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자동차 구동의 핵심, 변속기의 모든 것
작동원리부터 끊임없는 변혁까지2015/11/10by 현대·기아

엔진과 더불어 구동의 핵심 요소인 변속기
더 성능 좋은 자동차를 위해 발전을 거듭하는 변속기의 다양한 모습을 살펴볼까요?

엔진과 함께 파워트레인을 구성하는 중요한 요소, 변속기에 대해 알아볼까요?
l 엔진과 함께 파워트레인을 구성하는 중요한 요소, 변속기에 대해 알아볼까요?



자동차 구동계의 핵심인 변속기는 엔진에서 바퀴까지 구동력을 전달해주는 역할을 합니다. 제 아무리 최고 사양의 엔진을 탑재했다고 하더라도 변속기가 뒷받침되지 않는다면 자동차는 제대로 능력 발휘를 하지 못하죠. 자동차 에너지 효율을 높이고자 꾸준히 성능을 업그레이드해온 변속기는 엔진과의 완벽한 파트너십을 위해 성장을 멈추지 않고 있습니다.



구동의 핵심, 수동변속기와 자동변속기

자동차에서 변속기의 역할은 엔진에서 발생하는 동력을 자동차의 속도에 따라 필요한 회전력으로 바꿔 바퀴에 전달하는 건데요. 즉, 엔진에서 발생하는 동력을 자동차와 주행상태에 알맞도록 엔진의 회전력을 증대시키거나 감소시켜 바퀴에 전달하는 역할을 하는 거죠. 자동차의 변속기는 클러치 페달을 밟고 운전자가 기어를 변속하는 수동변속기와 변속 레버를 ‘D’에 놓으면 자동차가 알아서 변속해주는 자동변속기로 나뉩니다. 수동변속기의 경우 사람이 직접 동력을 끊고 원하는 기어를 선택한 뒤 다시 동력을 이어주는 조작을 하는데요. 조작이 불편하지만 뛰어난 동력전달과 비교적 단순한 구조, 높은 내구성으로 변속기 원리의 기본이 됩니다. 장시간 운전에도 힘들지 않도록 가볍고 경쾌한 변속성능을 확보하는 것이 관건이죠. 한편, 자동변속기의 강점은 조작 편의성과 부드러운 승차감에 있습니다. 엔진과 변속기 사이에서 토크컨버터가 유체를 통해 힘을 전달하기 때문에 정지 상태에서도 시동을 유지할 수 있습니다. 이 때문에 별도의 클러치 조작이 필요 없으며, 부드러운 발진이 가능하다는 것이 특징이죠. 하지만 수동변속기보다 부품 수가 많고 구조가 복잡하여 동력전달의 효율이 낮으며, 부피가 크고 무겁다는 단점이 있습니다.



동력 전달에 탁월한 수동변속기

수동변속기의 변속 원리 한눈에 보기!
l 수동변속기의 변속 원리 한눈에 보기!

자동차는 일정 속도로 전진만 하는 것이 아니라 때로는 엔진의 동력전달도 끊어야 하고, 후진하려고 회전방향을 바꾸기도 합니다. 이러한 동력전달을 단속하는 장치를 클러치(Clutch)라 하며, 운전자가 클러치를 발로 조정하면서 손으로 변속 레버를 직접 조작하는 변속기를 수동변속기라 부릅니다. 동력은 플라이휠(크랭크샤프트에 장착되어 큰 중량의 관성력으로 에너지를 저장하는 역할)에서 시작해 클러치, 변속기 순으로 전달되며, 클러치가 엔진과 변속기 사이에서 동력을 연결하거나 차단합니다. 클러치 페달을 밟고 있을 때는 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크가 떨어지면서 동력을 전달하지 않습니다. 그리고 클러치 페달에서 발을 떼면 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크, 클러치 압력판이 결합하면서 엔진의 회전력을 변속기로 보내주게 됩니다.

변속기는 각 엔진의 특성에 맞게 자동차의 성능과 효율을 높이는 방향으로 발전했는데요. 수동변속기는 연비가 뛰어나다는 장점을 살리면서 조작 편의성을 키우는 새로운 변속기 탄생으로 이어졌습니다. SAT(반자동변속기: Semi Automatic Transmission)에서 AMT(자동화 수동변속기: Automated Manual Transmission) 그리고 DCT(듀얼클러치변속기: Dual Clutch Transmission)로 자동화 기술의 변천을 이뤘습니다. SAT는 클러치 페달은 없으나 기어 변경은 수동과 같은 시스템이고 AMT는 클러치 조작과 기어 변경 자동화를 통해 자동변속기와 같은 운전자 조작을 가능하게 하는 시스템입니다. 그리고 DCT는 변속할 때 2개의 클러치를 교차시키며 동력을 전달해 AMT의 단점인 변속 시 울컥거리는 현상을 보완했습니다.



수동변속기와 자동변속기의 장점을 결합한 DCT

7단 DCT는 어떻게 작동될까요?
l 7단 DCT는 어떻게 작동될까요?

전륜 7단 DCT는 수동변속기의 장점에 자동변속기의 장점을 더한 기술이라고 할 수 있습니다. 엔진의 동력을 전달받아 주행하는 자동차는 언덕길을 올라가거나 고속도로를 주행하는 등 갖가지 상황과 맞닥뜨리게 되는데요. 주행상황과 운전자의 의지에 따라 필요한 속도와 구동력이 다르므로 그에 맞게 기어를 변경하게 됩니다. 이때 DCT는 두 개의 클러치를 사용한 연속적 변속으로 부드러운 주행과 빠른 변속을 가능하게 해주죠. 또한 수동변속기 구조를 기반으로 하기 때문에 연비 및 가속 성능 또한 우수합니다.

아반떼에 7단 DCT가 탑재됐습니다
l 아반떼에 7단 DCT가 탑재됐습니다

DCT의 핵심 기술은 총 세 가지로 제어로직과 더블클러치, 액추에이터가 그 주인공인데요. 제어로직은 변속기에 지령을 내리는 두뇌 역할을 하며, 홀수 기어를 담당하는 클러치와 짝수 기어를 담당하는 클러치가 동시에 적용된 더블 클러치는 자동차의 상황에 맞게 재빨리 동력을 전환합니다. 액추에이터는 고효율 전기 모터를 적용해 기어와 클러치의 변속을 자동으로 해주는 장치죠. 즉 DCT는 더블클러치와 액추에이터를 사용해 제어로직에 의해 자동으로 변속 되는 자동화 수동변속기라고 볼 수 있습니다.

DCT 변속 과정. 전 세계적으로 DCT에 대한 요구가 커지고 있죠
l DCT 변속 과정. 전 세계적으로 DCT에 대한 요구가 커지고 있죠

현재 전 세계적으로 DCT에 대한 요구가 점점 커지는 상황인데요. DCT를 장착한 차량은 자동변속기를 탑재한 차량보다 에너지 손실이 적어 수동변속기와 동등한 수준의 연비를 구현할 수 있기 때문이죠. 현대기아차는 수동변속기 주행 특성에 익숙한 유럽 시장을 중심으로 DCT 적용을 확대하고 있으며, 더욱 우수한 DCT를 개발하기 위해 고군분투 중입니다.



자동변속기의 구성과 동력 전달

자동변속기는 수동변속기보다 복잡하게 구성되어 있습니다
l 자동변속기는 수동변속기보다 복잡하게 구성되어 있습니다

자동변속기는 엔진 회전, 차량 속도 등을 감지해 차량 부하에 따라 자동으로 변속하는 방식으로 토크컨버터, 오일펌프, 유압 클러치, 유성 기어세트, 회전 센서, 감속 기어, 밸브 바디 및 TCU로 구성되어 있습니다. 나열된 장치만 봐도 수동변속기보다 훨씬 복잡하죠? 유성 기어 시스템과 습식 다판 클러치, 브레이크의 조합으로 변속단이 구성되어있는데요. 각 변속단에 해당하는 클러치, 브레이크를 유압 시스템으로 결합하고 해제하면 연결된 유성 기어가 작동합니다. 그렇게 되면 해당 변속단과 변속비를 구현하게 되죠. 변속기 탑재 방식에 따라 전/후륜 자동변속기로 구분되는데, 자동변속기의 기본적인 구조는 같지만, 전륜 자동변속기는 엔진룸에 레이아웃을 구성하기 때문에 좌우 전장의 제약이 커 바퀴로 구동력을 전달하기 위해 다축의 구조를 사용합니다. 반면 후륜 자동변속기는 동일 축상에 부품을 구성하여 후륜 측으로 구동력을 전달합니다.



연비 개선에 한 발 더 다가간 전륜 6단 자동변속기

K3엔 6단 자동변속기가 탑재되어 있습니다
l K3엔 6단 자동변속기가 탑재되어 있습니다

변속기 개발에서 단을 하나 늘리는 것은 그리 간단하지 않습니다. 변속단이 많아질수록 유성 기어와 클러치, 브레이크 사용 개수가 증가하게 되는데요. 개수를 최소화하면서 적절한 기어비 간격을 가지는 효율적인 시스템은 한정적입니다. 수많은 경우의 수에서 최적의 조합을 찾고 특허를 확인해야 하죠. 현대기아차는 2008년 전륜 6단 자동변속기를 개발하면서 10만여 건의 특허를 개발자들이 일일이 검토했고 고유 구조 300여 건을 특허로 확보했습니다. 그 결과 기존 5단 자동변속기보다 부품 수를 줄인 변속기를 개발할 수 있었죠. 이로써 탁월한 연비 개선과 동력성능을 갖추게 된 겁니다.

그림으로 보는 자동변속기의 작동 원리
l 그림으로 보는 자동변속기의 작동 원리



멈춤 없는 자동변속기의 변혁

유가 상승과 환경 문제로 좋은 연비 차량에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 자동변속기는 연비 향상과 더불어 부드러운 변속이라는 양립된 두 가지 목표를 만족시키기 위해 다단화의 시도를 거듭하고 있습니다. 그러나 부품 수의 증가와 사이즈, 원가 등의 제한으로 현재 보편화되고 있는 6~8단 자동변속기의 단수를 계속 늘려가는 것에는 한계가 있죠. 이를 극복할 수 있는 변속기가 바로 CVT(무단변속기: Continuously Variable Transmission)입니다. CVT는 정해진 변속 범위 내에서 연속적 변속이 가능한 변속기로, 다른 변속기에 비해 많은 장점이 있습니다.

CVT가 궁금하시다면 모닝을 타보세요!
l CVT가 궁금하시다면 모닝을 타보세요!

CVT의 장점으로는 첫째, 엔진 효율이 높은 영역을 집중적으로 사용하므로 연비가 우수합니다. 둘째, 가속 성능 요구 시 엔진의 고파워 영역을 연속 사용해 가속 성능이 우수합니다. 셋째, 연속적인 변속으로 변속 충격이 없으며 변속 시 발생하는 구동력 저하 현상이 없습니다. 특히 현대기아차에서 독자 개발한 카파 엔진과 짝을 이룬 CVT에는 최신 기술인 ‘CVT+2단 자동변속기 기능’을 구현함으로써 속도 기능 향상과 연비 향상, 부드러운 주행 및 승차감을 제공하죠.

현대기아차는 현재 경소형급 CVT 개발을 완료하여 양산하고 있으며, 중형급까지 확대 적용할 수 있도록 선행 개발을 완료했습니다. 전 세계 개발 동향과 연비 규제 대응, 지역별 고객의 요구를 고려하여 CVT 탑재를 확대 추진할 예정입니다.



도움말. 조창연 책임연구원 수동변속기설계팀 이주항 책임연구원 자동변속기설계팀





▶ 현대자동차그룹 연구개발본부 간행물 '파워트레인 Tech Story'에서 발췌한 내용입니다




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