차량 변속기의 기어비와 FGR(종감속비)에 대해 설명드리겠습니다.
WHAT : FGR? 기어비?
[FGR]
변속기에는 여러 기어가 있고 각 기어마다 엔진의 회전수를 바퀴의 회전수로 변환하는 역할을 합니다. 그 마지막에 장착된 기어가 Final Gear이며, "종감속비" 라고도 부르는 FGR(Final Gear Ratio 또는 Final Drive Axle Ratio)가 바로 이 마지막 기어의 기어비 입니다.
이 기어는 하이포이드 기어(링기어와 피니언기어의 조합)로 되어있습니다.
쉽게 말해서 "종감속비가 4.000입니다." 라고 하면
링 기어(피동 기어)의 잇 개수가 피니언 기어(구동 기어)의 잇 개수보다 4.000배 많다는 뜻입니다.
그럼 회전수는 어떨까요?
잇 개수가 적은 피니언 기어(구동 기어)은 4번 돌 때, 잇 개수가 많은 링 기어(피동 기어)가 1번 돕니다.
즉 "종감속비"는 피동 기어를 돌리기 위한 구동 기어의 회전수 라고 볼 수 있습니다.
[기어비]
기어비는 다소 범용적인 용어인데요. 입력측 기어(구동, drive)의 잇수를 출력측 기어(피동, driven)의 잇수로 나눠준 것입니다.
다음 사진을 예시로 설명드리겠습니다. (왼쪽 기어가 항상 구동 기어라고 해보겠습니다.)
1A의 경우, 구동기어 잇수 : 피동기어 잇수 = 60 : 30 입니다.
- 구동 기어가 0.5바퀴만 돌아도 피동 기어가 1바퀴를 돕니다. 기어비는 0.5입니다.
2A의 경우, 구동기어 잇수 : 피동기어 잇수 = 25 : 75 입니다.
- 구동 기어가 3.0바퀴를 돌아야 피동 기어가 1바퀴를 돕니다. 기어비는 3.0입니다.
(WHO) / WHERE / WHEN : 그래서 어디에 장착되어 언제 쓰이는데요?
사실 기어가 작용하는 곳은 굉장히 많습니다.
다만 제 티스토리는 자동차에 대한 블로그이니, 자동차에 적용시켜 말씀드리면 주로 변속기에서 사용됩니다. 변속기는 엔진의 출력을 바퀴까지 전달하는 과정에서 중간에 장착되어, 엔진의 출력이 효율적으로 쓰일 수 있게끔 여러 기어의 조합으로 구성되어 있습니다.
예를 들면 멈춰 있는 자동차를 처음 구동시킬 때는, 무거운 중량의 차가 멈춰있는 관성을 이겨낼 수 있는 큰 힘(토크)이 필요하기 때문에, 높은 기어비가 필요합니다. 구동에 속하는 엔진의 고회전이, 피동에 속하는 바퀴의 저회전까지 큰 힘을 전달하는 것이죠.
반대로 고속으로 잘 달리고 있는 자동차를 계속해서 달리게 할 때는, 관성을 이겨내는 큰 힘(토크)이 아니라, 고회전수가 필요합니다. 구동에 속하는 엔진의 고회전이, 피동에 속하는 바퀴의 고회전까지, 높은 회전수를 전달하는 것이죠.
이를 자동차에선, 여러개의 단수로 구성하고 있고(1단, 2단, ... 8단...), 각 단별로 기어비를 달리한 조합으로 변속기를 구성함을 통해, 엔진의 회전수가 바퀴에서 요구되는 출력과 토크까지 충분히 전달될 수 있도록 합니다.
WHY : FGR은 왜 따로 정의되나요?
부연 설명을 짧게 하고 넘어가겠습니다.
차량의 계기판을 보신 분은 아시겠지만 엔진 회전수는 ~6000rpm, ~8000rpm 등 높습니다.
단위가 rev per minute이니, 6000rpm이라고 하면 분당 6000회전, 즉 60초당 6000회전, 즉 초당 100회전입니다.
시각화해서 생각해보겠습니다.
처음 막 구르기 시작하는 차를 볼 때 어떤가요? 바퀴가 초당 1번 정도 돌까요?
고속으로 잘 달리고 있는 차를 볼 땐 어떤가요? 바퀴가 초당 20번 정도 돌까요?
단순 계산을 위해 가정을 들어보겠습니다.
차속을 36kph라고 해보겠습니다.
36km / 1h
= 36000m / 3600s
= 10m / s
즉 초당 10m를 가는 속도입니다.
동반경(구르는 바퀴의 반지름)이 80cm인 바퀴라고 가정해보겠습니다
(좀 많이 크긴 합니다만... 계산 편의를 위해 1톤 트럭이라 생각해주시기 바랍니다.)
바퀴의 원주는 80cm * 2 * 3.14 = 502cm = 5.02m 입니다. 계산 편의를 위해 5m 라고 하겠습니다.
초당 10m 를 가려면 바퀴는 초당 2번을 돌아야 합니다.
위에서 엔진이 6000rpm일 때, 초당 100회전을 한다고 했습니다.
3000rpm이면 초당 50회전, 1000rpm이면 초당 16회전 정도 하겠습니다.
1000rpm만 하더라도 초당 16회전 도는 엔진을 초당 2회전 도는 바퀴까지 전달하려면 8배를 감속을 해야합니다.
즉 기어(변속기)는 이런 엔진의 회전수보다 2.5~20배 가까이 속도를 대폭 줄여 그 배수만큼 구동바퀴의 토크를 증가시키는 것입니다.
이 과정에서 종감속기어는, 변속기에서 감속된 기어비를 한번 더 최종적으로 감속시켜주는 역할을 합니다.
1단 기어비가 4.0이고 종감속 기어비가 3.0이라고 하면, 4.0 * 3.0을 통해 실제 바퀴는 엔진의 1/12만큼 회전하게 되는 것입니다.
왜 종감속 기어가 필요할까요?
종감속기어가 없이 변속기만으로 이를 역할하려면 변속기 크기가 몹시 커지게 됩니다.
차량의 레이아웃이 안 나오게 되거나, 효율이 몹시 떨어지게 되므로 종감속기어가 필요한 것입니다.
HOW : 기어비(종감속비) 셋팅은 어떻게 하나요?
기어비(감속비)가 높으면(저단 기어), 같은 거리를 주행하기 위한 엔진 회전이 상대적으로 많습니다.
즉 연비가 나쁘지만 구동력은 높겠죠.
기어비(감속비)가 낮으면(고단 기어), 같은 거리를 주행하기 위한 엔진 회전이 상대적으로 적습니다,
즉 연비는 좋지만 구동력은 낮습니다.
필요 구동력이 높지 않다면(엔진의 힘이 좋거나 차량이 가벼워서 엔진에서 많은 힘이 요구되지 않다면), 낮은 기어비만으로도 좋은 연비를 추구하며 차량을 굴릴 수 있게 됩니다.
기어비 계산은 다음과 같이 합니다.
1) 구동력(구동바퀴가 자동차를 추진하는 힘) = 구동토크(kg.m) / 구동바퀴의 유효반지름(m)↓
2) 구동토크(구동바퀴에 생기는 회전력) = 엔진의 축 토크↑ X 총감속비 X 전달효율↑
3) 총 감속비 = 변속단의 변속비↑X 종감속비(FGR)
- 변속비(피동기어수 / 구동기어수) > 1 : 저단
- 변속비(피동기어수 / 구동기어수) < 1 : 고단
4) 종감속비 = 엔진 플라이휠 : 바퀴회전수 비율 (링기어 잇수 / 피니언기어 잇수)
* 자동차의 구동력은 : 엔진 토크가 높을수록, 변속비가 높을수록, 전달효율이 좋을수록, 타이어의 반지름이 작을수록 커집니다.
예를 들어 차속이 100kph 일 때, 종감속비만 높여도 엔진 rpm을 더 높게 쓰게 됩니다.
기어단의 rpm 위치를 조정하지 못하지만, 전체 기어비(최종비)를 조정할 수 있으므로, 최고속을 엔진의 힘에 맞게 조정할 수 있는 것이죠.
즉 각 기어단에 대한 튜닝 없이도 종감속비 하나만으로도 엔진의 힘을 구동바퀴까지 전달하는데에 있어 자유도를 가질 수 있습니다.
다만 총 기어비가 높아질수록 엔진의 rpm으로부터 바퀴의 rpm까지 감소가 많이 되므로, 최고속도 스펙은 점점 낮아집니다.
- 종감속비가 낮아지면, 최고속도는 높아지나, 가속력과 순발력이 떨어지게 되고
- 종감속비가 높아지면, 최고속도는 낮아지나, 가속력과 응답성이 좋아지게 됩니다.