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자동변속기의 시작과 그 진화 과정

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2005-01-22 11:50:34

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자동변속기의 시작과 그 진화 과정

클러치를 밟고 시프트 레버를 움직여 1단에...... 그리고 액셀러레이터 페달을 밟아 클러치 미트, 라고 하는 자동차의 기초적인 주행방법이 바뀌었다. 시대는 2페달로 되고 일부 스포츠 모델과 염가판 모델에만 수동변속기가 사용되는 시대가 되어가고 있다. 면허시험도 AT를 별도로 볼 수 있고 더 쉽기 때문에 아예 수동변속기는 배우지 않는 경우도 생겨나고 있다. 이번호에는 오토매틱의 역사를 더듬어 본다.

오토매틱 트랜스미션(이하 AT)은 승용차에 있어 이제는 없어서는 안될 시스템이다. 장착률은 차종에 따라 다르지만 100%에 이르는 것도 있다. 나라별로도 미국이 승용차의 95% 이상이 AT를 장착하고 출시되며 일본이 85%를 넘어섰다. 우리나라도 IMF 당시 약간 주춤하긴 했었지만 60%를 넘어섰다. 프랑스의 3%, 독일의 15%라는 수치와는 대조적이기는 하지만 어쨌든 오늘날 AT의 위력은 가히 폭발적이다.
운전의 용이성 때문인데 이는 자동차의 탄생 이래 추구되어 온 중요한 주제였는데 그에 대한 접근도 수없이 다양했다. 우리들은 AT라고 하면 우선 토크 컨버터를 사용한 시스템이 떠오르는데 그 외에도 다양한 방법이 병존한다.

그런데 AT는 원래 승용차만의 것은 아니다. 선박, 공업기계, 토목건설기계, 그리고 디젤기관차 등 다양한 타입의 AT가 사용되고 있다. 승용차의 AT는 그러한 다른 공업분야에 사용되고 있던 것을 전용했다고 하는 경우도 드물지 않다.

AT에는 몇가지의 타입이 있다. 그 제1이 자동화한 클러치와 기어박스를 조합시킨 것, 유압과 기계 병용의 시스템, 유체정력학적 원리를 이용한 것, 전기식 트랜스미션, 마찰식 드라이브, 그리고 벨트 자동변속기(CVT)등이 일반적인 토크 컨버터 타입 이외의 것들이다.
지금까지 각종 발명품들이 그래왔듯이 AT의 역사도 자동차 역사의 초창기까지 거슬러 올라간다.

승용차만을 대상으로 한 AT의 제 1호는 영국의 란체스터 차의 프리 셀렉터 기어박스이다. 영국 최초의 가솔린 4륜차(1896년)을 만든 프레드, 조지, 프랑크의 란체스터 3형제 중 프레드는 아주 독창적인 기술자였는데 그는 그의 3호차를 위해 복합형 유성치차 세트를 가잔 3연 풀리(사전)셀렉터식 기어박스를 설계했다.

이 시스템은 1900년에 발매된 10마력형에 채용되어 호평을 받았다. 초기의 자동차에서는 기어체인지는 일종의 예술가적인 면을 필요로 했기 때문에 당연히 그랬을 것 같다.
20세기 초에는 이외에도 몇가지의 AT에 대한 실험이 있었다. 아주 잘 알려진 것으로 프랑스의 루이 르노도 1907년에 유체정력학적 방식의 AT 특허를 획득했다. 이는 입력 샤프트의 유압 펌프의 압력을 출력 샤프트의 모터에 경사판을 이용해 전달하는 방식이다. 이것은 공작상의 문제 등이 있어 실용화에는 이르지 못했으나 후에 이 시스템은 트랙터와 배토기에는 필수적인 것이 되었다.

마찰 드라이브식의 무단변속 시스템도 몇가지의 시험이 자동차역사 초창기에 이루어졌다. 이것은 두 개의 원반의 회전속도의 비율, 즉 변속비는 그 접점과 구동원반의 중심점의 거리에 따라 무단으로 변속한다.
이 시스템은 극히 심플한 것으로 1900년 미국 루이스차에 채용되었다. 그 피구동 원반에는종이를 눌러 고정시킨 것이 사용되었다.

유체 토크 컨버터는
처음에는 선박용이었다.

미국에서는 이어서 데이비스 기어레스(1906년)가 데뷔했는데 가장 호평을 받았던 것은 영국의 GWK(1901년)였다. 하지만 이 시스템은 경량의 사이클카에는 적용 가능했지만 대형차에는 무리가 커 실용화되지 않았다.

피스톤형 증기기관차의 시대에는 동력 전달에 관해 곤란하지 않았지만 19세기 후반에 증기 터빈이 선박 원동기의 주류로 되자 고속회전의 터빈 감속이 문제가 되었다. 이 때문에 특히 군함에서는 전동기를 조합시켜 무단변속을 하는 시스템이 개발되었다. 그리고 그것을 승용차에 전용한 것이 미국의 오웬 마그네틱차(1914년, 후에 크라운 마그네틱)였다. ‘1000단 변속의 자동차’라는 캐치프레이즈를 모토로 발매된 것으로 고가에다가 너무 무거워 성공작이라고 하기에는 어려웠다.

통상의 클러치와 기어박스를 자동화하는 방식으로서 전자 클러치 타입의 세미 오토매틱 트랜스미션이 있다. 이 중에서 프랑스의 코탈식이 잘 알려져 있는데 이것은 전자 밴드를 사용해 유성기어의 시프트를 하는 것으로 프랑스의 탈보 등에 채용되었다.
미국의 GM에서는 1938년 뷰익과 올즈모빌에 아주 정교한 전기계 작동의 4단 세미 오토매틱 기어박스를 옵션으로 장비했다. 이것은 극히 진보적인 것이었는데 클러치의 컨트롤은 오늘날과 비교해도 아주 복잡한 것이었다. 그 결점을 보완하기 위해 채용된 것이 토크 컨버터다.

유체계수라 하는 이 시스템은 원래는 선박용으로 고안된 것이다. 그리고 토크의 증폭을 행하는 토크 컨버터의 발명은 1904년으로 꾀 오래전 일이다. 고안자는 독일의 페팅거. 이것은 우선 선박, 산업기계의 분야에서 실용화가 이루어졌다.

오늘날 가장 일반적인 토크 컨버터 AT의 원조라고 하면 GM의 하이드라매틱으로 1940년 올즈모빌에 옵션으로 장착되어 크게 히트했다.
하지만 기계식 클러치도 사용하지 않을 수 없었다. 그것과 전자 작동방식이 조합되면 더욱 효율 높은 시스템이 가능하게 되기 때문이다. 영국 포드는 70년대에 들어 페라리사와 협력해 전자제어의 세미 오토매틱 기어박스를 개발했다. 페라리는 그것을 레이싱카에 채용할 의도였다. 이것이 시판차에서는 페라리 355 F1과 알파로메오의 알파 156셀레스피드에 채용된 세미 AT의 원류라고도 할 수 있다.

AT로서 또 다른 흐름으로 벨트 자동변속 시스템, 즉 CVT가 있다. GM에서도 2차 대전 전 V 벨트와 풀리를 조합시킨 방식의 개발이 진행되었으나 하이드라매틱이 급속히 보급되자 개발을 중단했다.
하지만 네델란드의 후베르타스 폰 도르네는 독자적인 시스템을 만들어 네델란드의 DAF차에 실용화에 성공했다(1958년, 바리오매틱 트랜스미션).
폰 도르네는 그 후에도 연구를 거듭해 트랜스매틱 시스템을 완성했다. 특수한 금속 벨트는 8,000rpm에도 견디고 풀리의 컨트롤은 유압으로 해 소형화에도 성공했다.
이지 드라이브에의 시험은 수없이 행해졌으나 지금까지 남아있는 것은 토크 컨버터와 CVT두 가지 뿐이다.
최근에는 자동변속기를 기반으로 수동모드를 추가한 방식과 수동변속시를 기반으로 자동모드를 추가한 소위 2페달 방식이 각광을 받고 있다. 이에 대한 내용은 별도로 다루기로 한다.
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