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[오토저널] 연비 개선을 위한 변속기 기술 개발 현황

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2015-11-10 11:36:43

본문

최근 자동차 산업계는 지역별로 강화되는 연비 규제에 대응하기 위한 연비 개선 기술 개발에 몰두하고 있다. 미국, 유럽 등 대부분의 국가에서 2015년 대비 2020년까지 23~31% 강화된 규제를 실시할 예정이며, 연비 인증 시험에 있어 미국 EPA는 실운전 조건을 반영하여 종래의 도심/고속도로 사이클에 고속/에어컨디셔닝/냉온 사이클을 추가한 5-사이클을 도입하였고, 한편 유럽 중심으로 종래의 NEDC(New European Driving Cycle)에서 전세계 5개 권역별 실도로 특성을 분석, 반영한 WLTC(Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle)이 제안되어 시행을 앞두고 있다.

 

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2020년이 되어도 여전히 대부분의 자동차 동력은 내연기관을 중심으로 운영될 것임으로 전통적인 내연 기관을 사용하는 파워트레인의 기술 개발에 여전히 집중해야 한다. 이를 대응하기 위해 자동차 업체에서는 엔진, 변속기의 파워트레인 기술부터 차량 경량화를 포함한 차량 전 영역까지 연비 개선을 위한 새로운 기술 발굴에 노력을 경주하고 있다.


특히 변속기는 그 제어대상이 되는 엔진의 다운사이징, 다운스피딩 등의 기술 개발 결과로 나타나는 저속 토크 증대,BSF(Brake Specific Fuel Consumption) 최적 운전영역 확대 및 입력축 진동 악화와 연비 인증 사이클 강화 및 변경에 동시에 대응해야 하는 매우 과도기적인 시기를 맞이하고 있다.


연비 개선을 위한 변속기 기술
연비 개선을 위한 변속기 주요 기술은 다음과 같이 크게 2개 방향으로 규정할 수 있다.


- 차량 운전효율 개선
- 구동계 손실 저감


변속기 서브시스템 관점에서 살펴보면 <그림 2>와 같이 정리할 수 있다.

 

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차량 운전 효율 개선 변속기 기술


• 변속기 기어비 스팬 확대
차량 운전 사이클에서 엔진의 최적 운전점을 많이 사용하기 위한 기술은 적절한 기어비 스팬(1단과 TOP단 기어비 비율)과 단수로 대표되며, 최근에는 연비 개선을 위해 기어비스팬을 증대하고 있으며 이는 MT(수동변속기), AT(다단 자동변속기), DCT(더블클러치변속기), CVT(무단변속기) 등 변속기 구조에 상관없이 추구하는 기술 방향이다. <표 1>에서 알 수 있듯 좀 더 적극적인 기어비 스팬 증대를 위해 다단화를 추구하는 기술과 양산하고 있는 변속기의 단수 증가 없이 기어비 스팬을 증대하는 기술 개발이 추진되고 있다.

 

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연비 인증 사이클에 있어 모드 운전 가속도가 증대될수록 엔진의 저속, 고토크 운전영역 비중이 증대되며, 자연흡기엔진은 TOP단 기어비 저감에 따른 연비 개선이 크게 나타나고, BSFC 운전영역이 하향되어있는 과급엔진은 기어비 저감효과가 반감되어 나타난다. 향후 엔진 BSFC 최적운전영역이 더욱 하향할 경우, 변속기 기어비 스팬 증대에 의한 연비 개선 효과가 사라져 변속기 다단화는 8~9단을 한계로 전개될 것으로 전망된다.


한편 수동변속기는 WLTC이 도입되면 기어비 스팬 증대에 따른 다단화 효과가 나타남으로 6~7단 이상의 다단화 변속기 출시도 전망되고 있다.

 

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수동 변속기의 다단화는 변속회수의 증가로 인한 운전편의성 저하를 동반하게 되며 이에 대한 돌파구로서 수동변속기 기반의 DCT 개발이 유럽업체를 중심으로 활발히 전개되고 있으며, 최근에는 과급엔진 및 디젤엔진의 고토크 특성을 적극 활용하고 발진 및 변속특성이 우수한 습식 DCT 시장이 빠르게 성장하고 있다.


한편, 일본업체 중심의 CVT 기술은 풀리 개선을 통해 기어비 폭을 증대하고, 북미 고객이 선호하는 차량과 엔진의 선형 가속성으로 대표되는 자동변속기 운전성을 구현함으로써 미국 시장을 빠르게 넓히고 있으며, 미국업체 또한 중소형차량을 중심으로 CVT 탑재를 추진중이다. CVT는 풀리-벨트간의 마찰 손실 및 고유압 사용에 따른 유압 손실에도 불구하고 최적의 엔진 운전점 제어를 통해 연비 개선을 이끌어 내고 있다.

 

구동계 손실 저감 변속기 기술


• 발진장치와 댐핑시스템


자동변속기 효율을 가장 크게 지배하는 토크컨버터는 유체를 이용한 발진장치로서 부드럽고 안정적인 발진기능을 제공하는 한편, 유체 손실이 매우 큰 비효율적인 장치이다. 이런 이유로 발진이후 모든 변속단에서 락업클러치(댐퍼클러치) 작동영역을 확대하는 기술 개발이 지속적으로 진행되고 있다.


한편 최근 엔진의 저속 고토크 영역 확대에 따라 차량 운전조건에서의 엔진 진동은 갈수록 커지고 있으며, 변속기의 락업영역 확대 방향은 악화된 엔진 진동을 그대로 차체에 전달하는 문제를 야기한다. 이러한 근본적인 엔진 진동 특성을 감쇠하기 위한 CPA(Centrifugal Pendulum Absorber) 기술을 적용한 DMF(Dual Mass Flywheel) 와 토크컨버터 장착 차량이 유럽업체를 중심으로 확대되고 있다.


• 제어시스템


락업 영역이 확대된 최근의 자동변속기에 있어 효율개선의 가장 큰 요소는 오일펌프이다. <표 2>에서 알 수 있듯이 모터제어 건식 DCT를 제외하고 대부분의 자동변속기는 유압제어를 수행하고 있다.

 

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유압제어를 사용하는 변속기의 주요 손실 요소인 오일펌프는 고압-저유량을 요구하는 클러치 시스템과 저압-고유량을 요구하는 쿨링/윤활시스템에 적절한 유량을 공급해야 한다. 이와 같이 상반된 두 가지 기능을 하나의 펌프로 작동하는 비효율성 문제를 해결하고자 엔진에 의해 구동되는 소용량 기계식 오일펌프와 유량제어가 가능한 전동식 오일펌프를 함께 사용하는 투-펌프 시스템(2-pump)이 최근에 적용되고 있으며, 또한 밸브바디 등 유압장치의 리크 축소를 통한 펌프 소형화 기술 개발이 추진되고 있다.


• 저점도 오일


변속기에서의 오일은 윤활, 냉각, 동력 전달, 클러치 유압 제어 등 다양한 목적을 위하여 변속기 구조에 상관없이 사용되고 있다. 오일펌프를 사용하는 경우, 등/강판, 좌/우선회시 공기 흡입이 되지 않도록 충분한 오일량을 주입해야 하며, 오일량 저감을 위한 저온시 오일 순환성 개선 및 케이스 형상 최적화가 중요하다. 특히 저온시 매우 큰 손실로 작동하는 오일펌프 구동손실과 클러치 슬립 손실을 줄이기 위한 저온 저점도 오일 개발이 활발히 진행되고 있다.


• 기타 요소


변속기 다단화 흐름에 따라 자동변속기 손실중 클러치 손실의 비중은 클러치 사용개수 증가에 비례하여 커지고 있다. 이러한 클러치 손실을 줄이기 위해 도그 클러치(Dog Clutch) 를 사용하거나 마찰 디스크 사이에 세퍼레이팅 스프링을 사용하기도 한다.

 

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또한 베어링 손실을 줄인 저마찰 베어링, 볼베어링 적용이 확대되고 있으며, 자동변속기와 수동변속기 고유 기술간의 영역을 뛰어 넘는 융복합 기술이 개발되고 있다.
지역별 변속기 시장 전망 이상과 같은 연비 개선을 위한 변속기 기술은 지역별 운전 특성 및 고객 운전성향에 의해 선호되는 다양한 변속기 구조에 따라 그 특성에 맞게 개발되고 있다. <표3>은 지역별로 선호되는 변속기를 나타내고 있다.

 

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유럽시장은 기존의 MT시장을 기반으로 DCT 시장이 빠르게 커지고 있으며, 특히 습식 DCT의 시장 확대가 예상되고 있으며 중국시장은 MT에서 AT, DCT, CVT로의 자동화 변속기 흐름이 빠르게 나타나고 있다. 미국시장은 AT의 8속이상 다단화 전환이 빠르게 진행되고 있으며 CVT 확대가 예상되고 있다. 지역별 변속기 특화 전략이 중요하다고 하겠다.

 

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이상에서 살펴 본 바와 같이 다가올 10년은 1) 연비 규제 강화 2) 인증 사이클 강화 및 변경 3) 엔진 다운사이징 4) 실용성능 강화 등 변속기 주변 환경이 급격히 변화되는 시기이다. 미래 변속기 경쟁력을 확보하기 위해서는 지역별 운전 사이클 특성에 부합하는 변속기 구조를 선정하고, 차량 운전효율 극대화를 위한 기어비 스팬 확대 및 변속기 구성요소의 효율 개선을 추진해야 한다. 또한 신흥시장에서 70~80%를 지배하는 MT 기반 저가화 기술 개발과 모터 적용이 확대되는 전동화 기술 개발도 병행하여 추진해야 한다. 

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

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