전자제어 새시(1)

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

자동차 새시 장치 개요

자동차는 주행, 선회, 정지라는 기본적인 3가지 동작 요소 기능을 지니고 있는 기구다. 이 3가지 요소의 기본 기능은 운전자의 주행 의지에 따라 가속 페달, 클러치, 조향, 브레이크 조작을 통해 이뤄진다.
자동차 새시(chassis) 장치는 차체를 얹는 차대 장치를 말하며 차체를 제외한 차대 근간이 되는 장치다. 보통 자동차 새시는 동력전달 장치, 조향 장치, 제동 장치, 현가 장치, 그리고 휠(wheel)과 타이어를 뜻한다. 따라서 차량 주행 성능과 안전성을 높이기 위해서는 이 새시 장치의 성능 향상이 중요하다.

차량 새시 장치 중 동력전달 장치(powertrain)는 엔진으로부터 발생된 동력을 차륜에 전달하는 장치로 동력을 단속(斷續)하기 위한 클러치(clutch), 주행 상태에 따라 기어 비를 조절하는 변속기(transmission), 동력을 전후륜으로 분배하기 위한 트랜스퍼 유닛(transfer unit)과 차륜으로 동력을 전달하기 위한 액슬 샤프트(axle shaft) 등으로 이뤄진다. 차량은 전진과 후진시 구동륜에 필요한 회전수로 동력을 전달한다. 동력전달 장치는 회전력 및 구동력의 전달 정도나 시점에 따라 주행 성능, 주행 연비 등에 지대한 영향을 미치게 된다.

새시 장치 중 조향 및 제동 장치는 차량의 주행 안전성과 선회 안정성을 결정하는 장치로 높은 신뢰성이 요구된다. 스티어링 휠(steering wheel)은 조향 감각과 조향력을 운전자에게 전달하는 장치로 주행 안전성에 중요한 역할을 한다. 조향 장치의 구성은 스티어링 휠과 스티어링 휠의 조향력을 전달하는 컬럼 샤프트(column shaft), 컬럼 샤프트로부터 전달된 조향력을 감속과 함께 운동 방향을 전환하기 위한 기어 박스, 차륜의 너클 암(knuckle arm)을 연결하기 위한 스티어링 링키지(steering linkage)로 이뤄져 있다.

주행중인 차량이 정지한다는 것은 타이어의 접지면과 노면 간 발생하는 마찰력을 이용한다는 것이다. 기본적으로 제동 성능을 결정하는 것은 타이어에 작용하는 힘에 의해 결정된다. 따라서 아무리 강력한 제동 장치를 장착한다 해도 타이어의 상태가 좋지 않으면 차량의 정지 기능은 충분히 발휘되지 못한다. 제동 거리는 노면의 상태와 타이어의 상태에 따라 크게 변화하며 선회 안전성에도 큰 영향을 미친다. 제동 장치에 사용되는 브레이크(brake)는 주로 제동시 발생하는 열 에너지를 방출하는 마찰식 브레이크를 이용한다. 마찰 브레이크는 형태에 따라 디스크 브레이크 방식과 드럼 브레이크 방식이 있다.

현가 장치는 차량의 차축(axle)과 차체(body)를 지지하고 노면으로부터 충격을 흡수하는 역할을 해 차량의 주행, 안전 성능에 중요한 영향을 미친다. 제동시 차륜으로부터 제동력을 차체에 전달하며 차량이 선회할 때는 원심력, 구동력 작용에 따른 진동, 쏠림 현상을 완화한다. 현가 장치는 노면으로부터 받는 진동, 충격을 완화하기 위한 새시 스프링, 차체 자유 진동을 억제하기 위한 쇼크-업소버(shork absorber), 차량의 요잉(yawing)을 방지하기 위한 스테빌라이져(stabilizer), 차축과 차체를 지지하기 위한 너클 서포트(knucle support) 등으로 구성된다.

자동차의 새시 장치는 동력 성능, 연비, 조향 안전성, 주행 안전성, 승차감, 정숙성 등에 많은 영향을 미친다. 최근의 새시는 보다 나은 차량 주행 성능, 안전성을 위해 전자제어 시스템화 되고 있다. 보편화된 전자제어 새시 장치로는 전자제어 A/T(Auto Transmission), ABS, ECS, EPS, 전자 제어 4륜 구동 시스템(Active Torque Transfer System, ATTS) 등이 있다. 이번 호에서는 동력 전달 장치의 핵심인 자동 변속 장치에 대해 소개하고자 한다. 

전자제어 A/T의 구성

전자제어 A/T는 자동차 제조사에 따라 ECT(electronic control transmission), 또는 ELC A/T(electronic control auto transmission)라고 부른다. ELC-A/T 시스템은 그림 1과 같이 자동 변속에 필요한 여러 정보를 검출하는 입력 측 센서들과 이들 센서로부터 검출 신호를 입력 받아 제어하는 TCU(transmission control unit), TCU로부터의 제어 명령을 실행하는 출력 측 전자반(電磁般)으로 구성돼 있다. 출력 측 전자반은 유압을 제어하기 위한 수개의 유압 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 이들 밸브로부터 유압 회로를 절환(絶換)해 자동 변속할 수 있도록 한 변속기구 자동 변속기 어셈블리(assembly)로 구성된다.

ELC A/T의 여러 입력 센서 중 변속을 결정하는 주요 센서는 엔진 부하를 검출하는 스로틀 포지션 센서(throttle position sensor)와 차량 속도를 검출하는 차속 센서가 있다. 구성 요소 중 TCU는 자동 변속에 필요한 여러 입력 센서의 신호를 입력 받아 미리 설정된 ROM(읽기 전용 메모리) 내의 변속 패턴(shift pattern) 프로그램에 따라 데이터 값을 출력한다. TCU로부터 출력된 변속 패턴 데이터 값은 자동 변속기 내의 해당 유압 솔레노이드 밸브를 구동해 변속기의 변속을 실행하도록 한다. 여기서 사용되는 유압 솔레노이드 밸브는 자동 변속기 내의 밸브 바디(valve body)에 장착돼 있다. 이 밸브는 변속 기구의 변속이 가능하도록 변속기 내 유압 회로를 절환하는 일종의 전자 개폐 밸브다.

전자제어 A/T는 기본적으로 종래에 사용하던 기계식 A/T에 TCU를 적용한 것이다. 기계식 A/T와 마찬가지로 변속기 내 동력전달을 유압을 이용해 제어한다. 자동 변속기는 엔진 동력을 기계식 마찰 클러치를 이용해 동력을 전달하는 대신 유체를 이용해 동력을 전달한다. 이에 따라 자동 변속기 내의 유압을 절환하기 위해 전자반(電磁般)인 유압 솔레노이드 밸브가 필요하다. ELC A/T의 동작 개념을 쉽게 표현하면 그림 2와 같다.
엔진으로부터의 동력은 자동 변속기 내에 있는 토크 컨버터(torque converter)를 통해 유성 기어(planetary gear)로 전달되고, 유성 기어로부터 전달된 동력은 디퍼렌셜 기어(differential gear)를 통해 출력돼 차륜 측에 회전력을 전달한다. 유체를 이용해 회전력을 변환하는 토크 컨버터 내에는 펌프(pump impeller)와 터빈(turbine)을 설치해 엔진으로부터의 기계적 동력을 펌프 임펠러를 이용해 유체 동력으로 변환한다. 변환된 유체 동력은 터빈으로 기계적 동력으로 변환된다. 토크 컨버터 내의 펌프 임펠러 회전축은 엔진의 크랭크 샤프트(crank shaft)와 직접 연결돼 있어 엔진으로부터 발생된 기계적 동력을 유체 동력으로 전환하고, 유체로 전환된 동력은 터빈을 통해 다시 기계적 동력으로 전환된다. 이렇게 전달된 기계적 동력은 그림 3의 동력전달 흐름도와 같이 유성 기어로 전달돼 유성 기어의 변속비에 의한 기어 변속이 이뤄진다.

유성 기어는 선 기어(sun gear)를 중심으로 피니온 기어(pinion gear), 링 기어(ring gear), 그리고 선 기어와 피니온 기어를 연결하는 캐리어(carrier)로 구성된 것으로, 기어 비의 조합에 따라 기어 변속이 가능하도록 한 기어 유닛이다. 기어 비의 조합은 유압을 이용한 여러 가지 유압 클러치와 브레이크를 통해 조절된다. 이들 클러치와 브레이크를 유압으로 제어하기 위해서는 수개의 유압 솔레노이드 밸브와 유압 회로가 필요하다.

유성 기어의 변속 원리

유성 기어는 그림 4와 같이 선 기어, 링 기어, 캐리어, 3개의 기어가 구동력 전달 역할을 하고 있다. 유성 기어의 변속 원리를 이해하는 것은 유성 기어의 회전을 직접 확인하는 것이 가장 이상적인 방법이나 유성 기어 각각의 공전과 자전 운동을 통해 쉽게 이해할 수 있다. 먼저 자전 운동을 보면 선 기어 위를 굴러가는 피니언 기어를 1회전 자전시키면 피니언 기어가 자전분(2πr) 만큼 선 기어 위를 굴러 가 이동한다. 선 기어가 회전시켜 피니언 기어가 공전 운동을 하면 피니언 기어는 공전분(2πr) 만큼 선 기어 위를 굴러 이동해 증속한다.

서로 외접해 있는 일반 기어 경우에는 입력 축(구동축)이 항상 출력 축에 전달되기 때문에 축(shaft)을 중심으로 자전 운동을 한다고 할 수 있다. 그러나 유성 기어의 경우에는 피니언 기어의 지지대(캐리어)가 있어 링 기어와 캐리어가 공전 운동을 한다. 피니언 기어의 경우 동력전달에 관계없이 자전 운동을 하지만, 공전 운동은 캐리어가 한다. 피니언 기어에 자전과 공전을 동시에 진행시킨다고 했을 때 피니언 기어는 공전 운동을 하고 있다고 할 수 있지만 실제 역할은 피니언 기어를 지지하고 있는 캐리어가 맡고 있다. 

밸브 바디

유성 기어의 선 기어 위를 피니언 기어가 자전과 자전 운동, 자전과 공전 운동을 하기 위해서는 유압 클러치와 브레이크가 필요하다. 즉 유성 기어의 증감속을 실행하기 위해서 선 기어, 피니언 기어, 링 기어 그리고 캐리어의 회전, 정지 동작이 요구되는데 이때 유성 기어의 회전, 정지를 실행하기 위해 유압 클러치와 브레이크가 구동한다. 유압 클러치와 브레이크를 구동하기 위한 유압 회로는 오일 펌프로부터 토출된 유압을 일정 압력으로 제어하기 위한 압력 솔레노이드 밸브, 유압 클러치와 브레이크를 구동하기 위한 변속 솔레노이드 밸브 등이 일체화 돼 유압 회로를 제어한다.

기계식 A/T의 경우 차량 속도에 따라 유압을 발생하는 거버너 밸브(governor valve)와 엔진 부하에 따른 유압 발생을 위한 스로틀 밸브가 필요한 데, 전자제어 A/T 경우에는 차속에 따라 압력을 제어하기 위한 압력 제어용 솔레노이드 밸브와 변속을 위한 변속용 솔레노이드 밸브가 요구된다. 밸브 바디는 기계식 밸브와 전자식 밸브의 조합으로 이뤄져 유압 회로의 압력을 조절한다. 압력을 제어하기 위한 밸브와 변속을 위한 밸브를 하나의 유압 회로에 설치하고 있다.
 
동력전달 경로

자동 변속기 오일(Automatic Transmission Fluid, ATF)은 A/T 내를  순환하면서 윤활 작용과 라인 압을 조절해 각 작동 요소를 제어한다. 이에 따라 ATF의 순환 결로를 아는 것은 자동 변속기의 동력전달 흐름을 이해하고 있는 것과 같다고 할 수 있다.
최초 ATF 순환은 오일 펌프로부터 시작해 그림 5와 같이 작동 요소로 공급된다. 오일 펌프로부터 토출된 라인 압은 밸브 바디를 통해 각 작동 요소로 압송되어 동력을 전달 또는 차단한다. 오일 펌프는 토크 컨버터(torque converter)의 샤프트와 직결돼 있어 엔진이 회전하고 있는 동안 항상 등속 회전해 ATF를 각 작동 요소에 공급한다. 오일 펌프가 회전을 시작하면 오일 팬(oil pan)으로부터 흡입된 ATF는 각 작동 요소로 공급되는 라인 압으로 변화된다.

이 라인 압은 엔진 회전수에 따라 변화하게 되므로 실제로 엔진 회전수와 함께 R, D, 2, L-레인지에 맞는 변속압이 필요하게 된다. 이와 같은 이유로 변속압에 맞는 라인 압을 제어해 주기 위해 밸브 바디가 필요하다. 오일 펌프로부터 토출된  라인 압은 밸브 바디를 통해 토크 컨버터와 각 작동 요소로 공급되고, 토크 컨버터로 공급된 라인 압의 ATF는 펌프 임펠러를 통해 터빈과 스테이터(stater)를 거쳐 다시 펌프 임펠러로 순환한다. 또 일부는 오일 펌프 샤프트(oil pump shaft) 관을 통해 오일 펌프로 재순환한다.

한편 밸브 바디로 토출된 라인 압은 변속압에 맞게 조절돼 주요 작동 요소인 프론트 클러치(front clutch)나 리어 클러치(rear clutch) 등으로 압송돼 스로틀 밸브의 개도량과 차속에 따른 변속 솔레노이드 밸브를 구동시킨다. 밸브 바디 내에는 압력 조절 밸브(pressure regulator valve) 또는 PCV(pressure control valve)가 내장돼 라인 압을 조절하고, 조절된 라인 압은 토크 컨버터와 각 작동 요소로 분류돼 작동압으로 작용한다. 여기서 조절되는 라인 압은 차량의 주행 조건에 따라 TCU(A/T ECU) ROM 내에 미리 설정돼 있는 데이터 값에 의해 솔레노이드 밸브의 듀티 비(duty rate)를 제어하게 된다.

자동 변속기의 변속 패턴

변속 패턴(shift pattern)
전자제어 변속기는 차량 성능과 운전 상황에 따라 가장 이상적으로 변속이 이뤄질 수 있도록 TCU(A/T ECU) 내에 변속 패턴(shift pattern)을 설정하고 있다. 이 변속 패턴은 엔진의 동력 성능이나 연비, 차량 충격, 소음 등을 고려해 설정하고, 차량 주행 상황에 따라 속도, 액셀 페달(accel pedal)을 밟는 양을 고려해 변속이 이뤄지도록 설정돼 있다. 동력 성능과 연비를 고려하기 위해 액셀 페달의 밟는 스로틀 개도량과 변속기 드라이브 기어(drive gear) 회전수를 고려해 변속 패턴을 설정한다. 변속 패턴을 결정하는 요인은 다음과 같은 요소다.
변속 패턴을 결정하는 요인
 

1. 엔진 회전수와 부하에 따른 적정 변속 시점 결정
2. 스로틀 밸브 완전 개도시 엔진 최대 회전수 결정(rpm)
3. 차량 구동력과 배출 가스에 대한 적정 변속 시점 결정
4. 엔진 출력과 차량 가속력에 대한 토크 컨버터 결정
5. 업 시프트(1속→4속)시 변속 타이밍과 다운 시프트(4속→1속)시   변속 타이밍의 결정(변속에 의한 충격 최소화)
6. 킥 다운(kick down) 및 리프트 풋 업(lift foot up)시 엔진의 최대 회전수가 되지 않도록 한다.

변속 패턴은 차량의 출력, 연비, 가속 성능, 배출 가스, 변속 쇼크(shork) 등에 많은 영향을 미치게 되므로 적정 변속 패턴 결정이 매우 중요하다. 이와 같이 여러 요소를 고려한 변속 패턴(shift pattern mode)에는 여러 가지 모드가 있는데 일반적으로 파워 모드(power mode), 이코노미 모드(economy mode), 홀드 모드(hold mode)와 유온 가변 변속 모드 등이 있다. 각 변속 패턴 모드는 차종에 따라 최적의 변속 성능을 얻을 수 있도록 주행 데이터를 설정해 입력하고 있다. <끝>

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