자동차 구동의 패러다임을 바꾼다 – 현대 유니버셜 휠 드라이브 ‘유니휠’

 

유니휠(유니버셜 휠 드라이브 시스템), 이거 놀라운데?

현대자동차가 새로운 개념의 ‘유니버설 휠 드라이브. 이하 유니휠’ 시스템을 공개했다. 기존의 구동계가 갖고 있던 부품들 대부분을 휠 내부로 통합한 세계 최초의 신개념 구동 시스템으로, 구동계의 패러다임을 바꿀만한 파격적인 아이디어였는데, 그동안 모터가 휠 안에 들어간 ‘인 휠 드라이브’ 만 생각했던 것과 달리 아주 현실적인 아이디어로, 아직 양산이 아닌 선행기술이지만 다양한 모빌리티에 적용 가능한 만큼 가치가 상당했다.

 

 

유니휠은 전기차에 적용 가능한 시스템으로, 감속기와 드라이브 샤프트 및 CV 조인트를 대체할 수 있는 특수 기어 설계로 휠의 상하 좌우 움직임에도 높은 전달 효율과 내구성을 보여주며, 가격적인 면에서도 매우 현실정이 있어보였다. 특히나, 다양한 부품들을 휠 안쪽으로 모두 집어넣어 실내 공간을 확보할 수 있다는 점 또한 주목할 만한 큰 장점이었다.

 

 

기존 내연기관 차량에 들어가는 드라이브 샤프트와 등속조인트(CV 조인트), 감속기의 구조가 기존 전기차에서도 유지되었었지만, 유니휠을 통하면 모두 휠 안에 넣고, 모터를 휠 가까이 위치해 플랫 플로어를 구성할 수 있어 공간활용에 자유도가 높아져 PBV(Purpose Built Vehicle) 에 어울리는 미래 모빌리티에 최적화시킬 수 있는데, 이럴 경우 소형 모터를 사용할 수 있다는 점도 눈에 띄는 구조였다. 

 

 

어떻게 생긴 구조인데?

유니휠은 중앙에 선 기어(Sun Gear) 와 좌우 각 4개의 피니언 기어(Pinion Gear), 그리고, 바깥쪽의 링 기어(Ring Gear) 로 이루어진 특수한 유성기어 구조로, 모터의 동력이 가운데 선 기어로 전달되면, 피니어 기어들이 맞물려 링 기어를 회전시키고, 링 기어가 휠을 굴리는 원리다. 그리고, 피니언 기어들이 서로 연결되 2개의 링키지(Linkage) 를 구성한 멀티링크 매커니즘을 통해 상하좌우 운동이 가능한데, 이런 독특한 구조의 유니휠을 만들기 위해 변형과 내구성, 강성 등을 시험하고, 소음진동까지 분석해 최적의 안정적인 구조를 만들어냈다고 한다.

 

 

유니휠을 사용하면 어떤 장점이?

휠 안에 모터를 넣는 인휠 모터. 보통 e-액슬이라고 하는 구조는 휠 자체 무게가 무겁고 비싸며, 충격 등 높은 내구성을 요하는 것에 비해, 유니휠은 8인치 사이즈까지 제작이 가능해 다양한 모빌리티에 적용이 가능하며, 디퍼런셜이 필요 없고, 토크벡터링 제어와 함께 높은 출력을 견딜 수 있으며, 조정 안정성을 갖추면서도 기존 자동차의 구조에서 필요한 등속조인트나 드라이브 샤프트가 없다보니, 실내 공간 확보에 유리하다는 장점이 있다. 또한, 전기차에서 필요한 감속기의 역할도 유니휠이 대체할 수 있다.

 

 

 

이렇게 확보된 공간을 통해 배터리를 추가 배치해 주행거리를 늘릴 수 있는 등 다양한 장점들이 있는데, 아직 선행 기술이다보니, 양산까지는 2~3년 정도 걸릴 것으로 보여지지만, 지금껏 없던 기술을 ‘세계 최초’ 로 만들었다는 점에서 높이 평가할 일이며, 전기차 시대 기술적 우위를 점할 수 있는 요소가 될 것으로 기대된다. 그리고, 단순히 자동차 뿐 아니라, 모터가 들어가는 다양한 산업요소에도 충분히 적용이 가능한 기술이기에 주목할 만하다.

 

 

한편, 현대차·기아는 유니휠의 개발 완성도를 높이기 위해 다양한 테스트를 통해 안정성과 효율성, 내구성 등을 지속 검증하고 있으며, 향후 기어비 조정 및 윤활 냉각 시스템 고도화 등 상품성을 높이기 위한 노력을 이어갈 예정이며, 현대차·기아는 유니휠과 관련된 특허 8건을 국내와 미국, 유럽 등 주요 국가에 출원 및 등록했다.

 

 

현대차·기아 선행기술원 박종술 수석연구위원은 “미래 모빌리티 시장의 게임 체인저가 될 수 있는 혁신적인 아이디어를 선보일 수 있어 기쁘다”며, “고객들이 모빌리티를 지금과는 완전히 다른, 새로운 방식으로 경험할 수 있도록 기술의 완성도를 높이는 데 최선을 다하겠다“고 말했다.

 

QnA 정리

1.     휠 안에 유니휠이 들어가면 휠과 상하운동을 하게 되는데, 현가하질량이 증가함에 따른 리스크는? 그리고 휠 안에 들어가는 유니휠의 공간 및 브레이크 시스템은 어떻게 되는가? 공간이 나오나?

 

- 현가하 질량은 기존 시스템 대비 10kg 정도 증가하고, 서스펜션에서 대응 가능한 수준이라 큰 문제가 되지 않는다. 그리고, 유니휠 안에 브레이크를 드럼방식으로 장착이 가능하고, 향후에는 니즈에 따라 디스크 브레이크를 적용. 혹은 다른 위치에 브레이크를 적용할 수 있다.

 

2.     전륜은 조향축이 들어가는데 CV 조인트를 대체하면 조향은 어떻게 되는가?

 

- 후륜적용으로 우선 적용하고 있기 때문에 지금 조향에 대한 부분은 유니휠만의 인풋 CV 조인트가 추가될 필요가 있다. 기존 CV 조인트와는 다른 형태가 될 것인데, 기존과 다른 한개의 CV 조인트만 연결하면 될 것 같다.

 

3.     전달효율이 좋아졌는데, 전비개선에 대한 것은? 효과가 있는가? 유니휠을 적용하면 기존 시스템 대비 전비 개선 효과는? 풀어야 할 숙제는 ?

 

-  유니휠 개발 배경은 공간확보가 큰 목표였고, 전동화 시스템과 비교하면 내연기관 시스템에서 가져온 것이기 때문에 변속기가 감속기로 바뀌긴 해도 기존 샤프트나 조인트는 그대로인 구조다. 그래서 공간확보를 위해 등속조인트를 없앴음. 효율에서는 e액슬과 비교해 구동시스템 효율을 높게 하려고 하고 있는데, 전비 외에 주행거리가 중요한 것은 유니휠의 개발목표가 아님. 전비는 2~3% 정도 차이가 나긴 하는데, 효율은 비슷해도 배터리 공간을 늘릴 수 있는 것이 유니휠의 장점이 되기 때문에 대응이 가능한 장점이 있다고 봄.

 

4.     유니휠이 기존 E-GMP 플랫폼과 비교해 추가된 공간으로 배터리를 더 추가할 수 있는데, 얼마나 추가 가능한가?

 

-  아직 완성된 기술은 아니며, 아이디어 차원에서 개발한지 2년 반 됐고, 효율, 서스펜션 정확성 등 완성체로서는 아직 윤활, 실링 등의 연구가 남아있기 때문에 이게 끝나야 새로운 기술에 따른 차량이 요구하는 선행개발을 할 수 있다. 내년 정도 되어야 어느 정도의 데이터가 나올 수 있을 것 같다.

 

5.     휠 안쪽 내구성을 위해 오일을 넣는데, 오일을 고려하고 설계한 부분인지? 내구성에 대한 의문이 든다.

 

-  아직 오일 윤활에 대한 것은 감안하지 않고 실험을 한 것으로, 완성체를 만드려면 기존 유성기어 시스템을 사용한 것이다 보니 충분한 윤활을 강제 공급하는 것으로 설계하고, 오일을 사용하며, 자동변속기에 사용하는 오일을 기본으로 쓸 것으로 생각하고 있다.

 

6.     현대차그룹은 인휠 모터 시스템도 개발하고 있는 것으로 알고 있는데, 유니휠은 과도기적인 것인지 다른 과제인지?

 

-       공간확보라는 차원을 빼고 나면 e 액슬이 가장 합리적일 수 있다. 유니휠은 새로운 공간창출을 위해서는 공간이 큰 휠에 구동축들 부품들을 집어넣는 것을 목표로 연구 중이다. 인휠모터는 아예 모터까지 다 넣는 방식으로, 바디와 상관이 없어지고 조향이 유리하지만 조향 말고 후륜에 유니휠을 넣는다면 더 인휠모터보다 유리할 수 있다. 유니휠은 작은모터로 큰 토크를 낼수 있어 조금 더 유리할 수 있다. 인휠모터나 유니휠은 모두 디젤, 가솔린처럼 공존할 것으로 예상되며, 각각의 장단점이 있으니 모두 다 개발하지만, 포지션은 나중에 상황에 따라 다르게 적용할 것으로 예상된다.

 

 

7.     자동차를 기반으로 하는 기술이지만,  여러가지 모빌리티 확장이 가능해보인다. 어디까지 확장 가능한가.

 

-  다양한 아이디어가 있지만, 1차 목표가 일반차 베이스로 개발이고 양산선행으로 넘겨주고 나면 다음에 스프링이 내장되어 있는 유니휠을 할건지, 계단주행을 할건지 등 모빌리티 확장에 대해서는 아직 정해진 바 없음.하지만, 다양한 기술개발을 통해 다양한 모빌리티에 적용 가능할 것으로 기대하고 있다.

 

8.     아직 양산은 아닌데, 대략 양산시기는? 고성능 차량에도 대응 가능한가?

 

-  유니휠을 선행개발단계이기에 지금은 양산을 말할 수 없음. 성과가 나오면 양산선행쪽으로 넘어가 검토 가능하며, 스포츠카용 개별모터 주행 등도 양산선행에서 정해줘야 넘어길 수 있는 일이다. 즉, 고성능에 대한 것은 딱히 말할 수 없다. 고성능 차량에도 후륜 토크벡터링으로 제어하면 좋은데, 효율 면에서 불리한 고성능 전기차에서 활용하면 좋을것 같긴 하지만, 정해진건 없다.

 

9.   이번 기술 관련해서 공간 세이브 하는 것이 장점인데, 현재 전기차 플랫폼과 비교하면 동력계, 구동계 부분에 한정지어서 유니휠 시스템이 세이브 할 수 있는 공간, 무게는 어느정도가 될까. 아니면 목표는 ?

 

-  전체적인 구동 시스템 부피 비교는 어려운데, G80 에서 후륜 한정 40리터 정도 공간 확보가 가능해보였고, 무게는 기존 e 액슬과 비교해 비슷하지만, 휠 무게만 10kg 정도 늘어난 수준. 모터와 모터 사이 공간도 활용 가능하지만, 선행기술인 만큼, 아직 딱히 목표 등을 검토를 해본 것은 아님.