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[오토저널] 듀얼 클러치 변속기 개발 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-10-15 23:00:10

본문

듀얼 클러치 변속기(Double Clutch Transmission, DCT)는 자동화 된 수동변속기이다. 건식 마찰클러치가 한 개가 아닌 두 개가 내장되어 자동으로 변속이 이뤄지면서 주행할 수 있는 변속기이다. 구조는 수동변속기와 동일하지만 변속레버 등이나 조작방법이 자동변속기와 동일하게 작동한다. 기존 수동변속기(Single Clutch Transmission, SCT)는 클러치페달이 있어 사람이 직접 클러치 페달을 밟아서 변속한다. 작동력은 기존 수동클러치와 같으며 건식 마찰클러치를 사용하는 타입인 건식 DCT와 자동변속기와 같이 유체를 사용하는 습식클러치를 사용하는 타입인 습식 DCT가 있다. 두 타입별 장단점이 있어 적용여부는 개발자의 의도가 많이 반영되어서 판단해야 한다. 최신 하이브리드 시스템 DCT(Electric Shift Gearbox, ESG)의 구조는 <그림 1>과 같이 구성되어 있는데 DCT의 작동 기능에 충전 및 출발과 정지기능을 가지고 있는 모터를 추가한 사양이다.

 

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그리고 최근 연비의 중요성과 운전자의 편리성을 동시에 만족시키는 DCT가 차량에 많이 적용되고 판매될 것으로 예상된다. 자동변속기는 토크컨버터가 장착되어 토크증배기능으로 구배주행 및 변속감등 유리한 점이 많으나 동력전달효율이 우수하여 연비 측면에서는 DCT가 유리하다.


최근 엔진성능이 크게 향상되고 터보차저 장착차량의 경우 기존 차량에서보다 DCT 장착효과를 극대화 할 수 있다고 생각된다. DCT를 개발하기 위한 기술로서 변속단 사전선택 시간제어(Preselect Time Control) 기술, 변속력 제어(Shift Force Control) 기술, 클러치 작동력제어(Clutch Force Control) 기술, 솔레노이드 밸브(Variable Force Solenoid(VFS)) 개발, 변속감 평가(Shift Quality Evaluation) 기술 및 성능 시뮬레이터(Performance Simulator) 개발 등이 필요하다. 

 

DCT 시장의 전망
최근 변속기 시장은 크게 자동변속기의 다단화와 CVT(무단변속기), DCT 등으로 나눌 수 있다. 자동변속기는 시장의 요구에 맞춰 6단 → 8단 → 10단 이상으로 다단화를 통해 연비 효율 향상을 추구하고 있으나, 계속적인 다단화 추구는 차량가격 상승 및 부품 복잡화 등의 실효성 측면에 다소 어려움이 있는 실정이다.


또한 흔히 알려진 CVT(무단변속기)는 2개의 드럼과 벨트를 이용해 변속을 연속적으로 충격없이 할 수 있다는 장점이 있다. CVT는 주로 일본 업체들이 개발 적용하고 있으며 대형차/고출력에서는 벨트 내구한계 및 용량 부족 등의 원인으로 중소형차 위주로 적용해야 한다는 한계가 있다. 이러한 요구에 맞춰 자동변속기와 수동변속기의 장점을 더한 DCT(Dual Clutch Transmission)가 차세대 변속기로 주목을 받고 있으며, 유럽의 유명 자동차 업체들을 시작으로 국내까지 확대 적용해 나가고 있다.


DCT는 수동변속기의 높은 연비 효율 및 자동 변속기의 편리함을 동시에 추구할 수 있는 변속기로 과거 유럽 업체들 위주의 개발과 유럽 차량에 국한되게 적용하고 있었으나, 근래 들어 국내 완성차 업체에서도 활발히 개발 및 적용을 추진하고 있는 변속기 중의 하나이다.

 

연비개선을 위한 변속기별 상품 주요 특성 및 과거 변속기별 시장 전망에 대한 내용을 요약하여 나타낸다면, <그림 2>와 같이 차량 추가 비용대비 연비개선 효과가 높은 것을 검토해 볼 수 있는데, 변속기 시장 기준 AT 다단화와 CVT, DCT 등이 대표적인 제품이다. 특히 DCT는 자동변속기 및 CVT 대비 우수한 응답성 및 연비개선 효과가 있다.

 

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또한 <그림 3>과 같이 과거 연도별 변속기별 시장점유율 및 향후 전망을 고려해 본다면 DCT의 시장은 앞으로 더욱 높아질 것으로 예상된다. 세계적으로 자동차 시장은 고성능 및 고효율, 친환경성에 초점이 맞춰지고 있는 만큼 DCT 기술 개발의 중요성에 대한 인식이 커지고 있고, 우수한 연비와 편리한 주행성을 제공하는 DCT에 대한 개발 투자가 많이 이뤄지고 있다. 특히 향후 글로벌 시장에서 DCT 장착 차량은 2배 가까이 점유율이 증가할 것으로 예상하고 차량 주요시장으로 꼽히는 유럽과 중국에서 경쟁력을 확보해 나가야 한다는 인식이 높아지고 있다.


DCT는 2003년 유럽 자동차 브랜드들 중심으로 적용되기 시작하였고, 국내에서는 2011년 현대자동차가 6단 DCT를 개발해 적용하여 2014년에는 7단 DCT를 탑재한 벨로스터와 i30, i40를 각각 출시했다. 특히 DCT 제어 로직을 자체 개발하고, 세계 각지의 가혹 조건에서 내구 테스트를 진행하는 등 품질 신뢰도를 확보하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 상황이다. 혼다 자동차는 2013년 말부터 독보적인 하이브리드 차량용 7속 DCT를 일본 시장에 내놓기 시작했다. 이는 연비 측면뿐만 아니라 전기자동차에 사용되는 DCT의 취약점을 질적 향상시키는데 큰 발전이 되고있다. 혼다 자동차는 2015년부터 7속 이상의 멀티스피드 DCT를 선보일 예정이며, 하이브리드 차량용 10단 DCT도 선행 개발하고 있다.


연비 및 환경의 중요성 때문에 하이브리드 전기자동차 혹은 일반 전기자동차의 증대가 예상되나 기존 내연기관인 가솔린엔진과 디젤엔진을 사용하는 차량의 연비효율 증대를 위해서는 터보차처 장착과 더불어 DCT장착이 대세로 보인다. DCT의 발전은 계속될 것이며, 향후 하이브리드 개념의 DCT도 높게 적용될 것으로 예상된다. 

건식 DCT

클러치는 내연기관 자동차에서 발생한 동력을 변속기 기어박스로 전달하기 위한 구조로서 변속 시 가속도 변화를 감소시켜 우수한 변속감을 구현해야한다. 건식 타입의 DCT 구조는 <그림 4>와 같다. DCT의 기능은 건식 마찰클러치가 한개가 아닌 두개가 내장되어 각 변속단을 순차적 변속하여 한 변속단 작동 중 차기 변속단이 작동 가능하도록 대기하는 변속구조(Preselect 메커니즘)로 변속감이 우수하고 다단화가 가능한 구조이다.


건식 DCT의 작동 원리는 기존의 수동변속기에는 하나의 클러치로서 모든 변속을 담당하였으나 이와 달리 클러치가 두개 있어 홀수 변속단(1, 3, 5, 7단)과 짝수 변속단(2, 4, 6, 8단)을 담당하는 요소에서 변속한다.

 

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1단 작동 중 짝수 클러치는 2단을 물려 대기변속 하고 있다가 2단으로 변속되어야 하는 시점에 1단이 빠지고 동시에 신속하게 2단이 물려 돌아가기 때문에 엔진이 필요없이 공회전하는 시간을 줄여주고, 그만큼의 동력손실도 줄어들게 되므로, 빠른 변속 시간과 좋은 연비를 가능하게 해 주는 변속기이다. 그리고 2단 스킵변속(Skip Shift)의 경우는 즉 4속에서 2속으로 건너뜀 변속일 경우 두 클러치를 체결 및 해방을 동시에 제어(Clutch to Clutch Control)를 통해 신속하고 부드러운 변속이 이루어진다. 단점으로는 기존 수동변속기보다 구조가 복잡하고 제조원가가 비싸다. 그리고 변속시 진동절연 효과가 뛰어난 듀얼 매스 플라이휠(Dual Mass Flywheel, DMF)을 동시에 적용하는 경우 효과적이며, 우수한 토션 댐퍼를 적용하는 것이 유리하다.


사전선택(Preselect) 메커니즘 채용을 위해서 싱크로나이저(Synchronizer) 해석 및 DCT 동력계 모델링을 통해 적절한 변속력 및 변속시간을 도출해야 한다. 변속시간이 너무 길면 동력전달과 무관한 회전 관성이 추가로 증가되고 큰 드래그토크(Drag Torque)가 발생하며, 갑작스런 변속단 변경시 동기시간이 지연되는 문제가 발생할 수 있다. 변속시간이 너무 짧으면 싱크로나이저의 손상발생 및 동기화가 이루어지지 못하는 문제가 발생할 수 있다.


습식 DCT
습식클러치를 사용하는 타입의 습식DCT는 건식 DCT와 같이 클러치를 두 개 사용하는 것은 동일하다. 자동변속기와 같은 유체클러치를 사용하지만 건식마찰 클러치와 동일한 기능을 가지고 있는 DCT이다. 습식DCT를 개발하기 위해서는 클러치 체결과 해방(Engage/Disengage) 액추에터(Actuator)의 압력해석 및 유량해석과 Variable Force Solenoid(VFS) 설계사양을 도출해야한다. 이를 오일펌프와 밸브바디를 갖춘 별도의 유압제어 시스템이 필요하다. 작동 솔레노이드밸브와 전자제어 컨트롤 유니트도 동시에 필요하다. 습식 DCT는 <그림 5>와 같은 구조이며, 두 클러치의 유압작동 상태에서와 별도의 유로제어가 필요하다. 여기도 진동절연을 위한 댐퍼 스프링도 함께 적용해야 한다.

 

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하이브리드 시스템 DCT
높은 동력전달 효율과 우수한 변속감 및 가속성능을 갖는 하이브리드 시스템 DCT도 <그림 6>과 같이 선행개발 되고 있다. 다양한 충전이 가능하고 모터의 위치 및 모터-변속기간 기어비를 설정할 수 있으며, 회생제동시 기어비에 따른 모터의 충전영역 및 효율을 결정할 수 있다. 이로 인해 구동효율과 제동에너지 회수 효율 극대화를 위한 하이브리드 DCT 설계기술 및 제어 알고리즘 개발이 필요하다. <그림 7>은 독일의 LUK의 하이브리드 시스템 DCT이며, 정상 주행중 여유동력으로 충전하는 상태이다. 여기서 스타터 알터네이터(Starter Alternator)는 하이브리드 차량과 같이 주행 중 충전 및 회생제동하는 기능이 있다.


건식과 습식 DCT 비교
건식과 습식 DCT는 클러치 작동방식이 상이하다. 건식 DCT는 기계식으로 액추에이터에 의해 작동되지만 습식DCT는 유압제어시스템이 있어 밸브바디에서 유압제어를 통해 클러치 피스톤을 작동시켜 작동한다. <그림 8>과 같이 건식 DCT는 릴리스 레버의 위치를 제어함으로써 작동하는데 작동 경로가 릴리스레버에서 릴리스 베어링의 작동 후 디스크 스프링 작동에 따라 마찰력을 발생시킨다. 습식은 유압제어에 의해 클러치 피스톤이 작동되고 그 작동력으로 마찰력을 발생시킨다.

 

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건식과 습식 DCT의 비교는 <그림 9>와 같이 독일의 LUK에서 평가한 내용으로 확인할 수 있다. 대체로 건식DCT가 양호하다는 의견이며, 특히 연비측면에서 건식DCT가 매우 유리하다. 그리고 <그림 10>은 독일의 SACHS의 비교 평가내용이다. 특이한 점은 각각의 제조사 평가 기준에 의해 상이한 결과가 나타나며, SACHS는 습식 DCT을 선호하는 편이라는 점이다.

 

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이와 같이 건식 및 습식 DCT는 각각 장단점이 있으며 부품제조회사의 관점에 따라 매우 상이하다. 최적의 DCT를 개발하기 위해서는 완성 자동차에서 엔진의 성능, 가격 및 판매 전략과 여러 각도에서 검토 후 사양을 결정해야 한다. 최근 중국 자동차시장은 터보차저와 DCT를 세트개념으로 적용하고 있으며, 이를 계기로 DCT의 장착이 급속도로 증가될것으로 예상된다.

 

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혼다의 하이브리드 차량용 DCT
혼다자동차는 2013년 말부터 독보적인 하이브리드 차량용 7속 DCT를 일본 시장에 내놓기 시작했다. 이는 연비 측면만 아니라 전기자동차에 사용되는 DCT의 취약점을 질적 향상 시키는데 큰 발전이 된다. 혼다자동차는 2015년부터 7속 이상의 멀티스피드 DCT를 선보일 예정이다. <그림 11>은 혼다자동차에서 개발중인 하이브리드 차량용 10단 DCT 개념도이다.

 

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AVL의 중장비 차량용 DCT
DCT는 도로용과 비포장도로용 중장비 차량 시장에서 출시되고 있다. 볼보(Volvo)는 새로운 파워트레인과 예측이동 시스템을 탑재하여 10% 연비 향상을 이룰 수 있었던 건식DCT를 도로용 중장비 차량 시장에 계속 출시해나갈 것이라고 발표했다. 이에 맞추어 AVL은 습식클러치 기술을 이용한 모듈 설계로 1,000~3,500Nm까지 모든 도로용과 비포장 도로용 차량을 위한 컨셉 제품을 <그림 12>와 같이 개발하고 있다.

 

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오토바이용 DCT 기술
대부분의 대형 오토바이는 수동변속기를 장착하고 있는 상황에서 혼다는 수동변속기의 스포티한 감성과 자동변속기의 편리한 조작성을 겸비한 대형 오토바이용 DCT를 개발하였다. 이러한 오토바이용 DCT의 개발을 위해 새로운 시스템배치부터 엔진 레이아웃 구성, 엔진 오일을 사용한 클러치 제어기술, 기어 변속 메커니즘 등을 새로이 적용되었다. <그림 13>은 대형 오토바이용 DCT의 변속기 레이아웃 구성을 나타내고 있고 <그림 14>는 이러한 DCT를 적용하기 위한 통합 유로 제어 시스템을 보여주고 있다.

 

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글 / 장재덕 (명지대학교) 이웅철 (한국파워트레인)
출처 / 오토저널 15년 5월호 (
http://www.ksae.org)

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