지난 2014년 12월, 독일 베를린에서 개최된 변속기 관련 세계 최대 학술행사인 13th International CTI Symposium : Transmission Expo에서 발표된 내용을 분석하여 미래형 파워트레인용 변속기 기술 동향을 예측해 보았다. 세계 유수의 변속기 전문회사(GETRAG, MAGNA, AVL, BorgWarner,BOSCH, BRAND, Continental, DAIMLER)의 CEO 및 전문가로 구성된 패널들이 “미래형 파워트레인용에 어떤 구동 시스템이 사용될 것인가? (How will the future drive system look like?)” 라는 주제로 열띤 토론을 통해 도출한 결론을 변속기 유형별로 정리해 보았다.

다단 (Mutli-Stepped) 자동변속기
향후 10년간 자동변속기 시장은 다단 변속기 개발 경쟁으로 인해 여전히 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 다단화(Multi-stepped) 추세는 다단시 가격 상승 및 구조의 복잡화로 인한 단점이 발생하므로 대부분의 전문가는 최적의 기어단수가 7~10단 사이에서 결정될 것으로 예상하고 있다.

최고단 보유 자동변속기는 완성차 및 부품제조회사의 기술력으로 평가되고 있으며, 자동변속기의 토크컨버터를 종래의 주기능을 유체클러치에서 직결클러치로 변환하여 사용함으로써 동력 손실을 최소화하고 변속단을 고단화함으로써 주행 엔진회전수를 최소화하여 연비 향상에 크게 기여하고 있다.

<그림 2>는 벤츠의 후륜구동 9속 자동변속기이며 <그림 3>은 GM의 전륜구동 6속 자동변속기이다. 최근 ZF는 전륜 구동 9속 자동변속기를 개발 출시하고 있다.

하이브리드 차량(HEV)용 변속기
대부분의 전문가들이 <그림 4>와 같이 2030년경에도 전체 차량에서 내연기관 차량(기존 변속기 또는 하이브리드 변속기 장착)의 비율이 여전히 85% 근방일 것으로 예측하고 있다. 기존 변속기의 효율을 개선하기 위한 전자화(Electrification) 또는 신개념 변속기개발이 꾸준히 이루어져 HEV 시스템의 지속적인 성장세가 가능하여 2020년경에는 하이브리드 변속기 점유율이 35% (참고 : CVT 30%, AT 20%, 기타 15%) 이상 차지하여 다단 자동변속기와 경쟁할 것으로 예상된다.

HEV 변속기의 확대 이외에도 Connected Drive, 자율 주행(Autonomous Driving), 최적제어를 통한 전자화에 의한 연비개선하는 노력도 지속될 것으로 예측되고 있다. 또한 <그림 5>와 같이 기존 자동변속기 생산라인을 활용할 수 있는 장점으로 인해 토크 컨버터(Torque Converter) 장착 위치에 전기모터(Electric Motor)를 설치한 병렬형(Parallel Type) 하이브리드 구조에 대한 제품이 지속적으로 출시되고 비틀림 진동절연, 전기모터 결합 펌프기술 개발 등이 수반될 것으로 예측된다.

전기자동차(EV)용 변속기
전기자동차는 주행거리 향상 및 추가적인 가격저감의 노력이 필요하다. 전기자동차 시장은 유럽, 중국, 일본이 주도 할 것으로 예상되며 전기자동차 기술은 유럽과 한국이 주도할 것으로 예상된다. <그림 6>과 같이 2025년에는 대부분 의 전기자동차가 2단 이상의 변속기를 장착하고 배터리 용량의 증대로 인해 3단 변속기도 부분적으로 적용될 것으로 예측 되고 있다. 기술적으로는 <그림 7>과 같이 변속기, 디퍼렌셜 등을 제거하고 인휠(In-Wheel)모터를 삽입한 직접구동(Wheel Hub Drive) 기술이 각광받을 것으로 예측된다.

하이브리드 시스템 DCT : 듀얼 클러치 변속기(DCT) 및 클러치(Clutch) 기술
수동변속기(Manaul Transmission, MT)에서 출발하여 자동변속기의 장점을 추가한 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT) 기술은 싱크로나이저(Synchonizer)의 기술 성숙으로 인해 클러치(Clutch) 기술이 각광 받을 것으로 예상된다. <그림 8>과 같은 습식 DCT는 토크 증대를 위해 건식(Dry Type) 클러치를 적용할 때 발생하는 제어 문제, 클러치 작동시스템(Actuation System) 등에 대한 연구가 활발하게 진행될 것으로 예상된다. <그림 9>는 FEV의 하이브리드 차량에 적용한 7속 DCT이다.

무단 변속기(CVT)
무단 변속기는 최적의 기어 단수 운영에 위한 연비 개선 효과 외에도 토로이달 무단변속기의 구성도는 <그림 10>과 같다. <그림 11>과 같은 무단 변속기는 플라이휠을 이용하여 에너지를 최적으로 재생하고 동력 보조가 가능하도록 변경이 가능하고 자율주행/지능형 자동차에 적합한 변속기 구조라는 장점 덕분에 구동 토크가 작은 소형차 영역에서 자동변속기 대비 경쟁력을 확보하여 점유율 30%(2025년 추정치)을 유지함으로써 자동변속기 점유율 20%(2025년 추정치)를 추월할 것으로 예상된다.

‛Zero-Impact-Emission’ 파워트레인 추세
<그림 12>와 같이 대부분의 전문가들은 환경 오염 방지를 위한 배출 가스저감을 위해 변속기 기술이 중요하다고 강조하고 있다. 재생에너지(Renewable Energy) 기반 E-mobility 기술과 재생연료(Power-to-Liquid/Gas, Biomass-to-Liquid/Gas)를 기반으로 하는 CV/HEV기술이 배출 가스 저감에 큰 공헌을 할 것으로 예상하고 있다. 이와 별도로 차량 소형화, 엔진 다운사이징, 전자화가 지속적으로 이루어질 것으로 예상되어 변속기 기술도 병행 발전할 것이다.

글 / 김기우 (경북대학교)
출처 / 오토저널 15년 5월호 (http://www.ksae.org)