하는 장치가 차동장치이다. 이들 종감속 기어와 차동장치는 대부분 1개의 하우징 내에 집적되어 있다. 즉, 전륜구동형 자동차에서는 변속기 출력부에 있으며, 후륜 구동형인 경우는 뒤차축 하우징 내에 조립되어 있다. 종갑속 기어의 종감속 비는 "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. 종감속 비는 고속을 필요로 하는 승용차에서는 4~6, 대형 트럭에서는 5~8 정도로 한다. 종감속 기어의 기능은 다음과 같다. 회전수를 감속시키고, 회전 토크는 증가시켜 구동바퀴에 전달하는 것과 필요에 따라 동력 전달 방향을 변환시키는 것이다. 종감속 기어에는 웜과 웜기어, 스퍼 기어, 스파이럴 베벨기어 및 하이포이드기어 등이 있으며 주로 스파이럴 베벨기어와 하이포이드기어가 사용된다. 스파이럴 베벨기어는 스트레이트 베벨기어와 비교하여 물림률이 양호하고 회전이 원활하며 전달 효율이 좋고 마모가 적은 이점이 있다. 하이포이드 기어는 스파이럴 베벨기어와 치형은 같지만 피니언과 링 기어의 중심을 편심 시켜 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 부담능력이 크므로 설치 공간을 작게 할 수 있다. 반면에 결점으로는 이의 너비 방향으로도 미끄럼 접촉을 하므로 특별한 윤활유(극압성 윤활유)를 사용해야 한다. 일반적으로 편심량은 승용차에서는 약 1인치, 대형차에서는 링 기어 지름의 약 10% 정도로 하고 있다.

차동장치의 구조와 기능

먼저 차동장치의 필요성은 자동차가 선회할 때에 바퀴와 노면사이에 미끄러짐이 없다고 가정하면 바깥쪽 바퀴는 안쪽 바퀴보다 많이 회전하여야 한다. 그리고 일직선상의 노면을 주행하더라도 노면의 요철이 있는 경우 요철이 심한 노면에 놓여 있는 바퀴는 반대편 바퀴에 비하여 빨리 회전하여야 직진이 이루어진다. 이와 같이 주행 조건에 따라 좌우 구동바퀴의 주행거리가 달라지는 경우 좌우 구동바퀴를 한 개의 축으로 고정해서는 안되므로 차축을 좌우 별도로 둘로 나누고 그 중앙에 차동 기어를 설치하여 좌우의 차축 및 바퀴가 서로 단독으로 회전하도록 한 것이 차동장치이다. 차동장치의 구조로는 차동 케이스 내에 차동 피니언이 피니언 축에 결합되고 여기에 직각방향으로 2개의 사이드 기어가 무려 있다. 사이드 기어의 중심부는 스플라인으로 되어 있고 구동축인 차축과 결합되어 있다. 구동 피니언으로부터 동력을 받는 링 기어는 구동 피니언과 함께 종감속을 하며 차동기어 케이스와 볼트로 결합되어 있다. 예를 들어 자동차가 평탄한 길을 직진하는 경우는 좌우 구동바퀴의 회전저항이 같으므로 사이드 기어에 걸리는 저항도 같다. 따라서 피니언 기어는 공전만 하므로 좌우의 사이드 기어의 회전수는 같아지며, 따라서 구동바퀴의 회전수도 같아져 직진이 된다. 왼쪽으로 선회할 때는 왼쪽 바퀴에 걸리는 저항이 오른쪽 바퀴에 걸리는 저항보다 크므로 차동 피니언은 공전과 함께 왼쪽 사이드 기어의 저항에 의한 자전도 동시에 한다. 따라서 왼쪽 사이드 기어의 회전수는 차동 피니언의 공전 회전수 - 차동 피니언의 자전 회전수가 되고 오른쪽 사이드 기어의 회전수는 차동 피니언의 공전 회전수 + 차동 피니언의 자전 회전수가 되어 좌회전이 된다. 다음으로 왼쪽 바퀴가 고정된 경우 즉, 오른쪽 구동바퀴가 수렁 등에 빠져 바퀴에 전혀 저항이 없는 경우와 같다. 이 상태에서는 차동 피니언이 공전하면서 좌우의 사이드 기어를 회전시키려 하지만 왼쪽의 사이드 기어에는 저항이 많아 고정되어 있는 것과 같고, 오른쪽 사이드 기어에는 저항이 전혀 없는 상태이므로 차동 피니언이 공전하기 위해서는 고정되어 있는 왼쪽 사이드 기어 위를 굴러 차동 피니언이 자전을 하면서 공전을 하여야 한다. 따라서 오른쪽 사이드 기어는 차동 피니언의 공전에 의한회전수와 자전에 의한 회전수의 합만큼 회전하게 된다. 즉, 차동 피니언 공전의 2배만큼 오른쪽 사이드 기어가 회전하게 된다.