* ZF 전륜 9단 절단 모식도... 짤방은 이보크에 들어가는 AWD용 48HP ZF9 *
제가 2년전에도 여기다가 비슷한 글 올려본것 같긴 한데..
ZF 전륜 유압식 9단 미션
은 여러가지로 기념비적인 미션입니다..
일단 ZF 본사의 시각으로 볼작시면
1993년 ZF 4단 미션을 마지막으로 양산차 전륜 미션 개발을 포기하고
항상 고급 "후륜" 브랜드 회사 (ex.bmw ,롤즈로이스, 재규어-랜드로버) 및 대형 상용차용 거대 후륜 미션?들만 제조하여
선택과 집중을 해야 했던 ZF 에서.. 나름 자 회사의 파이를 늘리기 위해 다시 한번 방향을 틀었던 결과물이 이 ZF 9단 미션입니다.
선택과 집중을 통해 수익을 높이자는 경영방침 자체가 틀린것은 아니었고.. 나름 값비싼 고급? 미션 전문 회사로 ZF 이미지 향상도
좋았지만..
기계 장치 산업이라는것이
대량 양산을 통한 단가 이하 효과가 꽤 큰 분야
였기 때문에 전륜 미션을 포기해버린 정책은
곧 부메랑으로 돌아오게 됩니다.
특히 조향장치 , 후륜말고 전륜구동형 AWD모듈 등에서
보그워너등의 상위 위너비와 경쟁
할려면 어느정도 자본력이 필수 인데..
규모의 경제를 이루는것이 꼭 필요했기 때문입니다.
어쩄든 부랴부랴 개발 완료 시제품이 2009년.. 공장 양산을 2012년말에 시작(생산 기지가 독일및 미국 사우스 캐롤라이나? 혼다 공장
옆에 있음)한 ZF 9단 미션은.... transmission의 레퍼런스 기업답게 혁신적인 여러면을 가지고 있었습니다.
1. 9단으로 단수가 늘어났음에도 기존의 타사 6단 전륜 미션보다
부피와 크기가 감소
하였습니다.
ex) 윗그림에서 AWD 대응 가능한 ZF 9HP48 허용토크가 이름 그대로 48정도 됩니다. 이걸
가장 용량이 큰 현대 파워텍 대형 6단으로 비교해보자면.. transverse 길이가 367 정도인 zf 9HP48 미션에 비해
대형 파워텍 6단 미션은 길이가 386.. 즉 대충 2cm 정도 가로 길이가 차이 나는건데
전륜구동 엔진룸 설계구성에서 이건 엄청난 차이죠. (longitudinal 후륜 미션과는 전혀 다른 차원의 얘기)
게다가 그 와중에 대형 파워텍 6단 허용 토크는 36.5 밖에 안되요.. 10토크 이상 차이가 나죠.
2.요즘 유행처럼 번지는
모듈설계
를 전륜 미션에도 첫도입하였습니다. 5~6블럭 으로 나뉘어서 차종별 토크별 , AWD별 조합함.
3.모듈설계와 이어지는 얘기인데
미션의 ECU (TCU) 도 모듈화
시켰어요. 음.. 그러니까 미션의 메카트로닉스에 보통은
유압식 actuator, 각종 sensor들 그리고 tcu 전자제어 기판등등 모든것을 한큐에 몰아 넣어서 설계하는것이 기본이었는데
각각 따로 모듈처럼 뽑아서 집어 넣게 해놓았습니다. 이제 미션 고장났다고 메카트로닉스 통째로 갈고 그런것이 아니라
고장난 부위만 따로따로 교환도 가능함. (그 와중에도 zf 미션 수리비는 비쌉니다.. =_=;) ==>
지엠 신형 전륜 9단이 이걸 베낀듯
... ㅋㅋ
* TCU, 유압 actuator(hydraulic) , sensor들이 전부 분할 모듈 설계됨 *
(주: 이런 설계는 레이싱용 dct 미션이나? 후륜 미션 몇몇 차종에도 도입된적은 있었음..)
4. 기존의 전륜미션과 달리 ZF9단은 전륜구동형-AWD의
coupling device 를 미션 자체가 어느정도 대체
할수 있게 나왔습니다.
==> ZF ECOnnect
라고 아예 rear axle 구동축으로 보내는 구동력 조절을 미션 case 내에서 해결해 버리는것입니다.
작은 출력의 자동차라고 하면 굳이 따로 coupling device 장치가 필요없게 만드는것이 목표인셈..
여기다가 zf 자사의 후륜 zf vectoring 장치만 조합하면 굳이 이른바 센터 디퍼런셜(=couping device) 장치를 외부에 달 필요 없는
공간절약형 전륜구동 AWD integration
이 가능한거죠.. 'ㅅ'
ZF 이넘들 장사해먹을 마인드가 아주 뻔히 보임 ㅋㅋ
(coupling device가 뭔지 모르시겠다면
과거 제글
<== 읽어보세요.. )
5.계속 모듈화 얘기와 상통되는 부분이긴 합니다만... 내연기관 엔진과 결합되는
유압 바람개비 토크컨버터를 빼고
아예 하이브리드나 전기차의 출력 짱센
전기모터와도 결합이 가능
합니다. (그부분이 모듈화됨)
병렬형 하이브리드가 아닌 직렬형 하이브리드도 대응이 가능하다고 합니다만. 전기모터가 첨부터 너무 쎈파워가 걸리므로
그 동안에는 전기 전압을 슬슬 늘리면서 가속을 하는 방식을 썼는데.. 동력축에 부하를 고려할때 적절한 변속기가 있는편이
더 좋다는 관점에 근거하여 ZF 나름대로 변속기가 필요 없다는 도요다의 직병렬 방식에 답을 내놓은셈입니다.
(변속기를 넣는 대신에 전압을 조절하는 직류컨버터 장치가 일부 기능이 빠지고 전기 모터 자체도 좀더 단순화 경량화 가능해짐.)
TCU에 아예 이쪽을 위한 프로그래밍이 레퍼런스틱하게 탑재되어 있으므로 바로 대응이 가능하다고 하네요.
여차하면 그거 빼고 염가형 TCU로 바꾸고 내연기관용으로만 출시도 가능하고요 (모듈!!)
어쨌든 앞으로 하이브리드던 전기차던 미래세대의 자동차 분야에서도 기존의 내연기관 엔진 변속기 회사의 최강자 ZF가
중요한 포지션을 그대로 유지할거라는 얘기도 될수 있으나.. 뭐 이분야는 대세가 없으니 가봐야 암.
6.
stop & go 시스템에 좀더 적합한 방식이 추가
되었다고 합니다.
연비 향상 관련 할수없이 도입한
이 빌어먹을 기능
은 사실 세루모터,밧데리 뿐만 아니라 변속기에게도 꽤 무리가 갑니다.
어쩔수 없는게 시동 꺼지면 출력저하로 기존의 유압식 미션은 유압이 빠지므로 시동을 다시걸려고 하면 유압 부하를 줘야 하는데.
stop & go 는 너무 자주 작동되니 유압이 들어왔다 나왔다 하면 미션 actuator 부터 고장나기 딱 좋죠..
이를 막기위해 기존의 유압식 미션들은 hydraulic impulse oil storage (HIS) 즉.. oil chamber를 따로 만들고
시동이 꺼져도 어느정도 유압 압력 부하를 유지할수 있게 하는것을 추가 부착 설계하여 대응을 해왔으나.
ZF 9단은 아예 첨부터 수동미션마냥 클러치 마찰 판 하나정도는(or 도그클러치) 계속 물리게 놔두는 좀 괴랄한 설계를 도입해서
귀찮고 돈드는 HIS 를 생략했습니다.(이거 단순하게 말했는데 그쪽 종이 부착한 금속 클러치판 소재가 엄청 좋은것 아니면
금방 마모됩니다. 수동미션이 아니어서 교체도 못하고 거의 영구적?으로 쓸 물건이니.. 어찌보면 독일제여서 가능한거.)
7. 그러면 9단이 어떻게 작동되는가? 설명을 하려면 저번에 8L90 지엠 후륜 미션 원리처럼 다들 못알아들으실테니.. 그냥 간략 소개하면
- 2개 톱니 직렬 연결하는
dog clutch
, 2개의 multi disk 마찰로 작동되는 clutch및 역시 2개 muti disk 사용하는 brake 판으로
구성된 총
6개의 shift elements
+
4개의 planetary gear set
으로 구성됨.
* 작동 원리 와 기어비 도식도...
ZF 분들은 PPT 도 잘합니다
.. 넵.. =_=;; *
- 큰 동력 직결되는 DOG CLUTCH는 4단까지 저속 토크 직결을 담당하며 그 이후는 planetary gear 비율에 따라 알아서
조합됨.
전륜미션에서 직결 단순 도그 클러치를 도입한것은 ZF 9단이 최초임.
직결 결합 <=> 해제만 딱 끊어버리고 연결하고 작동하는 도그 클러치 때문에 사실상 엔진출력 - 미션 기어를 중계하는
토크 컨버터의 synchronized 과정이 확 줄었음. 말 그대로 엔진 - 미션 직결인데.. 이 덕분에 동력및 연비 효율이
일반적인 싱크로 mesh 마찰 형식의 수동미션보다 더 향상되었습니다. 뭐 f1 시퀀셜 미션비슷합니다.
대신 미션 충격은 유압 토크컨버터로 처리해버리고요.
독일 넘들 설계치고 좀 단순 무식함..
- 제일 중요한 것이 한정된 전륜미션의 좁은 공간을 활용하기 위해.. 어떤 경우라도 동력 연결되는 기어 렬은
딱
3
개로 한정 조합됨. 한
row에 3개
뿐입니다. 보시면 빨간점이 어떤 기어 단수라도
3
개만 연결되죠.
DOG clutch 톱니를 살짝 짱세고 강도높은(즉 돈많이 드는 소재 쓰는.. =_=;) 기어를 써서.
가급적 큰 힘을 받아도
3
개만 기어를 물리게 해놓았습니다.
- 단지 역시 출력 좋은 차인경우 이런 전륜 미션은 발열에 자유로울수 없습니다. 다른 미션도 비슷하지만 그래서
zf 9단 차량들은 미션오일 쿨러 connect 설계는 기본인것 같습니다. (정확하진 않지만.)
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* 그런데 이런 3 부위만 동력이 물리는 설계는 기본적으로 후륜 미션에서 따왔으며 zf 전매 특허는 아닙니다.
아이신 8단이나.. 아마 이번에 나온 파워텍 전륜 8단도 비슷할거라 사료됩니다. 단 제가 관심없어서
정확하게 아는것은 아님. *
* 아이신 6단이던가? 하여간 그 6단 미션들은 첫단은 3개 물리고 그 이후는 2개 조합입니다.. 윗 도표참조 *
( 이 부분은 설명이 틀릴수도 있으니 하여간 틀린 부분 딴지 거시는거 대 환영함.. )
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대충 주저리 주저리 설명했는데 어느정도 이해 되셨는지요? ㅎㅎ 사실 더 자세하게 설명해야 하는데 예를 들면 유성기어
(planetary set)과 메카트로닉스 (미션 밸브바디) 설명은 훨씬 더 복잡하게 해야하나.. 이해를 못하실것 같아서
그냥 여기까지만 씨부려봅니다.. ㅎ
그런데 ZF 9단 전륜 미션은 정말 중요합니다. 왜냐하면 앞으로 어떤 전륜 미션 회사던 이 미션을
레퍼런스로 비교해서 만들고 있기 때문.. 아니 이미 만들었나? (아 ㅅㅂ
그냥 베꼈다고 왜 말을 못해
!!)
덧1:
오랜만이다냥.. 본 냐옹이가 한눈 판 사이
집사새끼가 또 뭔 거지같은 글 싸질러 놓긴 했는데
...
사실 ZF 전륜 어쩌고 저쩌고 얘기가 중요하다기 보단 앞으로 이런 내연기관용 미션의 현재와 미래가
어떻게 되는지가 중요한것이 아니겠냥?
1. 미션의 미래는
전자제어(electrification)
에 달려있다냥.
- 오토매틱이야 그렇다 치고 수동미션도 클러치 조작을 전자제어에 맞겨서 e shift 라는것을 도입하는(automated manual)
이 시점에서 더욱더 전자제어는 중요하다냥..
2. 전자제어 덕분에 최적의 변속시점과 다단화로 이미 일반적인 수동미션보다 오토매틱이 효율,연비,편리함 모든 분야에서
압도적이 되어가는 이 시점에 곧 후륜구동차들의 경우는 거의 모든 차량에서 manual 수동미션은
사라지게 될것이다냥.. 대형 수십톤 상용차량일수록 그건 더 확실시 된다냥..
엔진 효율 연비야 그렇다 치고 CO2 emission 만 봐도 더 친환경적인것이 오토매틱
이니까냥..(지금부터 미래까지..)
3. 단지 전륜구동 승용차들의 경우 제 3세계및 후진국들을 중심으로 비용 문제상 앞으로도 수동은 여전히 많이 쓰일가능성이
높다냥. 문제는 전세계 자동차들의 75%가 단순 전륜구동이고 비율따지면 아직도 어마어마한 숫자에 쓰일거다냥.
그러기에
단가가 싼 효율높은 전륜 오토매틱 미션의 도입은 인류 환경을 위해서도 더 중요
하다냥.
(ZF 같은 선도 기업이 그래서 중요하다고나 할까 아니면 좀 으시대도 괜찮다고나 할까냥..)
4.12 단이상 다단 기어 미션도 이미 연구실에서는 개발이 끝났다냥.. 좀더 효율을 높일수 있을거라 말할수도 있지만..
문제는 금속 하우징에 기어를 쑤셔 넣어 기계식 기어를 굴리는 transmission이라는것이 사실 거의 한계에 봉착했다냥..
이것은 소재가 바뀌지 않는한 답이 없는 상태이다냥..
==> 그래서 ZF 수석 개발 책임자 Juergen 박사님을 집사로 둔 우리 동료냥이가 말하길..
"
단수를 늘리거나 기어를 늘리지 말고 어느정도는 하이브리드나 전기차 모터 힘으로 저단 load 구간 을 커버하고
톱니기어수를 좀 줄이는 미션이 대세가 되지 않을까
냐~옹 " 하고 말했다냥.
==> 병렬형 하이브리드나 전기차 같은 electric drive 가 미래에 대세가 되면 오히려 이런 형태의 변속기가 쓰일것이니까냥..
* 근데 본 냐옹이의 짧은 소견으론 이건 기존의 내연기관 미션 제조 설비를 유지하려는
ZF 본사의 속내
가 담겨 있는듯 하다냥..
이미 변속기가 필요 없는 도요다의 직병렬 하이브리드방식이 더 단순하게 잘 쓰이고 있는데 음. .. 모르겠다냥..
변속기가 필요한 병렬형 하이브리드도 충분히 발전하고 있는것은 잘 알고 있지만냥...
예를 들어 이번에 현대 아이오닉이 기존 프리우스보다 더 연비 좋다 어쨌다 떠들어도 고장율이 10배이상 높고
프리우스에 비하면 신뢰성은 0점에 가깝다는 것을 벤더 들 끼린 이미 잘알고 있거든냥? 어쩔수 없는것이 하이브리드 전지,
모터, 전기 제어도 귀찮아 죽겠는데 거기다가 내연기관 변속기 까지 연결되면
너무 구조물이 복잡하다냥.. =_=; 당근 고장률이 높다냥.. 미래의 기술이 해결한다고 해도 이른바 '단순함'은 이길수가 없다냥.*
5. 자동차 전체 관리하는 ECU와 더불어 TCU(변속기의 ECU)도 중요해질거라냥..
- 이미 무인자동차 기술중에 변속기의 TCU도 GPS 및 기타 network connecting 기능을 탑재후
교통흐름이나 도로 정보에 따라 미리 다운쉬프팅하거나 적절하게 기어를 조절하는 등의 기능이(optimise shift strategies)
변속기 자체의 TCU 에 장착
될 예정이라냥. 엔진을 관리하는 ECU를 거치지 않고 바로 변속기로 작동되게 하는
것이라는데.... 내연기관 엔진이 없을 미래의 전기차 같은 경우 말 그대로 변속기 TCU가 모든것을 좌지우지
할수도 있는것이라냥..
덧2: 우리집 고양이 소리는 그냥 한귀로 듣고 치워버리시고요.
특히 ZF 쪽 PPT 를 많이 줏어본 티가 나는 소리입니다. 감안해서 어련히 들으시길..
언제가 기회되면 luk 과 게트락쪽에서 말한 DCT 관련 향후 전망에 관한 글도 올려보겠습니다.
(여긴 좀 부정적임)
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