이전까지는 자동차의 엔진과 관련된 내용을 포스팅했고 이번에는 자동차의 동력 전달 장치에 대해 알아보고자 한다.
1.클러치?
클러치는 작동 설정과 해제가 자유로운 회전 전달 장치이다. 좀 더 쉽게 말하자면 동력 전달은 멈추고 헛돌게 하거나 동력 전달을 하도록 만드는 것을 자유롭게 해준다는 의미이다. 그래서 보통 엔진과 기어를 연결할 때 기어비를 바꿀 목적으로 사용하고 수동변속기 차량에서 많이 사용된다.
2. 클러치의 작동 원리
클러치의 작동 원리를 알아보기 위해서는 클러치와 연결된 부품을 알아야 한다. 위의 그림과 같이 플라이 휠이 존재하는 경우 마찰 클러치라고 말하는데 클러치 판 간의 마찰을 이용하는 것으로, 흔히 자동차에 사용된다. 물림 클러치라고 하는 클러치도 있는데 이는 축과 축의 점속에서 저속이거나 정지해 있을 때만 사용 가능하므로 자동차에 사용되지 않기에 다루지 않을 것이다.
마찰 클러치는 플라이 휠과 클러치 판의 마찰력에 의해 엔진의 동력을 전달하는 장치이다. 클러치 페달을 놓으면 클러치 압력판 스프링에 의해 클러치 판이 플라이 휠에 압착되어 크랭크 축과 클러치 축이 함께 회전하므로 엔진의 동력이 전달된다. 크랭크 축은 전 포스팅에서 말한 엔진의 압축기에 연결되는 기계 부품이다. 또한 클러치 페달을 밟으면 릴리스 베어링이 릴리스 레버를 누르게 되어, 압력판이 변속기 쪽으로 이동하여 플라이 휠과 접촉되지 않으므로 동력이 전달되지 않는 차단된다. 이 때 자동차에서는 원동기 즉, 엔진을 정지하지 않고도 기어비를 변환하거나, 피동축을 정지, 변경시킬 수 있다.
3. 클러치 구성요소
일반적으로 클러치에 사용되는 구성요소는
클러치 디스크: 클러치 판이라고도 한다. 플라이 휠, 압축판 사이에 들어가며 둘과 직접 마찰하며 동력의 전달/차단 시 완충 역할과 엔진-변속기의 회전수를 동조한다.
압력판: 통칭 삼발이로 불리고 평상시에는 클러치 디스크에 압력을 주어 플라이 휠과 함께 접촉하여 동력을 전달한다. 힘을 받으면 내부가 뜨게 되면서 클러치 디스크와 플라이 휠, 압력판이 떨어지며 동력을 일시적으로 차단하게 해준다.
릴리스 베어링: 압력판에 균일한 힘을 전달해 원활히 동력이 차단될 수 있도록 한다.
릴리스 포크: 힘을 릴리스 베어링으로 전달한다.
추가적으로 클러치 페달, 클러치 마스터 실린더, 릴리스 실린더 등이 있지만 클러치의 주요 동작은 위의 4개 부품이 담당하고 있다.
4. 상용차에 수동변속기를 사용하는 이유
일반적으로 우리가 아는 승용차 또는 SUV 차량에는 자동변속기가 장착되어 클러치를 사용할 일이 없지만 1종 보통 면허를 취득하신 분들이라면 알 것이다. 상용차라고 하면 사업에 사용되는 자동차를 통칭하는 말로 트럭, 승합차, 버스 등을 말하는데 이런 차량은 모두 수동변속기로 클러치 페달을 밟으며 주행해야 기어를 변경하고 불필요한 엔진의 회전을 없앨 수 있다.
그러면 일반 승용차에는 클러치가 없을까? 그건 아니다. 운전자의 운전 조작으로 부터 미세한 조작을 필요로 하는 클러치 조작을 없애고, 엑셀을 밟는 만큼 출력과 변속이 되도록 만든 장치가 자동 클러치이며 이러한 자동 클러치를 적용한 차량은 자동변속기를 사용한다고 보면 된다.
그렇다면 왜 상용차량에는 사용자한테 불편한 수동변속기를 사용함으로써 운전자가 클러치 페달 조작에 능숙해야 하는 것일까? 여러 이유가 있을 수 있겠지만 가장 큰 이유는 수동변속기가 동력전달 효율이 좋다는 것이다. 구조가 간단하고 저렴해 기계적 부품이 많고 복잡한 자동변속기보다 수동변속기가 동력전달 효율이 좋다고 쉽게 이해하면 된다. 자동차는 차의 무게에 따라 연비가 크게 달라질 수 있는데 상용차량은 무게가 톤 단위를 넘어가면서 자동변속기를 쓰면 연비가 매우 떨어지게 되고 이는 곧 돈으로 연결된다. 특히나 산업에 이용되는 차량이기에 같은 거리라도 연비가 떨어지면 제품의 가격이 올라간다는 큰 단점이 존재하기 때문에 거의 모든 사용차는 수동변속기를 사용하게 된다.
5. 변속기(Transmission)
각종 동력원의 동력을 속도나 환경에 맞추어 필요한 회전력으로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 사람들이 자동차의 기어라고 부르는 부품이 바로 이 트랜스미션이다.
6. 변속기가 필요한 이유
자동차에 이용되는 내연기관의 경우 특정 RPM에서 최대 토크가 나오게 되고 다른 RPM에서는 최대 출력이 나온다. 이에 따라 엔진의 회전을 일정하게 유지하기 위해 기어를 사용하여 출발할 때는 속도보다는 토크를 중요시하고, 주행시에는 속도의 증가에 맞춰 회전속도를 높이는 역할을 한다. 좀 더 쉽게 설명하기 위해 자전거를 생각해보자. 자전거로 경사길을 올라가 본 경험이 한번쯤은 있을 것이라 생각한다. 이때 단수를 낮추면 내가 페달을 회전시키는 힘에 비해 자전거의 바퀴는 느리게 회전하지만 쉽게 오를 수 있다. 반면에 평지에서는 단수가 높을 때 내가 페달을 회전시키는 힘 보다 바퀴가 빠르게 회전하면서 높은 속도를 낼 수 있다. 자동차도 이처럼 저단에서는 엔진의 회전수에 비해 차량의 속도가 느리고 고단에서는 동일 회전 수 대비 빠른 속도를 낼 수 있다. 그래서 자동차의 최고 속도는 기어비, 즉 변속기에 의해 좌우된다.
이게 어떤 의미를 갖는지 잘 이해가 안되는 사람들도 있을 수 있으니 좀 더 쉽게 설명하자면 큰 토크가 필요한 상황이 있고 토크는 작지만 큰 속도가 필요한 상황이 있다. 자동차의 경우 오르막길에서 저단으로 바꾸는 이유가 같은 회전 수로 큰 토크를 만들기 위해서기 때문이다. 따라서, 변속기는 토크가 필요한 상황, 속도가 필요한 상황 이 2가지에 맞춰 기어를 바꿔가며 최적의 운전 조건을 맞추는 역할을 하는 것이다.
7. 변속기의 종류
변속기는 수동변속기와 자동변속기가 존재한다. 물론 여러 가지 이름으로 양산되어져 나오고 각각의 제품마다 장단점을 가지고 있지만 크게 본다면 수동과 자동으로 나뉜다.
수동변속기: 일반적으로 사람들에게 스틱이라고 불리는데 여기서 스틱은 위 그림의 기어시프트 또는 패들시프트라고 한다. 수동변속기의 가장 큰 장점은 컴퓨터가 아닌 자신이 직접 자동차의 움직임을 통제할 수 있는 범위가 늘어난다는 점에 있다. 사실 이 말은 자동차를 잘 아는 사람들에게만 한정되는 말이다. 사람들이 말하는 ‘운전의 재미’가 여기에 해당되는데 우리가 아는 F1 경기에서 사용되는 슈퍼카, 스포츠카는 모두 수동 기어를 사용함으로써 사용자에게 운전의 재미를 더해주는 차량들이다. 또, 구조가 단순해 정비가 쉽고, 비용이 적게 들고 동력전달 효율이 높아 자동변속기보다 연비가 높아진다는 장점이 있다.
다만 아까 말했듯이 자동차를 잘 아는 사람에게만 해당되는 장점이 큰 만큼 운전자 스스로 공부를 해야 한다는 단점이 있다. 또, 수동변속기는 운전 도중 클러치를 밟았다 때는 과정이 많은 만큼 운전자에게 피로감을 주기도 하고 자동차를 잘 모른다면 오히려 안좋은 운전습관으로 연비가 떨어질 수 있다는 단점이 있다.
자동변속기: 자동변속기는 클러치를 밟은 뒤 원하는 단으로 기어를 바꾸는 변속동작에서 오는 수고를 없애자 라는 발상에서부터 시작되었다. 그만큼 조작 편의성과 승차감이 좋다는 강점이 있다. 상용차 운전 경력이 적은 사람의 경우 기어를 변속하는 순간에 동승자는 덜컹 하는 느낌을 받게 되는데 변속하기 위한 RPM까지 충분히 올라가지 않았기 때문에 이런 일이 자주 발생한다. 자동변속기는 이러한 타이밍을 맞추지 않아도 된다는 점에서 사용자에게 편리함을 주기 때문에 현재 거의 모든 차량에서 자동변속기를 사용한다. 하지만 수동 변속기보다 부품의 수가 많고 구조가 복잡하여 동력전달의 효율이 낮으며, 부피가 크고 무겁다는 단점이 있다.
8. 수동변속기 변속 원리
동력은 플라이휠에서 시작해 클러치, 변속기 순으로 전달되며, 클러치가 엔진과 변속기 사이에서 동력을 연결하거나 차단한다. 클러치 페달을 밟고 있을 때는 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크가 떨어지면서 동력을 전달하지 않는다. 그리고 클러치 페달에서 발을 떼면 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크, 클러치 압력판이 결합하면서 엔진의 회전력을 변속기로 보내주게 됩니다.
변속기는 각 엔진의 특성에 맞게 자동차의 성능과 효율을 높이는 방향으로 발전했는데요. 수동변속기는 연비가 뛰어나다는 장점을 살리면서 조작 편의성을 키우는 새로운 변속기 탄생으로 이어졌다. SAT(반자동변속기: Semi Automatic Transmission)에서 AMT(자동화 수동변속기: Automated Manual Transmission) 그리고 DCT(듀얼클러치변속기: Dual Clutch Transmission)로 변하고 있다. SAT는 클러치 페달은 없으나 기어 변경은 수동과 같은 시스템이고 AMT는 클러치 조작과 기어 변경 자동화를 통해 자동변속기와 같은 운전자 조작을 가능하게 하는 시스템이다. 그리고 DCT는 변속할 때 2개의 클러치를 교차시키며 동력을 전달해 AMT의 단점인 변속 시 울컥거리는 현상을 보완했다.
9. DCT(Dual Clutch Transmission) 원리
DCT 변속기는 현대와 기아 자동차에서 볼 수 있는 대표적인 변속기이다. 여기서 7단 DCT는 수동변속기의 장점에 자동변속기의 장점을 더한 기술이라고 할 수 있다. 엔진의 동력을 전달받아 주행하는 자동차는 언덕길을 올라가거나 고속도로를 주행하는 등 갖가지 상황을 맞닥뜨리게 된다. 주행상황과 운전자의 의지에 따라 필요한 속도와 구동력이 다르므로 그에 맞게 기어를 변경하게 된다. 이때 DCT는 두 개의 클러치를 사용한 연속적 변속으로 부드러운 주행과 빠른 변속을 가능하게 한다. 또한 수동변속기 구조를 기반으로 하기 때문에 연비 및 가속 성능 또한 우수하다.
DCT의 핵심 기술은 총 세 가지로 제어로직과 더블클러치, 액추에이터가 있다. 제어로직은 변속기에 지령을 내리는 두뇌 역할을 하며, 홀수 기어를 담당하는 클러치와 짝수 기어를 담당하는 클러치가 동시에 적용된 더블 클러치는 자동차의 상황에 맞게 재빨리 동력을 전환한다. 액추에이터는 고효율 전기 모터를 적용해 기어와 클러치의 변속을 자동으로 해주는 장치로 DCT는 더블클러치와 액추에이터를 사용해 제어로직에 의해 자동으로 변속 되는 자동화 수동변속기라고 볼 수 있다.
10. 자동변속기 작동 원리
자동변속기는 엔진 회전, 차량 속도 등을 감지해 차량 부하에 따라 자동으로 변속하는 방식으로 토크컨버터, 오일펌프, 유압 클러치, 유성 기어세트, 회전 센서, 감속 기어, 밸브 바디 및 TCU로 구성되어 있다. 유성 기어 시스템과 습식 다판 클러치, 브레이크의 조합으로 변속단이 구성되어 있다. 각 변속단에 해당하는 클러치, 브레이크를 유압 시스템으로 결합하고 해제하면 연결된 유성 기어가 작동한다. 그렇게 되면 해당 변속단과 변속비를 구현하게 된다. 변속기 탑재 방식에 따라 전/후륜 자동변속기로 구분되는데, 자동변속기의 기본적인 구조는 같지만, 전륜 자동변속기는 엔진룸에 레이아웃을 구성하기 때문에 좌우 전장의 제약이 커 바퀴로 구동력을 전달하기 위해 다축의 구조를 사용하게 된다. 반면 후륜 자동변속기는 동일 축상에 부품을 구성하여 후륜 측으로 구동력을 전달한다.