무단변속기

무단변속기(Continuously Variable Transmission)는 주어진 변속 범위 내에서 연속적인 변속이 가능한 변속장치이다.

무단변속기(Continuously Variable Transmission)

개요

무단변속기(CVT, Continuously Variable Transmission)는 주어진 일정 범위 내에서 기어비를 무한대에 가까운 단계로 제어할 수 있는 변속기이다. 미리 정해진 몇 개의 단계로만 기어비를 제어할 수 있는 다른 변속기들과 대조적이어서, 연속 가변 변속기라고도 부른다. 무단변속기는 단수별로 톱니바퀴가 맞물려 동력을 전달하는 방식이 아니라, 메탈 벨트에 의해 기어비가 조정되며 동력을 전달한다. 따라서 톱니바퀴의 톱니 개수에 의한 기어비인 고정된 기어비가 없고 상황에 따라 기어비가 바뀐다. 또, 무단변속기는 차량의 속도에 따라 가장 효율적인 RPM으로 엔진을 구동시키기 때문에 경제성이 우수한 것으로 평가받고 있다.

역사

1490년에 레오나르도 다 빈치(Leonardo da Vinci)가 무단변속기의 개념을 고안하고 1886년 유럽에서 마찰식 무단변속기가 등장하였다. 그리고 지금의 벨트 구동식 무단변속기는 1930년대 등장하기 시작했다. 1950년대 후반에 휘브 반도르네(Huub van Doorne) 는 소형차에 적합한 무단변속기인 바리오매틱(Variomatic)을 설계하여 생산했다. 반도르네의 무단변속기는 1958년에 생산된 DAF 600에 장착되었다. 그러나 반도르네의 특허는 반도르네 트란스미시(Van Doorne Transmissie B.V.)에 매각되었고, 승용차사업 본부는 볼보에 매각되었다. 이때 볼보(Volvo) 340에 반도르네의 무단변속기가 장착되었다. 1987년 포드 피에스타(Ford Fiesta)와 피아트 우노(Fiat UNO)는 첫 번째로 금속 벨트식을 장착한 유럽 자동차가 되었다. 이 무단변속기는 1976년부터 포드자동차(Ford Motor Company), 반도르네 트란스미시 그리고 피아트(Fiat SpA)가 개발해 왔던 것으로 포드 CTX(Ford CTX)로 부르고 있다. 1990년대 후반, 닛산(Nissan)은 더 높은 토크를 얻을 수 있는 마찰식 무단변속기를 설계했다. 이는 글로리아(Gloria)와 닛산 스카이라인(Skyline) GT -8에 장착되어 일본 시장에 출시되었다. 이후 닛산은 전 라인업에 무단변속기를 적용하기 시작하였다. 대한민국에는 마티즈(Matisse)를 통해 무단변속기가 처음 선보였으며, 1세대 후기형까지 장착되고 2세대 이후부터는 4단 자동변속기로 교체되었다가 쉐보레 스파크(Chevrolet Spark) 1세대 후기형 모델 중 S 모델에 무단변속기가 다시 장착되었다.

원리

무단변속기는 자전거의 변속기와 매우 유사한 원리인데, 자전거는 페달과 연결된 톱니바퀴와 구동 바퀴인 뒷바퀴에 연결된 톱니바퀴의 각각의 크기 변화에 따라 속도와 가속력의 차이를 보이는 원리이다. 하지만 기어가 정해져 있는 자전거와는 달리, 무단변속기는 크기가 다른 톱니바퀴도 없고 이 과정이 연속적으로 제어된다는 점에서 큰 차이가 있다. 이 때문에 변속기는 통상의 변속기와 같은 단수라는 개념이 존재하지 않는다. 무단변속기라고 불리는 이유가 바로 이 때문이다. 변속기에 따라서는 보조적으로 부변속기를 추가하는 경우도 있다. 무단변속기의 원리들 중 현재 가장 많이 쓰이는 방식은 벨트 구동 방식과 마찰 방식이다. 그중에서는 휘브 반도르네의 벨트 구동 방식이 가장 많이 사용되고 있다. 벨트 구동 방식은 풀리(Pulley)가 뾰족한 부분끼리 맞대어 만나고, 두 개의 풀리 사이의 틈에 메탈 벨트가 끼워져있는 구조를 가지고 있는데, 이렇게 두개의 풀리 사이에 걸어진 벨트로 동력을 전달한다. 이때 동력을 전달하는 과정에서 풀리의 지름을 바꾸어 기어비를 조절한다. 두 개의 풀리가 샤프트를 중심으로 서로 가까워지고 멀어짐에 따라, 메탈 벨트의 회전반경은 작아지고 커지고를 반복하게 된다. 두 회전축의 회전반경을 조정함으로써, 일종의 기어비를 변화시키는 원리이다. 기어비는 변하지만, 일반 변속기처럼 정해진 단수에 따라 단계적으로 움직이는 것이 아니라 연속적으로 움직인다. 따라서 변속 충격이 없다. 저속에서는 엔진 측 풀리의 지름을 바퀴 측 지름보다 작게 만들어 바퀴 측 풀리에 큰 힘이 전달될 수 있도록 하고, 고속에서는 각 풀리의 지름 크기를 반대로 만들어 고속의 회전이 가능토록 한다. 풀리는 양쪽 면 사이의 거리를 유압으로 조절하는 구조로 되어 있다. 양면을 좁히면 벨트가 풀리 바깥쪽에 걸리고, 양면을 넓히면 벨트가 풀리 안쪽에 걸려 풀리의 지름이 작아지는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 엔진 측 풀리와 바퀴 측 풀리를 서로 반대로 제어하면 원하는 기어비를 얻을 수 있게 된다. 벨트 구동 방식에서 사용되는 벨트는 주로 금속 벨트를 사용하는데, 금속 벨트는 반도르네 트란스미시에서만 생산된다. 마찰 방식은 두 개의 마찰 판을 마주 보게 하고, 그 사이에 동력을 전달하는 롤러(roller)로 구성되어 있다. 롤러의 회전축은 각도를 바꿀 수 있는데, 이 회전축의 각도에 따라 두 마찰 판의 기어비가 결정되는 방식이다.

구조

무단변속기는 발진기구, 중립 및 전 후진 변환 장치, 변속 장치, 유압 제어, 전자 제어부로 구성된다. 전 후진 변환 장치는 입력축에 설치되어 있으며, 싱크로메시식으로 이루어져 선택 레버와 케이블 및 링크 장치로 연결되어 전진 및 후진을 수동으로 전환할 수 있다. 변속장치인 풀리는 구동 풀리, 중동 풀리로 구성되어 있고, 벨트에 의하여 동력이 전달된다. 먼저 구동 풀리는 고정 시 이브와 유압 실을 갖는 가변 시 이브로 구성된다. 가변 시 이브의 유압 실은 고압에 견디도록 설계된 기름 실, 피스톤 및 실린더로 구성된다. 구동 풀리에는 변속 비 제어 앞에 의하여 벨트와 풀리의 접촉 반경이 변화되어 변속되고 종종 풀리의 유압 실에는 라인압이 작용하고 고속회전에서도 제어성능을 향상하도록 유압 실에 연동하여 작동하는 균형 체임버가 설치되어 원심 유압을 상쇠 시키는 구조로 되어 있다. 저속 시에는 엔진에 연결된 구동축의 풀리와 접촉 반경이 적고 종도 축에 걸리는 접촉반경이 크다. 고속 시에는 엔진에 연결된 구동축에 벨트와 풀리의 접촉반경이 크고 종동축에 걸리는 벨트와 풀리에 걸리는 접촉반경이 작다. 승용차용 무단변속기는 구조적 특성에 따라 크게 가변 지름 풀리 방식(VDP)과 트로이 덜 방식으로 나뉜다. 가장 널리 쓰이는 가변지름풀리 방식은 앞서 설명한 구조와 동일하다. 비교적 구조가 간단해 변속기가 작고 가볍지만, 벨트와 풀리 조절 장치의 정확성 및 내구성이 전반적인 성능에 영향을 미친다. 트로이덜 방식은 도넛의 안쪽과 비슷한 곡면을 지닌 원판과 롤러를 이용하고, 원판 사이의 롤러 각도를 조절함으로써 동력전달 비율이 조절된다. 롤러를 사용하기 때문에 롤러 방식이라고도 부른다. 가변지름풀리 방식보다 복잡하고 부피가 크지만, 내구성이 뛰어나고 더 높은 토크에도 견딜 수 있는 것이 특징이다.

장단점

장점

무단변속기는 기어와 기어가 서로 맞물리는 일반 변속기와 달리 두 개의 풀리를 체인이나 벨트로 연결하는 구조라고 했는데, 무단변속기는 정해진 범위 내 변속 비를 무단으로 조절 가능해 효율을 극대화하면서 엔진 회전수를 유지할 수 있다. 또한 움직이는 부품이 적어 에너지 손실이 적기 때문에 가속 성능과 연비를 향상해준다. 그리고 기어가 변속될 때 차량이 잠시 가속을 멈추었다가 다시 급격히 움직이는 변속 충격 현상을 없애 주어 차량이 부드럽게 주행 될 수 있도록 해준다. 무단변속기는 기어 간의 마찰이 없어 동력 전달이 부드럽고 소음이 적다. 따라서 운전자에게 편안한 주행감을 제공한다. 안정감을 중시하는 운전자들에게는 부드러운 주행의 원동력이 된다. 특히 무단변속기는 아이나 노인, 임산부 등 가족을 동반해야 하는 운전자에게 제격이다. 무단변속기를 탑재한 차량은 정지 상태에서 출발할 때 몸이 쓸리는 느낌이 없으며, 운전 중 액셀러레이터를 밟아도 부드럽게 속도를 높일 수 있다. 따라서 탑승자에게도 변속 충격에 의한 불편함 없이 편안한 승차감을 제공한다. 그리고 무단변속기는 비용이 적게 들 뿐만이 아니라, 고장률이 다른 변속기에 비해 매우 낮고 유동 부품이 다른 변속기에 비해 더 낮다. 고장이 난다 해도 수리 비용이 아주 적게 든다. 그리고 자동변속기보다 변속기 오일 교체 횟수가 적다.

단점

처음 무단변속기가 만들어졌을시점의 무단변속기가 탑재된 차들은 성능이 낮았다. 예를 들어, 포드 피에스타 같은 차들이 있다. 도심 주행 시 수동변속기 차량보다 더 연료를 소모했다. 무단변속기는 주행이 매우 부드럽다는 점이 단점으로 작용할 수 있다. 대부분의 운전자는 차량이 움직일 때 변속 충격을 기대하기 때문에, 무단변속기의 경우 엔진 출력이 낮다는 인식을 주기 쉽다. 그렇기 때문에 어떤 경우는 제어 소프트웨어를 통해 변속 충격을 그대로 재현해 주는 모델도 있다. 그리고 부드러운 변속을 위해 단수를 없앴기 때문에 엔진의 회전이 일정 수준까지 올라가기 전, 원하는 만큼의 구동력을 끌어올리지 못한다. 이 때문에 운전자가 가속페달을 밟은 후 터보차저가 동작할 때 까지 시간이 지연된다. 무단변속기가 일정한 RPM(회전)을 유지해 주기 때문에, 운전자가 가속 페달을 밟을 때 차량은 가속되지만, 엔진에서 기어 변속 시 발생하는 소리 변화가 없게 된다. 이 현상은 몇몇 운전자들에게 혼란을 주어 엔진 출력이 약하다는 인식을 준다. 또 오르막길 브레이크 상태에서 출발한 직후에 RPM이 급속도로 올라가면서 급출발이 일어나는 경우가 있다. 심할 경우 과속 방지턱에서도 RPM 급증이 나타난다. 그리고 마찰식의 경우, 사각사각하는 금속성 소리가 발생하는 경우가 있다. 그리고 또 다른 단점으로는 개발 시점이 1950년대임에 비해 상용화가 매우 느린 편인 점이다. 이론적으로 충분한 가능성을 가지지만 높은 유압이 필요하여 실제로는 효율이 떨어지기 때문이다. 효율성 문제보다 훨씬 심각한 것은 내구성 문제다. 효율이 높지 않더라도 고장 없이만 작동한다면 무단변속기가 우리나라에서 이렇게 이슈가 되고 불신의 대상이 되지는 않았을 것이다. 현재까지 무단변속기가 장착된 국산 차는 차종 구분 없이 대부분 내구성으로 인한 잔고장 문제에 시달렸다. 그리고 구동 토크도 다른 변속기보다 상대적으로 작기도 하다.

차이점

무단변속기 vs 자동변속기

앞에서도 말했듯이 무단변속기는 자동변속기보다 동력손실이 낮아 차량의 연비를 높이는 데 적합하고, 자동변속기의 경우, 차량의 속도에 따라 기어가 맞물리면서 단수를 바꾸어 가며 변속을 하지만, 무단변속기는 두 개의 풀리를 연결하고 유효 지름의 크기를 실시간으로 변화시키면서 변속한다. 따라서 자동변속기의 경우에는 변속 시 rpm이 오르락내리락하며 변속 충격이 생기지만 무단변속기는 폭넓은 기어비로 rpm이 부드럽게 올라가며 가속이 되어 변속 충격이 없고 동력손실률도 낮다. 자동변속기는 각 기어의 단수에 따라 일정한 기어비가 설정되어있지만, 무단변속기는 기어의 단수가 정해져 있지 않아 일정한 범위에서 연속적으로 무한대로 변속이 가능하다. 그렇기에 차량의 주행상태에 따라 최적의 기어비를 실현하고 연비와 가속 성능을 높인다. 그리고 무단변속기는 변속 충격이 없다고 했는데 이 덕분에 갑작스러운 속도변화에도 차량의 변속 충격이 전혀 발생하지 않아서 부드럽고 편안한 주행이 가능하다.

참고자료

• 〈연속 가변 변속기〉, 《위키백과》
• 사냥꾼, 〈사냥꾼 리포트_무단변속기_CVT의원리〉, 《네이버 블로그》, 2012-11-07
• 박병하, 〈끊김 없는 변속과 우수한 효율, CVT〉, 《모토야》, 2019-01-01
• 〈무단변속기(CVT:Continuously Variable Transmission) 구조 및 원리〉, 《놀러와》, 2009-12-17
• 이성규 기자 , 〈무단변속기, 편안함에 반하다〉, 《이코노믹리뷰》, 2017-08-20
• 〈CVT〉, 《나무위키》
• 이상원, 〈CVT(무단변속기),자동변속기와 이렇게 다르다.〉, 《오토데일리》, 2010-01-17

같이 보기

• 자동변속기
• 수동변속기
• 변속기

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