현대자동차·기아(000270)가 완전히 새로운 구조의 자동차 구동 시스템을 세계 최초로 개발해 선보였다.
현대차(005380)·기아는 28일 서울 중구 커뮤니티하우스 마실에서 유니휠(UNI Wheel) 테크데이를 열고 기존 차량 구동 시스템에 변화를 불러올 유니버설 휠 드라이브 시스템(유니휠)을 처음 공개했다.
유니휠은 전기차의 주요 구동 부품을 휠 내부로 옮겨 실내 공간을 획기적으로 확대한 기능 통합형 휠 구동 시스템이다. 기존에 없던 새로운 구조의 구동 시스템이라는 의미가 있다.
기존 내연기관 차량은 엔진과 변속기를 거친 동력이 드라이브 샤프트, 등속(CV)조인트를 통해 바퀴로 전달된다. 전기차 역시 엔진과 변속기가 모터, 감속기로 대체될 뿐 구동 전달 시스템은 동일하다.
유니휠은 전기차의 감속기와 드라이브 샤프트, 등속조인트의 기능을 모두 휠 안에 넣고 모터를 각 휠 가까이에 위치시켰다. 기존 구동시스템이 차지하던 공간을 자유롭게 활용할 수 있기 때문에 새로운 실내 공간을 만들어내는 것은 물론이고 목적 기반 차량(PBV) 등 다양한 용도에 최적화된 미래 모빌리티를 실현할 수 있다.
손 댈 수 없던 구동 시스템…부품 통합해 탈바꿈
글로벌 자동차 제조사들은 실내 공간 확보와 공간을 활용하는 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 자동차 구조상으로 실내 공간을 큰 폭으로 늘리는 것은 차체를 크게 만드는 것 외에는 마땅한 방법이 없다. 특히 휠과 휠 사이 동력 계통의 필수 부품이 있는 공간은 손 댈 수 없는 공간이었다.
현재 판매되고 있는 전기차의 파워트레인을 예로 들면 모터의 높은 회전수로 만들어진 동력이 감속기를 거치면서 토크가 증대되고 이는 드라이브 샤프트를 통해 각 휠로 전달된다. 이때 드라이브 샤프트 양쪽에 달린 등속조인트는 휠이 상하좌우로 움직일 때에도 동력을 끊김 없이 일정한 속도로 전달하는 역할을 한다. 이러한 구조는 내연기관 자동차에서부터 전기차에 이르기까지 모빌리티가 다양한 형태로 발전하는 동안 동일하게 유지되며 차량 구동 시스템의 표준으로 자리잡아 왔다.
현대차·기아는 전동화 시대에 게임 체인저로 혁신을 이어가기 위해 차량 구동 시스템 자체를 획기적으로 변화시킬 차세대 기술에 주목하게 됐다.
현대차∙기아가 공개한 유니휠은 중앙의 선 기어(Sun Gear)와 좌우 각 4개의 피니언 기어(Pinion Geer), 가장 바깥쪽의 링 기어(Ring Gear) 등으로 이뤄진 특수한 유성기어 구조다. 모터가 만들어낸 동력이 선 기어로 전달되면 피니언 기어들이 맞물려 링 기어를 회전시키고, 링 기어는 휠과 연결돼 있어 최종적으로 휠까지 동력이 전달되는 원리다. 유니휠은 피니언 기어들이 서로 연결돼 2개의 링키지(연쇄적인 움직임)를 구성하는데 이러한 메커니즘이 상하좌우 운동을 가능하게 한다.
두 가지 구조가 융합된 특성을 기반으로 유니휠은 모터에서 나온 동력을 휠까지 안정적으로 전달함과 동시에 노면에 따른 휠의 움직임에 자유롭게 반응할 수 있다. 기존 등속조인트가 적용된 드라이브 샤프트는 휠의 상하좌우 움직임에 따라 꺾이는 각도가 커질수록 동력 효율과 내구성이 떨어지는 문제가 있었다. 하지만 유니휠은 휠의 어떤 움직임에도 동력을 거의 동일한 효율로 끊김 없이 전달할 수 있어 높은 내구성과 승차감을 확보할 수 있다.
주행 상황에 따라 차고 조절이 가능한 전자식 에어 서스펜션과 결합되면 험로에서는 차고를 높여 안정적으로 주행할 수 있고 고속 주행에서는 차고를 낮춰 전비와 고속 안정성을 향상할 수 있다.
유니휠은 전기차의 감속기 역할도 대체한다. 기어 잇수가 적은 선기어와 피니언 기어들이 맞물리며 상대적으로 기어 잇수가 많은 링기어를 회전시키는 구조로 입력축과 출력축 사이의 감속비를 자연스럽게 만들어낼 수 있기 때문이다.
기존 구동 시스템처럼 별도의 감속기를 두지 않고도 모터에서 발생한 회전을 감속시켜 최종적으로 휠에서 높은 토크를 얻을 수 있다. 현재 개발 중인 유니휠은 큰 감속비를 내도록 설계돼 있어 작은 모터로도 높은 토크를 구현할 수 있다는 것이 현대차의 설명이다. 이를 통해 최대 네 개의 휠 구동력을 각각의 소형 모터로 독립 제어해 안정적인 토크 벡터링을 구현할 수 있는 것도 강점이다. 토크 벡터링은 각 바퀴에 전달되는 토크를 정밀하게 제어하는 기술로 미끄러운 노면이나 코너링 주행 시 안정적이면서도 역동적인 성능을 가능하게 한다.
기존 공간 탑승객이 활용…배터리 추가 탑재도 가능
유니휠은 공간 활용성을 크게 확장한다. 좌우 휠 사이 확장된 공간을 트렁크 등 적재 공간으로 활용할 수 있다. 운전자를 중심으로 설계된 지금의 좌석 배치를 탈피해 완전자율주행 시대에 대비한 새로운 디자인도 가능하다.
해당 공간을 배터리 탑재 공간으로 활용하면 주행거리가 향상되는 효과도 기대할 수 있다. 차의 크기를 늘리지 않더라도 대형 전기차 이상의 주행거리 확보가 가능하다는 의미다.
고객 탑승공간도 확장될 것으로 기대된다. 대부분의 전기차 배터리는 차체 바닥에 배치되기 때문에 차고를 높여 설계하거나 배터리 부피만큼 승객 공간이 축소되는 한계가 있다. 하지만 유니휠을 적용하고 배터리 패키징을 최적화하면 승객의 탑승공간 손실을 최소화할 수 있을 것으로 예상된다. 높은 공간활용성과 저상화 설계가 필요한 PBV에 적용되면 진가를 발휘할 것으로 보인다. 고객의 사용 목적에 따라 다양한 설계를 가능하게 해주기 때문이다.
이 밖에도 다양한 크기의 차량뿐 아니라 휠체어, 자전거, 배송로봇 등 다른 종류의 모빌리티에도 적용할 수 있다. 모빌리티의 요구 조건에 따라 작게는 4인치부터 크게는 25인치 이상의 휠에 탑재할 수 있도록 유니휠의 크기를 조절할 수 있어서다. 휠의 회전축이 이동하는 유니휠의 특성상 계단을 에스컬레이터처럼 부드럽게 오르는 모빌리티도 만들 수 있을 전망이다.
현대차·기아는 유니휠의 개발 완성도를 높이기 위해 다양한 테스트를 통해 안정성과 효율성, 내구성을 검증하고 있으며 상품성을 높이기 위한 노력을 이어갈 예정이다. 현대차·기아는 유니휠과 관련된 특허 8건을 국내와 미국, 유럽 등 주요 국가에 출원 및 등록했다.
박종술 현대차·기아 선행기술원 수석연구위원은 “미래 모빌리티 시장의 게임 체인저가 될 수 있는 혁신적인 아이디어를 선보일 수 있어 기쁘다”며 “고객들이 모빌리티를 완전히 새로운 방식으로 경험할 수 있도록 기술의 완성도를 높이는 데 최선을 다하겠다”고 말했다.
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