미래 모빌리티 시스템 솔루션 기업 현대트랜시스는 수동변속기부터, 듀얼클러치변속기, 무단변속기, 하이브리드변속기, 전기차 감속기 등 전 세계에서 유일하게 변속기 풀 라인업 구축한 파워트레인 전문 기업입니다.
변속기는 엔진에서 발생하는 동력을 속도에 따라 필요한 회전력으로 변환해 바퀴로 전달하는 자동차의 핵심 부품 중 하나인데요. 자동차가 발전을 거듭할수록 자동차의 성능과 연료 효율을 좌우하는 변속기 역시 진화하고 있습니다.
엔진 효율을 높이는 수동변속기의 시작
자동차 변속기는 1895년 프랑스 르네 파나르와 에밀 레소르가 세단형 자동차를 발명하며 엔진의 동력을 나눌 수 있는 변속기의 개념을 처음 도입한 데서 시작되었습니다.
최초 변속기는 2단 수동 형태였지만, 기술이 발전하면서 기어 단수도 점차 증가했는데요. 이후 기술이 발전하며 높은 단수의 변속기들이 개발되었고, 최근에는 수동변속기 차량에는 5단과 6단의 수동변속기가 보편적으로 적용되고 있습니다. 대형 트럭은 25단 기어를 가지고 있기도 합니다.
수동변속기는 동력 전달과 연비 효율이 뛰어나지만, 기어를 낮출 때 차가 울컥거릴 때가 있습니다. 이는 자동차의 승차감에도 영향을 미치는데요. 이에 닛산은 기어를 저단으로 낮출 때 엔진 회전수를 보정해 차가 울컥거리는 것을 막고 손쉽게 변속할 수 있도록 370Z 쿠페에 ‘다운시프트 레브 매칭(Downshift Rev Matching)’ 기술을 도입했습니다.
캐딜락은 고성능 컴팩트 모델 ‘ATS-V’에 가속페달에서 발을 떼지 않아도 자동으로 변속할 수 있는 ‘노-리프트 시프팅(No-Lift Shifting)’ 기능과 기어를 낮출 때 자동으로 엔진의 회전수를 보정하는 ‘액티브 레브 매치(Active Rev Match)’을 추가하기도 했습니다.
자동변속기의 등장과 다단화 경쟁
최초의 자동변속기는 1921년 캐나다의 증기 엔지니어 알프레드 호너 먼로(Alfred Horner Munro)가 발명했습니다. 하지만 유압유 대신 압축 공기를 사용하도록 설계했기 때문에 동력이 부족해 상용화되진 못했죠.
1940년 GM 올즈모빌은 최초의 유압 자동변속기인 ‘하이드라매틱(Hydra-Matic)’을 출시했습니다. 엔진과 변속기 사이의 연결을 기계적 방식이 아닌 유체로 대신한 것으로, 모터가 회전하면서 유체를 휘저어 출력 터빈으로 동력을 전달하는 방식인데요. 유압 변속 방식은 모든 기어가 동시에 회전하도록 유지할 수 있어 모든 기어를 동기화시킬 수 있고 여러 기어비를 조합해 다양한 출력을 낼 수 있습니다.
자동변속기는 1947년 뷰익이 ‘다이나플로(Dynaflow)’ 변속기를 도입하면서 오늘날의 형태를 띠게 되었는데요. 토크 컨버터를 구현한 최초의 변속기로 토크 컨버터는 엔진의 모터에서 들어오는 토크를 증폭시키는 유체 커플링 장치를 의미합니다. 이후 패커드 울트라매틱, 쉐보레 파워그리드 등 동일한 방식의 변속기가 등장하면서 토크 컨버터가 상용차에 보편적으로 적용되게 됩니다.
1940년대부터 1960년대까지는 수동변속기가 주로 사용되었으며, 자동변속기는 1970년대 후반에 들어서야 대중화됩니다.
2000년대부터는 자동변속기의 다단화 경쟁이 시작되었는데요. 2002년 BMW가 ZF와 손잡고 7시리즈에 자동 6단 변속기를 탑재한 데 이어, 1년 뒤인 2003년 벤츠는 E-클래스, S클래스에 자동 7단 변속기를 넣어 반격에 나섰습니다. 이후 2007년 렉서스가 LS 460에 자동 8단 변속기를, 2013년엔 ZF가 9단 자동변속기를 공개했습니다.
현재 내연기관차용 변속기는 10단까지 개발되었고 포드 머스탱, 쉐보레 카마로, 캐딜락 CT6 등에 탑재되었습니다.
새로운 변속기의 등장
자동변속기가 등장한 이후에도 수동변속기는 계속 존재했습니다. 그러나 변속에 시간이 걸린다는 것이 가장 큰 문제점으로 작용했죠. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 듀얼클러치변속기(DCT, Dual Clutch Transmission)입니다.
듀얼클러치변속기는 1970년대에 포르쉐가 개발하여 레이싱 모델에 적용했고, 상용차에는 2003년 폭스바겐 골프 R32에 6단 DCT가 최초로 적용되었습니다. 벤츠와 BMW, 현대자동차도 듀얼클러치변속기를 적용했고, 혼다는 고성능 스포츠카인 어큐라 NSX에 9단의 DCT를 탑재하기도 했습니다.
수동변속기나 자동변속기와는 전혀 다른 방식으로 구동하는 변속기로는 무단변속기(CVT, Continuous Variable Transmission)가 있습니다. CVT는 기어와 기어가 맞물리는 방식이 아니라 두 개의 풀리(도르래)가 하나의 벨트로 연결되는 방식인데요. 이 풀리의 직경이 가변되며 기어를 자동으로 바꾸기 때문에 운전자가 따로 기어를 변속할 필요가 없습니다.
무단변속기는 1950년대 네덜란드의 자동차 제조사 ‘반도르네 아우토모빌 파브리크’에서 소형차용 CVT 개발과 적용이 이뤄졌는데요. 이 제조사가 볼보로 인수되면서 볼보 자동차에 적용되기 시작했습니다.
1980년대부터는 스바루, 포드 자동차에 탑재되었고 이후 닛산과 혼다, 도요타자동차에도 적용되었죠. 국내에서는 1998년 GM대우 마티즈를 시작으로 현대자동차와 기아의 EF쏘나타, 옵티마, 리갈 등에 사용되었습니다.
전기차에는 변속기가 필요 없다?
전기차의 모터는 회전을 시작하는 동시에 최대 토크를 출력할 수 있기 때문에 회전수를 하향 조정해야 더 높은 동력을 얻을 수 있는데요. 이런 이유로 내연기관 자동차와 달리 일반적인 전기차에는 변속기가 적용되지 않습니다.
현대트랜시스는 모터, 인버터, 감속기를 통합한 일체형 구조(3-in-1)의 전기차 구동시스템 ‘e-파워트레인(e-Powertrain)을 독자 개발했습니다. 모터는 내연기관의 엔진, 배터리는 연료탱크, 감속기는 변속기 역할을 담당하고 있는데요. 크기와 무게를 줄여 차체 설계가 용이하며 냉각방식을 개선해 구동시스템 효율을 극대화했습니다. 또한 원가 경쟁력이 높아 전기차 판매가를 낮출 수 있다는 장점이 있습니다.
물론 전기차도 모터의 회전수가 고회전 영역으로 들어가면 동력 효율이 급격히 떨어지기 때문에 포뮬러 E나 일부 전기 슈퍼카에는 2단 변속기를 사용하는 경우도 있습니다.
차세대 하이브리드 구동 시스템 ‘e²AT(e-square Automatic Transmission)’는 두 개의 전기 모터와 자동변속기가 결합된 장치로 현대트랜시스의 독자 개발 브랜드입니다. 자동변속기에 2개의 모터를 적용해 동력 성능과 연비를 동시에 높인 것인데요. 현대트랜시스는 전기차 감속 모듈인 e-파워트레인과 e²AT를 통해 전동화 시대를 선도할 계획입니다.
오늘은 최초의 2단 수동변속기부터 전기차에 들어가는 감속기까지 자동차 변속기의 진화 과정을 살펴보았는데요. 높은 연비 효율과 편리한 자동차 제어, 편안한 승차감을 위한 변속기 기술은 계속해서 발전하고 있습니다. 현대트랜시스와 함께 진화를 거듭할 변속기 기술에 많은 관심 부탁드립니다.
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