자동차의 클러치와 변속기의 작동 원리 이해하기

업무상 대강이라도 파악하고 있어야 하기에 자동차의 클러치(Clutch)와 변속기(Transmission)의 작동 원리(Mechanism)에 대해 정리를 해본다. 내 글의 목표는 2년 후 초등학교에 입학할 우리 딸도 쉽게 이해할 수 있게 본 작동원리를 설명하는 것이 목적이므로 쉽게 써보려 노력하였다. 수동변속기의 원리를 이해할 수 있어야 이후 토크컨버터 방식의 자동변속기와 DCT(듀얼클러치트랜스미션)/DSG(다이렉트쉬프트기어박스) 또한 이해할 수 있다.

 

이 글을 읽는 대부분의 성인이나 청소년들 또한 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 내 그림일기가 우리나라의 수동 클러치 및 변속기의 작동원리를 다루고 있는 블로그들 중 최고의 설명과 짤방으로 여겨졌으면 좋겠다. 

 

※ 이 자료는 GIF파일 재생의 이유로 스마트폰보다는 PC로 보는걸 추천한다.

 

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1. 위 그림의 왼쪽, 파란박스 안의 부품들이 자동차의 엔진이다. 피스톤의 왕복운동을 크랭크축이 회전운동으로 바꿔준다. 

 

2. 가운데 빨간 점선 안이 클러치와 플라이 휠, 클러치 페달을 나타내고 있다. 좌측의 엔진과 우측의 미션 사이에 있다. 그림에는 나와있지 않지만 미션 오른쪽에는 디퍼런셜(차동기어)와 바퀴(wheel)의 축이 있다. 디퍼런셜(데후)고 뭐고 녹색박스 우측은 바퀴라고 생각하면 이해하기 쉽다.

 

3. 당연히 빨간 점선 안의 클러치는 가운데 있으므로 역할은 뻔하다. 엔진에서 발생한 회전력을 트랜스미션에 전달할 것인가 말 것인가를 결정하는 것.

 

 

4. 클러치에는 높은 마찰력으로 코팅된 디스크가 있다. 이 클러치 디스크가 플라이휠에 닿으면 클러치가 회전하고, 클러치가 돌아가면 회전축(샤프트)도 함께 돌아간다. 당연히 회전축이 돌기 시작하면 바퀴도 돌아 차가 앞으로 나가는 것이다.

 

 

5. 그런데 클러치의 기능은 단순한 동력전달의 기능만 수행하는 것이 아니다. 동력 전달을 해제하여야 할 때가 있다. 가속이나 감속 시 적절한 RPM(분당회전수)를 맞추기 위해 기어비를 조절해줘야 한다. 근데 모든 엔진과 트랜스미션의 기어들이 맞물려 있는 상태에서 기어를 바꿔줄 경우 큰 충격에 의해 기어의 이가 나갈 것이다. 

 

6. 그러므로 기어 변속 시, 미션으로 들어가는 동력을 해제해줘야 하는데 그 때 클러치가 그 기능을 해주는 것이다.

 

7. 운전석 발 밑의 클러치 페달을 위의 그림과 같이 같이 밟으면

 

 

8. 클러치 페달에 의해 클러치 내부의 핵심 부품인 다이어프램 스프링의 가운데가 눌린다. 다이어프램 스프링은 가운데를 누르면 원주방향의 끝부분이 누르는 방향과 반대방향으로 올라오도록 디자인 되어 있다. 위 그림의 주황색이 다이어그램 스프링이고 빨간색이 클러치디스크이다. 하늘색 부품이 주황색 다이어프램 스프링을 누르고, 다이어프램 스프링에 의해 빨간색의 클러치 디스크가 들어올려져 플라이휠(검정-노란색 부품)에서 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이런 방식으로 엔진과 미션 사이의 동력 전달이 클러치 모듈에서 해제된다.

 

디스크의 중심을 누르면 끝부분들이 반대 방향으로 올라오는 방식의 스프링. 클러치의 핵심 부품이다.

 

9. 다이어프램 스프링에 의해 클러치 디스크가 플라이휠에서 떨어지게 되고, 이는 엔진의 힘이 더이상 미션으로 흘러들어가지 않는 상태를 의미한다.  

 

 

 

 

10. 미션에 동력이 전달되지 않는 상태이다. 기어를 N(중립)으로 해놨을때도 위와 같은 상태라고 생각하면 된다. 보라색

기어들은 노란색 샤프트를 회전시키는 기능을 한다. 노란색 샤프트는 자동차의 바퀴(wheel)과 연결되어 있다.

 

 ★ 위 상태는 보라색 기어들이 파란색 기어들과 체결되어 있지 않으므로, 바퀴에 동력이 전달되지 않는 상태이다.

 

 ★ 노란색 샤프트에 붙어있는 파란색 기어들은 왼쪽 제일 큰놈부터 1단이다. 1단이 기어가 가장 크므로 가장 큰 토크(N.m)를 낼 수 있지만 속도는 느리다. 위 기어는 5단까지 있고, 제일 오른쪽에 있는 기어는 후진기어이다. 

 

 

 

11. 우리가 운전석에 앉아서 기어봉을 까딱까딱 조절하면 보라색 기어(Dog Clutch)가 움직이게 되는 것이다. 제일 왼쪽 보라색 기어는 좌우로 왔다 갔다 하며 1단/2단을 담당할 수 있고, 중간 보라색 기어는 3/4단, 오른쪽 보라색 기어는 5단/후진을 담당한다.

 

 

 

12. 트랜스미션의 1단 기어에 물려 회전하는 것을 보여주고 있다. 노란색 Shaft가 회전해야 바퀴가 회전하고 바퀴가 지면을 밀며 앞으로 나가는 것이다.

 

 

13. 1단에 물려있던 Dog Gear가 2단으로 물리는 과정을 보여주고 있다. 

 

 

 

14. 가장 오른쪽의 Dog Gear가 5단에 물려 회전하고 있다. 가장 오른쪽의 기어는 디퍼런셜 기어를 나타내고 있는데, 오른쪽의 수직으로 뻗은 노란색 샤프트의 양 끝에 바퀴가 달려있다고 보면 된다.

 

 

 

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클러치와 변속기의 작동원리에 대해 우리 딸도 이해할 수 있게 쉽게 쓰고 싶었는데 정신없이 쓰다보니 뭔가 용어들이 어렵다. 울 딸이 2년 후에 이해하기는 실질적으로 무리인 것 같다. 시간이 날 때 좀 더 쉽게 수정해봐야겠다. 잘못된 점이 있을 수도 있다. 누군가 지적해주겠지.. 

 

 

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아래는 위 Gif파일을 따온 원본 영상이다. 이런 고마운 영상들은 몇번이고 봐줘야 한다. 당연히 영상까지 보면 클러치와 변속기의 이해에 더 큰 도움이 되므로 적극적으로 확인하자.