감속기

1.감속기?

 내연기관 자동차는 8단 변속기, 7단 변속기, DCT 등등 여러 방면으로 효율을 높이며 자동차를 홍보하지만 전기자동차에서는 이런 홍보 문구나 내용을 들어본 적이 없을 것이다. 전기차를 구매하기 위해 알아본 사람이라면 알고 있겠지만, 일반적인 전기차에는 우리가 흔히 말하는 변속기가 없다. 정확하게 말하면 다단 변속기가 아닌 1단 감속기(사실 변속기라고 말해도 차이는 없다. 다만, 변속기는 현재 주행 상황에 따라 최적의 토크, 속도 값을 내도록 만들어 연료의 최대 효율과 주행 성능을 책임지고자 만들었기 때문에 속도를 올렸다 내렸다 하지만 전기차에서는 이 변속기가 감속의 기능만 하고 있기 때문에 감속기라고 불린다.)가 장착된 전기자동차가 주류를 이루고 있다. 물론 2단 감속기라고 해서 포르쉐에서 전기차로 출시한 타이칸에는 전기차 전용 2단 변속기를 적용하는 경우도 있다. 매우 드문 경우지만 스포츠카처럼 빠른 속도로 달리고 퍼포먼스가 중요한 차량에서는 고속에서 더 세밀한 조정이 필요하다고 생각해 2단으로 감속할 수 있게 만든 것일 뿐 그 기능에서 차이는 없다.

 감속기란 동력원인 모터에 결합하여 출력 회전수를 감소시켜 높은 회전 출력 토크를 얻을 수 있도록 하는 모터 부속 부품이다. 이 정의를 잘 생각하고 원리, 필요한 이유 등에 대해서 알아보자

 

2. 감속기의 원리

 위의 사진을 보면 굉장히 많은 기계부품이 감속기 하나를 이루고 있고 기어에 대한 내용은 없지만 헬리컬, 스퍼, 피니언 기어 등 감속기의 구조와 주요 기능에 따라 여러 부품이 활용된다.

 위 그림에서 보면 한 쌍의 기어가 맞물려 돌아가고 있다. 이 사진을 보면 감속기의 원리를 이해하기가 쉬운데 감속기는 구동축과 피동축의 원주 속도는 항상 같다라는 원리를 이용한다. 구동축과 피동축의 기어 크기가 같다면 구동축이 10을 돌았을 때 피동축도 10을 돌아야 한다. 하지만 구동축보다 피동축의 기어가 크다면 구동축이 10을 돌 때 피동축은 기어비에 따라 10보다 적게 돌아야 원주 속도가 같게 되는 것이다. 그래서 감속기에는 위의 사진처럼 한 쌍의 기어가 맞물려서 돌아간다. 감속비는 전기자동차에 달려있는 모터와 출력 토크에 따라서 달라질 것이기 때문에 생략한다. 그러면 피동축이 구동축보다 적게 돌면 어떤 일이 발생할까? 감속비가 2:1 인경우를 생각해 봤을 때 구동축이 10바퀴를 돌면 피동축은 5바퀴를 돌게 되므로 자동차의 속도는 감소하지만 토크가 커져 큰 힘을 얻을 수 있다. 그러면 이게 왜 필요할까?

 전기자동차의 경우 모터는 엑셀을 밟는 동시에 최대 출력을 만들어 낼 수 있다. 이 말이 언뜻보면 대박이다 라고 생각할 수 있지만 자동차 입장에서는 절대 그렇지 않다. 먼저 엑셀을 밟았을 때 모터가 곧바로 최대 출력을 내면 타이어에는 휠 slip ratio라는게 있는데, (ABS, TCS 편을 보면 알 수 있다.) 지나친 구동력으로 인해 타이가 접지력을 잃고 공회전하는 휠 스핀 현상이 발생하게 되기 때문이다. 이러한 공회전 현상 때문에 자동차는 움직이지 못하게 되므로 자동차의 역할을 할 수 없다고 보면 된다. 이게 전기자동차에 감속기가 꼭 필요한 이유이다. 이 외에도 여러 이유가 있지만 감속기의 주 목적은 속도를 줄이고 토크를 높여 힘을 얻고자 하는데 있다고 생각하면 될 것 같다.

물론 전기차에도 변속기가 필요 없는 것은 아니다. 전기모터도 회전수가 고회전 영역으로 올라가면 필요 전류량이 높아지면서 효율이 급격하게 떨어진다. 그리고 전기 모터의 회전수도 한없이 올릴 수 없고, 결국 토크도 감소한다. 이런 이유로 인해 일반적인 전기차는 최고속도가 높지 않다. 하지만 일반적인 전기자동차는 변속기를 제거해서 얻는 이득이 크고 실용 영역에서 1단으로도 충분하기 때문에 1단 감속기를 사용하고 있는 것이다. 예전에 4단 이상의 변속기는 효율 측면에서 필요 없다는 이야기가 있었는데 앞으로 전기자동차의 기술 발전이 이뤄지면 현재 내연기관에서 사용되는 변속기가 전기자동차에 적용될 수도 있을 것 같다.

3. 감속기의 종류

 1) 유성기어: 태양기어(sun gear), 행성기어(planet gear), Internal gear 이렇게 3가지로 구성되어 있고 단위 체적당 동력 전달 비율이 매우 큰 제품 중 하나이다. 태양기어와 행성기어의 이름은 태양 기어를 중심으로 행성기어가 공전하는 형태처럼 보여서 붙여진 이름입니다. 일반적으로 같은 크기의 기어 대비 큰 동력을 전달할 수 있고 구동축과 피동축을 동심으로 하고 다양한 감속 비를 갖고 있기에 일반 산업용 감속기부터 자동차, 항공기 등 다양한 곳에 사용되고 있습니다.

 

2) 웜 기어 감속기: 상호 간에 직각으로 교차하지 않는 2축이 존재하는 감속기로 큰 감속비의 회전을 전동 하는 데 사용되는 기어 장치이면서 나사형 웜과 이것에 맞물리는 웜 휠로 이루어져 있고 나사형 웜에 동력을 입력하여 웜 휠로 회전 토크를 출력하는 방식으로 사용됩니다. 고감속, 고출력으로 연속 동력전달에 주로 사용되고 백래시가 커 제어용으로 사용하지는 않는다.

 

3) 하모닉 감속기: 강성체의 휨을 이용하여 유성치차 물림을 원리로 하는 감속기로 기본 감속비가 크고 백래시가 거의 없어 고강성, 고출력 등 기계장치의 소형화에 유리하게 사용되고 있다. 특히 초정밀 위치기구, 다관절 로봇 등에 사용된다.

 

4) 하이브리드 감속기: 고감속, 편의성 목적 등으로 기어의 종류를 이중으로 적용한 감속기이다. 헬리컬+웜 기어, 베벨+헬리컬, 하이포오드+헬리컬, 웜 기어+유성기어 등의 조합 방식이 있다.

 이외에도 그 기능과 필요한 회전 토크의 사양이 달라지기 때문에 정말 다양한 감속기가 존재한다.