[자동차] 1-3-2. 파워트레인과 구성_변속기_자동변속기

[파워트레인의 구성]

 

 - 엔진(Engine)
 - 클러치(Clutch)
 - 변속기(Transmission)
 - 추진 축(Propeller Shaft)
 - 종감속장치(Final Reduction Gear)
 - 차동 기어(Differential Gear)
 - 액슬 축(Axle Shaft)

 

  이어서 자동변속기에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

- 자동변속기(Automatic Transmission, A/T)

  자동변속기는 기어비를 자동으로 바꾸어주는 변속기로 구조나 원리에 대해선 잘 모르더라도 우리에게 익숙한 변속기입니다. 속도에 맞춰 운전자가 직접 클러치와 기어봉을 조작하여 변속을 하는 것이 아니라 클러치와 변속기의 작동이 자동차의 속도나 부하에 따라 자동적으로 이루어 지는 장치입니다.

 

  아시다시피 조작이 굉장히 간다하다는게 최고의 장점입니다. 운행을 위해선 D단을 넣고 주행하고, 후진시 R, 주차시 P단과 중립기어인 N단을 필요에 따라서 위치시키고 액셀과 브레이크만 조작하면 되죠. 기어 변속은 변속기가 알아서 하니 주행중에 변속에 대해 신경쓸 일이 거의 없고, 클러치를 조작하던 왼발이 자유로워집니다. 이런 편리성 때문인지 과거에는 자동변속기 자체가 고급옵션이기도 했습니다. 

 

  하지만 몇 가지 단점도 가지고 있는데 이 자동변속기의 장점과 단점을 한번 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

1. 장점

  기어 변속으로부터 자유롭기 때문에 변속 실수나 조작 미숙으로 인한 엔진 정지 문제를 차단할 수 있어 안전한 운전이 가능한 것이 대표적인 장점입니다. 또 클러치 조작이 필요없어 출발이 편리하고, 저속 구동력이 크기 때문에 경사로 출발이 쉽습니다.

 

  자동변속기는 유체클러치 또는 토크컨버터가 충격 완화작용을 하기 때문에 파워트레인에 가해지는 충격이 적어서 엔진 보호에 의한 수명이 길어진다고 합니다. 이런 이유로 200톤 이상의 초고중량물 운송에 사용되는 트럭들은 모두 자동변속기를 이용하고 있다고 합니다.

 

  그리고 유체클러치나 토크컨버터는 변속기 오일로 돌아가기 때문에 기계적 마찰이 없어 클러치 마모로 인한 고장이 없습니다.

 

 

2. 단점

  엔진의 토크를 오일의 순환을 통하여 전달하기 때문에 동력 전달 효율이 마찰식 클러치에 비해 낮습니다. 이는 결국 연비로 이어지기 때문에 연비가 수동변속기보다 안좋아 지게 되는 것이죠.

 

  수동변속기에 비해 복잡한 구조를 갖기 때문에 변속기 자체의 비용도 더 비싸고 자동변속기의 미션오일은 수동변속기와 다르게 기계적 마모와 부식 방지 등을 위한 것을 포함해 토크컨버터 안에서 실제로 동력을 전달하는 역할을 하기 때문에 차량 자체의 유지비가 더 들어갈 수 있습니다. 그래서 변속기의 관리를 위해 미션오일을 교체하는 경우가 있고 제조사에서도 가혹조건 주행시에는 약 10만 km를 주기로 미션 오일 교환이 권장 되기도 합니다.

 

  그리고 급발진의 위험성이 수동변속기에 비해 더 큽니다. 사실 이 급발진의 문제에 대해선 아직까지 확실한 원인이 밝혀지지 않아 수동과 자동 중 어느 쪽이 발생 확률이 높은지에 대해서도 여전히 많은 논란이 있습니다. 그러나 지난번 포스팅에서 살펴본 것처럼 급발진 상황에서 클러치를 빠르게 밟았다 떼어 동력을 끊어 쉽게 정지할 수 있는 수동변속기에 비해 자동변속기는 동력을 끊기가 어렵기 때문에 브레이크로만 처리해야하여 상대적으로 더 위험합니다.

 

  그래도 자동변속기의 가장 큰 단점인 연비는 최근에 다단화와 락업 클러치의 개발, 개선된 변속 알고리즘 덕분에 수동변속기와 자동변속기의 연비 차이는 점점 줄어들고 있습니다.

 

  수동 변속기는 일반적으로 단수에 의해 종류를 구분하지만 자동변속기는 제어방식과 작동방식에 따라 몇 가지 종류가 있습니다. 제어 방식에 따라서 완전자동변속기, 반자동변속기, 무단변속기로 구분되고 작동방식에 따라서는 기계유압식, 전자유압식, 전자식으로 구분됩니다.

 

 

 

3. 제어방식에 따른 자동변속기의 종류

  1) 완전 자동변속기

  말 그대로 완전 자동변속기입니다. 토크컨버터를 보함해 유성 기어 장치, 각종 제어 장치가 조합된 것으로 조건에 따라 변속이 자동으로 이루어집니다.

 

  자동변속기에서 기어비는 유성 기어가 담당하고 있습니다. 이 유성기어는 선(sun)기어-유성(planetary)기어-링(ring) 기어 중에서 어떤 기어가 정지, 입력, 출력을 담당하는지에 따라 자동변속기의 기어비가 달라지게 됩니다. 이 유성기어에 대해서는 다음에 조금 더 자세히 다뤄보도록 하겠습니다.

 

 

  2) 반자동 변속기(Semi-Automatic Transmission)

  변속기 그 자체는 클러치를 포함한 수동변속기에 기반을 두지만 클러치 제어 과정을 자동화한 자동화 수동변속기의 일종입니다. 자동화 수동변속기 중에서는 가장 단순한 형태죠. 클러치 제어에 대한 부분만 자동화하여 변속 조작 그 자체는 운전자에게 맡기는 변속기입니다.

 

  반자동 변속기가 장착된 차량은 수동변속기 레버는 그대로지만 클러치 페달이 없습니다. 그리고 구조 자체는 수동변속기에 기반을 두고 있기 때문에 자동변속기 만큼의 편리하고 좋은 승차감을 기대할 수는 없지만 원하는대로 변속 시점을 조절할 수 있습니다. 또, 토크컨버터로인해 동력 손실이 있는 자동변속기와 다르게 수동변속기처럼 동력이 엔진과 바로 연결되기 때문에 손실이 적어 연비가 상대적으로 좋습니다.

 

  하지만 장점보다 단점때문에 이 반자동변속기는 그렇게 인기를 끌지는 못했습니다. 먼저 변속기는 엔진과 함께 뛰어난 내구성을 가져야하고 수리 시 수리비가 가장 많이 드는 부품에 속합니다. 그러나 애매한 기능탓인지 반자동 변속기의 내구성은 수동변속기와 자동변속기보다 못하다고 합니다. 심지어 후술 할 듀얼 클러치 변속기도 내구성이 나쁜 편인데 이 듀얼 클러치 변속기 보다도 내구성이 낮다고 합니다.

 

  반자동 변속기의 변속 조작은 사람의 손으로 이뤄지지만 클러치 동작은 전자제품의 도움을 받습니다. 그러니 아무리 ECU와 연동이 된다 하더라도 수동변속기에 익숙한 운전자가 조작하는 만큼 빠르고 효율적인 변속을 하기 어렵고 그렇다고 자동변속기처럼 변속 충격을 적게하여 부드러운 승차감을 얻기도 어렵습니다.

 

  이를 포함해 자동변속기의 기술이 발전되며 성능이 높아지고 원가가 낮아지게 되며 경제성 마저도 잃게 되었다고 합니다.

 

  이런 이유들로 반자동 변속기는 거의 사용하지 않게 되었습니다. 그리고 스포츠 드라이빙에 맞춘 차량은 듀얼 클러치 변속기 적용이 늘고 경차나 일반 승용차는 고단 자동변속기 또는 CVT를 적용하는 경우가 늘어나게 되었습니다.

 

 

 

  3) 무단 변속기(Continuously Variable Transmission, CVT)

  무단 변속기, 영문 그대로 연속 가변 변속기라고 불리는 CVT는 자동변속기의 일종으로 기어비를 자동으로 바꿔주지만 단수가 없다는 것이 특징인 변속기입니다. 1단, 2단, 3단의 단계식이 아니라 단이 연속적으로 있어서 흔히 무단 변속기라고 부릅니다.

 

  기어비의 변환을 위해 유성 기어를 사용하는 자동변속기와 달리 풀리 지름을 조절하여 다양한 기어비의 변환을 하는 CVT는 기어를 바꾸기 위해 동력을 끊고 붙이지 않기 때문에 변속 충격이 없습니다. 그리고 구조가 단순하여 고장이 적고, 넓은 기어비 범위를 구현할 수 있어 연비도 좋습니다. 또한, 크기가 작아서 공간을 작게 차지하기 때문에 다단화할 경우 변속기의 크기가 커지는 자동변속기에 비해 소형차량에 적용하기가 좋습니다.

 

  CVT는 연비는 수동변속기 급이고, 자동으로 변속되는 수동과 자동변속기의 장점을 모두 갖고 있긴 하지만 한 가지 흥미로운 점이 있습니다. 이 CVT 변속기의 효율자체는 수동변속기와 자동변속기에 비해 낮은 편입니다. 왜냐하면 동력을 전달하기 위한 벨트와 풀리의 슬립을 방지하기 위해 풀리를 유압으로 눌러 벨트를 꽉 물어주어야 하는데, 이로 인해 유압 펌프에 소요되는 동력이 상당하기 때문이라고 합니다.

 

  그런데 어떻게 연비가 좋은가하면, CVT를 사용하여 엔진을 최적효율이 발생하는 조건에 더욱 근접하게 맞출 수 있기 때문입니다. 엔진은 주행조건에 따라 최적효율이 나타나는 RPM 지점이 있는데, 기존의 다단식 변속기의 경우 이 최적효율이 나타나는 RPM을 정확하게 맞추지 못하고 그 근처에서 엔진을 돌려야 하지만 CVT는 풀리 지름을 적절하게 조절하여 최적효율의 RPM을 정확하게 맞출 수 있습니다. 따라서 변속기 자체가 효율이 좋지 않더라도 그 이상의 효율을 엔진에서 뽑아내기 때문에 전체적인 효율이 좋아지게 됩니다.

 

  대신 CVT가 장착된 차량은 운전습관과 동작조건에 영향을 많이 받는 편이라고 합니다. CVT가 적정효율을 맞출 시간이 없을 정도로 과격한 운전을 하거나 최적속도 이상으로 갈 만큼 고속주행을 하게 되면 엔진 효율마저 떨어지기 때문에 좋은 연비를 기대할 수 없는 것이죠.

 

  개발 시점은 생각보다 오래 되었지만 상용화는 느린 편입니다. 효율성보다 내구성 문제로 우리나라에서도 이슈가 되기도 했었죠. 그래서 국내에서 CVT의 이미지는 안좋은 편이지만 최근의 CVT는 여러 문제들을 상당히 개선하여 좋은 평가를 받기도 했다 합니다.

 

 

 

  4) 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT)

  DCT는 자동화 수동변속기의 하위 개념입니다. 자동화된 수동변속기에 클러치와 구동축이 2개가 있어 듀얼 클러치라고 불리는 변속기입니다.

 

  이 두개의 축은 하나의 큰 축 안에 작은 축이 내부에 있습니다. 이렇게 하나의 축을 다른 축 안에 삽입하는 기술이 DCT의 핵심기술이라고 합니다. 그리고 각 축에는 클러치가 하나씩 달려있습니다. 이 두개의 축이 한꺼번에 동력을 전달하면 안 되기 때문에 하나의 축이 연결되어 동력이 전달되게 되면 다른 축은 반드시 연결되어 있지 않아야 합니다.

 

  내부 축은 홀수단, 외부 축은 짝수단이 연결되어 홀수단에서는 내부 축과 연결된 클러치가 동력을 전달하고, 짝수단에선 외부 축에 연결된 클러치가 동력을 전달하게 됩니다. 그리고 하나의 샤프트로 합쳐져서 드라이브 샤프트로 동력을 전달합니다.

 

  이렇게 홀수단과 짝수단이 분리되어 있기 때문에 각각 교대로 연결되며 변속을 하게 됩니다. 만약 1단에서 2단으로 변속을 하는 상황이라면, 먼저 1단 기어가 연결되어 있는 상태에서 내부 축의 클러치가 떨어짐과 동시에 2단 기어가 들어가 있는 외부 축에 연결된 클러치가 케이스에 이어지며 변속이 이루어지게 됩니다.

 

  이 과정에서 여전히 1단 기어는 맞물린 상태이기 때문에 만약 다시 1단으로 돌아가고자 하면 외부 축의 클러치가 떨어지고 내부 축의 클러치가 연결되며 바로 1단으로 변속하게 됩니다.

 

  그리고 2단 상태에서 가속을 하면 3단 기어비와 겹치는 구간에 들어가게 되고, 그 전에 홀수단은 이미 3단으로 기어가 맞물린 상태에로 대기하게 됩니다. 이때 변속하게 되면 위와 똑같이 각각의 클러치가 떨어지고 연결되며 원하는 기어로 변속하게 됩니다.

 

  이렇게 2개의 변속기가 번갈아 움직이기 때문에 둘 중 하나의 클러치는 항상 엔진과 연결된 상태가 유지됩니다. 따라서 동력손실을 적게할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 그리고 자동변속을 하지만 기계적으로는 수동변속기에 더 가깝기 때문에 연비도 좋습니다. 또한, 기어비가 바뀔 때 미리 연결되어 준비하고 있다가 클러치의 이동만으로 변속되기 때문에 변속이 빠르고 부드럽습니다.

 

  하지만 클러치를 2개나 사용하고 그에 따라 필요한 부품들이 추가되어야 하기 때문에 기계적으로 단순한 기존의 수동변속기보다 상대적으로 내구성이 낮습니다. 그리고 구조가 복잡한만큼 가격도 높습니다.

 

 

  자동변속기는 이렇게 다양한 종류가 있고 운전을 편리하게 하는만큼 수동변속기에 비해 더욱 많은 발전을 이뤄온 것 같습니다. 구조나 원리를 자세하겐 모르더라도 변속기는 차량에서, 파워트레인에서 중요한 역할을 하는 만큼 자가용을 보유하고 계신 분들이라면 내 차의 변속기는 어떤 변속기를 사용하고 있는지를 파악하고 잘 관리하는 것이 중요할 것 같습니다.