엔진 하나론 차를 굴릴 수 없다, 파워트레인의 탄생과 임무

현재 우리가 사용하고 있는 왕복 운동형 내연기관이 자동차의 동력원으로 정말 안성맞춤이라는 데는 이론의 여지가 없습니다. 연료가 가진 에너지 밀도(일정량이 가지는 에너지), 그리고 한 번의 공급으로 쉬지 않고 움직일 수 있는 거리나 시간(에너지 저장 능력)과 경제성을 생각할 때, 현재까지 지구상에 출현한 그 어떤 동력원보다 지금의 엔진이 가장 편하고 쓸모 있는 물건인 것은 사실입니다.

하지만 여기서 자동차의 실제 씀씀이를 한번 돌아봅시다. 때로는 차량 행렬 틈에서 가다 서다를 반복해야 하는 지독한 도심 정체 서킷을 지나야 하고, 때로는 시원하게 뚫린 고속도로를 제한속도를 넘어 질주해야 할 때도 있습니다. 그뿐인가요? 사람을 빽빽하게 태우고 트렁크에 짐을 가득 싣기도 하며, 때로는 운전자 나홀로 가볍게 달리기도 합니다.

과연 이렇게 극단적으로 다양하고 변화무쌍한 운전 환경을 오직 '엔진 하나만의 힘'으로 대응할 수 있을까요? 결론부터 말씀드리면, 그것은 완전히 불가능합니다.

1. 20 kg·m의 회전력으로 1.5톤을 밀 수 있을까?

엔진의 동력 발생 축인 크랭크샤프트에 자동차 바퀴를 다이렉트로 바로 연결했다고 상상해 보면, 엔진 혼자서는 차를 단 1미터도 굴릴 수 없다는 사실을 쉽게 이해할 수 있습니다.

회전하면서 동력을 발생시키는 기계의 활동 가능 범위를 계측할 때는 보통 두 가지 요소로 구분합니다. 하나는 '얼마나 빨리 회전할 수 있는가(회전수; rpm)'이고, 다른 하나는 '얼마나 큰 회전력을 낼 수 있는가(토크; Torque)'입니다.

예를 들어 2,000cc 정도의 표준적인 가솔린 엔진이 발휘할 수 있는 스펙을 보면, 최대 토크는 약 20kg·m 정도이고 최고 회전수는 7,000rpm 수준입니다. 여기서 20kg·m 라는 회전력의 물리적인 의미는 회전축에 1미터 길이의 막대기를 꽂고 끝단에서 20kg 의 힘으로 밀었을 때 돌아가는 힘을 말합니다. 냉정하게 계측해 보면 그리 큰 물리적 힘이 아닙니다.

이제 가정을 하나 해봅시다. 자동차 본체 무게 1,200kg에 탑승자 몸무게 300kg, 그리고 짐 무게 50kg을 더해 총 1,550kg에 달하는 거대한 질량이 약 10도의 경사진 언덕길을 올라가야 합니다. 이 조건에서는 엔진이 제 아무리 가속 페달을 짓눌러 최대의 회전력을 발휘하더라도 바퀴가 직접 연결되어 있다면 자동차를 단 한 바퀴도 움직이지 못하고 시동이 꺼지고 맙니다.

2. 환경에 따른 제어 전압의 변속: 토크 vs 속도

따라서 엔진의 힘이 바퀴로 전달되는 경로 중 어느 한 곳에 '회전력을 증폭시키는 장치'를 반드시 달아주어야만 합니다. 그래야만 오르막길이나 출발 시처럼 큰 힘을 필요로 하는 주행 상황이 왔을 때 그것을 가볍게 극복할 수 있기 때문입니다.

반대의 경우도 있습니다. 차 안에 짐도 없고 사람도 없이 홀로 타고 가는데, 정말 바쁜 일이 생겨 고속 주행이 필요할 때입니다. 이때는 자동차의 바퀴를 최대한 빨리 돌릴 수 있어야 하므로, 웅장한 힘(토크)보다는 '회전 속도'가 훨씬 더 중요한 핵심 변수가 됩니다. 즉, 상황에 따라 힘을 키우거나 속도를 키우는 변속 메커니즘이 절대적으로 필요한 것입니다.

3. 파워트레인(Power-Train)이 짊어진 복합 임무

그뿐만이 아닙니다. 자동차의 구조상 회전력의 방향도 자유자재로 바꿀 수 있어야 합니다. 가로로 누워있는 엔진의 회전력을 바퀴의 전진 방향으로 꺾어주어야 하고, 요즘 승용차의 주종을 이루는 전륜구동(FF) 방식처럼 바퀴를 고속으로 회전시키면서 동시에 조향 핸들에 따라 바퀴의 방향도 이리저리 부드럽게 가변 해줄 수 있어야 합니다.

여기에 소비자들의 까다로운 요구가 하나 더 보태집니다. 무시무시하게 큰 물리적 힘이 전달된다는 사실을 뻔히 알면서도, 동시에 "조용하게 일할 것"을 요구합니다. 아무리 큰 토크를 전달하더라도 이빨이 맞물리는 소음이나 진동 노이즈를 발생시키지 말아야 하죠. 게다가 차량 연비를 위해 "가벼워야 한다"는 한계까지 만족해야 합니다.

이처럼 까다롭고 다양한 가혹 조건을 완벽하게 만족시키면서, 엔진에서 폭발한 원초적인 동력을 자동차 바퀴까지 온전하게 전달하는 정밀 기계 장치들의 조합을 총칭하여 우리는 '파워트레인(Power-Train)'이라 부릅니다.

엔진이 자동차의 심장이라면, 파워트레인은 그 심장의 피를 온몸으로 전달하는 뼈대와 근육 시스템입니다. 앞으로 우리는 이 파워트레인이라는 거대한 뼈대를 이루는 핵심 부품들, 즉 동력을 끊고 잇는 클러치, 힘과 속도의 균형을 조율하는 변속기, 바퀴의 꺾임을 감당하는 CV 조인트(CV Joint), 그리고 기어비의 마술을 부리는 유성기어와 싱크로나이저 링을 하나씩 해부해 볼 것입니다.