자동변속기는 기어 변속을 자동적으로 하는데 각 단마다 기어비가 미리 정해져 있어서 연비를 좋게 하는 데는 한계가 있다. 무단변속기(CVT, Continuiusly Variable Transmission)는 자동변속 시 기어비를 연속적으로 최적으로 바꿈으로써 연비를 더욱 좋게 할 수 있으며 변속쇼크가 없고 가속 성능이 우수한 장점이 있다. 그러나 무단변속기는 자동변속기와는 달리 기어비의 구현을 체인벨트나 풀리 또는 트로이달과 같은 캠을 이용한 마찰에 의존하고 있다. 이 마찰력 유지를 위해 자동변속기 대비 5배(50bar)에 가까운 유압을 사용하게 되어 이에 따른 효율 저하의 문제와 오일이 누설될 단점이 있다.
1. 무단변속기의 분류
2. 무단변속기 제어
3. 무단변속기의 제원
1. 무단변속기의 분류
무단변속기는 일반적으로 변속방식(혹은 기어 변환)에 따라 벨트식(혹은 벨트 및 풀리식)과 트로이달식으로 분류하고 있다. 벨트식에는 스텝모터로 제어하는 건식과 유압으로 제어하는 습식이 있고 트로이달식은 ON 센터식이 있다. 무단변속기의 변속비는 다음 식으로 정의한다.
변속비 = 출력반경 / 입력반경
- 벨트식 CVT
벨트식은 엔진쪽의 입력 축과 종감속 기어 쪽의 출력 축에 각각 1차 풀리, 2차 풀리를 장착하고 금속벨트(혹은 체인, 고무벨트)로 연결하여 마찰력으로 동력을 전달하는 방식이다. 1차 풀리와 2차 풀리가 접촉하는 지름(또는 풀리의 폭)은 유압을 이용하여 접촉반경을 바꿈으로써 변속비가 바뀌도록 되어 있다.
벨트식 CVT는 발진기구, 중립 및 전후진 변환장치, 변속장치, 유압제어, 전자 제어부로 구성된다. 변속장치에는 구동풀리(1차 풀리)와 피동풀리(2차 풀리)가 벨트로 연결되어 있다. 구동풀리는 변속비 제어압에 따라 벨트와 풀리의 접촉 반경이 변화되고, 피동풀리의 유압실에는 라인압이 작용되고 있다. 고속회전에서는 유압실과 연동하는 밸런스 챔버가 설치되어 원심유압을 상쇄시키는 구조로 되어 있다.
- 트로이달식 CVT
트로이달(toroidal)식은 입력측 파워 디스크(금속 원판)와 출력 측 파워롤러의 접촉마찰에 의하여 회전력을 전달하고, 변속비 변환은 파워롤러의 압력에 의해 위상의 변화를 주어 접촉 유효반경의 변화에 의해서 행하여진다. 실제에는 직접 접촉마찰에 의하지 않고 오일의 전단력을 이용하고 있다. 오일은 일반적인 것이 아닌 슬립방지를 위한 특수한 오일이 사용된다. 이 오일은 고압을 받으면 분자가 고형화하고, 압력이 없어지면 액상으로 돌아가는 성질을 가지고 있다. 따라서 이 방식은 트랙션(traction) 구동방식이라고도 한다. 트로이달 트랙션 구동방식은 디스크 단면의 형상에 따라 ON 센터식(full toroidal)과 OFF 센터식(half toroidal)으로 나누어진다.
2. 무단변속기 제어
현대자동차에서 개발한 벨트식 CVT 제어기구에 대하여 설명한다. 이 시스템은 엔진 동력을 전달하는 토크 컨버터, 중립과 전, 후진 변환장치인 유성 기어의 변속비를 제어하는 풀리, 유압을 제어하는 솔레노이드와 솔레노이드를 제어하는 PCM으로 구성되어 있다. 제어는 크게 라인압 제어, 스포츠 모드 제어, 총합 제어가 있다.
- 변속모드 제어
변속모드 제어는 D(일반적인 모드), Ds(기어비가 D레인지보다 크게 하여 험로에서 원활한 가속감을 실현하는 모드), 스포츠 모드(자동변속기이면서 수동변속기 감각의 운전을 가능하게 하는 모드, CVT 차량은 전진 6속을 채택)가 있다. P/N레인지에서는 동력전달이 없고 R레인지에서는 고정된 기어비가 된다. 그 이외의 레인지에서는 프라이머리 속도, 세컨드리 속도센서와 TPS 개도량 따라 운전성과 주행성 및 소음이 최적인 상태에서 변속이 되도록 자동 변속된다.
- 하이백 제어
엑셀 개도량에 따라 최적의 상태에서 변속하도록 하는 최적제어, 변속비를 현재 변속단보다 저단으로 무단 변속시켜 재가속 시 응답성이 빠른 가속이 가능하도록 한 오르막 제어, 내리막길에서 브레이크 신호가 입력되면 브레이크를 작동시키는 내리막길 제어 등을 실시한다.
- 총합제어
총합 제어는 토크와 토크 리더션을 엔진 ECU와 TCU가 일체 되어 통신 지연 없이 데이터를 처리하고 있다. 엔진의 가감속 시에 엔진의 토크를 빠르게 연산하여 동력 손실을 최소화하고 벨트 슬립을 억제하며 엔진에서는 가장 좋은 연비에서 운전이 가능하고 변속감이 향상된다.
3. 무단변속기의 제원
| 무단변속기 | ||
| 모델 | FICIA - 2 | |
| 중량(kgf) | 81.5 | |
| 변속비 | 1속 | 2.319 |
| 2속 | 1.62 | |
| 3속 | 1.26 | |
| 4속 | 1 | |
| 5속 | 0.7 | |
| 6속 | 0.445 | |
| 후진 | 2.588 | |
| 변속형식 | 무단 변속 | |
| 종감속 | 5.219 | |
| 변속 레인지 | D, Ds 스포츠 | |
| 토크 컨버터 형식 | 3요소 2상 1단 | |
| 유성 기어 | 더블피니언 단순 유성 기어 | |
| 구성요소 | 클러치 1EA | |
| 브레이크 1EA | ||
| OWC 무적용 | ||
| 변속 시 유압제어 | 각 솔레노이드 밸브에 의한 독립제어 | |
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