전기차의 구성2. 감속기는 왜 필요할까?

감속기의 원리

감속기는 말 그대로 속도를 줄이고 회전 힘을 증가시켜주는 장치입니다. 속도를 줄이면 왜 회전 힘이 커질까요? 이때, 토크와 회전 속도의 개념이 필요합니다. 토크(T)는 그 물체가 회전하는 원인이 되는 물리량이며, 힘(F)과 거리(R)의 외적 곱을 통해 얻어지는 Vector 물리량입니다. 즉, 같은 힘을 가했을 때 회전 중심으로부터의 거리(반지름)이 크면 회전 힘인 토크는 증가합니다.

회전 반지름과 토크의 관계

 

이제, 작은 기어를 추가로 맞물려서 큰 기어를 회전시키겠습니다. 맞물려진 이 두 개의 기어는 기어의 톱니 입장에선 같은 힘을 갖게 되므로 아래와 같이 수식을 쓸 수 있습니다. 이때, 반지름 r은 반지름 R보다 작기 때문에 큰 기어의 토크는 더 커집니다.

기어세트에서 반지름과 토크 간 관계

 

회전 반지름이 커지면 토크도 커지는 것을 알았으니, 회전 속도와의 관계는 어떻게 되는지 살펴보겠습니다. 우선, 등속 원운동일 때 선속도와 회전 반지름, 각속도는 아래의 관계식을 갖는데요. 선속도는 어떤 물체가 회전할 때 그 순간의 접선방향으로 속도를 의미하며, 각속도는 단위시간동안 회전한 각도를 뜻합니다.

등속원운동 관계식

 

다시 작은 기어를 맞물려 보겠습니다. 맞물려 있는 기어 입장에선 같은 선속도를 지니므로 아래와 같은 관계식으로 표현할 수 있습니다. 반지름이 큰 기어는 회전속도가 작다는 것을 볼 수 있습니다. 토크 개념과 엮어서 보면 큰 토크를 갖는 기어는 반지름이 크고 회전속도가 낮다고 할 수 있죠. 감속기 또한 모터의 기어보다 바퀴와 맞물려 있는 최종단 기어의 크기가 더 크며, 최종단 기어는 낮은 회전속도를 지니나 높은 토크를 발휘하게 됩니다. 여러 종류의 감속기가 있지만 회전 속도를 낮추고 토크를 올린다는 개념은 같다고 할 수 있죠.

반지름과 회전속도 간 관계

전기차 감속기

이제 전기차 감속기를 보겠습니다. 아래는 Nissan의 EV 파워트레인인데요. 위와 동일하게 작은 기어의 모터축, 보다 큰 기어의 바퀴 회전축을 보실 수 있고 Reducer로 표현되어 있습니다. 반대로 Generator 쪽은 발전 효율을 증대시키기 위해 회전속도를 올려주는 작은 기어로 구성되며 Increaser로 적혀있네요. 1개의 기어비이며, 대부분의 전기차에는 아래와 같은 레이아웃으로 적용되어 있습니다.

Nissan EV Powertrain, Nissan Global

 

 

다음은 외계인을 고문해가며 개발했다는 Porsche Taycan의 2단 변속기를 보겠습니다. Taycan은 도그 클러치, 다판 클러치, 유성기어를 통해 2단 변속기를 구현해낸 아름다운 장치입니다. Porsche Taycan 개발자는 2단 변속 시스템을 통해 효율이 아닌 고속에서의 추가적인 가속력에 더욱 집중할 수 있었다고 말합니다.

Porsche Taycan 2단 변속기, Porsche

 

도그 클러치는 오토바이 변속기에 자주 쓰이는 기어세트인데요. 변속 시 기어 간 직접 맞물림을 통해 빠른 변속을 가능케하며, 동력 손실이 적다는 장점이 있으나 약간의 변속 충격을 유발하기 때문에 기계적으로 충격을 완화하는 구조를 적용하거나 별도의 엔진/모터제어를 통해 부드러운 변속감으로 튜닝합니다. 이 도그 클러치는 액츄에이터의 도움을 받아 1단과 2단을 변속하게끔 합니다.

Dog clutch

 

다판 클러치는 여러 개의 마찰 디스크를 사용하여 회전력을 전달하는데, Taycan의 변속기에서는 이 다판 크러치가 세밀한 토크 조절을 가능케하며, 클러치 판끼리의 약간의 미끌어짐을 허용하여 변속 충격을 완화해주죠.

Formula1 카본 다판 클러치, ZF

유성기어는 유성기어를 이루고 있는 여러 기어세트의 고정, 회전 전환을 통해 증속, 감속을 이뤄내는 희대의 발명품인데요. 이 유성기어는 1단에서 16:1의 감속비를 만들어 높은 토크의 발진 성능을 만들어냅니다. 유성기어는 엔진과 모터간 가장 부드러운 전환을 구현해낸 도요타 하이브리드의 핵심 기계요소이기도 하죠. 도요타를 제외한 자동차회사에선 엔진과 모터의 회전속도를 동기화해주는 제어로직을 고도화한 끝에 도요타 하이브리드의 부드러운 엔진/모터 변속감을 따라잡을 수 있었습니다. 다만 모터와 엔진 간 회전속도 고도화 매칭은 2017년도 이후에나  적용되기 시작했죠. 도요타가 1997년도에 이러한 변속 감성을 20년 앞서 구현해낸 점을 감안하면 유성기어 기반 하이브리드는 세계 전동화 흐름의 한 획을 그었다고 해도 과언은 아닙니다.

 

앞으로 전기차 감속기, 변속기가 어떠한 방향으로 발전할지 궁금해지네요!