‘부품이 휠 내에?’ 현대차, 게임체인저 될 신개념 구동계 최초 공개(종합)

[이데일리 박민 기자] 현대차그룹이 미래 모빌리티 시장 공략에 ‘게임체인저’ 역할을 할 신개념의 구동시스템을 개발했다. 엔진(모터)에서 발생한 동력(힘)을 바퀴까지 전달하는 데 필요한 핵심 구동부품을 휠 안에 집어넣어 완전히 새로운 구조의 구동시스템을 선보인 것이다. 이 시스템은 기존보다 동력 전달 효율과 주행 안정성이 우수함은 물론 부품이 차지했던 공간이 사라진 데 따른 차량 내부 공간 활용도도 높아져 미래 모빌리티의 새로운 공간 지평을 열 전망이다.

기존 전기차의 차체 하부 구조를 반영한 모델카(왼쪽)와 유니휠이 장착된 차체 하부 구조를 반영한 모델카(오른쪽).(사진=현대차그룹)

현대차그룹이 실제 개발한 유니휠 전시물(왼쪽)과 시험용으로 제작한 유니휠 전시물(오른쪽)의 모습.(사진=현대차그룹)

◇구동 부품 통합해 휠 내에 위치

현대자동차·기아가 28일 서울 중구 명동 소재에 테크데이를 개최하고 기존 차량 구동 시스템에 변화를 불러올 ‘유니버설 휠 드라이브 시스템(Universal Wheel Drive System·이하 유니휠)’을 공개했다. 유니휠은 전기차 구동 부품 일부를 타이어 안쪽 휠 내에 하나로 통합해 구현하고 구동부품이 차지했던 공간 활용도를 높인 것이 가장 큰 특징이다. 현대차그룹 관계자는 “기존에 없던 완전히 새로운 구조의 구동 시스템을 고안했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

차량이 움직이는 원리는 엔진(전기차의 경우 모터)에서 생긴 동력(힘)이 변속기(감속기)→드라이브샤프트→CV조인트(등속 조인트)를 거쳐 구동축과 일직선상이 아닌 휠까지 전달돼 바퀴가 굴러가게 된다. 하지만 새롭게 개발된 유니휠은 바퀴 바깥쪽에 위치해 있는 전기차의 감속기와 드라이브 샤프트, CV조인트의 기능을 모두 휠 안에 통합해 넣은 것이 특징이다. 즉 유니휠이 감속기와 CV조인트 등의 기능을 모두 하나로 품으면서 ‘모터→유니휠→바퀴’ 순서로 동력이 전달된다.

유니버설 휠 드라이브 시스템이 구동되는 모습.(사진=현대차그룹)

바퀴 휠에 장착된 유니휠.(사진=현대차그룹)

유니버설 휠 드라이브 시스템의 내부 기어 구조 모습.(사진=현대차그룹)

유니휠은 3가지 종류의 기어(선 기어, 피니언 기어, 링 기어)로 이뤄진 구조다. 모터가 만들어낸 동력이 선 기어로 전달되면 피니언 기어들이 맞물려 링 기어를 회전시키고, 링 기어는 휠과 연결되어 있어 최종적으로 휠까지 동력이 전달되는 원리다. 즉 모터에서 나온 동력을 휠까지 안정적으로 전달함과 동시에 노면에 따른 휠의 움직임에 자유롭게 반응할 수 있어 높은 수준의 주행 안정성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

박종술 현대차·기아 선행기술원 수석연구위원은 “기존 CV조인트가 적용된 드라이브 샤프트는 휠의 상하좌우 움직임에 따라 꺾이는 각도가 커질수록 동력 효율과 내구성이 하락하는 문제가 있다”며 “하지만 유니휠은 휠의 어떤 움직임에도 동력을 거의 동일한 효율로 끊김 없이 전달할 수 있어 높은 내구성과 승차감을 확보할 수 있다는 장점이 있다”고 설명했다.

특히 유니휠 구동시스템은 기존에 휠 사이에 자리하던 커다란 모터에서 발생한 동력을 네 개 바퀴로 각각 전달해 움직이는 방식이 아닌 소형화된 모터를 바퀴 휠에 직접 연결함으로써 독립 제어도 가능하게 했다. 이를 통해 지금까지와는 차원이 다른 토크 벡터링(Torque Vectoring)도 구현할 수 있다. 토크 벡터링이란 각 바퀴에 전달되는 토크를 정밀하게 제어하는 기술로, 미끄러운 노면이나 코너링 주행 시 안정적이면서도 역동적인 성능을 가능하게 한다.

박 연구원은 “주행 상황에 따라 차고 조절이 가능한 ‘전자식 에어 서스펜션’과 결합하면 험로에서는 차고를 높여 안정적으로 주행할 수 있고, 고속 주행에서는 차고를 낮춰 전비와 고속 안정성을 향상시킬 수 있다”고 강조했다.

유니휠은 기존 전기차에 필요한 동력원 및 감속기 기능을 동일하게 구현할 수 있기 때문에 일반 승용 및 고성능 전기차 등 모든 종류의 전기차에 쉽게 적용할 수 있다는 장점도 가지고 있다. 대상 모빌리티의 요구 조건에 따라 작게는 4인치부터 크게는 25인치 이상의 휠에 탑재할 수 있도록 유니휠의 크기를 조절할 수 있어 휠체어, 자전거, 배송로봇 등 다앙한 종류의 모빌리티에도 적용이 가능할 것으로 회사 측은 기대했다.

◇부품이 있던 공간, 다양하게 활용 가능

무엇보다 유니휠의 가장 큰 특징은 기존에 사용할 수 없었던 공간을 확보했다는 점이다. 박 연구원은 “지금의 자동차 구조상으로 실내 공간을 큰 폭으로 늘리는 것은 차체를 크게 만드는 것 외에는 사실상 마땅한 방법이 없었다”며 “그러나 유니휠은 구동 부품을 바퀴 휠 내로 통합흡수하면서 해당 부품이 차지하는 공간을 자유롭게 활용할 수 있어 공간활용도를 더욱 높일 수 있다”고 강조했다.

유니휠 원리.

실제로 좌우 휠 사이 확장된 공간은 추가 적재 공간으로 활용할 수 있다. 운전자를 중심으로 설계된 지금의 좌석 배치를 탈피해 완전자율주행 시대에 대비한 새로운 디자인도 가능하다. 해당 공간에 추가 배터리를 탑재하면 차 크기를 늘리지 않더라도 대형 전기차 이상의 주행거리 확보가 가능하다.

주행거리뿐 아니라 고객 탑승공간도 크게 늘어날 것으로 기대된다. 대부분의 전기차 배터리는 차체 바닥에 배치되는데, 이 때문에 차고를 높여 설계하거나 이마저 불가능할 경우 배터리 부피만큼 승객 공간이 축소되는 한계가 있다. 하지만 유니휠을 적용하고 그에 따라 배터리 패키징을 최적화할 수 있다면 승객의 탑승공간 손실을 최소화할 수 있을 것으로 예상된다.

유니휠은 높은 공간활용성과 저상화 설계를 추구해야 하는 PBV에 활용될 경우 더 큰 진가를 발휘할 것으로 보인다. 새로운 실내 공간을 창출하는 것은 물론 PBV와 같은 다양한 용도에 최적화된 미래 모빌리티를 실현할 수 있다. 이를 위해 현대차그룹은 유니휠과 관련된 특허 8건을 국내와 미국, 유럽 등 주요 국가에 출원 및 등록했다.

특히 휠의 회전축이 이동한다는 유니휠의 특성상, 계단을 에스컬레이터처럼 부드럽게 오르는 모빌리티도 만들 수 있다. 실제로 이날 현대차·기아는 유니휠을 통해 계단을 흔들림 없이 오르는 모빌리티의 개념을 소개하기도 했다. 현대차·기아는 향후 기어비 조정 및 윤활 냉각 시스템 고도화 등 상품성을 높이기 위한 노력을 이어갈 예정이다.

민경철 책임연구원은 “앞으로 유니휠 상용화까지 시스템에 알맞은 구동모터 개발이 중요하다”며 “유니휠 옆에 달린 모터가 작으면 작을수록 차량 내 사용할 수 있는 공간은 넓어질 수 있다”고 강조했다.

유니휠을 개발한 선행기술원 연구원들의 모습.(사진=현대차그룹)