무단변속기

왜 배우는가: 무단변속기는 연비와 승차감을 함께 개선하는 자동변속기로, 승용차를 비롯한 여러 차량에 쓰인다. 시험에서는 특징과 동력 전달 원리를 함께 묻는 문제로 나오므로 원리를 정확히 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제102회 1교시 6번, 제90회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

무단변속기(CVT)는 기어비를 단계 없이 연속으로 바꾸어 엔진을 원하는 회전수에 맞출 수 있는 자동변속기이다.

무단변속기는 정해진 기어단 없이 기어비가 일정한 범위 안에서 끊김 없이 변하는 변속기이다. 이름의 '무단(無段)'은 단계가 없다는 뜻이다. 원래 말뜻은 연속무단변속기이며, 오늘날에는 두 풀리를 벨트로 잇는 특정 방식을 가리키는 경우가 많다. 차량이 어떤 속도로 달리더라도 엔진을 같은 회전수 근처에 머물게 할 수 있으므로, 연비와 주행 부드러움을 함께 얻는다는 점이 이 개념의 출발점이다.

답안에서 반드시 쓸 핵심 용어는 다음과 같다.

• 무단변속기: 기어단 없이 기어비를 연속으로 바꾸는 자동변속기이다.
• 연속 가변 기어비: 두 풀리의 반지름 비가 끊김 없이 바뀌어 만들어지는 기어비이다.
• 구동 풀리(Driving pulley): 엔진 쪽 동력을 받아 벨트를 구동하는 가변 풀리이다.
• 종동 풀리(Driven pulley): 벨트에 의해 돌아가며 바퀴 쪽으로 동력을 내보내는 가변 풀리이다.
• 금속 벨트: 강철 재질의 벨트 또는 체인으로, 두 풀리 사이에서 동력을 전달하는 부품이다.
• 변속 충격: 기어가 바뀔 때 차량이 잠시 가속을 멈추었다가 다시 급격히 움직이는 현상이다.

2. 개념 풀이

무단변속기는 두 개의 가변 풀리와 이를 잇는 벨트 또는 체인으로 동력을 전달하면서, 두 풀리의 반지름 비를 연속으로 조절하여 기어비를 얻는 자동변속기이다. 정의의 핵심은 기어단이 없다는 점과 기어비가 연속적으로 변한다는 점이다. 기어 맞물림으로 기어비를 고정하는 유단 변속기와 달리, 허용된 범위의 어떤 기어비로도 맞출 수 있다는 차이가 있다.

가장 흔한 형식은 벨트 구동식이므로 이하 원리는 벨트 구동식을 기준으로 설명한다. 이 방식에서 각 풀리는 마주 보는 두 원추면으로 이루어져 있으며, 두 원추면 사이의 간격은 유압으로 조절한다. 간격을 좁히면 벨트가 홈 바깥쪽으로 올라가 유효 반지름이 커지고, 간격을 넓히면 벨트가 홈 안쪽으로 내려가 유효 반지름이 작아진다.

이 방식은 벨트 길이 일정을 전제로 하므로 한쪽 풀리의 유효 반지름이 커지면 다른 쪽 풀리의 유효 반지름은 작아진다. 구동 풀리의 반지름을 작게 하고 종동 풀리의 반지름을 크게 하면 출력축 회전은 느려지고 구동력은 커진다. 반대로 구동 풀리의 반지름을 키우면 출력축 회전이 빨라진다. 두 풀리의 반지름은 반대 방향으로 함께 움직여 벨트 장력을 일정하게 유지한다.

이 관계는 변속비로 나타낸다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$i = r_{driven} / r_{driving}$

여기서 i는 변속비(무차원), r_{driven}은 종동 풀리의 유효 반지름(m), r_{driving}은 구동 풀리의 유효 반지름(m)이다. 변속비는 엔진 회전수를 출력축 회전수로 나눈 값과 같으므로, 값이 클수록 감속 효과가 커진다.

동력은 엔진, 토크컨버터 또는 클러치, 구동 풀리, 벨트, 종동 풀리, 감속 기어, 차동장치 순서로 전달된다. 이 흐름에서 변속 기능을 맡는 부분은 두 풀리와 벨트이다.

무단변속기의 가장 큰 특징은 차속과 무관하게 엔진을 일정한 회전수 부근에서 운전할 수 있다는 점이다. 유단 변속기는 기어단마다 엔진 회전수가 계단처럼 바뀌지만, 무단변속기는 기어비가 연속으로 변하므로 엔진 회전수를 원하는 값에 맞출 수 있다. 답안지에는 차속에 따른 엔진 회전수를 두 곡선으로 대략 그리면 된다. 유단 변속기는 계단형, 무단변속기는 거의 수평인 선이다.

무단변속의 방식은 벨트 구동식 외에 마찰 방식도 있다. 마찰 방식은 마주 보는 두 마찰판 사이에 동력을 전달하는 롤러를 두고, 롤러의 회전축 각도를 바꾸어 두 마찰판의 기어비를 정하는 구조이다. 두 방식 중 벨트 구동식이 대표 형식으로 설명된다.

풀리 간격은 유압 펌프와 제어 밸브가 조절하며, 제어 방식으로 원심력이나 스프링 장력을 쓰는 방식도 있다. 현대 차량은 전자 제어 장치가 운전 상태에 맞는 목표 기어비를 정하고, 유압 밸브가 이를 실제 풀리 간격으로 옮긴다.