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자동변속기 다단화 및 요소 기술개발 동향

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-09-25 23:26:12

본문

1. 서론
최근 자동차 산업계의 가장 큰 이슈는 친환경이다. 자동차의 배출 가스로 인한 대기 오염이 지구 온난화의 주요 원인으로 부각되고 화석 연료의 고갈 우려에 따른 유가의 꾸준한 상승이 가세하면서 각국의 정부는 배기 가스와 연비에 대한 규제를 지속적으로 강화하고 있다. 이러한 환경 규제는 앞으로 더욱 강화될 것이며(EU CO2 95g/km in 2020) 글로벌 자동차 산업에 있어서 이러한 법규를 만족해야 한다는 것은 커다란 도전이 아닐 수 없다.

글 / 박종술 (현대자동차)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 8월호

그렇다면 이러한 환경 규제를 만족시키기 위해 미래의 파워트레인은 어떻게 변화할 것
인가 하는 부분에 대해 생각할 필요가 있다. 지난 2011년 발표된 보스턴 컨설팅 그룹의 조사 결과에 따르면, 2020년이 되어도 여전히 대부분의 자동차 동력은 내연기관을 중심으로 운영될 것으로 예측하고 있으며, 순수 전기차의 비중은 1~3% 정도로 예측하고 있다.

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그림 1은 적어도 가까운 미래까지는 전통적인 내연 기관을 사용하는 파워트레인의 기술개발에 여전히 집중해야 함을 시사한다.

2. 엔진 기술 변화에 따른 변속기 다단화 개발동향
변속기(變速機)는 용어 그대로 엔진(원동기)의 속도를 변화시키는 장치이다. 그러므로 변속기 기술의 흐름을 이해하기 위해서는 엔진의 기술변화를 먼저 살펴보아야 한다.

최근 엔진 기술 동향은 CDA(Cylinder Deactivation), 다운사이징 및 다운스피드로 요약할 수 있다. 그 결과 그림 3에서와 같이 저속 토크가 증대되고 배기 가스 및 연비 향상이 이루어 지고 있다. 이러한 엔진 기술 흐름에 효과적으로 대응하기 위한 변속기 분야 기술 개발 방향은 그림 4와 같이 요약할 수 있다.

2.1 변속기 다단화
엔진의 운전영역 확대를 활용하기 위해서는 변속기에서 TOP단 기어비를 더욱 낮추어야 하며 이는 기어비 폭을 확대하는 결과를 가져오며, 확대된 기어폭을 세밀하게 제어하기 위해서는 더 많은 기어단을 제공하는 다단화 변속기의 개발이 요구되고 있다.

유성기어를 사용하는 전통적인 자동변속기에서 더 많은 기어단수를 제공하기 위해서는 표 1에 나타난 바와 같이 더 많은 유성기어와 클러치/브레이크를 추가로 사용하여야 한다. 이는 변속기 전장 및 무게증가를 동반하여 차량 탑재성 악화 및 변속기 손실 증가에 따른 변속기 전달효율 악화를 동반한다. 그러므로 제한된 탑재공간에 최소의 유성기어 및 클러치/브레이크를 추가하여, 전장 및 무게를 최소화하고 전달효율을 향상할 수 있는 새로운 변속기 레이아웃 기술이 요구된다.

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2001년 ZF 6속 AT 출시로 촉발된 자동변속기 다단화는 국제유가 급등과 친환경 엔진기술 개발방향과 맞물리면서 현재는 매우 다양한 독자의 변속기 레이아웃 기술을 기반으로 8속, 9속, 10속 등 급속하게 전세계 자동차 메이커 및 변속기 메이커를 중심으로 개발 진행되고 있다.

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다단화 효과의 가장 큰 장점은 주행조건에 따라 원하는 엔진 회전수를 제어할 수 있으며, 엔진의 다운스피딩을 가능케 한다는 점이다. 이를 통해 연비를 추가로 개선할 수 있다. 그림 7에서 알 수 있듯이 TOP단 기어비를 낮추어 엔진 회전수를 낮추면 정속연비를 5~10% 정도 개선 가능하다. 이러한 다단화 효과는 엔진의 BSFC 맵과 직접적인 연관이 있으므로 연비 개선을 위해서는 엔진 성능 변화에 최적화된 기어비 선정이 중요하다고 하겠다.

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한편 수동변속기에서의 다단화는 변속회수의 증가로 인한 운전자의 운전편의성 저하를 동반하게 되어 현재 6속과 7속을 한계로 판단하고 있다. 이는 최근의 엔진 기술 변화에 따른 변속기 다단화 흐름을 수동변속기로 구현하는 데 한계에 직면하였음을 의미한다. 이에 대한 돌파구로서 수동변속기 기반의 AMT와 DCT 개발이 유럽 메이커를 중심으로 활발히 전개되고 있다.

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한편, 일본 메이커 중심의 CVT 기술은 풀리 개선을 통해 기어비 폭을 증대하고, 북미 고객의 자동변속기 선호도를 적극적으로 반영하여, 자동변속기와 같은 6~7속의 고정 변속단을 제공하며 북미 고객이 선호하는 자동변속기 운전성을 구현하는 방향으로 전개되고 있다.

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그림 8은 2019년 전세계 변속기 시장 예측 결과이다. (IHS Automotive 2013년 1월) 그림에서 알 수 있듯이 여전히 50% 정도를 수동변속기가 차지 할 것으로 전망하며, 유럽과 중국을 중심으로 DCT 시장이 확대 될 것으로 전망하며, 일본 업체를 중심으로 북미 등에서 CVT 시장이 확대될 것으로 전망하고 있다.

3. 변속기 요소 기술개발 동향
3.1 발진장치와 댐핑시스템

변속기 요소 기술 개발동향은 전달효율 개선 측면에서 살펴보면 쉽게 이해된다. 자동변속기 효율에 가장 지배적인 요소는 발진장치인 토크컨버터이다. 토크컨버터는 유체를 이용한 발진장치로서 부드럽고 안정적인 발진기능을 제공하는 한편, 유체 손실에 기인하는 슬립에 의한 손실이 매우 큰 비효율적인 장치이다. 이런 이유로 토크컨버
터의 유체 손실을 없애고자 적용한 락업클러치(댐퍼클러치) 작동영역을 확대하는 기술 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 락업클러치를 최근에는 1,000rpm까지 낮추어 작동시키고 발진이후 모든 구간에서 작동시키려는 노력이 진행되고 있다.

이와 같은 락업 영역 확대에 따라 심각하게 고려해야 하는 문제는 최근 엔진 기술 개발 흐름상 엔진으로부터 들어오는 진동이 갈수록 커진다는 점이다. 이를 해결하고자 발진장치 내 댐핑시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.

최근에 CPA(Centrifugal Pendulum Absorber)를 장착한 DMF(Dual Mass Flywheel)와 토크컨버터 기술이 소개되고 있으며, 도요타 하이브리드 시스템에 적용된 Power-Split 방식의 발진장치 기술 개발이 진행되고 있다.

3.2 오일펌프
락업 영역이 확대된 최근의 자동변속기에 있어 효율개선의 가장 큰 요소는 오일펌프이다. 그림 10에서 알 수 있듯 오일펌프는 변속기 손실의 30~40%를 차지하며 이를 줄이기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.

오일펌프의 주요 두 가지 기능은 고압-저유량을 요구하는 클러치 시스템과 저압-고유량을 요구하는 쿨링/윤활시스템에 적절한 유량을 공급하는 것이다. 이와 같이 상반된 두 가지 기능을 하나의 펌프로 작동하는 비효율성 문제와 또한 엔진에 의해 직접 구동되는 이유로 저rpm에서 유량이 부족하고 고rpm에서 유량이 넘쳐나는 문제를 동시에 감안하여 근본적으로 해결하고자 하는 다양한 노력이 진행되고 있다.

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엔진에 의해 구동되는 소 유량의 기계식 오일펌프와 유량제어가 가능한 전동식 오일펌프를 함께 사용하는 투-펌프 시스템이 최근에 적용되고 있으며 이를 위해 밸브바디 등 유압장치의 리크 축소를 위한 기술 개발이 동반되고 있다.

3.3 저점도 오일
변속기에서의 오일은 ATF, MTF, CVTF, DCTF 등 다양한 변속기에 다양한 이름으로 불리며 사용되고 있다. 윤활, 냉각, 동력 전달, 클러치 제어 등 다양한 기능을 가지고 있으며, 특히 저온시 매우 큰 손실로서 작동하는 클러치 및 처닝 손실을 줄이기 위한 저온 저점도 오일 개발이 활발히 진행되고 있다.

3.4 기타 요소
변속기 다단화 흐름에 따라 자동변속기 손실중 클러치 손실의 비중은 사용개수 증가에 비례하여 커지고 있다. 이러한 클러치 손실을 줄이기 위해 도그 클러치(Dog Clutch)를 제한적으로 사용한 변속기가 ZF에서 개발한 9HP 9속 자동변속기이며 전장축소의 이점도 있기에 여러 메이커에서 다양한 적용이 시도되고 있다.

또한 베어링 손실을 줄인 저 마찰 베어링 적용이 추진되고 있으며, 자동변속기와 수동변속기 고유 기술간의 영역을 뛰어 넘는 융복합 기술이 개발되고 있다.

4. 결론
앞서 살펴 본 바와 같이 다가올 10년은 누구도미래를 예측하기 어려운 기술 각축 시대가 될 것이다. 저 기통, 다운사이징, 다운스피딩으로 대변되는 엔진 기술의 변화와 하이브리드를 위시한 전동모터의 도입은 이를 제어해야 할 변속기 기술 개발 관점에서는 매우 어려운 도전과제로 다가오고 있다.

다단화에 따른 담당 토크 증대, 손실 증대, 전장 증가, 무게 증가, 원가 증가 등의 근본적인 문제를 해결하고 엔진(+모터)의 속도를 최적으로 제어할 수 있는 새로운 변속기 레이아웃을 고안하고 개발하여 다가올 미래 기술 경쟁을 대비하여야 하며, 동시에 향후 15년 정도 세계시장을 주도할 기존 내연기관 중심의 파워트레인 경쟁력을 끌어 올리기 위한 변속기 구성 요소의 효율 개선을 추진해야 한다.

미래 파워트레인 경쟁력을 지배할 변속기는 기존과는 차별화된 새로운 개념을 요구하고 있다. 이러한 미래 변속기 개발은 강화되는 친환경 정책과 자동차 기술에 기대하는 다양한 고객의 니즈를 만족시키는 새로운 변속기 기능을 디자인하는 데에서부터 시작할 수 있다.
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