차량운전성평가기술-3.엑스트로닉 변속기 개발 시 차량운전성 평가 기술

서론
일반적으로 운전성이라 함은 파워트레인 즉 엔진 및 변속기 그리고 관련 구동계통의 성능에 기인하는 차량의 제반 조건에서의 동적인 성능을 의미한다. 본 자료에서는 일반적인 차량운전성 평가 항목, 개발 절차 및 평가 기술에 대해 소개하고 르노삼성자동
차가 적용하고 있는 엑스트로닉 변속기 탑재 차량의 운전성 개발 시의 주요 항목에 대해 기술하고자 한다.

글/김용기(르노삼성자동차)
츨처 : 한국자동차공학회 오토저널 2010년 4월호

차량 운전성 평가 항목
차량 운전성은 운전자가 차량을 다양한 조건, 방법으로 운전하면서 요구하는 모든 성능을 말한다. 따라서, 이에 대한 평가항목은 매우 많기 때문에 개발 단계에서 좀더 체계적으로 분석 및 개선을 위해 여러 가지 방법의 운전성능 항목의 분류 방법을 사용한다. <표 1>에서는 이와 같은 운전성 평가 항목의 구분에 관한 예를 보여 준다.

운전성 목표 설정 및 구현
르노삼성자동차는 운전성 성능을 포함한 자동차에서 요구되는 모든 성능에 대해 다음과 같이 목표 설정 및 구현을 위한“V”프로세스를 적용하고 있다. <그림 1> 과 같이 차량 개발 계획 수립 시에 차량에서 갖추어야 할 성능에 대한 명확한 목표 설정을 하고 이후 단계는 해당 성능 목표의 구현에 초점이 맞추어 진다. 따라서 운전성 평가의 가장 기본적인 목적은 해당 차량 사양에서 얻을 수 있는 성능의 한계를 명확이 예측하고 이를 근거로 한 목표 성능이 최적화 되었는지를 검증하는 것이라고 볼 수 있다.

르노삼성자동차의 경우 운전성, 연비, 배출가스, 승차감, NVH, 안전, 브레이크, 공조 성능 등 자동차에서 요구되는 모든 요구 성능에 대해 성능 파일럿(Performance Pilot) 제도를 운영하고 있다. 각 성능 파일럿의 역할은 담당 항목의 목표 성능을 달성하기 위해 관련 부문과 조율을 하는 것이 1차적인 역할이고 이를 바탕으로 각 성능들의 절충을 통하여 특정 성능에 치우치지 않는 조화로운 자동차의 개발을 구현한다.
운전성 평가 조건
<표 1>에서는 일반적으로 사용되고 있는 운전성 평가 항목을 예시하였다. 실제 각 항목의 평가는 소비자가 경험할 수 있는 다양한 조건에서 이루어진다. <표 2>의 경우 <표 1>에서 언급된 항목의 평가조건에 대한 간단한 설명이다. 즉, 판매 시장에 따라 구체적인 평가 조건은 달라질 수 있다. 평가 조건 중 판매 시장(국가)에 대한 외기온 별, 연료 편차를 고려한 냉 시동 및 운전성 평가 조건을 <그림 2>에서 보여 준다.

위와 같은 다양한 조건에 따른 운전성을 평가하기 위해 1차적으로 시험실, 시험로에서 성능을 확인하고, 최종적으로 현지 시험을 통하여 실제 운전자 조건에 따른 성능을 검증한다. 1차 평가 단계에서는 혹서지 및 혹한지 상사 시험실(Cold/Hot Chamber), 그리고 주행시험장(Proving Ground)에서 검증이 이루어진다.
시험실에서 충분한 성능이 확보되었다고 판단이 되면 실제 소비자 사용 조건인 현지 시험을 통해 성능을 검증한다. 현지 시험 장소는 일반적으로 검증을 위한 극한 조건을 갖춘 곳으로 결정한다. 예를 들어 혹서지 조건에서의 시험을 위해서는 중동, 스페인 등 고지 조건에서의 검증 시험을 위해서는 스페인, 칠레, 멕시코 등, 그리고 혹한지 조건의 검증 시험을 위해서는 스웨덴, 캐나다 등의 장소가 선정된다.

현지 검증 시험 시에는 보다 다양한 소비자 조건을 반영하기 위해, 다양한 시장 편차를 반영하는 기준 연료를 공수하여 평가하고 있으며, 특히 혹한지 시험 실시를 위해서는 시험 조건의 확보를 위하여 이동형 냉시동 시험실을 대동하기도 한다.

관능 평가 방법(Subjective Evaluation)
관능 평가라 함은 운전성 평가의 가장 기초적이면서 중요한 평가 방법으로서 실제 소비자 조건으로 운전하면서 몸으로 느끼면서 평가하는 것을 말한다. 위와 같은 단계에 의해 평가된 예는 <그림 6>과 같이 표시될 수 있다.
관능 평가는 <표 3>에서 보여지는 바와 같이 10단계 평가 기준에 따라 이루어진다. 일반적으로 하나의 차량운전성 항목 평가를 위해서는 다양한 조건에서의 상세 항목 평가를 통하여 평가 결과를 반영한다. <표 4>에서는 시동성 항목을 평가하기 위한 상세 평가 항목을 예시하였다. 특정 관능평가 점수가 4점 이하인 경우에 해당 되는 성능이 존재하는 경우에는 전면적인 설계, 튜닝, 제어로직 등의 변경이 수반되어야 한다. 중간 단계인 5점, 6점의 경우에는 대부분의 고객, 민감함 고객이 불만을 가질 수 있는 성능의 수준으로 개발 단계에서 부분적인 설계 변경, 튜닝 변경 등이 필요한 것으로 판단한다.
일반적으로 각 항목에 대해 관능평가 점수 기준 7점 이상인 경우, 대부분 고객의 요구 수준을 만족하는 것으로 판단한다. 그러나 해당 차량을 통해 소비자에게 제공하고자 하는 특정 성능을 강조하고자 하는 경우 즉 제품의 아이덴티티(product identity)를 설정하고자 하는 경우에는 목표를 상향 조정하여 개발을 하게 된다. 르노삼성자동차에서 많은 차종에 적용하고 있는 X-Tronic 변속기(CVT)의 경우 무단 변속의 장점을 최대한 고객에게 제공하기 위해 차량운전성의 기준을 7점 보다 더 높게 설정하는 것도 이런 이유에서 출발한다.
관능 평가 결과가 차량의 성능개발에 미치는 영향이 매우 크게 된다. 관능 평가의 경우 평가자의 숙달도 및 평가 능력에 따라 다른 결과가 나올 수 도 있기 때문에, 좀더 객관적인 평가 결과를 얻기 위해서는 평가자들에 대한 지속적인 능력 개발을 위해 경쟁차량들에 대한 평가, 평가자들 간의 평가 점수 조율이 지속적으로 이루어져야 한다. 그리고 객관적인 측정 결과와의 지속적인 일관성의 확보 역시 중요한 과제이다. 이를 위해 다년간 교육 및 경험을 통해 숙달된 관능 평가 전문가 그룹들을 운영하는 것이 필요하다.
객관적인 측정에 의한 평가(Objective Evaluation)
본격적인 차량 개발 착수 전에 차량의 각 성능 별 개발 목표 설정 시 관능적인 목표뿐만 아니라 객관적인 측정을 통해 평가할 수 있는 목표를 함께 제공한다. 물론 객관적인 평가 지수는 관능적인 평가 데이터 베이스를 기초로 한 정량화된 값으로 제시되어 관능적으로 느끼는 성능과 차이를 최소화하여야 한다.

<그림 7, 8>은 엔진 시동 시의 차량 진동을 정량화하고 이에 따라 평가 차량들의 점수를 도시한 예이다. 또한 <그림 9, 10>에서는 발진시의 가속 감을 정량화하여 관능적인 평가와 더불어 해당 성능을 평가한 경우와 가속 페달 조작 시의 쇼크 량을 정량화하여 평가한 예이다.
이상에서 살펴본 것 이외에도 연료 특성 별 시동 시간, 자동 변속기의 변속시간, 변속 시 쇼크, 가속 페달조작 시의 차속 별, 페달 조작 량에 따른 가속감/쇼크, 공회전시의 엔진 속도 제어 목표 등 가능한 모든 운전성 항목에 대해 적용하고자 하는 기술의 한계와 소비자 요구성능을 고려하여 차량 개발 계획 단계에서 객관적인 목표를 제시하며, 차량 개발 각 단계 별로 관능적인 평가와 더불어 객관적인 측정을 통하여 적절한 성능이 확보되었는지 평가하고, 추가 개선 필요성 여부를 판단하는 근거 자료로 사용한다.
엑스트로닉 (CVT) 탑재 차량 개발 시의 주요 항목
엑스트로닉(X-Tronic) 변속기의 핵심 구성품인 변속 풀리(Pulley) 및 기어비에 따른 풀리의 형태를 <그림 11>에서 보여 준다. 연속적으로 변속이 가능한 특성상 기존의 자동 변속기(step AT)와 비교하여 얻을 수 있는 가장 큰 장점으로는 우수한 연비와 변속의 부드러움을 들 수 있다.

엑스트로닉 변속기에서 우수한 연비를 얻을 수 있는 인자로는 연비 관점에서 <그림 12>와 같이 효율이 가장 우수한 영역을 최대한 활용할 수 있는 장점 <그림 13>에서 보이는 바와 같이 상대적으로 넓은 변속비의 구현에 따른 연비 향상, 연속적으로 변속이 이루어짐에 따라 엔진으로부터의 동력 전달 시 유체 전달 방식인 토크컨버터(Torque Converter) 대신 직결 제어클러치(Lock-up Clutch) 사용 영역을 극대화하여 사용할 수 있기 때문에 동력 전달 효율 상승 및 감속 시 연료 차단(Fuel Cut) 효과를 극대화 할 수 있기 때문이다.
그러나 이와 같은 장점과 더불어 운전성 개발 시에 유의하여야 하는 항목들도 있다. 기존의 자동변속기 운전자들이 기대하는 운전 성능의 만족, 운전자 운전성향 및 도로 경사 등을 반영한 변속 패턴의 개발이 필수 적이다. 엑스트로닉에서 제공하는 변속 패턴으로는 운전자가 연비형 운전을 행할 때 선택되는 연비형 변속 패턴, 좀더 가속을 원하는 주행을 행할 때 선택되는 일반 변속 패턴, 일반 자동 변속기와 같이 선형적인 가속감을 추구할 때 선택되는 선형 모드(기어비 고정), 최대 가속이 필요한 경우의 킥다운 패턴, 내리막 경사로(Down Hill) 주행 시 적절한 엔진 브레이크를 제공하는 다운힐 모드, 그리고 수동 변속기와 같이 다이나믹한 운전을 추구할 때 사용할 수 있는 수동 모드 등이 있다. 수동 모드를 제외한 각종 변속 패턴이 운전자의 운전 성향 및 도로 조건을 제어컴퓨터에서 계산하여 자동 선택되기 때문에 각 변속 패턴의 설정뿐 아니라 각 운전 조건에서 적절한 변속 패턴의 선택이 이루어지도록 개발하는 것이 매우 중요하다.
또 다른 중점 개발 항목으로는 실제 가속 성능과 운전자가 느끼는 가속감의 조화를 이루어야 하는 부분이 있다. 자유롭게 변속비를 구현할 수 있는 변속기의 특성상 출력이 충분한 엔진 스피드까지 먼저 변속을 시킨 후 차량을 가속 시키는 경우 실제 가속 성능은 최대화 할 수 있으나, 운전자는 상대적으로 엔진 스피드만 올라가고 차속의 상승은 더디게 느끼는 문제(Rubber Band Feeling)를 느낄 수 있기 때문에 이 부분에 대한 조율이 필요하다. 록업클러치(Lock-up Clutch)를 낮은 차속을 제외한 모든 영역에서 사용하기 때문에 수동 변속기에서 느끼는 불편함, 즉 가 감속 시 쇼크나 차량 떨림과 같은 항목도 개발 과정에서 반드시 점검 및 개선해야 할 항목이다.
도전 과제
CO2 저감 등을 포함한 친환경 자동차에 대한 사회적 요구와 소비자들의 운전성 향상 요구 등을 반영하기 위하여 다양한 기술들이 시도, 적용되고 있는 추세이다. 이러한 신기술들이 운전성에 긍정적인 영향을 미치는 경우도 있으나, 많은 경우에는 운전성과의 절충을 요구한다. 따라서 신기술 적용에 따른 운전성 관련 한계 성능이 소비자에게 미치는 영향이 어느 정도인지 객관적으로 평가하여 차량의 소비자 가치를 최적화하는 일이 과제로 남아 있다.
이미 직면하고 있고, 향후 대응해 나가야 할 신기술은 소형화 고출력 엔진, 다양한 신형 변속기의 적용, 차량 정차 중 엔진 정지 기능 적용, 전기자동차/하이브리드/대체연료와 같은 다양한 동력원의 채용에 대응하는 것 등이 있을 수 있다.
결론
실제 소비자 사용 조건, 시장 환경 조사를 통해 소비자의 목소리를 지속적으로 경청함으로써 고객이 원하는 요구성능을 정확하게 파악하고 이를 차량 개발 목표 수립 시 반영하는 것이 운전성 개발의 가장 중요한 부분이다. 또한 이들 고객의 요구 조건을 어떻게 정량화하고 기술적으로 해결하느냐 하는 것이 엔지니어링의 과제이다.
운전성 개발 담당자의 또 하나의 역할은 차량이 가져야 할 전체 성능 간의 조화이다. 상충하는 모든 고객의 요구와 기술적 요소들을 어떻게 조화시키느냐 하는 것이다.