현대자동차와 기아가 공개한 '유니버설 휠 드라이브 시스템'의 모듈 모습. 전기차의 감속기와 드라이브 샤프트, 등속 조인트의 기능이 모두 바퀴(휠) 안으로 탑재된 것이 특징이다. /김태환 기자

[더팩트 | 김태환 기자] 현대자동차와 기아가 주요 구동 부품을 바퀴 내부로 옮기는 신개념 휠을 최초로 공개하고 자동차 구동 시스템의 역사를 새로 썼다.

현대자동차·기아는 28일 서울 중구 명동에 위치한 커뮤니티하우스 마실에서 '유니휠(UNI WHEEL) 테크데이'를 개최하고, 기존 차량 구동 시스템에 변화를 불러올 '유니버설 휠 드라이브 시스템(유니휠)'을 세계 최초로 공개했다.

유니휠은 전기차의 주요 구동 부품을 휠 내부로 옮겨 실내 공간을 획기적으로 확대하는 기능 통합형 휠 구동 시스템이다. 현대차·기아가 기존에 없던 완전히 새로운 구조의 구동 시스템을 고안했다는 점에서 의미가 있다.

기존 내연기관 차량은 엔진과 변속기를 거친 동력이 드라이브 샤프트, 등속 조인트를 통해 바퀴로 전달된다. 전기차 역시 엔진과 변속기가 모터, 감속기로 대체됐을 뿐 구동 전달 시스템은 같다.

이와 달리 유니휠은 전기차의 감속기와 드라이브 샤프트, 등속 조인트의 기능을 모두 휠 안에 넣고, 모터를 각 휠 가까이에 위치시켜 '플랫 플로어(Flat-Floor)'로 차체를 구성한다.

이 기술이 적용되면 기존 구동시스템이 차지하던 공간을 자유롭게 활용할 수 있기 때문에 새로운 실내 공간을 넓힐 수 있게 된다. 이는 목적 기반 차량(PBV)과 같은 다양한 용도에 최적화된 미래 모빌리티를 실현할 수 있다.

'유니버설 휠 드라이브 시스템'의 모듈의 내부 모습. 중앙에 선 기어(Sun Gear)와 좌우 각 4개의 피니언 기어(Pinion Gera), 가장 바깥쪽에 있는 링 기어(Ring Gear) 등으로 구성돼 있다. /김태환 기자

이날 현대차∙기아가 공개한 유니휠은 중앙의 선 기어(Sun Gear)와 좌우 각 4개의 피니언 기어(Pinion Geer), 그리고 가장 바깥쪽의 링 기어(Ring Gear) 등으로 이루어진 특수한 '유성기어' 구조를 가지고 있다.

모터가 만들어낸 동력이 선 기어로 전달되면 피니언 기어들이 맞물려 링 기어를 회전시키고, 링 기어는 휠과 연결돼 최종적으로 휠까지 동력이 전달되는 원리다.

유니휠은 피니언 기어들이 서로 연결돼 2개의 '링키지(Linkage)'를 구성하는데, 이러한 멀티링크 작동이 유니휠의 상하좌우 운동을 가능하도록 만들어준다.

이러한 두 가지 구조가 융합된 특성을 기반으로 모터에서 나온 동력을 휠까지 안정적으로 전달함과 동시에 노면에 따른 휠의 움직임에 자유롭게 반응할 수 있다.

현대자동차와 기아가 공개한 '유니버설 휠 드라이브 시스템'의 모듈 내부 피니어 기어의 모습. 기어 잇수가 적은 선기어와 피니어 기어가 잇수가 많은 링기어를 회전시키는 구조라 감속비를 자연스럽게 만들 수 있다. /김태환 기자

기존 등속 조인트가 적용된 드라이브 샤프트는 휠의 상하좌우 움직임에 따라 꺾이는 각도가 커질수록 동력 효율과 내구성이 하락하는 문제가 있다. 하지만 유니휠은 휠의 어떤 움직임에도 동력을 거의 동일한 효율로 끊김 없이 전달할 수 있어 높은 내구성과 승차감을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

더욱이 주행 상황에 따라 차고 조절이 가능한 '전자식 에어 서스펜션'과 결합되면 험로에서는 차고를 높여 안정적으로 주행할 수 있고, 고속 주행에서는 차고를 낮춰 전비와 고속 안정성을 향상시킬 수 있다.

유니버설 휠 드라이브 시스템의 내부 기어 구조 모습. 기존 전기차 구동 시스템과 달리 별도의 감속기 없이도 모터에서 발생한 회전을 감속할 수 있다. /현대자동차

무엇보다 눈에 띄는 점은 유니휠이 전기차의 감속기의 역할도 대체한다는 점이다.

기어 잇수가 적은 선기어와 피니언 기어들이 맞물리며 상대적으로 기어 잇수가 많은 링기어를 회전시키는 구조로 입력축과 출력축 사이의 감속비를 자연스럽게 만들 수 있다.

따라서 기존 전기차 구동 시스템과 같이 별도의 감속기를 두지 않고도 모터에서 발생한 회전을 감속시켜 최종적으로 휠에서 높은 토크를 얻을 수 있다. 특히 현재 개발 중인 유니휠은 큰 감속비를 내도록 설계돼 있어, 작은 모터로도 높은 토크를 구현할 수 있다.

이를 통해 최대 네 개의 휠 구동력을 각각의 소형 모터로 독립 제어함으로써 높은 수준의 조향 및 주행 안정성을 바탕으로 지금까지와는 차원이 다른 토크 벡터링(Torque Vectoring, 크랭크축 회전력을 조절하는 기능)을 구현할 수 있는 것도 강점이다.

무엇보다도, 유니휠이 적용될 경우 기존에 사용할 수 없었던 공간을 고객에게 되돌려줄 수 있는 효과를 가져온다.

유니휠은 기존 구동 시스템의 등속 조인트와 드라이브샤프트, 감속기의 기능을 휠 안에 넣고 동시에 휠 사이에 자리하던 모터를 소형화해 각 휠에 직결함으로써 공간 활용성을 크게 확장한다. 이에 따라 기존의 차량 레이아웃에서는 상상할 수 없었던 새로운 시도를 할 수 있다.

특히, 좌우 휠 사이 확장된 공간을 추가 적재 공간으로 활용할 수 있다. 운전자를 중심으로 설계된 지금의 좌석 배치를 탈피해 완전자율주행 시대에 대비한 새로운 디자인도 가능하다.

기존 전기차 구동계가 적용된 차대(왼쪽)와 유니버셜 휠 드라이브 시스템이 적용된 차대 모형 모습. 유니휠 적용 차체가 차량 앞과 뒷부분 내부 공간이 확보돼 배터리를 더 많이 탑재한 것을 확인할 수 있다. /김태환 기자

해당 공간을 배터리 탑재 공간으로 활용한다면 주행거리가 향상되는 효과도 기대할 수 있다.

고객 탑승공간도 크게 늘어날 것으로 기대된다. 대부분의 전기차 배터리는 차체 바닥에 배치돼 차고를 높여 설계해왔다. 유니휠을 적용하고 배터리 패키징을 최적화할 수 있다면, 승객의 탑승공간 손실을 최소화할 수 있을 것으로 예상된다.

유니휠의 이러한 특징은 높은 공간활용성과 저상화 설계를 추구해야 하는 PBV에 효율이 극대화할 것으로 보인다.

유니휠을 통해 구현되는 플랫 플로어 플랫폼이 PBV에 강력한 유연성과 확장성을 부여하고, 사용 목적에 따라 다양한 설계를 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

이밖에도 유니휠은 기존 전기차에 필요한 동력원과 감속기 기능을 동일하게 구현할 수 있어, 일반 승용·고성능 전기차 등 모든 종류의 전기차에 쉽게 적용할 수도 있다.

아울러, 유니휠은 다양한 차량뿐 아니라 휠체어, 자전거, 배송로봇 등 다른 종류의 모빌리티에도 적용할 수 있다. 대상 모빌리티의 요구 조건에 따라 작게는 4인치부터 크게는 25인치 이상의 휠에 탑재할 수 있도록 유니휠의 크기를 조절할 수 있기 때문이다.

또 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.

현대차와 기아는 유니휠의 개발 완성도를 높이기 위한 테스트를 하고, 향후 기어비 조정과 윤활 냉각 시스템 고도화 등 상품성을 높이는 노력을 이어갈 예정이다.

박종술 현대차·기아 선행기술원 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.

한편, 현대차와 기아는 유니휠과 관련된 특허 8건을 국내와 미국, 유럽 등 주요 국가에 출원·등록했다.

kimthin@tf.co.kr