변속기
변속기(變速機)는 자동차 등 원동기의 속력이나 회전력을 바꾸는 장치이다.
톱니바퀴에 의하여 회전수와 방향을 바꾼다. 입력 회전수와 출력 회전수의 비를 변속비(變速比)라고 한다. 자동차가 출발할 때부터 고속으로 달리기까지의 요구되는 힘이나 속도는 일정하지 않다. 그럼에도 불구하고 변속비가 일정하면, 엔진의 사용회전 범위에서 생각해도 알 수 있는 바와 같이, 자동차에 필요한 힘이나 속도를 얻는 데는 충분하지 않다. 더구나 때에 따라서는 후진할 필요도 생긴다. 이러한 요구에 소용되는 것이 변속기이다. 보통 자동차의 변속기는 각각 변속비가 다른 전진방향 6~7단 및 후진방향 1단, 합계 7~8단의 변속이 가능한 것이 많다. 그런데 이 변속비는 자전거의 치수비(齒數比)와 같지만 자전거는 크랭크가 1회전하는 사이에 뒷바퀴가 몇 번 회전하는가를 표시하는 것인 데 비해 자동차는 엔진의 회전이 빠르므로 엔진이 몇 번 회전했을 때 변속기의 출력 축이 한번 회전하는가를 표시하는 것이 습관으로 되어 있다. 전진 3단의 변속기의 예를 보면, 변속비가 큰 순으로 각각 로기어(low gear)로는 3.5, 세컨드기어(second gear)로는 1.8, 서드기어(third gear：top gear)로는 1.0, 백기어(back gear)로는 3.7 정도의 것이 많다. 대형 트럭의 변속기 중에는 전진 12~13단, 후진 2단식의 것도 있다. 또한 변속기와 구동차륜의 차축과의 사이에도 감속 기어가 있으며, 여기서도 3.7 ~ 4.2 정도의 감속비로 되어 있다. 따라서 엔진이 몇 번 회전하면 구동차륜이 한번 회전하는가를 총감속비라고 한다. 이것은 앞에 설명한 변속기의 변속비와 감속기어의 감속비와의 곱으로 표시된다. 변속기의 변속방법은 자전거의 경우에는 체인을 고쳐 걸어서 하지만 자동차에서는 기어의 짜임새를 바꾼다.
슬라이딩 기어식(sliding gear：選擇摺動式)이라고 해서 희망 치수비의 기어를 그 회전축상에서 미끄러지게 하여 기어의 맞물린 상태를 바꾸는 방법을 쓰고 있다. 이는 변속기의 출력축과 입력축의 회전 중에 변속을 해야 하므로 기어가 맞물리기 어려운 결점이 있다. 이 결점을 없애기 위하여 모든 기어를 맞물려 둔 채로 변속비를 바꾸어 가는 콘스턴트 메시식(constant mesh type：항상 맞물리는 식)이 등장하였다. 이것은 기어의 손상이 작고 조작도 쉽게 할 수 있다. 콘스턴트 메시식도 엔진과 변속기와의 사이의 동력의 단속에는 슬라이딩 기어식과 마찬가지로 마찰관 클러치가 사용되고 있다. 희망하는 변속비에서 돌고 있는 기어에 걸리는 동력을 단속하려면 기어에 붙어 있는 네일 클러치(nail clutch)를 사용한다. 이 네일 클러치는 기어와 같은 재료로 만들어져 있다. 그런데 이 네일 클러치식 변속기도 네일을 빼낼 때, 덜거덕거리는 소리를 내고 네일이 상하는 일이 많으므로 앞에 말한 슬라이딩 기어식의 변속기에 비해서 변속동작은 부드럽다고 하지만 더욱 숙련이 요구되었다. 이것을 개량한 것이 싱크로메시식(synchro mesh type：동기 맞물리는 식)의 네일 클러치로서, 그 원리는 네일이 맞물리기 전에 네일 클러치와 기어 사이의 작은 마찰 클러치가 접촉하여 네일 휠(nail wheel)의 회전을 일으켜서 맞물리는 네일끼리의 회전이 일치될 때, 비로소 네일을 맞물리도록 되어 있다. 요즈음의 승용차는 대부분이 이 싱크로 메시식의 변속기로 되어 있다. 또한 운전 조작을 편하게 하기 위해서는 자동변속기와 토크 컨버터(torque converter)가 사용되고 있다.
특히 토크 컨버터는 도시의 혼잡 속에서는 번거로운 클러치 조작이나 기어 변속이 필요하지 않다. 토크 컨버터는 클러치와 변속기의 두 가지의 성능을 겸하고 있다. 클로치로서의 토크 컨버터의 원리는 정지하고 있는 선풍기를 향해 또 하나의 선풍기를 돌리면 정지해 있는 선풍기가 돌게 되는 것과 같은 것으로 유체로서 기름을 이용하여 동력의 단속을 하고 있다. 변속기로서의 토크 컨버터의 작용은 펌프와 터빈 사이에 있는 스테이터(stator)의 반력(反力)에 의하여 엔진의 회전에 따라서 전달되는 회전력이 증가하는 기구에 의한다. 기어식의 변속기에 비해서 기름을 매체로 하고 있으므로, 변속은 부드럽고 클러치도 넣지 않고 다만 가속 페달(accelevator pedal)을 밟음으로써 자동차를 정지상태로부터 발진시킬 수가 있다. 그러나 토크 컨버터만의 토크의 변환비(變換比：기어로 말하면 變速比)는 최대로 해서 1.5 ~ 2 정도밖에 취할 수 없으며, 변속비가 부족하므로 이것과 자동변속기를 조합해서 사용하는 경우가 많다. 현재 많이 채용하고 있는 자동변속기는 유성 기어가 사용되며, 기어의 변경은 유압이나 전자압에 의해서 행하여진다. 그 조작은 전자동식이므로 운전은 대단히 간단하게 된다.
보통의 벨트전동이나 톱니바퀴전동에서는 속도의 변환은 단계적으로밖에 할 수 없으나, 기계에 의해서는 회전속도를 손쉽게 무단계(無段階)로 변환시킬 것을 바라게 된다. 즉 어떤 범위 내의 임의의 회전속도를 연속적으로 얻고자 할 때가 있다.
동력을 기계에 공급하는 데는 전동기에 의존하는 것이 보통이다.
교류정류자전동기나 직류전동기를 사용하면, 전동기 자체에 변속 성능은 갖고 있지만 너무 값이 비싸며, 특성상 사용목적에 맞지 않는 경우도 있으므로, 보통은 대략 정속(定速)이며 값이 싼 유도전동기에 무단변속기를 접속시켜서 사용하는 수가 많다.
무단변속기를 이용하는 이유로서는, ① 단계변속에서는 최적회전 속도를 얻기 어려울 때가 많으나 무단변속에서는 어떤 범위 내에선 임의의 속도를 수월하게 얻을 수 있다. ② 단계변속에서는 속도를 바꿀 때, 기계를 멈추거나 또는 회전 중에 변환시킬 때는 쇼크가 생기는 등의 결점이 있으나, 무단변속에서는 회전 중에도 거의 쇼크 없이 속도 바꾸기를 할 수 있다. ③ 기계적 아날로그계산기처럼 무단변속이 필요한 경우에 유용하다.
예컨대 선반으로 기계부품을 깎을 때, 깎이는 물건의 재질이라든가 바이트의 재질, 공작물 1회전마다에 바이트를 이동하는 양 등에 따라서 가장 알맞은 절삭 속도가 있으며, 이것을 조금 벗어나면 공구의 수명이 몹시 변화하므로, 일정한 절삭속도를 얻기 위해선 물건의 직경에 역비례해서 물건의 회전속도를 변화시키지 않으면 안 되지만, 톱니바퀴 변속과 같은 유단변속에서는 꼭 알맞은 회전속도를 얻을 수 없는 경우가 많으며, 특히 테이퍼부처럼 직경이 차차 변해 가는 것에서는 무단변속에 의존치 않는 한 일정한 절삭속도를 얻는다는 것은 불가능하다.
무단변속기에는 여러 가지 방식이 쓰이고 있는데, 크게 나누면 기계적·유체적(流體的) 및 전기적인 3종이며, 〔표〕－6과 같은 종류가 있다. 그리고 여기에서는 기계적 무단변속기에 대해서 설명하게 된다.
기계식인 것은 전동에 마찰력을 이용하고 있는 것이 특징이며, 다소의 미끄럼은 회피할 수가 없으니까, 회전비는 불확실하지만, 지나치게 큰 부하(負荷)가 걸리면 슬립함으로써 다른 기계부분이 파괴되는 것을 막는 안전장치의 역할도 한다.
마찰바퀴식(직접접촉)이라고 하는 것은 거의 강체로 볼 수 있는 회전체(圓筒·圓板·圓錐·球 등)를 직접 접촉시켜, 접촉부분에 생기는 마찰력에 의해서 회전동력을 전달하고, 접촉점에서의 각 회전체의 반경의 비를 변화시킴으로써 회전속도비를 변화시키도록 한 것이다.
이 장치에 의하면, 비교적 조용히 전동이 행해지며, 또 토크가 주기적으로 변동하는 경우에 일어나는 축의 비틀림 진동을 감쇠시키는 효과가 있다. 그러나 커다란 동력의 전달은 무리이며, 또 접촉부의 마모가 일기 쉽다.
이 형식에는 옛날부터 많은 기구가 고안되어 있으며, 그 몇 개의 예를 〔그림〕－53으로 표시한다.
그림〕－53의 a로 나타낸 것은 마찰프레스 등에 사용되고 있는 기구이며, 축 Ⅱ를 원동축(회전속도 , 일정)으로 한다면 축 Ⅰ의 회전속도 은 미끄럼이 없다고 할 때
로 되고, 이 되면 의 회전방향이 역(逆)이 된다.
그림〕－53의 b는 앞의 것을 2개 짜맞추어서 평행 2축 사이에 무단변속을 주는 것으로서,
로 되고 중간바퀴의 반경에는 관계가 없어진다.
[그림〕－53의 c는 방향이 반대인 원추바퀴 2개의 공통으로 외접하는 링(ring)을 횡으로 이동시켜 변속을 얻는 것으로서, 링콘변속기라고 불린다.
[그림〕－53의 d는 양축 끝에 장치한 우산형 바퀴에 공통으로 접촉하는 구상바퀴(球狀車)를 중간바퀴로 하고, 그 축의 기울기를 바꾸어서 변속을 행하는 것으로서, 코프의 변속기라고 불린다. 각 축은 회전에 따라서 축방향으로 미는 힘을 얻도록 하고 있다.
우산형 바퀴의 짜맞춤에 의한 것도 여러 종류가 있는데, 〔그림〕－53의 e같이 몇 장의 폭넓은 우산형 바퀴 A를 우산형 바퀴 B 사이로 밀어넣음으로써 폭넓은 우산형 바퀴의 유효반경을 변화시키는 것으로서, 바이엘변속기라고 불린다. 여기에, 유성톱니바퀴장치를 병용한 초저속감속기도 개발되어 있다.
[그림]－53의 f로 보인 것은 하이나우식변속기라 불리며, 2쌍의 마주 대한 우산톱니바퀴를 사용, 강제링(鋼製 ring)을 매개(媒介)로 하여 작동한다. 변속에는 비스듬히 마주보는 2개의 우산톱니바퀴를 좌우로 이동시키면, 상하의 우산톱니바퀴쌍이 서로 거꾸로 열리고 닫힘으로써, 링은 우산톱니바퀴에 밀착하면서 유효반경비가 변화하고, 변속이 행하여진다. 행성운동을 하는 마찰바퀴를 사용해서 초저속변속을 하는 기구도 있으며, 피대걸기전동식(傳動式)인 것에는 넓은 폭벨트를 사용하는 것, V벨트를 사용하는 것, 그리고 특수한 체인과 홈이 있는 우산형 바퀴를 사용하는 것 등이 있다.