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자동변속기
오토기어(Auto Gear)는 우리말로 자동변속기라고도 한다. 오토기어는 자동차 등에서 기어비를 자동으로 바꾸어주는 변속기를 칭한다. 클러치와 변속기의 작동이 자동차의 속도나 부하에 따라 자동으로 이루어지게 하는 장치이다. TCU(Transmission Control Unit)의 제어를 통한 유압-유체식으로 작동된다.
개요
90년대에는 오토기어가 상당히 고급 옵션이었다. 차량 가격에서 차지하는 비중도 상당히 컸으며 기술력 발전이 더뎠기 때문에 수동기어에 비해 내구성, 출력, 연비 등의 부분에서 불리한 점이 상당히 많았다. 그렇기에 오토기어는 사실상 부유한 사람들의 전유물처럼 여겨졌다.
특징
수동기어와 달리 클러치가 없고 악셀과 브레이크만으로 자동차를 운전할 수 있다. 수동기어 중에서 클러치 없이 자동으로 기어 변속을 하는 것이 오토기어다. 클러치가 없기 때문에 운전 난이도가 상대적으로 매우 낮고 편안한 분위기에서 즐겁게 운전할 수 있다는 특징이 있다.
역사
오토기어가 최초로 상용화된 시기는 1930년대 말이다. 미국 GM의 브랜드 중 하나이며 현재는 폐기된 브랜드인 올즈모빌(Oldsmobile)이 개발한 '하이드라매틱(Hydramatic)'이 오토기어의 시초라고 볼 수 있다. 그 당시의 오토기어는 운전대의 중앙에 위치되어 있었고 2~3단이었으며, 기어 순서도 지금과 달랐다. 현시대에 가장 비슷한 오토기어를 뽑으라고 한다면 컬럼식 오토기어라고 할 수 있다.
컬럼식 오토기어는 미국산 자동차에서 흔히 볼 수 있는데, 2005년부터 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)에서 컬럼식 오토기어를 W221형 S클래스부터 많이 퍼뜨렸다. 과거의 컬럼식 오토기어는 클러치 페달이 없었다. 하지만 D 레인지가 없고 레버를 위아래로 움직여 기어(톱니바퀴)를 수동으로 선택해야 했다. 컬럼 시프트식 오토기어 차량인 닷지 호넷은 페달이 3개 있었는데, 기어의 단수를 제한하는 장치였다.
이후로 자동으로 기어를 변경해 주는 방식으로 발전하게 된다. 초반에는 드라이브 샤프트(Drive Shaft)를 통해 가해지는 압력과 현재 속도에 따라 기계적으로 기어가 자동으로 선택되었다. 가속 페달은 스로틀에 직결되어 있으며, 연료의 주입량만 관장했다. 그리고 기어의 반응과는 상관이 없었다. 이 반응으로 인해 엔진의 토크가 변하게 되고, 이것이 변속에 관여되기도 한다. 이런 기계식 오토기어 차량은 연비가 엄청나게 나쁘다는 치명적인 단점이 있었지만, 수동기어에 비해 조작이 간편하고 주행이 편안하므로 주로 개인용 자동차를 위주로 보급되었다.
전자제어식 오토기어는 컴퓨터에 의한 전자작용과 입력된 알고리즘에 따라 변속한다. 이에 따라 기어를 컨트롤하는 TCU(Transmission Control Unit)에 입력되는 프로그램에 따라 변속의 경향이 변화한다. 초기의 국산 차량들은 이런 것들이 최적화되지 않아서 간혹 오르막에서 멋대로 기어를 올렸다가 속력이 떨어지면 다시 기어를 내리는 행동을 반복했다.
현대에는 수동기어에 기반한 오토기어가 실용화됐다. 페라리, 람보르기니, 포르쉐 등의 회사에서는 듀얼 클러치 기어를 적용하는 경우가 많다. 기계적인 구조는 명백히 수동기어와 비슷하지만, 운전자의 개입 없이도 자동으로 변속을 하므로 오토기어라고 부를 수 있다. 대표적인 차로는 푸조의 MCP, 폭스바겐의 DSG 등이 있다.
마찬가지로 오토기어에도 수동기어의 기능을 추가하기도 한다. 예를 들면 차량이 많고 사람이 많은 시내같은 곳에서는 자동변속 모드로, 속도를 내야 할 때는 수동변속 모드로 바꿔서 직접 변속하는 방식이다. 포르쉐와 아우디에서는 이런 수동겸용 오토기어를 팁트로닉이라고 부른다.
경제성이 중요한 트럭이나 대형 상용차에는 잘 쓰이지 않았다. 중량물 운반차량에만 제한적으로 오토기어가 사용되었으나, 기술의 발전으로 속속 오토기어를 도입하고 있다. 모두 전자식 오토기어이며 전자제어 기능을 제외한 나머지는 수동기어와 거의 비슷한 구조다. H-시프터의 단수 제약으로부터 자유롭기 때문에 16단 이상의 세밀한 기어를 적용하기도 한다. 제조사의 주장에 따르면 수동기어에 기반하므로 연비도 수동기어와 같거나 오히려 높게 나온다고 한다. 하지만 치고 나가는 힘은 확실히 수동기어에 뒤쳐지지 않지만 아직 연비는 수동에 비해 낮은 것 같다는 실제 사용자들의 의견이 지배적이다. 저상버스는 모두 오토기어가 사용되며, 버튼식으로 나오고 있다. 일반적인 고상형 차량에 오토기어가 달린 차량은 주로 경상남도 쪽에 많이 보이며, 역시 버튼식 오토기어가 사용된다. 16인승 이상 25인승 이하의 마이크로버스 중 카운티에도 앨리슨제 오토기어가 달리기 시작했다. 하지만 여러 문제들로 오토기어의 판매량은 바닥 수준이라고 한다. 과거에 비해 판매량이 늘어났다고는 하지만 대형 상용차 시장에서는 아직도 수동기어가 대세라고 할 수 있다.
2006년에 렉서스가 LS 4세대를 출시하고 토요타의 자회사 아이신제 후륜형 8단 오토기어를 장착한 후 많은 자동차 제조자들이 8단 오토기어를 많이 선택하여 사용하는 추세이다. 주로 FR 차량에 많이 사용하는 추세지만 최근에 전륜형도 8단 기어가 나온다. 심지어 혼다는 전륜형 10단 오토기어를 개발하여 실제로 혼다 오딧세이 전륜 구동(FF)모델에 10단 오토기어를 장착하여 출시했다. 벤츠와 닛산은 7단 오토기어를 유달리 많이 사용한다. 벤츠는 자체 제작한 오토기어를 사용하고 닛산은 기어를 만드는 닛산의 자회사 자트코의 것을 사용하는데, 현재 벤츠와 디젤 엔진을 같이 쓰는 Q50같은 차량은 벤츠의 7지-트로닉(7G-Tronic)을 사용하기도 한다.
오토기어 안에는 미션오일이 빠르게 운동하면서 엄청난 발열을 일으킨다. 과열은 미션오일을 변질시키고 장기적으로 오토기어의 주요 고장 원인이 된다. 그렇기에 오토기어는 엔진과 같이 별도의 냉각 시스템을 갖추고 있는 손에 꼽는 부품이다. 보통 엔진과 함께 라디에이터를 통해 식힌 냉각수를 공급받는데, 오토기어의 용량이 클 경우에 이것만으로는 냉각 기능이 부족하기 쉬워 냉각을 보조하기 위해 별도의 쿨러를 다는 경우도 있다. 보조용 기어 쿨러가 기본이 아닌 경우에도 오토기어 차량에 스포츠 튜닝을 하면서 따로 달기도 한다.
수동기어가 보편화되어 있던 시기에 오토기어는 거의 고급 옵션으로 취급되어서 오토기어 차량에는 엠블렘을 붙여놓는 경우가 대다수였다. 심지어 저상버스를 포함한 시내버스의 경우 미션오일 온도계가 따로 부착되어 나왔을 정도였다. 2006년 이후로는 시내버스에 미션오일 온도계가 부착되어 나오지 않기 시작했다.
람보르기니, 페라리, 애스턴 마틴 등도 오토기어가 버튼식으로 나오기 시작하면서 혼다의 NSX도 버튼식 오토기어를 채용했으며, 일반적인 차량 중에서는 링컨의 MKZ가, 국산차 중에서는 현대차의 쏘나타 DN8, 팰리세이드, 더 뉴 그랜저가 버튼식 오토기어를 사용하는 중이다.
한때는 오토기어가 보험료 할인의 대상이기도 했는데, 당시에는 오토기어가 수동기어보다 동력 효율이 매우 좋지 않아서 가속력이 낮아 사고 발생률이 적다는 이유다. 하지만 수동기어 차량 구매자들의 반발이 상당히 강했고, 오토기어 차량의 비중이 점점 높아지게 되면서 오토기어 손해율이 수동기어 손해율을 뛰어넘자 결국 2010년에 모든 보험사에서 오토기어를 할인 항목에서 제외했다.
현대차그룹이 이르면 2023년말 대표 소형 상용차 포터와 봉고의 완전변경차를 판매한다. 세대교체에 따라 두 차 모두 디젤엔진을 탑재하지않고 전기차와 LPG차로만 운영하는데, LPG차의 경우 신형 엔진에 오토기어가 탑재될 전망이라고 한다. 점점 더 오토기어의 점유율은 올라갈 것으로 볼 수 있다.[1]
장점
안전성과 편리함
기어 변속 중의 실수, 또는 조작 미숙으로 인해 일어나는 엔진 정지 문제를 근본적으로 차단할 수 있어서 편안하고 안전한 운전이 가능하다. 만약 오토기어가 장착된 차량이 수동기어처럼 출발 시 엔진이 꺼지거나, 기어가 제대로 작동되지 않거나 한다면 엔진이나 기어에 중대한 문제가 발생한 것으로 볼 수 있기에 즉시 점검 및 수리를 받아야 한다.
오토기어를 이용하는 차량이 많을수록 도로 주행 시 변속 시간이 크게 줄어들어 도로교통이 원활해지고, 기어 오조작 가능성이 낮아져 사고 발생 건수가 상당히 줄어든다.
운전 시 잦은 변속 조작으로 인한 피로감을 크게 낮출 수 있다. 차량 운전이 재미를 위한 용도가 아니라 '노동'이 되기 쉬운 직장인들과 운수업자에 종사하는 사람들의 입장에서는 커다란 이점이다.
저속 쪽의 구동력이 커서 경사로 출발이 쉬우며 최대 등판 능력도 크다. 그렇지만 수동기어는 운전자가 일부러 엑셀을 끝까지 밟지 않더라도 저단기어를 유지하여 RPM을 높여 더 강한 출력으로 출발이 가능하기에 저속의 구동력 자체는 거의 비슷하다고 봐도 된다.
클러치가 없어 운전의 난이도가 크게 낮아지고 훨씬 간편해진다.
출발했다 멈췄다를 반복해야 하는 정체 상황과 저속주행이 필요한 상황에서 크리핑 현상으로 인해 브레이크만 조작하면서 편하게 주행할 수 있다. 수동기어는 클러치를 통해 조절해야 하는데, 실수로 시동을 꺼뜨리거나 브레이크와 혼동하는 등의 실수를 할 수 있다. 단을 넣은 채로 가만히 있어야 하는 상황에는 항상 브레이크를 밟고 있어야 한다는 단점이 있었지만 이 또한 요즘에 나오는 차량에는 오토홀드 기능이 탑재되어서 해소했다.
긴 수명
유체클러치가 충격 완화작용을 한다. 이로인해 파워트레인에 가해지는 충격이 적어져서 엔진 보호가 되어 수명이 늘어난다. 위의 장점과 더불어 이러한 장점 덕에 실제 수백톤 이상의 중장비나 초고중량물 운송용 트럭들은 모두 오토기어를 사용한다.
클러치의 마모로 인한 고장을 차단할 수 있다. 유체클러치나 토크컨버터는 기어오일로 가동되므로 기계적 마찰이 없기 때문이다. 하지만 마찰에 의한 고장이나 마모 이외의 고장은 일어날 수 있다.
다단화
다단화에서 유리하다. 대형 트럭용 수동기어에서 볼 수 있듯이 수동기어로도 12단이 넘어가는 다단 기어를 제작할 수 있다. 그렇지만, H 시프터의 구조적 한계로 인해 조작 난이도가 너무 높아지기 때문에 초기 진입장벽이 높아지며, 조작 실수의 가능성도 매우 높아 일반 승용차에 사용하기에는 무리다. 하지만 오토기어는 4단이든, 8단이든, 18단이든 조작 방법은 일치하고, 진입장벽도 굉장히 낮은 수준이 되어 일반 승용차에도 8단을 뛰어넘어 많은 단수를 구현할 수 있게 됐다. 대형 트럭의 경우 큰 힘이 필요할 때 사용하는 크롤러 기어 등에 대한 지식을 갖출 필요가 있긴 하지만 이건 수동기어도 갖춰야하는 부분이다. 다단화를 하게 되면 운전자의 피로감이 줄어든다.
단점
비싼 가격대
오토기어는 수동기어보다 비싸다. 현대에 와서는 큰 차이는 없지만 90년대 이전에는 저렴한 차량이라도 오토기어 옵션을 추가시 많은 비용이 추가되며, 대형 트럭이나 버스처럼 업무를 위해 이용하는 대형 상용차같은 경우에는 지금도 오토기어 옵션이 수백만원, 천만원 이상까지 나가기 때문에 차량 비용 절감 등을 이유로 수동기어 차량을 선호하는 회사들이 많다. 만약 수동기어 사양 기준 가격대가 1억 근처인 차량에 오토기어 옵션을 추가하면 차량 가격이 1억 천만원까지 올라가는 것인데, 이 것은 곧 오토기어 차량 10대를 구매할 돈으로 수동기어 차량 11대를 도입할 수 있다는 것을 의미한다.
비싼 유지비
경우에 따라 차량 자체의 유지비도 더 비쌀 수 있다. 수동기어에 보다 오토기어가 더 복잡하므로 기어 자체의 비용도 더 비쌀뿐더러, 오토기어의 미션오일은 수동기어와 다르게 기계적 마모와 부식 방지, 청정효과를 내기 위한 것 뿐만 아니라, 토크컨버터 안으로 들어가 실제로 동력을 전달하는 기능도 있기 때문이다. 그래서 기어의 내구성과 효율을 유지하는 것을 위해 미션오일을 교체하는 경우가 있고 제조사에서도 가혹조건으로 주행시에는 약 10만km마다 미션오일 교환을 권장하기도 한다. 그러나 수동기어 역시 클러치 디스크라는 소모품이 있기 때문에 어떤 환경에서 주행하고 운전자가 어떤 운전습관을 가지고 있는지에 따라 다른 편이다.
낮은 연비
엔진의 토크를 오일의 순환을 통하며 전달하기에, 동력 전달효율이 마찰식 클러치에 비해 비경제적이다. 수동기어에 비해서 연비가 낮다고 할 수 있다. 연비 및 가속력에 민감한 스포츠카, 모터사이클, 버스, 트럭 등의 수동기어 비중이 여전히 높은 이유가 이 때문이다. 최근에는 토크컨버터 기술도 많이 발전해서 동력 전달효율이 95% 이상으로 많이 높아지긴 했지만, 처음 등장했을 때부터 동력의 전달효율이 거의 100%였던 직결식 기술보다는 효율이 조금 낮은 편이다. 그러나 오늘날에 와서는 연비면에서 큰 차이가 없거나 오히려 자동기어가 수동기어보다 더 연비가 낮은 경우도 있기에 장시간 운전을 해야하는 특성도 같이 고려하여 오토기어 사양으로 출고하는 경우가 늘어나고 있다.
사고 위험성
수동기어보다 급발진 사고의 위험성이 높다. 여태까지 오토기어 차량과 수동기어 차량 중 어느 쪽이 급발진이 발생하는 확률이 더 높은지는 밝혀지지 않았으나, 일단 지금까지는 수동기어 차량에서 급발진으로 의심되는 현상이나 그로 인한 사고가 보고된 적이 없다. 그러나, 급발진이 발생했을 때 클러치 페달을 밟는 것만으로 동력 전달을 끊어서 쉽게 정지할 수 있는 수동기어에 비해 오토기어는 동력을 끊는 것이 쉽지 않아 브레이크로만 해결해야 하기 때문에 상대적으로 위험하다고 할 수 있다. 변속레버까지 전자화되어 있을 경우 ECU 오류가 발생했을 때 레버를 옮겨도 중립으로 빠지지 않는 상황이 발생하기도 하는데, 이때 브레이크가 작동하지 않으면 큰 사고로 이어질 수 있다. 최대한 충격을 줄일 수 있는 장소에 충돌하여 멈추는 방법을 선택해야만 한다. 그리고 수동기어는 기어 단수를 운전자가 직접 바꾸지 않는 이상 차량이 스스로 변속을 하지 못하기 때문에 가령 1단 기어인 상태에서 엔진이 폭주해 봐야 3~40km/h 수준의 속도까지밖에 올라가지 못하며, 고단 기어였던 경우라고 가정해도 이미 충분히 빠른 속도로 달리고 있던 것이 아니라면 폭발적으로 가속하는 것이 아니라 엔진의 힘이 모자라서 시동 자체가 꺼져 버린다. 그에 반해 오토기어는 엔진의 폭주가 시작되면 동시에 기어도 엄청나게 올라간 엔진 회전수에 맞춰서 자동으로 변속되고 차량은 운전자가 제어할 수 없는 수준의 고속으로 폭발적으로 가속하게 되어버린다.
단점의 개선
오토기어의 가장 큰 문제점은 연비다. 하지만 오토기어의 다단화, 락업 클러치의 개발, 그리고 개선된 알고리즘 덕분에 오토/수동기어의 연비 차이는 갈수록 줄어들고 있다.
예전의 오토기어는 수동기어보다 상대적으로 더 관리를 요구했다. 하지만 오토기어의 기술발전은 이를 역전시켜가고 있다. 기어 자체가 일단 맞물려있는 상태를 유지하고 있으면 마모되는 부분이 없어 수명이 엄청나게 짧다. 그래서 폐차하기 전까지 무교환으로 타기도 하며, 가령 교체하더라도 미션오일이 엄청나게 비싸지도 않다. 과격한 운전 조건에서는 10만km 주기인데, 많이 갈아봐야 1~2번이기 때문에 유지비 자체의 변화가 크다고 보기는 어렵다.
반대로 수동기어 차량은 사용자의 운전습관에 따라 유지비, 관리 필요의 차이가 많이 나서 오토기어보다 유지 비용이 더 드는 경우도 있다. 그리고 오토기어의 유체컨버터와 다르게 클러치는 소모품이다. 스포츠카의 경우 클러치의 내구도가 상당히 짧기 때문에 마세라티를 탄다고 가정할 경우 2만km마다 정비를 해야한다. 상용차용 오토기어의 선두주자 앨리슨 트랜스미션의 경우 완전오토기어 모델에는 클러치가 없기에 정비하지 않아도 된다는 점을 강조하며 판매할 정도이다. 하지만 한번 고장났을 때 수리비는 아직 수동기어차량에 비해 훨씬 많이 든다. 오토기어의 구조가 굉장히 복잡하고 부품이 많기에 필연적이라고 볼 수 있다.
종류
오토기어는 크게 세 종류로 나눌 수 있다. 전통적인 토크컨버터식 오토기어를 시작으로 변속기 대신 풀리가 있는 무단변속기와 최근 늘어나고 있는 듀얼 클러치(DCT)이다. 셋은 조작 관점에서 동일하지만 움직이는 원리는 완전히 다르다. [2]
토크 컨버터
토크 컨버터는 오토기어에서 사용되는 장치로 엔진과 유성기어 사이에서 유체 커플링을 통해 동력을 전달하는 장치이다. 유체커플링을 이용하므로 엔진의 급격환 회전수 변화나 토크 충격이 동력 축으로 전달되지 않고 노면이나 바퀴에서 생겨나는 충격들도 엔진으로 전달되지 않기 때문에 승차감이 매우 좋다. 현재 한국에서 판매되고 있는 스용차의 90% 이상이 오토기어를 장착하고 있지만 유체커플링을 사용하므로 수동기어처럼 기어를 통한 동력 전달에 비교했을 때 동력 손실이 크다. 이로 인해 연비가 좋지 않다.
무단 변속기
동력을 전달하는 하나의 방법으로 대부분 각 기어의 변속비를 일정하게 유지하지만 동작점에 따른 효율 변화가 민감한 엔진의 특성 때문에 일반적인 다단 변속기는 변속기 자체의 효율이 좋아질 수는 있어도 엔진 효율을 온전히 끌어내기 어렵다는 문제점이 있다. 무단 변속기는 변속비의 조정량을 무제한으로 가져감으로써 엔진의 최적 동작점을 정확하게 예측해 연비를 높일 수 있고 다른 변속기들이 필연적으로 가지는 변속 충격을 아예 배제할 수 있어 매끄럽게 주행할 수 있다. 위키백과에는 "연속 가변 변속기"로 나온다. 이 변속기는 닛산자동차 계열의 자트코가 세계에서 가장 많이 생산한다.
듀얼 클러치
듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT)는 두 개의 클러치를 사용하는 자동 변속기를 의미합니다. 수동변속기를 자동변속화 한 것이다. 수동변속기에서 가장 중요한 것이 클러치를 다루는 것인데, 사람이 발로 하던 것을 기계가 대신 하도록 만든 것이다. 두 개의 클러치가 맞물리며 부드럽고 빠르게 변속할 수 있다는 장점이 있다.[3]
하지만 토크컨버터 방식과 비교해 동력 전달 느낌이 조금 더 거칠고, 도로 정체가 많은 우리나라 도심 운전에서는 발진과 감속이 반복되어 매끄럽지 않은 주행감을 주기도 한다.
레인지의 주요기능
P (Parking) 레인지
주차 스프래그 기어로 링 기어를 고정하여 엔진과 미션이 연결되어있지 않게 하여 동력 자체를 전달하지 않게 만든다. 요즘에는 브레이크를 밟지 않으면 P단에서 다른 레인지로 넘어갈 수 없도록 설계되고 있다.
P단은 링 기어를 움직이지 않게 하는 방식이기에 주차 브레이크를 채우지 않은 파킹 브레이크(EPB)를 채우지 않은 채로 P단을 유지하면 차량이 불안정한 느낌을 받을 수 있다. 특히 급격한 경사에서 차량 밀림이 발생할 수도 있다. 경사로에 주차할 시 반드시 파킹 브레이크와 함께 사용해야한다.
하지만 오토기어 차량 중에서는 P 레인지가 없는 경우도 있다. 버스, 화물차 등 대형차량과 푸조의 MCP를 예로 들 수 있다. P 레인지가 없을 시 기어를 중립에 두고 파킹 브레이크를 채워야 한다.
R (Reverse) 레인지
말 그대로 차를 뒤로 움직이는 용도다. 주차 시 자주 이용한다. 인히비터 스위치에 의해 엔진 시동을 걸 수 없고 후진등을 킨다. 오토기어에서 D->R 또는 R->D 로의 급격한 기어 변경은 기어에 상당한 데미지를 가져오므로 브레이크를 밟아 정지시킨 후 기어를 바꿔야한다.
N (Neutral) 레인지
D (Drive) 레인지
3 (Third, 3단) 레인지
2 또는 S (Second, 2단) 레인지
1 또는 L (Low, 저단) 레인지
각주
- ↑ 안효문 기자, 〈단독 현대차 포터·기아 봉고, 수동변속 사라진다..전기차·LPG차로 ‘변신’〉, 《데일리카》, 2021-07-05
- ↑ 정상현 편집장, 〈특집 자동변속기도 종류가 있다고? 내게 어울리는 변속기 찾기〉, 《엔카매거진》, 2018-08-10
- ↑ 정상현 편집장, 〈특집 자동변속기도 종류가 있다고? 내게 어울리는 변속기 찾기〉, 《엔카매거진》, 2018-08-10
참고자료
- 〈나무위키 자동변속기〉, 《나무위키》
- 안효문 기자, 〈단독 현대차 포터·기아 봉고, 수동변속 사라진다..전기차·LPG차로 ‘변신’〉, 《데일리카》, 2021-07-05
- 정상현 편집장, 〈특집 자동변속기도 종류가 있다고? 내게 어울리는 변속기 찾기〉, 《엔카매거진》, 2018-08-10
