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미래의 변속기는 CVT가 될 것인가

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글 : 유일한(chepa@global-autonews.com)
승인 2018-12-14 02:12:57

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2017년 도쿄모터쇼 무대에서 변속기 전문 제조업체인 자트코의 프레젠테이션을 들은 적이 있다. 당시 자트코는 ‘앞으로 하이브리드 모델의 수요가 증가하고 연비가 최대 과제로 떠오르면서 CVT가 좀 더 주목을 받을 것’이라고 발표했었는데, CVT 전문 기업인 만큼 자신들의 세를 늘리기 위한 발표일 것이라고 짐작하고 넘긴 적이 있다. 그 때까지의 CVT라는 것이 대부분 급 가속 시 늘어지는 것 같은 반응을 보이고 직결감이 부족했다는 것도 하나의 원인이다.

 

글 : 유일한(글로벌오토뉴스 기자)

 

그런데 2018년 들어 자트코의 예언대로 시장이 흘러가고 있다는 것이 눈에 띈다. 주로 소형차에 적용하는 것으로 알려져 있던 CVT는 다운사이징과 하이브리드의 바람을 타고 이제 중형차, 준대형차까지 적용 영역을 넓히고 있다. 뿐만 아니라 그 동안 CVT 개발에 적극적이지 않았던 제조사들이 적극적으로 이 영역에 뛰어들고 있다. 변속기 공급업체뿐만 아니라 자체적으로 변속기를 제조하는 제조사들도 신규 CVT 기술 개발에 열심이다.

 

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현재 국내에서 판매하고 있는 모델들 중 CVT를 탑재하는 비율도 급격하게 증가했다. 기아 K3를 통해 처음 소개된 스마트스트림 무단변속기는 현대 아반떼에도 탑재됐다. 일찍이 SM3를 통해 CVT를 적용했던 르노삼성은 이제 QM6 전 모델과 SM6 일부 모델에도 탑재한다. 쉐보레 역시 스파크에 적용하는 C-TECH가 있으며, 말리부 페이스리프트 1.35L 모델에 자체 생산한 VT40 CVT를 탑재한다. 수입차 부문에서는 닛산이 적극적으로 CVT를 사용하고 있으며 혼다 역시 어코드 1.5L 모델에 탑재한다.

 

CVT의 구조와 개량

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CVT를 간단히 이야기하면, ‘강철 벨트가 달린 두 개의 풀리를 사용하는 자동변속기’라고 할 수 있다. 과거에는 질긴 고무 벨트를 사용한 적도 있고 현재도 저배기량 스쿠터 등 큰 토크가 필요 없는 모델에는 사용하고 있지만, 자동차의 경우에는 강철 벨트를 사용하고 있다. 엔진에서 변속기로 토크를 전달하는 ‘구동 풀리’와 변속기에서 바퀴로 토크를 전달하는 ‘종동 풀리’로 이루어졌는데, 이 두 풀리의 직경이 동시에 변하면서 기어 변속 비슷한 현상이 이루어진다.

 

장점은 변속 충격을 피할 수 있으며 부드러운 주행 감각이 제공된다는 것 그리고 연비에서 큰 이득이 있다는 것이다. 또한 일반적인 자동변속기에 비해 그 크기가 적으며 경량화도 쉽다. 단점은 벨트를 통해 토크를 전달하는 특성 상 토크가 높을 경우 벨트가 풀리에 물리지 않고 슬립하기 쉬워 고성능 모델에 적용이 어렵다는 것 그리고 시끄러우면서 응답이 느리며 헛도는 느낌이 강하게 전달된다는 것이다. 결과적으로는 재미없는 운전에 기여하게 된다.

 

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그래서 CVT를 제작할 때 이러한 단점을 적극적으로 개량하는 방식이 거론되었다. 특히 CVT 임에도 다양한 변속모드를 구현한 변속 로직을 적용하는 경우가 많아졌으며, 가상의 기어 단수 등을 설정해 인위적으로 자동변속기 또는 DCT의 느낌을 내기도 한다. 벨트 역시 과거와는 달리 구조를 개량하고 맞물리는 지점을 개선해 동력 전달 효율을 극대화하고 있으며, 변속기 자체의 내구성 역시 과거와는 비교도 안될 정도로 증가했다.

 

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현대파워텍에서 개발한 준중형 차량용 스마트스트림 CVT는 주행 조건에 따라 회전하는 풀리의 유압 세기를 자동으로 조절해 연속적인 변속기 가능하게 하는 ‘변속비 스팬 증대 풀리 시스템’을 적용해 경쟁 모델보다 고단과 저단을 통틀어 기어비 영역이 더 넓어졌다고 한다. 또한 소형급 자동차에 주로 적용하는 푸쉬 벨트 대신 최초로 적용하는 고효율의 체인벨트로 인해 전달효율이 5% 상승했다.

 

CVT의 오일을 공급하는 장치인 펌프를 베인 타입으로 바꾸어 기어펌프 대비 소음 감소와 구동토크 저감을 가져왔고 기어 회전부의 오일 유입을 최소화해 전달 효율을 약간 향상했다. 또한 CVT의 변속제어 로직을 개선해 기존 CVT보다 응답성을 향상시켰으며 매뉴얼 모드를 이용해 빠르면서도 절도 있는 변속을 구현한다. 스마트스트림 CVT는 현대기아차 내 B, C 세그먼트 차량에 탑재한다.

 

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자트코는 일찍이 XTRONIC CVT를 개발했으며 닛산과 르노삼성, 스즈키, 미쓰비시, 쉐보레에 납품 중이다. 기어비의 범위를 확장한 것은 물론 풀리 및 강철 벨트를 개선하고 자동변속기용 고성능 오일을 적용하고 있다. 전자 제어 시스템과 유압 시스템의 구성 요소를 개선해 기존 CVT보다 약 30% 빠른 속도로 변속을 진행하며, 운전자의 의도에 따라 즉각적인 반응을 제공할 뿐 아니라 자연스러운 가속감도 실현한다.

 

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토요타가 개발한 다이렉트 시프트-CVT는 기계적인 손실을 줄이면서 더 넓은 기어 범위를 갖추고 있다. 다른 CVT에는 없는 ‘런치 기어’가 핵심인데, 이를 통해 발진부터 40km/h까지를 벨트가 아닌 기어가 담당하게 해 벨트 효율이 나쁜 저속 영역을 통과하고 있다. 또한 벨트의 각도를 종래의 11°에서 9°로 줄이면서 변속 속도를 20% 가량 향상시켰고 런치 기어를 통해 풀리를 소형화 할 수 있었다. 응답성이 향상된 것은 물론 변속기 자체의 크기도 줄어드는 것이다.

 

CVT의 시장 전망은

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그렇다면 이렇게 급속하게 적용 범위가 늘고 있는 CVT는 미래에 어떻게 될까? 파워트레인 전문 기업인 FEV 그룹에 따르면, 현재의 자동차 업계는 패러다임의 가속화를 진행하고 있으며, 앞으로 10년 간의 변화가 지난 50년 간의 변화보다 클 것이라고 한다. 그 중에서 가장 큰 변화는 전동화로, 이와 관련된 기술의 단가도 감소할 것이다. 볼보는 2019년부터 순수 내연기관 자동차를 판매하지 않을 것으로 보이며, 재규어랜드로버는 2020년에 전 모델을 전동화할 예정이다.

 

고성능 모델을 주로 제작하는 애스턴 마틴도 2020년대 중반 즈음에는 동일한 길을 걸을 것이다.그 결과 미국, 유럽연합, 일본, 중국의 주요 4개 시장에서는 2025년 이후 내연기관 기반(하이브리드, PHEV 포함) 자동차의 판매량이 큰 폭으로 줄어들 것으로 보이며, 그 빈 자리를 배터리 전기차가 메꾸게 될 것으로 예측된다.

 

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미국 시장만으로 한정해 3.5T 이하 자동차들의 변속기를 살펴보면, 2020년을 기점으로 변속기에 있어 큰 변화가 일어난다. 8단 이하의 자동변속기 비율이 2030년 까지 급격하게 낮아지고, 그 자리를 9단 이상의 다단 자동변속기가 메운다. 흥미로운 점은 CVT의 시장 차지 비중인데, 2020년 까지는 수요가 꾸준히 증가해 전체 시장에서 20%를 차지하고 그 뒤로는 수치의 변동이 거의 없이 2030년까지 시장이 유지된다는 것이다.

 

그 이유를 정확하게 분석하는 것은 불가능하지만, 예측은 할 수 있다. 기본적으로는 그 때까지도 배터리 전기차의 보급이 늦으면서 상대적으로 하이브리드 또는 PHEV의 판매량이 보장되는 것이 있으며, 카쉐어링과 라이드쉐어링 그리고 자율주행 기술이 발전하는 것도 영향을 주게 될 것이다. 자율주행차에서 가장 중요한 것은 주행 성능보다는 승차감에 기반한 안락함이 될 가능성이 높고, 이 때 변속충격이 없는 CVT가 주요하다는 것이다.

 

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앞으로의 CVT는 마이크로, 마일드, 풀 하이브리드 방식의 파워트레인으로 인해 보급 영역이 넓어질 것이다. 효율을 높이기 위한 비율에 대한 연구가 지속될 것이고 가변기의 설계가 혁신적으로 변할 것이다. 또한 피드백 제어를 위한 압력, 토크 센서가 발전하게 된다. CVT의 오일 펌프는 전기 펌프와 결합해 소형화를 진행하게 될 것이고 변속기 오일 역시 저점도 오일 그리고 전용 트랙션 오일로 변화를 진행하게 될 것이다.

 

한 때 효율만을 위해 소형차와 경차에 주로 사용되고 특유의 반응으로 인해 운전의 재미를 떨어뜨리던 CVT는 전동화와 자율주행 등 자동차의 급격한 패러다임 변화를 타고 다시 주목을 받고 있다. 그 시점은 연료 효율을 극대화하고자 하는 자동차 제조사의 노력과 토요타가 하이브리드 파워트레인에 탑재하는 e-CVT가 기반이지만, 이제는 동력 전달 효율을 개선하고 운전의 재미를 찾아가며 진화하고 있다. 앞으로 또 어떤 자동차가 CVT를 탑재하게 될 지, 그 때는 다른 퍼포먼스를 보여줄 수 있을지 기대된다.
 

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