내연기관 자동차의 역사가 100년을 훌쩍 넘어가는 동안, 내연기관 자동차는 수많은 발전을 거듭했다. 이와 같은 발전에는 엔진 기술의 발전 뿐만 아니라 변속기의 발전도 함께 이루어져 왔다. 자동차의 변속기는 자동차의 엔진에서 발생하는 동력을 바퀴까지 전달하기 위한 장치로, 엔진과 함께 묶여 '파워트레인'을 구성한다.
과거 대한민국의 자동차 업계는 수동 변속기와 자동 변속기의 두 종류만 존재했으나, 현재는 기술의 발달과 더불어 해외에서도 다양한 차량들이 수입되면서 다양한 형태의 변속기를 만나볼 수 있게 되었다. 승용차에 사용되는 변속기의 종류와 그 작동 원리 등을 알아보자.
수동변속기(Manual Transmission)
말 그대로 동력의 체결과 해제를 운전자가 직접 '수동'으로 해 줘야 하는 변속기다. 자동차 역사의 태초부터 지금까지 사용되고 있는 변속기의 형태이기도 하다. 자동차 역사의 초기에는 제조사들마다 수동 변속기의 구조와 조작법이 제각각이었지만, 오늘날에는 모두 공통된 조작법으로 만들어지고 있다.
수동변속기는 다른 변속기들에 비해 조작이 불편하고 운전자의 숙련도에 따라 주행질감에 악영향을 끼치는 것은 물론, 심하면 변속기를 망가뜨릴 수도 있는 위험이 있다. 하지만 수동변속기는 다른 모든 변속기와 비교했을 때 가장 단순한 기계적 구조와 더불어, 가벼운 무게, 그리고 이론 상 동력 전달 효율이 가장 높은 방식이다. 또한 큰 동력을 전달하는 데 있어서는 아직도 수동변속기가 가장 유효하다. 따라서 오늘날 승용차에서는 사용량이 크게 줄어들기는 했지만, 상용차 업계에서는 대형으로 갈수록 이쪽이 명백한 주류다. 이 뿐만 아니라 한 톨의 동력도 낭비해선 안되는 경주용 자동차에도 많이 사용되고 있다.
자동변속기(Automatic Transmission)
여기서 말하는 자동변속기는 유체 클러치(Fluid Coupling) 기반의 자동변속기를 말한다. 유체 클러치란, 유체의 흐름을 이용하는 형태의 클러치를 말하며, 다른 변속기들과는 달리, 엔진과 변속기가 기계적으로 체결되지는 않는 구조를 띈다. 물론 최근에는 자동변속기의 다단화와 더불어 제한적인 조건에서 엔진과 변속기를 기계적으로 연결시켜주는 락업 클러치(lock-up Clutch)의 적용이 일반화되었다. 따라서 제한적으로는 기계적으로 연결되기도 한다.
자동변속기의 동력 전달은 토크 컨버터(Torque Converter)를 통해 이루어진다. 토크 컨버터의 내부에는 플라이휠에 연결된 컨버터 하우징 및 펌프, 변속기축과 그에 연결된 터빈으로 구성된다. 내부는 흔히 ‘미션오일’이라 불리는 자동변속기용 오일이 충진되어 있다. 터빈과 펌프는 바람개비와 같은 형상을 띄고 있으며, 플라이휠 및 컨버터 하우징이 회전을 시작하면 펌프가 터빈에 오일을 보내고, 터빈은 펌프를 통해 얻은 오일에 의해 회전을 시작한다. 작동 중인 선풍기 앞에 바람개비를 가져다 대면 바람개비가 돌아가는 원리다. 유체 클러치 기반의 자동변속기는 대출력을 받아내기 용이하고 주행질감이 우수해 현재 승용차에서 가장 널리 사용되고 있다.
자동화 수동변속기(Automatic Manual Transmission, 이하 AMT)
수동변속기와 자동변속기는 각각 명백한 장단점이 존재한다. 그렇다면, 뛰어난 효율의 수동변속기를 '자동화'시킨다면 어떻게 될까? 이러한 발상에서 착안한 것이 바로 AMT다. AMT는 자동화된 과정과 구조에 따라 몇 가지의 갈래로 나뉜다. ‘클러치를 밟고 떼는(동력의 단절과 전달) 과정’까지만 자동화한 경우도 있고, 다음 단수로 변속하는 과정까지 포함하여 자동화한 경우가 존재한다. 전자의 경우에 해당하는 것은 이른 바 ‘세미오토’라 불리는 클러치 없는 수동변속기의 형태다. 다른 하나로는 시퀀셜 방식 수동변속기에 도그 클러치(Dog Clutch)를 이용한 경우다. 이는 빠른 기어변속과 즉각적인 동력전달을 최우선으로 하는 경주용 자동차나 일부 초고성능차들을 위한 형태다.
일반적인 승용차에서 가장 널리 사용되는 AMT는 동력의 단절 및 전달 과정과 변속까지 모두 자동화한 형태다. 이러한 방식으로 작동하는 형태는 크게 두 가지가 있는데 그 중 하나는 일반적인 동기치합식(싱크로매시 타입) 수동변속기에 클러치 및 기어단수를 자동으로 제어하는 방식이다. 그리고 나머지 하나는 후술할 '듀얼 클러치' 방식이다. 일반적으로 AMT는 전자의 경우를 말한다.
듀얼 클러치 변속기(Dual-Clutch Transmission, 이하 DCT)
DCT는 AMT의 한 갈래로 태어났다가 현재는 하나의 독립된 변속기로 취급되고 있다. DCT는 하나의 기어박스에 두 개의 수동 변속기가 이중으로 들어가 있는 구조라고 보면 된다. DCT는 홀수단과 짝수단을 위한 클러치가 별도로 마련되어 있고, 이 두 개의 클러치가 TCU에 의해 제어되어 빠르고 효율적인 변속을 가능케 한다. 자동변속기와 수동변속기의 장점을 고루 갖춘 변속기라고도 할 수 있다.
듀얼 클러치 변속기는 습식 듀얼 클러치(DSG), 건식 듀얼 클러치(DCT)로 구분할 수 있다. 대표적으로 폭스바겐이 습식 듀얼 클러치(DSG)를 사용하고 현대자동차의 경우 건식 듀얼 클러치(DCT)를 사용한다. 두 방식의 차이는 기어박스의 유체 여부로 나뉜다. 습식 듀얼 클러치는 오일이 7~8L 들어간다. 이 때문에 오일펌프, 드레인 등 부품이 추가된다. 하지만 두 개의 수동변속기가 하나의 기어박스에 삽입된 형태로 인해 구조가 상대적으로 복잡하고 정교한 전자제어 시스템을 요구하므로, 생산 단가가 상대적으로 높은 편이다.
무단 변속기(Continuous Variable Transmission, 이하 CVT)
CVT는 자동변속기의 일종으로, 기어와 기어가 서로 맞물리는 형태인 통상의 변속기와는 달리, 두 개의 풀리(Pulley, 도르래)를 하나의 벨트로 연결하는 형태로 만들어진다. 두 개의 풀리는 각각 엔진과 구동축에 연결되며, 풀리의 직경은 가변(可變)할 수 있도록 만들어 변속기의 기능을 구현한다.
CVT의 가변형 풀리는 CVT 특유의 연속적인(Continuously) 동력 배분의 핵심이다. 저속에서 높은 토크가 필요할 때에는 엔진 측의 풀리 직경을 확대하고 고속 회전이 필요한 경우에는 구동축 측의 풀리 직경을 확대한다. 자전거의 변속기와 매우 유사한 원리라고 보면 된다. CVT는 가벼운 중량과 단순한 구조, 그리고 이론 상 변속 충격이 존재하지 않는다는 것이 장점이며, 제어의 정밀도에 따라 주행의 시작부터 끝까지 최적의 기어비로 주행할 수 있어, 뛰어난 효율을 자랑한다. 하지만 대출력을 감당하기에는 다른 변속기에 비해 부족하며, 주행질감이 이질적이라는 단점도 있다.
번외 - 변속기가 없는 차가 있다?
이 외에도 기계적인 변속장치가 따로 없는 경우도 존재한다. 토요타자동차 계열의 하이브리드 차량들이 그 예다. 토요타식 하이브리드 시스템(Toyota Hybrid System, THS)을 사용하는 차량들의 경우, 차량마다 2기의 모터-제너레이터(Motor-Generator)가 장착되는데, 이들 1번은 엔진과 직결되어 있고, 2번은 후륜이나 전륜 차축에 별도로 장착된다.
여기서 변속기의 역할을 하는 것이 바로 엔진에 직결된 1번 모터-제너레이터다. 전기모터의 회전을 이용하여 구동력을 제어하는 것이다. 이를 통해 CVT에 아주 가까운 주행질감을 만들어내기 때문에, 토요타 계열의 하이브리드 차종에는 변속기가 'e-CVT'라는 이름으로 표기된다. 렉서스의 고급 차종인 LS500h나 LC500h에 탑재되는 멀티스테이지 하이브리드 시스템의 경우, 엔진과 직결된 1번 모터-제너레이터 내에 4개의 추가 기어를 넣어 주행질감을 보완한 것이 특징이다.
