르노삼성차 뉴 SM5에 적용된 CVT의 진 면목
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2010-01-22 07:10:11 |
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르노삼성차 뉴 SM5에 적용된 CVT의 진 면목
CVT의 채용 폭이 점차 확대되고 있다. 내연기관의 효율을 높일 수 있는 방법 중 하나가 CVT이기 때문이다. 무단변속기로 불리는 CVT는 소형차에 즐겨 사용되고 있지만 3리터 이상의 배기량에 쓰이는 것은 드물다. 하지만 닛산의 엑스트로닉은 3.5리터까지도 적용이 되고 있을 만큼 기술적으로 앞서 있다. 엑스트로닉은 현존하는 CVT 중에서 가장 높은 성능을 인정받고 있으며 르노삼성의 QM5와 뉴 SM5에도 적용되고 있다.
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
CVT는 이론상으로 가장 이상적인 변속기로 불린다. 엔진의 부하와 차량 속도에 따라 최적의 기어비로 계속 변환되기 때문에 연비가 뛰어나고 승차감 또한 좋다. 거기다 코스트도 자동과 수동의 중간 사이에 위치한다. 이런 이유 때문에 CVT의 글로벌 점유율은 2003년 1.1%에서 작년에는 2.38%까지 높아졌다.
CVT는 일찍 발명됐지만 실차 적용은 힘들었다. 벨트 또는 체인이 엔진의 토크를 견디기가 힘들었기 때문이다. 따라서 배기량이 낮은 모델에 처음으로 적용됐고 지금도 마찬가지이다.
70년대 초에 SCCA의 포뮬러 500에 잠시 쓰인 적은 있지만 양산차는 80년대부터이다. 벨트 또는 체인이 큰 토크를 견디기가 어려웠기 때문이다. 지금도 CVT의 적용은 300마력 이하이다. 그 이상의 엔진에서는 CVT 적용의 예가 없다. 따라서 엔진 토크를 견딜 정도의 벨트가 개발된 후인 80년대에야 상용화가 시작됐다. 초기 CVT는 1.3리터가 한계였고 혼다는 1.6리터, 닛산은 3리터 이상의 엔진에 처음으로 적용한바 있다.
다시 말해 가장 먼저 상용화한 메이커는 바로 닛산이고 3리터 이상의 배기량에 CVT를 적용한 것도 닛산이다. 닛산은 1992년 첫 상용화 이후 1997년 처음으로 2리터에 CVT를 적용했다. 그만큼 CVT에 대한 노하우와 기술이 최고 수준이라고 할 수 있다. CVT를 채용하는 메이커는 많지만 닛산만큼 적극적으로 실차에 적용하는 메이커는 없다.
유럽 프리미엄 브랜드 중에서는 아우디가 앞서 있다. 아우디는 멀티트로닉이라는 이름으로 CVT를 선보이고 있다. 멀티트로닉과 이전의 CVT와 다른 점은 벨트 대신 체인을 사용했다는 점이다. 대부분의 CVT는 네덜란드 DAF(Doorne Automobiel Fabriek)가 개발한 스틸 벨트를 사용했고 토크의 한계도 20kg.m 내외였다. 하지만 아우디는 스틸 재질의 체인을 개발해 토크의 용량을 30kg.m까지 대폭 올렸다. 또 기어비를 6.05:1까지 벌려 수동에 비해 연비에서도 유리하다. 다른 CVT와는 달리 구조가 훨씬 복잡한 다판 클러치를 사용해 토크의 전달도 한결 부드럽다.
닛산은 CVT의 선구자답게 진보적인 시스템을 선보이고 있다. X트로이드로 불리는 닛산의 CVT는 벨트 또는 체인 대신 두 쌍의 파워 롤러를 채용하고 있다. 각 파워 롤러는 크랭크샤프트에서 나오는 입력 디스크와 드라이브샤프트와 연결되는 출력 디스크에 연결되어 있고 롤러의 앵글에 변화를 주면서 기어비를 변환시킨다. 롤러는 전자 유압으로 작동하며 특별히 개발된 점성 오일이 마찰 저항을 줄여준다. 이 롤러는 체인 보다 높은 토크를 견딜 수 있다는 것과 변속기를 세로로 배치하는 뒷바퀴굴림 차에도 적용하다는 게 장점이다. 세드릭/글로리아의 X트로닉은 40kg.m의 토크를 받아낼 수 있다.
연비성능 향상과 이산화탄소 저감 위해 CVT 채용 폭 확대
CVT는 친환경 트렌드가 부각되면서 다시 조명을 받고 있다. 조금이라도 내연기관의 효율을 높여야 하는 상황에서 변속기가 차지하는 비중도 같이 커지고 있는 것이다. CVT가 다시 각광을 받는 이유이다.
CVT는 두 개의 풀리(인풋 풀리 & 아웃풋 풀리)가 스틸 벨트에 연결되어 있는데, 그 풀리의 유효지름을 크게 하기도 하고 작게 하기도해서 변속을 하는 시스템이다. 즉, 풀리에 벨트가 걸린 부분이 V자형으로 되어 있어 풀리의 폭을 넓게 해주면 벨트가 V자형의 홈 부분인 풀리 축의 중심 쪽으로 이동하기 때문에 벨트가 이루는 유효 지름이 작아지게 된다. 이와 같이 풀리의 유효 지름의 변화를 통해서 무한하게 변속을 하는 것이 CVT의 작동 원리이다.
CVT는 기어가 자동으로 이뤄지기 때문에 넓은 범위에서는 자동변속기라고 할 수 있다. 일반적인 자동변속기는 임의로 각 단의 기어비를 나눴지만 CVT는 정해진 범위 안에서 무한으로 기어를 바꾼다. 따라서 차량의 부하 또는 상황에 따라 언제나 최적의 기어비를 구현할 수 있고 효율이 높아지게 된다. 변속 충격이 없는 것도 장점이라고 할 수 있다.
닛산의 엑스트로닉은 이런 CVT의 장점을 극대화한 변속기이다. 출발과 정지 직전의 낮은 속도에서만 토크 컨버터로 엔진 토크가 전달되고 나머지 영역에서는 수동처럼 동력이 직접 전달된다. 또 무한대로 기어비를 제어할 수 있어 변속 시에도 록업을 해제할 필요가 없고 감속 시 연료 컷 구간을 최대한 늘릴 수 있는 뛰어난 장점이 있다. 변속 충격이 없기 때문에 승차감도 향상된다.
엑스트로닉은 가속 시의 작동에도 더욱 개선된 모습을 보인다. 운전자가 가속 페달을 밟을 경우 이 속도를 인식해 기어비의 변환을 달리하는 로직이 추가됐다. 즉 가속 페달을 급하게 밟는다고 가정할 경우 큰 힘이 필요하다고 인식해 낮은 기어비로 변환한다. 따라서 스로틀 개도에 따른 반응 시간도 더욱 개선됐다.
성능만큼 중요한 것이 연비이다. 엑스트로닉은 언제나 최적의 기어비를 구현해 엔진의 효율을 최상으로 유지한다. 일반 자동변속기의 경우 다운 시프트 혹은 업 시프트를 할 때마다 기어 변속이 반복되며 브레이킹을 할 때에도 마찬가지다. 하지만 엑스트로닉은 오르막길에서 기어 변속이 반복되지 않으며 내리막길에서는 적절한 엔진 브레이크를 통해 안정적이고 부드러운 주행이 가능하다.
엑스트로닉의 또 다른 장점 중 하나는 운전 재미를 살려주는 수동 모드이다. 수동 모드는 임의로 기어비를 나눠 보다 다이내믹한 운전을 즐길 수 있고 엔진 브레이크도 적극적으로 사용할 수 있다. 수동 모드에서는 별도의 가속 페달이나 클러치 조작 등이 없기 때문에 수동 변속기 보다 변속과 반응 자체도 빠르다.
뉴 SM5에 적용된 엑스트로닉의 경우 가속 페달에 킥 다운 스위치가 장착돼 있다. 수동 모드일 때에 킥 다운 스위치 이상으로 페달을 밟는다고 가정할 경우, 굳이 수동 조작을 하지 않아도 자동으로 다운시프트가 이뤄진다.
엑스트로닉은 닛산의 자회사인 자트코가 생산과 개발을 맡고 있다. 자트코는 최근 보다 효율이 높아진 신형 CVT를 개발했다. 이 신형 CVT는 부피와 무게가 줄어들은 한편 기어비는 더욱 늘어났다. 기존의 CVT 벨트와 보조 부품을 통합한 것이 부피가 줄어들은 주요 원인이다.
자트코에 따르면 신형 CVT의 기어비는 다른 회사의 CVT 보다 20% 이상 늘어났다. 이 때문에 순발력은 물론 크루징 시 연비가 더욱 향상됐다. 7.3:1의 기어비는 배기량이 큰 엔진에 적용되는 7단 자동의 평균 보다 높고 이는 DCT와 수동을 제외한다면 세계에서 가장 높은 기어비이다.
기어비의 폭이 늘어났지만 전장은 10%, 무게는 13% 감소한 것도 빼놓을 수 없는 장점이다. 거기다 오르막이나 내리막, 발진 가속 시 최적의 기어비를 빠르게 찾아내는 ASC(Adaptive Shift Control) 기능도 추가됐다.
다단 자동변속기와 CVT는 사용 환경에 따라 효율성에 차이가 있는 것으로 보고되고 있다. 정체가 심한 지역에서는 CVT가 유리하고 정속 주행이 보장되는 도로에서는 다단 변속기의 효율성이 더 좋다는 것이다.
CVT의 채용 폭이 점차 확대되고 있다. 내연기관의 효율을 높일 수 있는 방법 중 하나가 CVT이기 때문이다. 무단변속기로 불리는 CVT는 소형차에 즐겨 사용되고 있지만 3리터 이상의 배기량에 쓰이는 것은 드물다. 하지만 닛산의 엑스트로닉은 3.5리터까지도 적용이 되고 있을 만큼 기술적으로 앞서 있다. 엑스트로닉은 현존하는 CVT 중에서 가장 높은 성능을 인정받고 있으며 르노삼성의 QM5와 뉴 SM5에도 적용되고 있다.
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
CVT는 이론상으로 가장 이상적인 변속기로 불린다. 엔진의 부하와 차량 속도에 따라 최적의 기어비로 계속 변환되기 때문에 연비가 뛰어나고 승차감 또한 좋다. 거기다 코스트도 자동과 수동의 중간 사이에 위치한다. 이런 이유 때문에 CVT의 글로벌 점유율은 2003년 1.1%에서 작년에는 2.38%까지 높아졌다.
CVT는 일찍 발명됐지만 실차 적용은 힘들었다. 벨트 또는 체인이 엔진의 토크를 견디기가 힘들었기 때문이다. 따라서 배기량이 낮은 모델에 처음으로 적용됐고 지금도 마찬가지이다.
70년대 초에 SCCA의 포뮬러 500에 잠시 쓰인 적은 있지만 양산차는 80년대부터이다. 벨트 또는 체인이 큰 토크를 견디기가 어려웠기 때문이다. 지금도 CVT의 적용은 300마력 이하이다. 그 이상의 엔진에서는 CVT 적용의 예가 없다. 따라서 엔진 토크를 견딜 정도의 벨트가 개발된 후인 80년대에야 상용화가 시작됐다. 초기 CVT는 1.3리터가 한계였고 혼다는 1.6리터, 닛산은 3리터 이상의 엔진에 처음으로 적용한바 있다.
다시 말해 가장 먼저 상용화한 메이커는 바로 닛산이고 3리터 이상의 배기량에 CVT를 적용한 것도 닛산이다. 닛산은 1992년 첫 상용화 이후 1997년 처음으로 2리터에 CVT를 적용했다. 그만큼 CVT에 대한 노하우와 기술이 최고 수준이라고 할 수 있다. CVT를 채용하는 메이커는 많지만 닛산만큼 적극적으로 실차에 적용하는 메이커는 없다.
유럽 프리미엄 브랜드 중에서는 아우디가 앞서 있다. 아우디는 멀티트로닉이라는 이름으로 CVT를 선보이고 있다. 멀티트로닉과 이전의 CVT와 다른 점은 벨트 대신 체인을 사용했다는 점이다. 대부분의 CVT는 네덜란드 DAF(Doorne Automobiel Fabriek)가 개발한 스틸 벨트를 사용했고 토크의 한계도 20kg.m 내외였다. 하지만 아우디는 스틸 재질의 체인을 개발해 토크의 용량을 30kg.m까지 대폭 올렸다. 또 기어비를 6.05:1까지 벌려 수동에 비해 연비에서도 유리하다. 다른 CVT와는 달리 구조가 훨씬 복잡한 다판 클러치를 사용해 토크의 전달도 한결 부드럽다.
닛산은 CVT의 선구자답게 진보적인 시스템을 선보이고 있다. X트로이드로 불리는 닛산의 CVT는 벨트 또는 체인 대신 두 쌍의 파워 롤러를 채용하고 있다. 각 파워 롤러는 크랭크샤프트에서 나오는 입력 디스크와 드라이브샤프트와 연결되는 출력 디스크에 연결되어 있고 롤러의 앵글에 변화를 주면서 기어비를 변환시킨다. 롤러는 전자 유압으로 작동하며 특별히 개발된 점성 오일이 마찰 저항을 줄여준다. 이 롤러는 체인 보다 높은 토크를 견딜 수 있다는 것과 변속기를 세로로 배치하는 뒷바퀴굴림 차에도 적용하다는 게 장점이다. 세드릭/글로리아의 X트로닉은 40kg.m의 토크를 받아낼 수 있다.
연비성능 향상과 이산화탄소 저감 위해 CVT 채용 폭 확대
CVT는 친환경 트렌드가 부각되면서 다시 조명을 받고 있다. 조금이라도 내연기관의 효율을 높여야 하는 상황에서 변속기가 차지하는 비중도 같이 커지고 있는 것이다. CVT가 다시 각광을 받는 이유이다.
CVT는 두 개의 풀리(인풋 풀리 & 아웃풋 풀리)가 스틸 벨트에 연결되어 있는데, 그 풀리의 유효지름을 크게 하기도 하고 작게 하기도해서 변속을 하는 시스템이다. 즉, 풀리에 벨트가 걸린 부분이 V자형으로 되어 있어 풀리의 폭을 넓게 해주면 벨트가 V자형의 홈 부분인 풀리 축의 중심 쪽으로 이동하기 때문에 벨트가 이루는 유효 지름이 작아지게 된다. 이와 같이 풀리의 유효 지름의 변화를 통해서 무한하게 변속을 하는 것이 CVT의 작동 원리이다.
CVT는 기어가 자동으로 이뤄지기 때문에 넓은 범위에서는 자동변속기라고 할 수 있다. 일반적인 자동변속기는 임의로 각 단의 기어비를 나눴지만 CVT는 정해진 범위 안에서 무한으로 기어를 바꾼다. 따라서 차량의 부하 또는 상황에 따라 언제나 최적의 기어비를 구현할 수 있고 효율이 높아지게 된다. 변속 충격이 없는 것도 장점이라고 할 수 있다.
닛산의 엑스트로닉은 이런 CVT의 장점을 극대화한 변속기이다. 출발과 정지 직전의 낮은 속도에서만 토크 컨버터로 엔진 토크가 전달되고 나머지 영역에서는 수동처럼 동력이 직접 전달된다. 또 무한대로 기어비를 제어할 수 있어 변속 시에도 록업을 해제할 필요가 없고 감속 시 연료 컷 구간을 최대한 늘릴 수 있는 뛰어난 장점이 있다. 변속 충격이 없기 때문에 승차감도 향상된다.
엑스트로닉은 가속 시의 작동에도 더욱 개선된 모습을 보인다. 운전자가 가속 페달을 밟을 경우 이 속도를 인식해 기어비의 변환을 달리하는 로직이 추가됐다. 즉 가속 페달을 급하게 밟는다고 가정할 경우 큰 힘이 필요하다고 인식해 낮은 기어비로 변환한다. 따라서 스로틀 개도에 따른 반응 시간도 더욱 개선됐다.
성능만큼 중요한 것이 연비이다. 엑스트로닉은 언제나 최적의 기어비를 구현해 엔진의 효율을 최상으로 유지한다. 일반 자동변속기의 경우 다운 시프트 혹은 업 시프트를 할 때마다 기어 변속이 반복되며 브레이킹을 할 때에도 마찬가지다. 하지만 엑스트로닉은 오르막길에서 기어 변속이 반복되지 않으며 내리막길에서는 적절한 엔진 브레이크를 통해 안정적이고 부드러운 주행이 가능하다.
엑스트로닉의 또 다른 장점 중 하나는 운전 재미를 살려주는 수동 모드이다. 수동 모드는 임의로 기어비를 나눠 보다 다이내믹한 운전을 즐길 수 있고 엔진 브레이크도 적극적으로 사용할 수 있다. 수동 모드에서는 별도의 가속 페달이나 클러치 조작 등이 없기 때문에 수동 변속기 보다 변속과 반응 자체도 빠르다.
뉴 SM5에 적용된 엑스트로닉의 경우 가속 페달에 킥 다운 스위치가 장착돼 있다. 수동 모드일 때에 킥 다운 스위치 이상으로 페달을 밟는다고 가정할 경우, 굳이 수동 조작을 하지 않아도 자동으로 다운시프트가 이뤄진다.
엑스트로닉은 닛산의 자회사인 자트코가 생산과 개발을 맡고 있다. 자트코는 최근 보다 효율이 높아진 신형 CVT를 개발했다. 이 신형 CVT는 부피와 무게가 줄어들은 한편 기어비는 더욱 늘어났다. 기존의 CVT 벨트와 보조 부품을 통합한 것이 부피가 줄어들은 주요 원인이다.
자트코에 따르면 신형 CVT의 기어비는 다른 회사의 CVT 보다 20% 이상 늘어났다. 이 때문에 순발력은 물론 크루징 시 연비가 더욱 향상됐다. 7.3:1의 기어비는 배기량이 큰 엔진에 적용되는 7단 자동의 평균 보다 높고 이는 DCT와 수동을 제외한다면 세계에서 가장 높은 기어비이다.
기어비의 폭이 늘어났지만 전장은 10%, 무게는 13% 감소한 것도 빼놓을 수 없는 장점이다. 거기다 오르막이나 내리막, 발진 가속 시 최적의 기어비를 빠르게 찾아내는 ASC(Adaptive Shift Control) 기능도 추가됐다.
다단 자동변속기와 CVT는 사용 환경에 따라 효율성에 차이가 있는 것으로 보고되고 있다. 정체가 심한 지역에서는 CVT가 유리하고 정속 주행이 보장되는 도로에서는 다단 변속기의 효율성이 더 좋다는 것이다.
