무단변속기

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

개요

무단변속기(CVT, Continuously Variable Transmission)은 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 각 단수별로 톱니바퀴가 맞물려 동력을 전달하는 방식이 아니라, 메탈벨트에 의해 기어비가 조정되며 동력을 전달한다. 따라서 톱니바퀴의 톱니 개수에의한 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 빈치가 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, 승용차 사업 본부는 볼보에 매각되었다. 이때 볼보(Volvo) 340에 반도르네의 무단변속기가 장착되었다. 1987년 포드 피에스타와 피아트 우노는 첫 번째로 금속 벨트식을 장착한 유럽 자동차가 되었다. 이 무단변속기는 1976년부터 포드, 반도르네, 그리고 피아트가 개발해 왔던 것으로 포드 CTX 부르고 있다. 1990년대 후반, 닛산은 더 높은 토크를 얻을 수 있는 마찰식 무단변속기를 설계했다. 이는 글로리아와 스카이라인 GT-8에 장착되어 일본 시장에 출시되었다. 이후 닛산은 전 라인업에 무단변속기를 적용하기 시작하였다.대한민국에는 마티즈를 통해 무단변속기가 처음 선보였으며, 1세대 후기형까지 장착되고 2세대 이후부터는 4단 자동변속기로 교체되었다가 스파크 1세대 후기형 모델 중 S 모델에 무단변속기가 다시 장착되었다.

원리

무단변속기는 자전거의 변속기와 매우 유사한 원리인데,자전거는 페달과 연결된 톱니바퀴와 구동바퀴인 뒷바퀴에 연결된 톱니바퀴의 각각의 크기변화에 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. 이때문에 변속기는 통상의 변속기와 같은 단수라는개념이 존재하지 않는다. 무단변속기라고불리는 이유가 바로 이 때문이다. 변속기에 따라서는 보조적으로 부변속기를 추가하는 경우도 있다.무단변속기의 원리들중 현재 가장 많이쓰인는 방식은 벨트 구동 방식과 마찰 방식이다. 그 중에서는 휘브 반도르네의 벨트 구동 방식이 가장 많이 사용되고 있다. 벨트 구동 방식은 풀리가 뾰족한 부분끼리 맞대어 만나고, 두 개의 풀리 사이의 틈에 메탈 벨트가 끼워져있는 구조를 가지고있는데, 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 변속충격이 없다. 저속에서는 엔진측 풀리의 지름을 바퀴측 지름보다 작게 만들어 바퀴측 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 엔진측 풀리와 바퀴측 풀리를 서로 반대로 제어하면 원하는 기어비를 얻을 수 있게 된다. 벨트 구동 방식에서 사용되는 벨트는 주로 금속 벨트를 사용하는데, 금속 벨트는 반도르네 트란스미시(Van Doorne Transmissie B.V.)에서만 생산된다.마찰 방식은 두 개의 마찰판을 마주보게 하고, 그 사이에 동력을 전달하는 롤러(roller)로 구성되어 있다. 롤러의 회전축은 각도를 바꿀 수 있는데, 이 회전축의 각도에 따라 두 마찰판의 기어비가 결정되는 방식이다.

구조

무단변속기는 발진기구 발진기구, 중립 및 전후진 변환장치, 변속 장치, 유압제어, 전자 제어부로 구성된다. 전후진 변환장치는 입력축에 설치되어 있으며, 싱크로메시식으로 이루져 셀렉트 레버와 케이블 및 링크 장치로 연결되어 전진 및 후진을 수동으로 전환할 수 있다. 변속장치인 풀리는 구동풀리, 종동풀리로 구성되어 있고, 벨트에 의하여 동력이 전달된다. 먼저 구동풀리는 고정시이브와 유압실을 갖는 가변시이브로 구성된다. 가변시이브의 유압실은 고압에 견디도록 설계된 오일 실, 피스톤 및 실린더로 구성된다. 구동풀리에는 변속비 제어압에 의하여 벨트와 풀리의 접촉 반경이 변화되어 변속되고 종동풀리의 유압실에는 라인압이 작용되고 고속회전에서도 제어성능을 향상시키도록 유압실에 연동하여 작동하는 벨런스챔버가 설치되어 원심유압을 상쇠시키는 구조로 되어 있다. 저속시에는 엔진에 연결된 구동측의 풀리와 접촉 반경이 적고 종도축에 걸리는 접촉반경이 크다. 고속시에는 엔진에 연결된 구동축에 벨트와 풀리의 접촉반경이 크고 종동축에 걸리는 벨트와 풀리에 걸리는 접촉반경이 작다.

장단점

장점

무단변속기는 기어와 기어가 서로 맞물리는 일반 변속기와 달리 두 개의 풀리(Pulley, 도르래)를 체인이나 벨트로 연결하는 구조라고 했는데, 무단변속기는 정해진 범위 내 변속비를 무단으로 조절 가능해 효율을 극대화하면서 엔진 회전수를 유지할 수 있다. 또한 움직이는 부품이 적어 에너지 손실이 적기 때문에 가속 성능과 연비를 향상시켜준다. 그리고 기어가 변속될 때 차량이 잠시 가속을 멈추었다가 다시 급격히 움직이는 변속충격 현상을 없애 주어 차량이 부드럽게 주행될 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 엑셀을 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 변속기에비해 매우 낮고 유동 부품이 다른 변속기에 비해 더 낮다. 고장이 난다해도 수리비용이 아주 적게 든다. 그리고 자동변속기보다 변속기 오일 교체 회수가 적다.

단점

처음 무단변속기가 만들어졌을시점의 무단변속기가 탑재된 차량들은 성능이 낮았다. 예를 들어, 포드 피에스타 같은 차들이 있다.1.1 CTX는 도심 주행시 수동변속기 차량보다 8.2퍼센트 더 연료를 소모했다. CVT는 주행이 매우 부드럽다. 대부분의 운전자들은 차량이 움직일 때 변속충격을 기대하기 때문에, CVT의 경우 엔진 출력이 낮다는 인식을 주기 쉽다. 어떤 경우는 CVT 제어 소프트웨어를 통해 변속충격을 그대로 재현해 주는 모델도 있다. CVT가 일정한 RPM을 유지시켜 주기 때문에, 운전자가 가속 페달을 밟을 때 차량은 가속되지만 엔진에서 기어 변속시 발생하는 소리 변화가 없게 된다. 이 현상은 몇몇 운전자들에게 혼란을 주어 엔진 출력이 약하다는 인식을 준다. 오르막길 브레이크 상태에서 출발한 직후에 RPM이 급속도로 올라가면서 급출발이 일어나는 경우가 있다. 심할 경우 과속 방지턱에서도 RPM 급증이 나타난다. 마찰식의 경우, 사각사각하는 금속성 소리가 발생하는 경우가 있다.

개발 시점이 1950년대임에 비해 상용화가 매우 느린 편이다. 이론적으로 충분한 가능성을 가지지만 높은 유압을 필요로 하여 실제로는 효율이 떨어지기 때문이다.

효율성 문제보다 훨씬 심각한 것은 내구성 문제다. 효율이 좋지 않더라도 고장 없이만 작동한다면 CVT가 우리나라에서 이렇게 이슈가 되고 불신의 대상이 되지는 않았을 것이다. 현재까지 CVT가 장착된 국산차는 차종을 막론하고 대부분 CVT 내구성으로 인한 잔고장 문제에 시달렸다. 마티즈가 특히 임팩트가 크긴 하지만, 마티즈 말고도 CVT를 장착하고 미션 이슈가 없었던 차종은 없었다고 해도 과언이 아니다. 다만 정도의 차이가 있을 뿐

같이 보기

• 자동변속기
• 수동변속기
• 변속기

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