일반적으로 자동차에 사용되는 변속기는 엔진의 출력과 회전수를 구동바퀴가 최적으로 전달하기 위한 장치로 여러 개의 기어를 사용해 적절한 기어비를 제공함으로써 엔진의 최대출력과 토크를 구동바퀴에 효과적으로 전달해 최적의 가속성능과 견인력을 제공하는 역할을 합니다.
운전자가 자신의 운전스타일에 맞게 임의로 기어비를 조작하는 수동변속기와 달리 유성기어 시스템과 변속기어로 구성된 자동변속기는 미리 입력된 기어비를 자동으로 설정해 운전 편의성을 향상시킨 것이 특징으로, 제너럴모터스(GM)가 1930년대에 최초로 선보인 이후 비약적으로 발전해 왔습니다.
최초에는 3단 자동변속기가 주종을 이뤘지만 1980년대에 4단 자동변속기가 보편화되고 1990년대에 접어들면서 5단 자동변속기로 변속단이 확대되었습니다. 현재에는 6단 자동변속기가 주종을 이루고 있으며 일부 대형 차량 들의 경우 8단 자동변속기가 적용되고 있는 추세이기도 합니다.
승차감에 연비까지...다단 변속기
자동변속기는 유체커플링과 토크컨버터, 유성기어장치, 유압제어장치(밸브보디), 기어변속단, 컨트롤유니트(TCU) 등으로 구성되어 있습니다. 이중 컨트롤유니트(TCU)는 기본적으로 적절한 변속시점(변속모드 등) 제어를 비롯해 록 업 클러치(Lock up Clutch), 변속품질(라인압력), 페일세이프(고장진단모드) 등을 제어합니다.
변속시점 제어는 자동차의 주행속도와 엔진의 부하를 기본으로 기어 단수를 올리거나 내리는 제어를 실행하는데 이때 연비효율과 가속성능과의 적절한 조율을 필요로 하며, 록 업 제어는 급가속 등 엔진이 순간적으로 큰 힘이 필요한 때 유체 클러치인 토크컨버터의 펌프와 터빈을 기계적으로 직결시켜 가속성능을 향상시켜 주는 제어방식입니다.
최근에는 이러한 록 업 제어영역을 넓혀 저속영영에서도 록 업 제어를 활성화시켜 가속성능을 향상시키는 추세며, 이에 따라 토크컨버터의 크기도 상대적으로 기존 변속기에 비해 작아지고 있습니다. 변속품질 제어는 변속 중에 토크와 엔진회전속도의 변화를 최소화시켜 승차감 향상과 변속충격을 줄여줍니다.
이러한 라인압력을 운전상황에 따라 가변적으로 제어하면 연비향상에 큰 도움이 됩니다. 한편 자동변속기의 변속단은 5단 이상으로 다단화되고 있는 추세로 국내에서도 대형차는 물론 준중형 승용차에까지 6단 변속기가 적용되고 있으며, 대형차량의 경우 7단 또는 8단 변속기가 적용되고 있습니다.
이렇게 기어단수과 다단화(고단화)되는 이유는 변속단이 많아질수록 기어비가 커지고 변속충격이 적어 승차감 향상은 물론 연비를 향상시킬 수 있기 때문입니다. 자동변속기는 토크컨버터가 수동변속기의 클러치와 같이 엔진동력과 변속기를 연결시켜 주는 역할을 합니다.
그리고 유체의 힘으로 동력을 전달함에 따라 수동변속기에 비해 동력 전달효율이 떨어져, 초창기만 해도 수동변속기보다 10% 이상 연비가 떨어졌습니다. 그러나 기술이 발전함에 따라 록 업 클러치 제어나 토크 컨버터의 라인압력(유압) 제어 등을 통해 수동변속기와 비교해 거의 차이가 없을 정도로 효율이 좋아지고 있는 추세입니다.
진화하는 CVT...중형차로 확대 적용
이와 더불어 최근 미국시장을 비롯해 전 세계적으로 연비규제가 강화됨에 따라 소형 차종을 중심으로 CVT(무단변속기)를 적용하는 추세가 이어지고 있습니다. CVT는 기어방식의 자동변속기와 달리 풀리와 벨트 또는 체인으로 기어변속이 이뤄짐에 따라 자동변속기에 비해 변속충격이 없을 뿐만 아니라 변속범위가 넓고 정숙성이 뛰어난 것이 특징입니다.
또한 자동변속기에 비해 구조가 간단해 무게가 가벼워 연비와 가속성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 일부 차종에서 내구성에 문제가 생김은 물론 저속구간에서의 발진 가속성능이 떨어지는 단점으로 점차 적용범위가 줄어드는 추세였습니다.
이러한 단점을 보완하기 위해 부변속기를 적용함으로써 발진가속 성능을 향상시킨 CVT가 새롭게 적용되고 있습니다. 부변속기는 기존 벨트 또는 체인 타입의 변속기구와 기어식 부변속기를 조합해 저속에서는 부변속기를 통해 2단 변속을 실현함으로써 가속성능을 보완한 것이 특징입니다.
또한 부변속기에 의한 2단 변속으로 기존 풀리의 소형화가 가능해져 기존 CVT에 비해 크기와 중량을 10% 이상 줄임으로써 연비향상에도 기여하고 있습니다. 이밖에 풀리의 소형 및 경량화는 마찰손실을 30% 이상 줄여 고속주행 때의 정숙성도 향상되는 장점이 있습니다.
부변속기를 적용한 CVT는 르노삼성자동차의 뉴 SM3와 기아자동차의 2013년형 레이를 통해 국내에 선보인 바 있는데, 최근 어댑티브 시프트 컨트롤(Adaptive Shift Control)이라는 새로운 제어기술을 통해서 발진 및 가속성능을 더더욱 향상시킨 CVT가 적용되고 있습니다.
어댑티브 시프트 컨트롤 기술은 급가속 등 고출력이 필요한 운전상황에서 엔진회전수만 올라갈 뿐 토크변화가 적어 일반적인 AT에 비해 엔진소음 및 변속 이질감을 주던 기존 CVT와 달리 가상으로 변속이 되는 것처럼 토크변화를 주어 운전의 재미를 주는 신기술입니다. 참고로 이러한 어탭티브 시프트는 최근 쉐보레 스파크와 르노삼성 QM6 등에 적용되어 있습니다. [김아롱 기자=카테크]