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클러치

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목차

1. 개요

클러치는 동력을 전달하는 장치로, 마찰 클러치, 유체 클러치, 전기 클러치 등으로 구분된다. 마찰 클러치는 수동변속기 차량에, 유체 클러치는 자동변속기 차량의 토크 컨버터와 함께 사용되며, 전기 클러치는 CVT 차량에 사용된다. 클러치는 동력 전달 방식, 구조, 작동 방식에 따라 다양하게 분류되며, 수동변속기 차량의 클러치는 엔진과 변속기 사이에 위치하여 동력 전달을 제어한다. 자동변속기 차량에서는 토크 컨버터가 클러치 역할을 하며, 오토바이의 경우 습식 클러치가 주로 사용된다. 클러치는 사용에 따라 마모되므로 유지 보수가 필요하다.

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  • 클러치 - 프리휠
    프리휠은 래칫 기구와 캠 기구 등으로 구현되어 한쪽 방향으로만 동력을 전달하고 반대 방향으로는 차단하는 장치로, 자전거, 자동차, 헬리콥터 등 다양한 분야에서 활용되며 지속적으로 발전해왔다.
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클러치
지도
기본 정보
종류기계 장치
기능두 개의 회전축 연결 및 분리
다른 움직이는 부품 연결 및 분리
구조 및 작동
작동 원리마찰력을 이용하여 동력 전달
기계적, 전자기적, 유압적 또는 기타 방법으로 작동
주요 응용 분야
자동차수동 변속기
자동 변속기 (일부)
산업 기계동력 전달 장치
가정용 기기일부 기기
특징
동력 전달회전축 간의 동력 전달 제어
작동 제어연결 및 분리 시점 제어
미끄럼 제어
충격 완화
설계 다양성다양한 형태 및 크기
응용 분야에 따라 맞춤 설계
기타일부 클러치는 토크 제한 기능 제공
역회전 방지 기능 제공
추가 정보
관련 용어브레이크
커플링

2. 종류

클러치는 동력 전달 방식, 구조, 작동 방식 등에 따라 다양하게 분류된다.


  • 동력 전달 방식에 따른 분류
  • 마찰 클러치: 수동변속기 차량에 주로 사용되며, 마찰력을 이용한다.
  • 유체 클러치: 자동변속기에 사용되며, 오일을 매개체로 사용한다.
  • 전기 클러치: 전자석의 자력을 이용하며, 연속 가변 변속기(CVT) 차량에 사용된다.[29]
  • 구조에 따른 분류
  • 도그 클러치(확동 클러치): 톱니로 맞물려 미끄러짐 없이 동력을 전달한다.
  • 마찰 클러치: 마찰력으로 동력을 전달하며, 디스크, 드럼, 원추 클러치[20] 등이 있다.
  • 습식 클러치: 윤활유를 사용하여 냉각 및 마모 방지 효과가 있다.
  • 건식 클러치: 구조가 단순하고 보수가 용이하다.
  • 원심 클러치: 원심력을 이용하며, 회전수가 올라가면 자동으로 연결된다.
  • 전자기 마찰 클러치: 전자석을 이용하여 작동한다.
  • 원웨이 클러치: 한 방향으로만 토크를 전달한다.
  • 전자분말클러치: 자성체 분말을 이용한다.
  • 작동 방식에 따른 분류: 사람의 힘, 솔레노이드, 원심력 등을 이용한다.


이 외에도 킥백 클러치 브레이크, 벨트 클러치, BMA 클러치, 랩 스프링 클러치 등 다양한 종류의 클러치가 있다.

2. 1. 동력 전달 방식에 따른 분류

클러치는 동력을 전달하는 방식에 따라 마찰 클러치, 유체 클러치, 전기 클러치로 구분된다.[29]

  • 마찰 클러치: 물체의 마찰력을 이용해 엔진의 동력을 변속기에 전달하는 방식으로, 구조가 간단하여 수동변속기 차량에 주로 사용된다.
  • 유체 클러치: 오일을 매개체로 동력을 전달하며, 자동변속기에서 토크 컨버터와 함께 사용된다.
  • 전기(전자) 클러치: 전자석의 자력을 이용하며, 연속 가변 변속기(CVT) 차량에 사용된다.[29]


건식 클러치 다이어그램


; 마찰 클러치

마찰력에 의해 동력을 전달하는 클러치로, 입력축과 출력축의 회전 속도에 차이가 있어도 압착 하중을 조절함으로써 미끄러지면서 부드럽게 토크를 전달할 수 있다. 마찰부가 원판 형상인 '''디스크 클러치'''(), 원통 형상인 '''드럼 클러치'''(), 원추 형상인 '''원추 클러치'''가 있다.[20]

  • '''건식 클러치'''는 마찰 디스크가 스프링 메커니즘에 의해 자동차 엔진의 플라이휠에 압력을 가하는 등, 동력을 입력축에서 출력축으로 전달하기 위해 건조 마찰을 사용한다. 대부분의 수동 변속기 자동차 클러치는 건식 클러치이다.
  • '''습식 클러치'''는 마찰재가 오일 욕조에 담겨 있거나 오일이 통과하면서 냉각 및 윤활 작용을 한다. 습식 클러치는 종종 복합 종이 재질을 사용한다.


; 풀 타입/푸시 타입 클러치

  • 풀 타입 클러치: 페달을 밟으면 릴리즈 베어링이 당겨져 클러치가 작동되지 않는다.
  • 푸시 타입 클러치: 페달을 밟으면 릴리즈 베어링이 밀려 클러치가 작동되지 않는다.


; 다판 클러치

'''다판 클러치'''는 여러 개의 마찰판이 동심원으로 배열되어 있다. 더 큰 직경의 클러치 대신 사용되기도 한다.

; 원심력 클러치

'''원심력 클러치'''는 입력축의 속도가 증가하면 자동으로 작동하고, 감소하면 자동으로 작동을 멈춘다. 소형 오토바이, 스쿠터, 체인톱, 일부 구형 자동차 등에 사용된다.

; 원추형 클러치

'''원추형 클러치'''는 마찰재가 원뿔 모양 물체의 외부에 적용된다. 싱크로나이저 링에 사용된다.

; 도그 클러치

'''도그 클러치'''는 '''확동 클러치'''라고도 불리며, 서로 맞물리는 톱니(爪)를 통해 동력을 전달하는 방식이다. 미끄러짐 없이 토크를 전달하지만, 전달 토크를 조정할 수 없고, 회전 속도 차이가 크면 맞물릴 수 없다.

; 유체 클러치

밀폐된 용기 내부에 액체를 채우고, 두 개의 임펠러(羽根車)를 마주 보게 설치한다. 입력축 쪽 임펠러가 회전하여 액체의 흐름을 발생시키면, 출력축 쪽 임펠러가 액체의 흐름을 받아 회전한다.

; 원웨이 클러치

'''원웨이 클러치'''(One-way clutch)는 정해진 한 방향으로만 토크를 전달하고, 반대 방향으로는 전달하지 않는다.

2. 2. 구조에 따른 분류



클러치는 토크를 전달하는 기구나, 차단과 연결을 전환하는 방식에 따라 분류된다. 토크 전달에는 기계적인 맞물림이나 마찰 외에, 유체나 자력에 의한 전달이 이용된다.

  • '''도그 클러치''' (확동 클러치): 서로 맞물리는 톱니(爪)를 통해 동력을 전달한다. 미끄러짐 없이 토크를 전달하지만, 전달 토크를 조정할 수 없고, 회전 속도 차이가 크면 톱니가 튕겨 맞물릴 수 없다. 자동차 트랜스미션, 자동식 디퍼렌셜 잠금장치, 자전거 내장 변속기 등에 사용된다.
  • '''마찰 클러치''': 마찰력으로 동력을 전달하며, 입력축과 출력축의 회전 속도 차이가 있어도 압착 하중을 조절하여 부드럽게 토크를 전달할 수 있다.
  • '''디스크 클러치''': 마찰부가 원판 형상이다.
  • '''드럼 클러치''': 마찰부가 원통 형상이다.
  • '''원추 클러치''': 마찰부가 원추 형상이다.[20] 자동차 수동 변속기의 싱크로메시 기구에 소형 원추 클러치가 사용된다.
  • '''습식 클러치''': 마찰면이 윤활유로 윤활되어 내마모성과 냉각성이 우수하고, 윤활유가 충격을 흡수한다. 오토바이에서 널리 사용된다.
  • '''건식 클러치''': 윤활되지 않아 구조가 단순하고 보수성이 높으며, 윤활유 점성에 의한 동력 전달이 발생하지 않는다. 수동 변속기 자동차에서 널리 사용된다.
  • '''다판 클러치''': 여러 개의 원판을 겹쳐 토크 전달 허용량을 유지하면서 외경을 작게 만든다.

체인톱의 원심 클러치. 체인은 원심 클러치의 바깥쪽에 장착된 스프로켓에 장착된다.

  • '''원심 클러치''': 원심력에 의해 압착되는 마찰 클러치의 일종으로, 입력축 회전수가 올라가면 자동으로 연결된다. 소형 오토바이, 스쿠터, 체인톱 등에 사용된다.
  • '''전자기 마찰 클러치''': 전자석을 이용하여 마찰 클러치를 작동시킨다. 자동차 에어컨 컴프레서, 슈퍼차저 등에 사용된다.
  • '''원웨이 클러치''': 정해진 한 방향으로만 토크를 전달한다.
  • '''전자분말클러치''': 자성체 분말을 이용하여 자력으로 회전을 전달한다.

2. 3. 작동 방식에 따른 분류

클러치는 토크를 전달하는 방식이나, 연결과 차단을 전환하는 방식에 따라 분류할 수 있다. 토크 전달에는 기계적인 맞물림이나 마찰 외에 유체나 자력을 이용하는 방식이 있다. 동력의 단속(斷續) 기구에는 사람의 힘을 유압, 링크 기구, 컨트롤 케이블을 통해 조작하는 방식, 솔레노이드나 부압(負壓) 액추에이터로 작동하는 방식, 클러치 자체의 회전으로 발생하는 원심력을 이용하는 방식 등이 있다.

  • '''건식 클러치'''


건식 클러치는 마찰을 이용하여 동력을 전달한다. 수동 변속기 자동차 클러치 대부분이 건식 클러치이다. 풀 타입 클러치는 페달을 밟으면 릴리즈 베어링이 당겨져 클러치가 해제되고, 푸시 타입은 밀려서 해제된다. 마찰 클러치의 미끄러짐은 자동차가 정지 상태에서 가속할 때와 같이 때때로 필요하지만, 마모율 증가를 피하기 위해 최소화해야 한다.

  • '''다판 클러치'''

다판 클러치는 여러 개의 마찰판을 동심원으로 배열한 것이다. 더 큰 직경의 클러치 대신 사용되기도 한다. 드래그 레이싱카는 다판 클러치를 사용하여 차량이 정지 상태에서 가속할 때 바퀴로 전달되는 동력의 비율을 제어한다. 일부 클러치 디스크에는 클러치 디스크의 고유 진동수를 변경하여 차량 내의 NVH를 줄이도록 설계된 스프링이 포함되어 있기도 하다. 또한, 수동 변속기 자동차의 일부 클러치는 클러치의 갑작스러운 작동을 방지하기 위해 클러치 지연 밸브를 사용하기도 한다.

  • '''습식 클러치'''

습식 클러치는 마찰재가 오일 속에 있거나 오일이 순환하며 냉각과 윤활을 돕는다. 습식 클러치는 부드럽게 작동하고 수명이 길지만, 오일에 일부 에너지가 전달되어 효율이 낮아질 수 있다. 여러 개의 클러치 디스크를 쌓아 마찰 계수 감소를 보상하기도 한다. 습식 클러치는 종종 복합 종이 재질을 사용한다.

  • '''원심 클러치'''


원심 클러치는 입력축의 회전 속도에 따라 자동으로 작동 및 해제된다. 소형 오토바이, 스쿠터, 체인톱 등에 사용된다. 자동차에서는 1950년대 후반 ZF 삭스(ZF Sachs)가 개발한 오토 클러치 기구를 사브(Saab Automobile)를 비롯한 많은 유럽 자동차가 삭소맷(Saxomat) 상표로 채용하고 있었다.[21] 일본차에서는 RT20형 토요타 코로나(Toyota Corona), 310형 닛산 블루버드(Nissan Bluebird), AF7형 코니 360(Cony 360) 등에서 삭소맷 채용 사례가 있다.[22]

  • '''원추형 클러치'''

원추형 클러치는 마찰재가 원뿔 모양인 클러치이다. 작동 시 쐐기 작용이 발생하며, 수동 변속기의 싱크로나이저 링에 주로 사용된다.

  • '''도그 클러치'''

도그 클러치는 비동기식 변속기에서 사용되는 미끄럼 방지형 클러치이다.

  • '''전자기 마찰 클러치'''

전자기 마찰 클러치는 전자석을 이용하여 마찰 클러치를 작동시킨다. 자동차 에어컨 컴프레서나 슈퍼차저 등에 사용된다. 1960년대 일본 자동차에서는 시프트 레버의 정전용량 스위치와 연동하여 전자기 클러치를 개폐하는 2페달 방식 MT가 등장했다. 신코전기(神鋼電機)가 히노자동차(日野自動車)와 공동 개발하여 히노 콘테사(日野・コンテッサ)에 "신코 히노매틱"이라는 이름으로 탑재했으며[23], 후지중공업(富士重工業)도 스바루 360(スバル・360)에 "오토 클러치"라는 이름으로 탑재했다.[24] 전류 세기로 전달 토크를 조절할 수 있어 토크 컨버터 대용으로 사용되기도 했다. 후지중공업은 1980년대에 ECVT에서 전자기 클러치를 채용했다.

  • '''유체 커플링'''

밀폐된 용기 안에 액체를 채우고 두 개의 임펠러(羽根車)를 마주 보게 설치하여 입력축 임펠러의 회전으로 발생하는 액체의 흐름으로 출력축 임펠러를 회전시킨다. 이 원리를 발전시켜 유체의 운동 에너지를 재생하여 토크를 증폭하는 기구를 가진 것을 토크 컨버터라고 한다. 자동변속기 자동차의 주행 클러치로 널리 사용된다.

  • '''원웨이 클러치'''

원웨이 클러치는 한 방향으로만 토크를 전달하고 반대 방향으로는 전달하지 않는다.

  • '''전자분말클러치'''

전자분말클러치는 한 쌍의 원판 등 사이에 자성체 분말을 넣어 자력을 작용시켜 회전을 전달하는 클러치이다.

2. 4. 기타 클러치

원심력 클러치는 입력축의 속도가 증가하면 자동으로 작동하고, 입력축의 속도가 감소하면 자동으로 작동을 멈춘다. 소형 오토바이, 스쿠터, 체인톱, 그리고 일부 구형 자동차에 사용된다.

원추형 클러치는 마찰재가 원뿔 모양 물체의 외부에 적용된다는 점이 건식 마찰판 클러치와 다르다. 이러한 원뿔 모양은 작동 시 쐐기 작용을 발생시킨다. 원추형 클러치의 일반적인 사용처는 수동 변속기의 싱크로나이저 링이다.

도그 클러치는 비동기식 변속기에서 사용되는 미끄럼 방지형 클러치 설계이다.

전자식 타자기의 캐스케이드식 폴 단일 회전 클러치


단일 회전 클러치는 19세기에 개발되어 전단기나 프레스와 같은 기계에 동력을 공급하는 데 사용되었다. 작동 레버를 한 번 당기거나(나중에는) 버튼을 누르면 기구가 작동하여 동력원과 기계의 크랭크축 사이의 클러치가 정확히 한 바퀴 회전한 후 분리된다. 초기 설계는 일반적으로 구동 부재에 있는 캠을 사용하여 적절한 지점에서 도그를 분리하는 도그 클러치였다.[3][4]

20세기에 단일 회전 클러치가 크게 간소화되어 훨씬 작은 작동력이 필요하게 되었고, 일부 변형에서는 작동당 고정된 비율의 회전을 허용했다.[5] 빠른 작동 마찰 클러치가 일부 응용 분야에서 도그 클러치를 대체하여 클러치가 작동할 때마다 도그에 가해지는 충격 하중 문제를 해결했다.[6][7]

단일 회전 클러치는 중장비 제조 장비 외에도 탭핑 기계[8], 활자 조판 기계[9], 전자식 타자기[10] 등 수많은 소형 기계에도 적용되었다.

1928년, 프레데릭 G. 크리드는 랩 스프링 클러치를 개발했는데, 이는 전자식 타자기에 필요한 반복적인 시동-정지 동작에 특히 적합했다.[11] 1942년, 피트니 보우스 우편 미터 회사의 두 직원은 개선된 단일 회전 스프링 클러치를 개발했다.[12]

전자식 타자기를 포함한 페이지 프린터, 텔레타이프 모델 28과 그 후속 제품에서는 캐스케이드식 폴 단일 회전 클러치가 랩 스프링 단일 회전 클러치를 대체하여 동일한 설계 원리를 사용했다. IBM 셀렉트릭 타자기도 이를 사용했다.

  • 킥백 클러치 브레이크: 1940년대 이전에 제작된 일부 동기식 모터 구동 전기 시계에서 시계가 역방향으로 작동하는 것을 방지하기 위해 사용되었다.
  • 벨트 클러치: 농업 기계, 잔디 깎는 기계, 경운기 및 제설기에 사용된다. 엔진 동력은 벨트를 통해 전달되며, 엔진이 공회전할 때는 느슨하지만, 아이들러 풀리가 벨트를 조여 벨트와 풀리 사이의 마찰을 증가시킬 수 있다.
  • BMA 클러치: 1949년 월도 J. 켈리(Waldo J. Kelleigh)가 발명했다. 두 개의 샤프트 사이의 토크를 전달하는 데 사용된다.
  • 전자기 클러치: 일반적으로 클러치 어셈블리의 일체형 부품인 전자석에 의해 작동된다. 자성 입자 클러치는 구동 부재와 피구동 부재 사이의 챔버에 자기적으로 영향을 받는 입자가 포함되어 있다. 직류를 적용하면 입자가 서로 뭉쳐 작동 표면에 달라붙는다.
  • 랩 스프링 클러치: 일반적으로 사각 단면 와이어로 감긴 나선형 스프링을 가지고 있다. 19세기 후반과 20세기 초에 개발되었다. 구동 부재를 다른 방향으로 회전하면 스프링이 구동 표면에 단단히 감기고 클러치가 매우 빠르게 고정된다. 스프링 클러치를 미끄러지게 하는 데 필요한 토크는 스프링의 회전 수에 따라 지수적으로 증가하며, 캡스턴 방정식을 따른다.


클러치의 종류는 토크를 전달하는 기구나, 차단과 연결을 전환하는 방식에 따라 분류된다. 토크 전달에는 기계적인 맞물림이나 마찰 외에 유체나 자력에 의한 전달이 이용된다.

원심 클러치는 마찰 클러치의 일종으로, 원심력에 의해 압착되며, 입력축의 회전수가 올라가면 자동으로 연결된다.

자동차에서는 2016년 현재 "2페달식 MT"로 분류되는 기구의 초기 사례에서 원심 클러치가 채용된 적이 있다. 1950년대 후반에 ZF 삭스(ZF Sachs)가 개발한 오토 클러치 기구를 사브(Saab Automobile)를 비롯한 많은 유럽 자동차가 삭소맷(Saxomat) 상표로 채용했다.[21] 일본차에서는 RT20형 토요타 코로나, 310형 닛산 블루버드, AF7형 코니 360 등에서 삭소맷 채용 사례가 있다.[22]

전자기 마찰 클러치(electromagnetic friction clutch영어)는 마찰 클러치의 작동을 전자석을 이용하여 수행하는 것이다. 자동차 에어컨 컴프레서에서 풀리의 회전을 전달하거나 차단하는 클러치로 사용된다. 또한, 슈퍼차저를 장착한 엔진에서 고회전 영역에서 슈퍼차저 구동 손실을 줄이기 위해 전자기 클러치가 사용된다. 1960년대에는 일본 자동차에서 오토 클러치 기구의 하나로서, 시프트 레버의 정전용량 스위치와 연동하여 전자기 클러치를 개폐함으로써 2페달 방식 MT를 실현한 차종이 등장했다. 전자식 오토 클러치는 신코전기가 히노자동차와 공동 개발하여 히노 콘테사에 "신코 히노매틱"이라는 이름으로 탑재했으며[23], 후지중공업도 스바루 360에 "오토 클러치"라는 이름으로 탑재했다.[24]

전자기 클러치는 단순한 구동력 개폐뿐만 아니라, 전류 세기로 전달 토크를 조절할 수 있다.

아주 작은 틈을 두고 마주 보게 한 한 쌍의 원판 등 사이에 자성체 분말을 넣어 두고, 자력을 작용시켜 회전을 전달하는 클러치를 전자분말클러치라고 한다.

3. 수동변속기 차량의 클러치

수동변속기 차량에서 클러치는 엔진과 변속기 사이에서 동력을 전달하거나 차단하는 중요한 역할을 한다. 클러치는 운전자가 클러치 페달을 조작하여 엔진의 동력을 변속기로 전달하거나 차단하는 장치이다.

대부분의 수동변속기 자동차와 트럭은 건식 클러치를 사용하며, 운전석 왼쪽에 위치한 클러치 페달을 통해 작동된다. 페달의 움직임은 기계식 링크, 유압식(마스터 및 슬레이브 실린더) 또는 케이블을 통해 클러치로 전달된다.[25] 클러치는 운전자가 클러치 페달을 밟을 때만 분리되므로, 기본 상태는 변속기가 엔진에 연결된 상태이다. 차량 정지 상태에서 클러치 페달을 놓을 수 있도록 "중립" 기어 위치가 제공된다.

클러치는 정지 상태에서 출발할 때 필수적이며, 변속기에 동기화 장치가 없는 차량에서는 기어 손상을 방지하기 위해 기어 변경 중 엔진과 변속기의 속도를 일치시키는 데 사용된다. 기어 손상은 기어 이빨에 심각한 손상을 줄 수 있다.

클러치는 일반적으로 엔진의 플라이휠 표면에 직접 장착된다. 플라이휠은 이미 클러치의 구동판 역할을 할 수 있는 편리한 대구경 강철 디스크를 제공하기 때문이다. 일부 레이싱 클러치는 플라이휠에 포함되지 않는 소형 다판 디스크 팩을 사용한다. 클러치와 플라이휠은 모두 기어박스의 원추형 벨하우징으로 둘러싸여 있다. 클러치 디스크에 사용되는 마찰재는 다양하며, 일반적인 재료로는 구리 와이어 표면을 가진 유기 화합물 수지 또는 세라믹 재료가 있다.[16]

마찰 클러치는 마찰력을 이용하여 동력을 전달하며, 입력축과 출력축의 회전 속도에 차이가 있더라도 압착 하중을 조절하여 미끄러지면서 부드럽게 토크를 전달할 수 있다. 또한, 기계적으로 맞물리는 구조가 아니기 때문에 입력축과 출력축의 위상차와 관계없이 연결이 가능하다.

3. 1. 구조

내연 기관을 가진 수동변속기 차량은 출발 및 변속 시 엔진의 동력을 임의로 차단하거나 연결해야 하므로 클러치가 필요하다. 클러치 본체는 엔진에 연결된 플라이휠과 변속기 사이에 설치되며, 다음과 같은 주요 부품으로 구성된다.

  • 압력판(pressure plate): 클러치 스프링에 의해 플라이휠에 압착된다.
  • 클러치 스프링: 클러치 커버와 압력판 사이에 설치되어 압력을 가한다.
  • 클러치판(clutch plate 또는 clutch disc): 압력판과 플라이휠 사이에 설치되며, 마찰면 양쪽에 페이싱(facing)을 부착하여 마찰력을 증가시킨다.


클러치 조작 기구는 클러치 페달의 조작을 클러치 본체에 전달하며, 릴리스 베어링, 릴리스 포크(release fork) 및 페달의 조작을 릴리스 포크에 전달하는 기구 등으로 구성된다. 클러치 페달의 답력(踏力; 밟는 힘)은 일반적으로 승용차에서 8~15 kgf이며, 페달에는 클러치 페이싱의 마모 등을 고려해 20~30 mm의 유격을 두고 있다.[30][31]

클러치 페달을 밟으면 클러치 디스크가 플라이휠과 압력판에서 분리되어 엔진의 동력이 변속기에 전달되지 않는다. 반대로 클러치 페달을 밟지 않으면 압력판이 스프링 장력에 의해 클러치 디스크가 플라이휠에 압착되어 엔진의 동력이 변속기에 전달된다.[32]

클러치는 작동 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • 건식 클러치: 마찰 디스크가 스프링 메커니즘에 의해 자동차 엔진의 플라이휠에 압력을 가하는 등, 동력을 입력축에서 출력축으로 전달하기 위해 건조 마찰을 사용한다. 대부분의 수동 변속기 자동차 클러치는 건식 클러치이다.
  • 습식 클러치: 마찰재가 오일 욕조에 담겨 있거나 오일이 통과하면서 클러치를 냉각하고 윤활한다. 습식 클러치는 부드러운 작동과 긴 수명을 제공하지만, 일부 에너지가 오일에 전달되어 효율이 낮을 수 있다.
  • 다판 클러치: 여러 개의 마찰판이 동심원으로 배열되어 있다. 더 큰 직경의 클러치 대신 사용되기도 하며, 드래그 레이싱카는 다판 클러치를 사용하여 차량이 정지 상태에서 가속할 때 바퀴로 전달되는 동력의 비율을 제어한다.


일부 클러치 디스크에는 클러치 디스크의 고유 진동수를 변경하여 차량 내의 NVH를 줄이도록 설계된 스프링이 포함되어 있다. 또한, 수동 변속기 자동차의 일부 클러치는 클러치의 갑작스러운 작동을 방지하기 위해 클러치 지연 밸브를 사용한다.

마찰력에 의해 동력을 전달하는 클러치는 입력축과 출력축의 회전 속도에 차이가 있어도 압착 하중을 조절함으로써 미끄러지면서 부드럽게 토크를 전달할 수 있다. 또한, 기계적으로 맞물리는 구조가 아니기 때문에 입력축과 출력축의 위상차와 관계없이 연결이 가능하다. 마찰부가 원판 형상의 디스크 클러치(), 원통 형상의 드럼 클러치(), 원추 형상의 원추 클러치가 있다.[20]

3. 2. 작동 원리

내연 기관을 가진 수동변속기 차량은 출발할 때와 변속할 때 부하가 없어야 하므로 엔진의 동력을 임의로 차단하거나 연결할 수 있는 클러치가 필요하다. 클러치 본체는 엔진에 연결된 플라이휠과 변속기 사이에 설치되어 있으며, 다음과 같은 주요 부품으로 구성된다.

  • 압력판 (Pressure Plate): 클러치 스프링에 의해 플라이휠에 압착된다.
  • 클러치 스프링: 클러치 커버와 압력판 사이에 설치되어 압력을 가한다.
  • 클러치판 (Clutch Plate 또는 Clutch Disc): 압력판과 플라이휠 사이에 설치되며, 마찰면 양쪽에 페이싱(facing)을 부착하여 마찰력을 증가시킨다.


클러치 조작 기구는 클러치 페달의 조작을 클러치 본체에 전달하는 역할을 하며, 릴리스 베어링, 릴리스 포크(release fork), 그리고 페달의 조작을 릴리스 포크에 전달하는 기구 등으로 구성된다. 클러치 페달의 답력(踏力; 밟는 힘)은 일반적으로 승용차에서 8~15 kgf이며, 페달에는 클러치 페이싱의 마모 등을 고려해 20~30 mm의 유격을 두고 있다.[30][31]

클러치 페달을 밟으면 클러치 디스크가 플라이휠과 압력판에서 분리되어 엔진의 동력이 변속기에 전달되지 않는다. 반대로 클러치 페달을 밟지 않으면 압력판이 스프링 장력에 의해 클러치 디스크가 플라이휠에 압착되어 엔진의 동력이 변속기에 전달된다.[32]

건식 클러치는 마찰 디스크가 스프링 메커니즘에 의해 자동차 엔진의 플라이휠에 압력을 가하는 방식으로, 동력을 입력축에서 출력축으로 전달하기 위해 건조 마찰을 사용한다. 차량의 바퀴는 플라이휠이 마찰 디스크와 접촉할 때만 회전하며, 동력 전달을 멈추려면 레버 메커니즘을 사용하여 마찰 디스크를 플라이휠에서 멀리 이동시킨다.

클러치 작동 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • 풀 타입 클러치: 페달을 밟으면 릴리즈 베어링이 당겨져 클러치가 작동되지 않는다.
  • 푸시 타입 클러치: 페달을 밟으면 릴리즈 베어링이 밀려 클러치가 작동되지 않는다.


다판 클러치는 여러 개의 마찰판이 동심원으로 배열되어 있으며, 더 큰 직경의 클러치 대신 사용되기도 한다. 드래그 레이싱카는 다판 클러치를 사용하여 차량이 정지 상태에서 가속할 때 바퀴로 전달되는 동력의 비율을 제어한다.

일부 클러치 디스크에는 클러치 디스크의 고유 진동수를 변경하여 차량 내의 NVH를 줄이도록 설계된 스프링이 포함되어 있다. 또한, 수동 변속기 자동차의 일부 클러치는 클러치의 갑작스러운 작동을 방지하기 위해 클러치 지연 밸브를 사용하기도 한다.

습식 클러치는 마찰재가 오일 욕조에 담겨 있거나 오일이 통과하면서 클러치를 냉각하고 윤활한다. 이는 더 부드러운 작동과 더 긴 클러치 수명을 제공할 수 있지만, 일부 에너지가 오일에 전달되기 때문에 효율이 낮을 수 있다. 습식 클러치의 표면은 미끄러울 수 있으므로, 여러 개의 클러치 디스크를 쌓아 마찰 계수 감소를 보상하고 완전히 작동할 때 동력 전달 중 미끄러짐을 없앨 수 있다.

3. 3. 반클러치

반클러치는 클러치 페달을 중간 정도 밟았을 때 나타나는 현상으로, 클러치가 완전히 연결되지 않고 미끄러지면서 동력을 부분적으로 전달하는 상태를 말한다. 이 상태에서는 엔진의 동력이 변속기로 완전히 전달되지 않고 일부만 전달된다.

반클러치 기술은 특히 자동차 출발 시에 중요하다. 급격하게 클러치를 연결하면 엔진이 정지하거나 차체가 불안정하게 움직일 수 있다. 따라서 반클러치를 이용하여 엔진 회전수와 변속기 회전수를 점차적으로 일치시키면서 부드럽게 출발하는 것이 중요하다.[32]

과거에는 반클러치 조작의 부담을 줄이기 위해 수동변속기 차량에 유체 클러치와 마찰 클러치를 조합하는 방식이 사용되기도 했다. 예를 들어, 미쓰비시 자동차는 1980년 4세대 미쓰비시 갤런Σ(三菱・ギャランΣ)에, 마쓰다는 2세대 루체 로터리 등에 이 방식을 채택했다. 이 방식은 정차 및 출발 시 클러치 조작을 생략할 수 있게 해 주었지만, 자동변속기의 발달로 인해 1980년대 이후에는 사라졌다.

4. 자동변속기 차량의 클러치

자동 변속기에서 클러치 역할을 토크 컨버터가 수행한다. 하지만 변속기 자체는 토크 컨버터의 미끄러짐을 방지하기 위한 록업 클러치와 같은 내부 클러치를 포함하기도 하는데, 이는 변속기를 통한 에너지 손실을 줄이고 연비를 개선하기 위해서이다.[17]

원웨이 클러치는 정해진 한 방향으로만 토크를 전달하고, 반대 방향으로는 전달하지 않는다.

4. 1. 토크 컨버터

두 대의 선풍기를 마주 보게 하고 한 쪽을 회전시키면 공기가 에너지 전달의 매개체가 되어 다른 한쪽도 회전한다. 같은 원리로 펌프실 안에 날개바퀴 2개를 마주보게 하고 물 또는 클러치 오일을 채우고 한쪽을 회전시키면 다른 한쪽도 회전한다. 엔진에 의해 펌프가 회전하면 그 속에 가득 찬 오일이 원심력에 의해 밖으로 튀어 나간다. 펌프에서 나온 오일은 그 운동 에너지를 터빈의 날개에 주고 다시 펌프 쪽으로 되돌아 간다.[29] 이 유체 클러치를 개량하여 자동변속기 차량에 장착한 것이 '''토크 컨버터'''이다.

자동 변속기에서는 클러치의 역할을 토크 컨버터가 수행한다. 그러나 변속기 자체는 종종 토크 컨버터의 미끄러짐을 방지하기 위한 록업 클러치와 같은 내부 클러치를 포함하고 있으며, 이는 변속기를 통한 에너지 손실을 줄이고 연비를 개선하기 위해서이다.[17]

밀폐된 용기 내부에 액체를 채우고, 두 개의 임펠러(날개바퀴)를 마주 보게 설치한다. 각각의 임펠러는 입력축과 출력축에 연결되어 있다. 입력축 쪽 임펠러가 회전하여 액체의 흐름을 발생시키면, 출력축 쪽 임펠러가 액체의 흐름을 받아 회전한다. 이 원리를 발전시켜 유체의 운동 에너지를 재생하여 토크를 증폭하는 기구를 가진 것을 토크 컨버터라고 한다. 자동변속기를 장착한 자동차의 주행 클러치로 널리 보급되어 있다.

5. 오토바이의 클러치

오토바이의 클러치는 엔진에서 변속기로 동력을 전달하거나 차단하는 장치이다. 대부분의 오토바이는 습식 클러치를 사용하는데, 이는 엔진 오일 속에서 작동하여 냉각과 윤활 효과를 얻는다. 오토바이 클러치는 보통 왼쪽 핸들바의 레버로 조작하며, 레버를 당기면 클러치가 해제되고 놓으면 연결된다.

5. 1. 종류

습식 클러치는 마찰재가 오일 욕조에 담겨 있거나 오일이 통과하는 방식으로 작동하여 냉각과 윤활을 돕는다. 이는 더 부드러운 작동과 긴 수명을 제공하지만, 오일에 일부 에너지가 전달되어 효율이 낮아질 수 있다. 습식 클러치는 미끄러울 수 있기 때문에 여러 개의 클러치 디스크를 쌓아 마찰 계수를 보상하고 동력 전달 중 미끄러짐을 방지한다.[28]

바스켓 클러치


오토바이는 일반적으로 트랜스미션과 같은 오일을 사용하는 습식 클러치를 사용한다. 마찰판과 강판이 교대로 쌓여 있으며, 마찰판은 외경 돌기로 크랭크축에 의해 회전하는 바스켓에 고정되고, 강판은 내경 돌기로 트랜스미션 입력축에 고정된다. 코일 스프링이나 다이어프램 스프링 플레이트가 클러치 작동 시 플레이트를 밀착시킨다. 오토바이 클러치는 왼쪽 핸들바의 레버로 작동한다. 레버에 압력이 없으면 클러치가 작동(구동)되고, 레버를 당기면 클러치 플레이트가 분리되어 기어 변속이나 주행을 멈출 수 있다. 경주용 오토바이는 엔진 브레이크의 영향을 제거하기 위해 슬리퍼 클러치를 사용하기도 한다.

수동 변속기 오토바이는 습식 다판 디스크 클러치를 채용하는 경우가 많다. 일부 차종은 건식 다판 디스크 클러치를 사용하며, 수직 배치 엔진을 탑재한 차종은 건식 단판 클러치를 사용하기도 한다. 건식 다판 클러치는 경주용으로는 장점이 있지만, 내구성과 정숙성이 낮아 일반적이지 않다. 혼다 슈퍼 커브 등에는 원심력을 이용해 클러치가 연결되고 시프트 페달 조작에 따라 클러치가 끊기는 습식 다판 클러치가 채용된다. CVT를 탑재한 차종에서는 건식 원심 클러치가 사용된다.

클러치 조작은 주로 왼쪽 핸들 레버로 이루어지며, 유압 회로 또는 기계식 제어 케이블을 사용한다. 레버를 잡으면 클러치가 끊기고, 레버 조작을 중간에 멈추면 반 클러치 상태가 된다.

크루저 차종에서는 과거 수동 레버 변속(핸드 시프트)과 발판식 클러치 조합이 일반적이었다. 발판식 클러치는 조작 방법에 따라 '''로커 클러치'''(Rocker Clutch|로커 클러치영어)와 '''논 로커 클러치'''(Non-Rocker Clutch|논 로커 클러치영어)로 나뉜다. 로커 클러치는 축 앞뒤에 페달이 있어 한쪽을 밟아 클러치를 끊고 다른 쪽을 밟아 연결한다. 할리 데이비드슨의 경우 뒤쪽 페달을 밟으면 클러치가 끊기고 발을 떼어도 연결되지 않으며, 앞쪽을 밟아야 연결된다.[28] 논 로커 클러치는 한쪽에만 페달이 있으며, 밟으면 클러치가 끊기고 발을 떼면 리턴 스프링에 의해 연결된다. 핸드 시프트와 논 로커 클러치 조합은 '''자살 클러치'''(Suicide clutch)라고도 불린다.

5. 2. 클러치 조작

오토바이에서 클러치는 일반적으로 왼쪽 핸들바에 있는 손 레버로 조작한다. 레버에 압력이 가해지지 않으면 클러치 플레이트가 맞물려 동력을 전달하고, 레버를 당기면 케이블이나 유압 장치를 통해 클러치 플레이트가 분리되어 기어를 바꾸거나 오토바이를 멈출 수 있게 한다.[28]

경주용 오토바이는 엔진 브레이크로 인한 불안정성을 줄이기 위해 슬리퍼 클러치를 사용하기도 한다.

크루저 오토바이는 과거에 수동 레버 변속(핸드 시프트)과 발판식 클러치를 함께 사용했다. 발판식 클러치는 조작 방식에 따라 로커 클러치(Rocker Clutch)와 논 로커 클러치(Non-Rocker Clutch)로 나뉜다.

  • 로커 클러치: 축의 앞뒤에 페달이 있어 한쪽을 밟으면 클러치가 끊어지고, 다른 쪽을 밟으면 연결된다. 할리 데이비드슨의 경우 뒤쪽 페달을 밟으면 클러치가 끊어지고, 발을 떼어도 연결되지 않으며, 앞쪽을 밟아야 연결된다.[28]
  • 논 로커 클러치: 축의 한쪽에만 페달이 있으며, 밟으면 클러치가 끊어지고 발을 떼면 리턴 스프링에 의해 연결된다. 핸드 시프트와 논 로커 클러치의 조합은 자살 클러치(Suicide clutch)라고도 불린다.

5. 3. 크루저 오토바이의 클러치

수동 변속기를 탑재한 오토바이에서는 여러 개의 클러치 디스크와 압력판을 번갈아 겹쳐 기름에 담근 습식 다판 디스크 클러치를 채용하는 차종이 많다. 일부 차종에서는 마찰면에 기름이 개입되지 않는 건식 다판 디스크 클러치를 채용하기도 하며, 수직 배치 엔진을 탑재한 차종에서는 승용차와 마찬가지로 건식 단판 클러치를 채용하기도 한다. 건식 다판 클러치는 엔진 오일의 교반 저항을 받지 않고 교환이 용이하다는 경주용으로서의 장점이 있지만, 내구성과 정숙성이 낮기 때문에 일반적이지 않다. 혼다 슈퍼 커브 등에 탑재되는, 클러치 조작이 불필요한 수동 변속기에서는 입력축의 회전에 의해 발생하는 원심력을 이용하여 클러치가 연결되고, 시프트 페달의 조작에 따라 클러치가 끊기는 기구를 갖춘 습식 다판 클러치가 채용되고 있다. CVT를 탑재한 차종에서는 건식 원심 클러치가 채용되고 있다.

크루저 차종에서는 예전에는 수동 레버에 의한 변속(핸드 시프트)과 발판식 클러치의 조합이 일반적이었다. 발판식 클러치는 조작 방법의 차이에 따라 '''로커 클러치'''(Rocker Clutch|로커 클러치영어)와 '''논 로커 클러치'''(Non-Rocker Clutch|논 로커 클러치영어)로 구별된다. 로커 클러치는 레버즈 샤프트를 축으로 흔들리는 페달이 축의 앞뒤에 달려 있어, 어느 한쪽을 밟아 클러치를 끊고, 다른 쪽을 밟아 클러치를 연결한다. 제조사에 따라 조작 방법이 다르며, 예를 들어 할리 데이비드슨의 경우, 뒤쪽 페달을 밟으면 클러치가 끊기고, 발을 떼어도 클러치는 연결되지 않고, 앞쪽을 밟아서 클러치가 연결된다.[28] 논 로커 클러치는 축의 앞이나 뒤 한쪽에만 페달이 있으며, 밟으면 클러치가 끊기고, 발을 떼면 리턴 스프링의 작용에 의해 클러치가 연결된다. 핸드 시프트와 논 로커 클러치의 조합은 '''자살 클러치'''(자살 클러치, Suicide clutch)라고도 불린다.

6. 클러치 유지보수

승용차 등에 사용되는 마찰식 클러치는 사용에 따라 클러치 페어싱이 마모되어 동력을 전달할 수 없게 되거나, 클러치 커버에 내장된 토션 스프링 좌면에 간극이 발생하여 저더(ジャダー)가 발생하거나, 클러치 커버 가동부나 릴리스 베어링도 마모된다. 수동 변속기(매뉴얼 트랜스미션)를 장착한 차량에서 주행 클러치는 사용 상황에 따라 여러 부품을 교체해야 한다.

클러치 조작 기구의 유격(遊び)을 조정해야 할 필요가 있는 경우가 있다. 유압으로 페달이나 레버의 움직임을 전달하여 조작하는 클러치는 대부분 유격이 자동으로 조정되지만, 컨트롤 케이블을 사용하면 장력을 조정하는 기구가 설치되어 있다. 유격이 너무 적어 조작하지 않아도 항상 클러치를 끊는 하중이 걸리면, 클러치 페어싱이 마모되지 않아도 동력을 전달할 수 없는 경우가 있다. 반대로 유격이 너무 많으면 조작해도 클러치가 완전히 끊어지지 않는 경우가 있다.

해외에서 판매되는 순정 호환 부품의 클러치 키트에 포함될 수 있는 수지 재질의 파일럿 샤프트 가이드 툴. 클러치 커버 장착 시 클러치 플레이트의 심(芯) 맞추기를 위한 공구이다.

참조

[1] 서적 Mechanisms and mechanical devices sourcebook https://www.amazon.c[...] McGraw-Hill 2020-12-27
[2] 웹사이트 How Clutches Work http://auto.howstuff[...] 2007-10-16
[3] 특허 Clutch and stop mechanism for presses 1891-12-14
[4] 특허 Clutch 1893-04-18
[5] 특허 Clutch 1912-04-30
[6] 특허 Friction-clutch 1908-12-08
[7] 특허 Friction Clutch 1922-12-19
[8] 특허 Key adding device for tabulating machines 1932-03-08
[9] 특허 Typesetting machine 1932-12-06
[10] 특허 Selecting and typing means for printing telegraphs 1928-06-13
[11] 특허 Clutch Mechanism 1928-02-21
[12] 특허 Spring Clutch 1942-10-13
[13] 웹사이트 Clutch Patent https://patents.goog[...]
[14] 특허 Friction-Clutch 1882-04-04
[15] 특허 Power-Transmission Clutch 1907-04-23
[16] 학술지 Comparison of the Friction and Wear Characteristics between Copper and Paper Based Friction Materials 2019-09-15
[17] 웹사이트 What is Lock-up Clutch Mechanism? http://youronlinemec[...] Your Online Mechanic 2014-07-17
[18] 문서 大西1997 pp9-19
[19] 문서 楽器のハイハットクラッチなど
[20] 표준 クラッチ及びブレーキ用語 1997
[21] 웹사이트 Saab Gearbox: new & used Monster car gearboxes 99, 900 models. http://www.enginesan[...]
[22] 웹사이트 http://www.aichikika[...]
[23] 웹사이트 https://web.archive.[...]
[24] 웹사이트 https://web.archive.[...]
[25] 서적 ひとにやさしい自動車工学基礎講座 NO1自動車の歴史と構造 工学研究社 2008
[26] 잡지 探訪 SACHSファクトリー ニューズ出版 2002-03
[27] 서적 三菱によるラリーカー工学 公道最速カテゴリーの技術 山海堂 2005
[28] 웹사이트 ハーレーのクラッチ＆シフト（ハンドシフトの仕組み） https://web.archive.[...]
[29] 서적 자동차 섀시 2010
[30] 서적 자동차정비공학 (기관, 전기, 섀시) 1996
[31] 서적 자동차 섀시 2012
[32] 서적 자동차 섀시 2010


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