"실내 탑승공간 확보와 주행거리 확대 기대"
현대자동차·기아가 전기차 주요 구동부품을 휠 내부에 통합한 '유니버설 휠 드라이브 시스템'(유니휠)을 28일 서울 중구에서 개최한 '유니휠 테크데이'에서 공개했다. 유니휠을 양산 적용하면 실내 탑승공간 확대를 기대할 수 있다.
기존 내연기관 차량은 엔진과 변속기를 거친 동력이 드라이브 샤프트, 등속(CV) 조인트를 통해 바퀴로 전달된다. 전기차도 엔진과 변속기가 모터, 감속기로 대체되지만 구동 전달 시스템은 같다.
유니휠은 전기차 감속기와 드라이브 샤프트, CV 조인트 기능을 모두 휠 안에 넣고, 모터를 각 휠 가까이에 놓아 플랫 플로어 구성을 지원한다. 이렇게 되면 기존 구동시스템이 차지하던 공간을 활용할 수 있어 실내공간이 넓어진다. 목적기반차량(PBV) 같은 다양한 용도에 최적화한 미래 모빌리티도 실현할 수 있다.
현재 판매 중인 전기차 파워트레인의 경우, 모터의 높은 회전수로 만들어진 동력이 감속기를 거치면서 토크가 증대되고, 이는 드라이브 샤프트를 통해 각 휠로 전달된다. 이때 드라이브 샤프트 양쪽에 달린 CV 조인트는 휠이 상하좌우로 움직일 때에도 동력을 끊김 없이 일정한 속도로 전달한다. 이러한 구조는 과거 내연기관차부터 최근 전기차까지 거의 동일하게 유지됐다.
이번에 현대차∙기아가 공개한 유니휠은 중앙의 선 기어(Sun Gear)와 좌우 각 4개의 피니언 기어(Pinion Geer), 가장 바깥쪽 링 기어(Ring Gear) 등으로 구성된 유성 기어 구조다. 유성 기어 구조란 태양처럼 자전하는 선 기어와, 그 주위를 행성처럼 도는 위성 기어(Planet Gear), 그리고 가장 외곽 링 기어로 구성된 기어 구조를 말한다.
유니휠에서는 모터가 만든 동력이 선 기어로 전달되면 피니언 기어들이 맞물려 링 기어를 돌리고, 링 기어는 휠과 연결돼 최종적으로 휠까지 동력이 전달된다. 유니휠은 피니언 기어들이 서로 연결돼 2개의 링키지(Linkage)를 구성하는데, 이러한 멀티 링크 메커니즘이 유니휠 상하좌우 운동을 지원한다. 이러한 두 가지 구조가 융합된 특성을 기반으로 모터 동력을 휠까지 전달하는 동시에, 노면에 따른 휠 움직임에 자유롭게 반응할 수 있다.
기존 CV 조인트가 적용된 드라이브 샤프트는 휠 상하좌우 움직임에 따라 꺾이는 각도가 커질수록 동력 효율과 내구성이 떨어지는 문제가 있다. 유니휠은 휠의 어떤 움직임에도 동력을 거의 동일한 효율로 끊김없이 전달할 수 있어 내구성과 승차감을 확보할 수 있다. 주행상황에 따라 차고 조절이 가능한 '전자식 에어 서스펜션'과 결합되면 험로에서는 차고를 높여 주행할 수 있고, 고속주행에서는 차고를 낮춰 전비와 고속 안정성을 높일 수 있다.
유니휠은 전기차 감속기 역할도 대체할 수 있다. 기어 잇수가 적은 선 기어와 피니언 기어들이 맞물리며 상대적으로 기어 잇수가 많은 링 기어를 회전하는 구조로 입력축과 출력축 사이 감속비를 자연스럽게 만들 수 있다. 기존 구동 시스템과 같이 별도 감속기를 두지 않고도 모터에서 발생한 회전을 감속해 최종적으로 휠에서 높은 토크를 얻을 수 있다.
현재 개발 중인 유니휠은 큰 감속비를 내도록 설계돼, 작은 모터로도 높은 토크를 구현할 수 있다. 이를 통해 최대 네 개의 휠 구동력을 각각의 소형 모터로 독립 제어해 높은 수준의 조향 및 주행 안정성을 바탕으로 지금까지와 다른 토크 벡터링을 구현하는 것도 장점이라고 현대차·기아는 설명했다. 토크 벡터링이란 각 바퀴에 전달되는 토크를 정밀 제어하는 기술을 말한다. 미끄러운 노면이나 코너링 주행 시 안정적이고 역동적인 성능을 지원한다.
유니휠의 가장 큰 특징은 실내공간 확보다. 유니휠은 기존 구동 시스템의 CV 조인트와 드라이브 샤프트, 감속기 기능을 휠 안에 넣고, 휠 사이에 있던 모터를 작게 만들어 각 휠에 직결해 공간 활용을 높인다. 좌우 휠 사이 확장된 공간을 트렁크나 프렁크 등 추가 적재공간으로 활용할 수 있다. 운전자를 중심으로 설계된 기존 좌석 배치와 다른 새로운 디자인이 가능하고, 해당 공간을 배터리 탑재 공간으로 활용하면 주행거리 향상을 기대할 수 있다.
고객 탑승공간도 늘어날 수 있다. 유니휠을 적용하고 배터리 패키징을 최적화하면 탑승공간 손실을 줄일 수 있다. 유니휠로 구현되는 플랫 플로어 플랫폼은 PBV에 유연성과 확장성을 부여해 목적에 따라 다양한 바디 타입 설계를 지원한다. 대부분 전기차 배터리는 차체 바닥에 배치된다. 이 때문에 차고를 높여 설계하거나, 이것이 불가능하면 배터리 부피만큼 탑승공간이 축소된다.
유니휠은 기존 전기차에 필요한 동력원 및 감속기 기능을 동일하게 구현할 수 있어, 모든 종류 전기차와, 휠체어, 자전거, 배송로봇 등 모빌리티에도 적용할 수 있다고 현대차·기아는 기대했다. 4인치부터 25인치 이상 휠에 탑재할 수 있도록 유니휠 크기 조절이 가능하다. 유니휠의 휠 회전축이 이동하기 때문에, 계단을 에스컬레이터처럼 오르는 모빌리티도 만들 수 있다. 이날 현대차·기아는 유니휠을 통해 계단을 흔들림 없이 오르는 모빌리티 개념도 소개했다.
현대차·기아는 향후 기어비 조정 및 윤활 냉각 시스템 고도화 등 상품성을 높이려는 노력을 이어갈 예정이다. 현대차·기아는 유니휠 특허 8건을 국내와 미국, 유럽 등 주요 국가에 출원(신청)·등록했다.
박종술 현대차·기아 선행기술원 수석연구위원은 "미래 모빌리티 시장 게임 체인저가 될 수 있는 혁신적 아이디어를 선보여 기쁘다"며 "고객들이 모빌리티를 지금과는 완전히 다른, 새로운 방식으로 경험할 수 있도록 기술 완성도를 높이는 데 최선을 다하겠다"고 말했다.
디일렉=이기종 기자 [email protected]
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