파워트레인의 첫 관문, 동력을 주무르는 클러치와 토크컨버터 (feat. DCT)

파워트레인의 첫 번째 부품으로서 엔진 바로 뒤에 붙어 엔진의 동력을 일시적으로 차단하는 핵심 장치가 바로 클러치(Clutch)입니다.

회전하는 동력을 일시적으로 끊었다 이었다 할 수 있는 구조를 가장 쉽게 상상해 본다면, 구동축과 피동축에 각각 하나씩의 판을 만들고 여기에 서로 꼭 맞는 이빨을 만들어 주는 방식일 것입니다. 그 이빨을 서로 물리게 하면 돌아가면서 힘이 온전하게 전달될 테니까요.

하지만 자동차에 쓰이는 클러치는 단순한 동력 전달만이 목적이 아닙니다. 동력을 잇고 끊을 때 그 동작이 얼마나 부드럽게 일어나느냐 하는 제어 밸런스 역시 동력 전달 못지않게 중요합니다. 이 목적에 가장 완벽하게 부합하여 현재 수동변속기 차량에 널리 쓰이고 있는 것이 바로 '마찰력을 이용한 클러치'입니다.

1. 수동변속기: 마찰력의 아날로그 예술

수동변속기 차량의 기계식 클러치는 엔진의 플라이휠에 클러치판(디스크)을 끼우고, 이것을 다이아프램 스프링으로 세게 밀어붙여 그 강력한 마찰력을 이용해 동력이 전달되게 하는 구조를 가집니다.

운전자가 왼발로 클러치 페달을 밟으면, 압력판을 밀고 있던 다이아프램 스프링이 뒤로 물러나면서 밀착되어 있던 클러치판이 떨어지고 동력 전달의 경로가 순간적으로 차단됩니다. 페달을 슬며시 떼면 반클러치 상태를 거치며 마찰력의 결선 전압이 부드럽게 상승해 차가 울컥거림 없이 출발하게 됩니다.

2. 자동변속기: 선풍기 원리와 기름의 마법 (토크컨버터)

자동변속기(AT) 차량의 경우는 이와 같은 물리적 마찰 클러치가 없는 대신, 두 개의 날개 속에 기름(유체)을 가득 담아놓은 구조를 가진 토크컨버터(Torque Converter)라는 부품이 클러치의 역할을 대신하게 됩니다.

기술적으로 가장 유사한 비유는 바로 '선풍기'입니다. 선풍기 두 대를 서로 마주 보게 정렬해 둔 채로 한쪽 선풍기(펌프/임펠러)를 전원에 결선해 돌리면, 그 바람(유체 압력)을 받아 반대편 선풍기(터빈)의 날개도 따라 돌게 되는 유체 역학적 원리입니다. 물론 차 안에서는 바람 대신 묵직한 미션 오일(ATF)이 그 전압을 전달합니다.

• 최고의 장점: 엔진의 회전 속도가 낮을 때는 기름을 매개로 양쪽 날개가 서로 스르륵 미끄러지는 현상을 이용하므로, 차가 멈추어도 엔진 시동이 꺼지지 않고 일일이 클러치를 끊어 주지 않아도 되어 운전자의 왼발을 편안히 쉴 수 있게 해줍니다.

• 태생적 약점: 유체의 미끄러짐 현상은 필연적으로 엔진 동력의 손실을 초래하여 연료 소모율(연비)을 다소 높이게 되는 문제를 안고 있습니다. (요즘에는 이 문제를 해결하기 위해 고속에서 기계적으로 직결하는 댐퍼 클러치/록업 클러치 시스템이 탑재됩니다.)

3. 현대 파워트레인의 총아: DCT (Double Clutch Transmission)

요즘 양산차에서는 수동변속기의 칼 같은 직결감(연비 효용성)과 자동변속기의 편안함을 하나로 결합한 DCT(더블 클러치 변속기)가 대세로 자리 잡았습니다.

DCT는 말 그대로 한 변속기 내부에 두 개의 클러치(클러치 1, 클러치 2)를 앞뒤 복열 구조로 배치하여 운영하는 구조입니다.

• 구동 메커니즘: 클러치 하나가 홀수 단(1, 3, 5, 7단)을 담당하고 있으면, 다른 하나의 클러치는 이미 다음 짝수 단(2, 4, 6단)에 기어를 미리 맞물린 채 대기하고 있습니다.

• 효용가치: 컴퓨터의 지령에 따라 두 클러치가 교대로 바통을 터치하듯 작동하기 때문에, 기어가 변속될 때 동력이 단절되는 버퍼링 시간을 획기적으로 단축할 수 있습니다. 수동 변속기의 좋은 연비와 자동 변속기의 빠른 변속 속도를, 양쪽의 장점을 동시에 잡은 파워트레인 제어 기술의 결정체입니다.

이빨을 맞물리던 단순한 상상에서 출발한 동력 전달 장치는 마찰 클러치의 부드러움을 거쳐, 유체의 미끄러짐을 이용한 토크컨버터, 그리고 컴퓨터가 두 개의 클러치를 100만 분의 1초 단위로 교대 제어하는 DCT 시스템까지 눈부시게 진화했습니다.