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현대자동차 7단 DCT

[오토헤럴드=김아롱 칼럼니스트] 자동차 변속기(트랜스미션)는 엔진의 출력과 회전수(토크)를 구동바퀴에 최적으로 전달하기 위한 장치를 말합니다. 일반적으로 여러 개의 기어를 사용해 적절한 기어비를 제공함으로써 엔진의 최대출력과 토크를 구동바퀴에 효과적으로 전달해 최적의 가속성능과 견인력을 제공하는 역할을 하지요. 

과거에는 클러치와 기어 변속기구를 이용해 운전자가 직접 변속기를 조작하는 수동변속기가 주종을 이뤘지만 최근에는 주행속도에 따라 자동으로 변속해 주는 자동변속기가 대세를 이룬지 오래입니다.

자동변속기는 운전자가 자신의 운전스타일에 맞게 임의로 기어비를 조작할 수 있는 수동변속기와는 다르게 유성기어 시스템과 변속기어로 구성된 변속장치에 미리 입력된 기어비를 자동으로 설정해 운전편의성을 향상시켜 주는 것이 특징입니다. 

여전히 수동변속기를 사용하고 있는 해외 운전자들과 달리 국내에서는 자동변속기를 적용한 차량이 거의 95% 이상 차지하고 있습니다. 특히 새로 출시되고 있는 차량은 100% 자동변속기를 적용하고 있으며 1톤 화물트럭 등 상용차에도 자동변속기를 적용하고 있는 추세입니다.

수동변속기 차량은 일부 모델에 한해 옵션으로 선택할 경우에만 탑재되고 있는데 최근에는 자동차 제조사들이 그마저도 더 이상 생산하지 않기로 했다는 후문입니다. 100년에 가까운 오랜 역사를 가지고 있는 자동변속기는 제너럴모터스(GM)가 1930년대에 최초로 선보인 이후 비약적으로 발전을 거듭해 오고 있습니다. 

최초에는 3단 자동변속기가 주종을 이뤘지만 1980년대에 4단 자동변속기가 보편화되고 1990년대에 와서 5단 자동변속기로 확대되었습니다. 최근에는 6단 자동변속기가 소형차부터 중형차까지 주종을 이루고 있을 뿐 아니라 일부 대형차들의 경우 7단 혹은 8단 자동변속기가 적용되고 있습니다. 

폭스바겐 7단 DSG

이렇게 기어 변속단이 다단화(고단화)되는 이유는 변속단이 많아질수록 기어비가 커지고 변속충격이 적어 승차감 향상은 물론 연비를 향상시킬 수 있기 때문입니다. 이론적으로는 10단 이상이 되면 변속기 크기가 너무 커져 오히려 연비가 떨어지거나 구조적으로 탑재가 어렵기 때문에 CVT가 오히려 효율적으로 얘기됐습니다.

그러나 기술 발전으로 기어의 소형화 및 경량화를 통해 이러한 단점을 보완해 10단 자동변속기를 탑재한 대형승용차들이 증가하고 있기도 합니다. 일반적으로 자동변속기는 유체커플링과 토크컨버터, 유성기어장치, 유압제어장치(밸브보디), 기어변속단, 컨트롤유니트(TCU) 등으로 구성되어 있습니다.

수동변속기처럼 변속을 위해 엔진동력을 차단하는 클러치 대신 토크컨버터가 이러한 역할을 대신하는 것이 가장 큰 차이점이라 할 수 있습니다. 변속기 오일로 가득 채워진 토크컨버터는 내부에 임펠러와 스테이터, 터빈으로 구성돼 있는데 엔진의 회전력을 변속기 오일을 통해 스테이터를 통해 유성기어장치와 변속기어로 동력을 전달하기 때문에 변속충격이 적은 것이 특징입니다.

하지만 토크컨버터의 작동과정에서 변속기 오일의 유체저항이 생길 수밖에 없기 때문에 기계적으로 엔진과 변속기가 직접 연결되는 수동변속기에 비해 구조적으로 동력전달효율이 떨어질 수밖에 없습니다. 초창기에는 수동변속기보다 연비효율이 10%정도 떨어진다고 알려졌지만 최근에는 수동변속기와 거의 차이가 없거나 오히려 연비가 더 뛰어난 경우도 흔히 볼 수 있습니다.

이러한 이유는 토크컨버터의 동력효율과 연비향상을 위해 록 업 제어나 토크컨버터 라인압력제어, 자동중립기능(NIC) 등 다양한 기술이 적용되고 있기 때문입니다. 특히 자동변속기에도 전자제어 시스템이 적용되면서 변속기의 제어가 훨씬 정교해져 연비와 주행성능을 최적화해 줌은 물론 운전편의성까지 향상되었습니다. 

자동변속기의 연비 및 동력전달효율 개선을 위한 대표적인 기술이라 할 수 있는 록 업 제어(Lock up control)는 급가속 등 엔진이 순간적으로 큰 힘이 필요한 때 유체 클러치인 토크컨버터의 펌프와 터빈을 수동변속기처럼 기계적으로 직접 연결시켜 가속성능을 향상시켜 줍니다. 

록 업 제어를 담당하는 록 업 클러치는 4단(또는 5단)부터 작동되는데 전문용어로 오버드라이브라고 합니다. 최근에는 이러한 록 업 제어영역을 넓혀 저속영역(2단 또는 3단)에서도 록 업 제어를 활성화시켜 가속성능을 향상시키고 있습니다. 이에 따라 토크컨버터의 크기도 상대적으로 기존 변속기에 비해 작아지고 있는 추세이지요. 

또한 토크컨버터 라인압력 제어를 통해 기어모드가 중립인 경우나 정차가 지속될 경우 토크컨버터 내부의 오일을 일부 빼내어 오일압력을 낮춤으로써 동력손실을 최소화시켜 줍니다. 자동중립기능은 일종의 라인압력제어 방법 중 하나로 정차 중에 기어레버를 중립에 놓지 않아도 기어가 중립에 있는 것처럼 가상으로 제어하는 방식입니다. 

일부 변속기의 경우 실제 기어가 중립으로 유지되기도 하는데 연비향상을 위해 정속주행중 또는 내리막길 등에서 엔진시동을 끄거나 기어를 중립으로 유지한채 주행하는 글라이드 주행에 활용되고 있습니다.

스톱 앤 고(Stop & Go) 시스템이 장착된 차인 경우 변속기 옆에 조그만 어큐뮬레이터(축압기)가 달려 있는 것을 볼 수 있는데 이 장치는 시동이 꺼진 경우 토크컨버터 내부의 변속기 오일을 어큐뮬레이터에 모아놨다가 시동이 걸림과 동시에 토크컨버터로 변속기 오일을 재공급하는 역할을 합니다.

이밖에 자동변속기 컨트롤유니트(TCU)는 적절한 변속시점(변속모드 등)을 비롯해 록 업 클러치의 작동여부, 변속품질(라인압력), 페일세이프(고장진단모드) 등을 제어하는 역할을 합니다.

자동변속기는 자동차의 주행속도와 엔진의 부하를 기본으로 기어 단수를 올리거나 내리는 제어를 실행하는 과정에서 연비효율과 가속성능과의 적절한 조율이 필요로 하는데 최근에는 변속시간을 단축해 주행중 에너지 손실을 최소화함으로써 연비를 향상시키는데 중점을 두고 있는 추세입니다. 

렉서스 LC 500h 하이브리드 전용 변속기

또한 변속기 내부의 오일라인 압력을 정밀하게 제어해 변속과정에서 토크와 엔진회전속도의 변화를 최소화시켜 승차감 향상과 변속충격을 줄여주고 있습니다. 자동변속기의 수동변속 기능은 이러한 라인압력을 운전상황에 따라 가변적으로 제어해 연비향상은 물론 운전의 재미를 더해 주기도 합니다.

한편 최근 소형차는 물론 중형차급 이상의 차량에 적용되고 있는 듀얼클러치 변속기(DCT)는 자동변속기와 수동변속기를 결합한 형태로 자동변속기의 토크컨버터 대신 각각 홀수단과 짝수단을 제어하는 두 개의 클러치가 엔진동력을 변속기어에 전달하는 것이 특징입니다. 

김아롱 칼럼니스트/[email protected]