[스터디] 마찰 클러치 개요

목차 - 마찰 클러치 개요
- 클러치
- 클러치 시스템 분류
   마찰 클러치 / 유체 클러치 / 전자 클러치
- 마찰 클러치 작동원리
   엔진 → 변속기 동력 전달 / 엔진 → 변속기 동력 차단
- 마찰 클러치 구조
   클러치 디스크 / 클러치 커버 어셈블리 / 클러치 릴리스 컨트롤
- 관련영상

클러치

클러치는 변속기로 전달되는 엔진 동력을 단속하는 장치이다. 엔진 시동 및 기어 변속 시 엔진과의 연결을 차단하고 출발 시 엔진 동력을 연결하는 역할을 한다. 

 

클러치의 요구되는 주요 기능은 다음과 같다.

- 엔진에서 변속기로 전달되는 동력을 전달 및 차단해야한다.

- 차량의 부드러운 출발을 만들어야 한다.

- 차량의 충격을 완충하며 열변형 및 열 에너지 흡수 능력을 보유해야한다.

- 각속도 및 토크 변동에 의한 비틀림 진동과 충격을 감쇄할 수 있는 방진, 방음 기능을 보유해야한다. 

 

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클러치 시스템 분류

클러치 시스템에는 마찰 클러치, 자동 클러치, 전자 클러치 등이 있다. 수동변속기에는 주로 마찰 클러치가 사용되며, 이번 글에서는 마찰 클러치에 대해서 중점적으로 알아보겠다. 일단 마찰클러치, 자동클러치, 전자클러치에 대한 간략한 내용이다.

 

1. 마찰 클러치

플라이휠과 클러치판의 마찰력에 의해 엔진의 동력을 전달하는 클러치이다. 마찰클러치는 건식 클러치와 습식 클러치로도 분류할 수 있다.

 

1.1 건식 클러치 : 건조한 클러치판이 플라이휠과 접촉되어 동력을 전달하는 방식이다. 구조가 간단하고 큰 동력을 확실하게 전달할 수 있다.

 

1.2 습식 클러치 : 오일 속에서 클러치판을 접속시켜 동력을 전달하는 방식이다. 구조는 복잡하지만 작동이 원활하고 마찰면을 보호할 수 있다.

 

 

 

2. 유체 클러치

펌프와 터빈 바퀴가 오일이 채워진 케이싱 속에 들어있고, 펌프 비퀴는 엔진축에 연결되고 터빈 바퀴는 변속기 축에 연결된다. 펌프 바퀴가 엔진의 회전으로 같이 회전하면 케이싱 내부 유체는 원심력에 의해서 압출되어 터빈 바퀴에 운동 에너지를 전달하는 순환운동을 한다.

 

 

 

3. 전자 클러치

전자 클러치는 코일을 통전시킴으로써 발생하는 전자력으로 기계의 연결, 분리 및 유지를 실행한다.

마찰 / 유체 / 전자 클러치 (출처 : [두산백과] 마찰클러치, 유체클러치, MIKI Pulley)

 

 

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마찰 클러치 작동원리

수동 변속기에는 마찰 클러치가 주로 사용된다. 또한 소형 차량에는 건식 단판의 다이어프램 스프링이 사용되므로, 단판의 다이어프램을 위주로 알아보겠다. 마찰 클러치의 작동원리는 다음과 같다. 단판 다이어프램 마찰 클러치를 기준으로한 설명이다.

 

1. 엔진 → 변속기 동력 전달 (운전자가 클러치 페달을 밟지 않았을 때)

① 다이어프램 스프링의 장력으로 '플라이휠 - 클러치 디스크 - 클러치 커버'가 일체가 된 상태이다.

② 클러치 디스크와 변속기 축이 연결되어 있으며 엔진의 회전을 전달한다.

 

 

 

2. 엔진 → 변속기 동력 차단 (운전자가 클러치 페달을 밟았을 때)

① 변속기의 단속을 위해서, 운전자가 클러치 페달을 밟는다.

② 페달에 전달된 답력은 링크, 케이블 또는 유압 실린더를 통해서 릴리스 포크를 작동시킨다.

③ 릴리스 포크는 릴리스 베어링을 밀고, 릴리스 베어링은 다이어프램 스프링에 힘을 전달한다.

④ 다이어프램 스프링은 와이어링을 중심으로 지룃대 작용을 하여 압력판을 들려 동력을 차단시킨다.

 

 

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마찰 클러치 구조

클러치 시스템은 크게 클러치 디스크, 클러치 커버 어셈블리, 클러치 릴리스 컨트롤 등으로 구성되어 있다. 

 

 

1. 클러치 디스크(Clutch Disc)

클러치 디스크는 플라이휠과 압력판과 직접적인 접촉을 통해 마찰력을 발생시켜 동력을 전달한다. 클러치 디스크는 변속기 입력축에 스플라인으로 연결되어 축방향 이동이 가능하다

 

1.1 클러치 디스크 구성 

1) 페이싱(Facing) : 플라이휠과 압력판에 접촉하는 마찰재이며 리벳에 의해 결합되어 있다. 엔진의 전달 에너지의 대부분이 마찰열로 변화하기 때문에 마찰열을 흡수 및 방출할 수 있는 능력이 필요하다.

 

2) 허브(Hub) : 변속기 입력축에 연결되는 부분이다. 변속기 입력축과 연결되기 위하여 스플라인 홈 가공이 되어있다.

 

3) 비틀림 스프링(Torsional Spring) : 디스크 원주방향으로 움직일 수 있도록 구성되어 동력 접속 시 회전 충격을 완화시킨다. 클러치 디스크의 비틀림 토크 방향의 댐핑 역할을 하며 엔진의 회전 변동 및 진동, 소음을 감쇄한다.

 

4) 쿠션플레이트(Cushion Plate) : 페이싱 사이에 쿠션 플레이트를 끼워넣어 리벳으로 체결하였으며, 클러치를 급격하게 접속하였을 경우 클러치 플레이트의 변형에 의해 접촉 충격을 흡수하여 편마모를 방지하며 부드럽게 동력 전달을 가능하게 한다.

클러치 디스크 (출처 : KDMTuners, G4fJ)

 

 

 

2. 클러치 커버 어셈블리(Clutch Cover Assembly)

클러치 커버는 플라이휠에 고정되어 있으며 플라이 휠과 함께 회전한다. 운전자가 클러치 페달을 밟았을 때, 내부 스프링 혹이 압력판을 당기며 플라이휠과 클러치 디스크에 이격이 발생하여 동력이 차단된다.

 

2.1 클러치 커버 어셈블리 구성

1) 압력판(Pressure Plate) : 클러치 스프링의 장력으로 클러치 디스크를 플라이 휠에 압착시켜 동력을 전달한다.

 

2) 클러치 스프링(Clutch Spring) : 클러치 커버와 압력판 사이에 조립되어 클러치 디스크에 평균압력을 가하고, 스프링력은 클러치의 동력전달 성능에 큰 영향을 준다. 클러치 스프링은 크게 코일 스프링 타입과 다이어프램 타입으로 구분된다.

 

a. 코일 스프링 타입(Coil Spring Type)

: 여러 개의 코일 스프링 조합에 의한 탄성을 이용하여 플라이휠과 클러치 디스크를 압착시킨다. 클러치 페달을 밟았을 때 조작기구에 의하여 코일이 수축되고 플라이휠과 클러치 디스크 사이에 이격이 생겨 동력이 차단된다.

코일스프링 타입 특징
- 커버 구조가 복잡하다.
- 고 회전 시 원심력에 의한 취부 하중 감소
- 마모에 의한 하중 특성 변화가 크다.
- 대형 트럭 및 버스에 주로 사용된다.

 

b. 다이어프램 타입(Diaphragm Spring Type)

: 다이어프램 스프링의 슬릿을 통해서 클러치 커버 플레이트에 리벳팅 되어있다. 다이어프램 양쪽에 와이어링을 통해서 지룃대의 힘을 낼 수 있으며 이를 통하여 동력 단속 시 압력판을 당긴다.

다이어프램 스프링 타입 특징
- 원심력 영향이 크지 않아 고 회전 엔진에 적합하다.
- 구조가 간단하여 콤펙트 설계가 가능하다.
- 압력 분포가 균일하고 구조와 취급이 용이하다.
- 주로 중소형 차량에 적용 (기술 발달에 의해서 대형 클러치에도 다수 적용)

 

3) 커버플레이트(Cover Plate) : 플라이휠에 조립되기 위한 플랜지가 있으며 릴리스 레버와 결합된다.

 

Clutch Cover Assembly (출처 : Valeo Service, Pressure Plate Cover Assembly for passenger car)

 

 

 

3. 클러치 릴리스 컨트롤(Clutch Release Control)

클러치 릴리스 컨트롤은 클러치 페달의 조작력을 클러치 본체에 전달하여 클러치 시스템을 작동시키는 부분이다.

 

3.1 클러치 릴리스 컨트롤 방식, 기계식 or 유압식

운전자가 클러치 페달을 밟으면, 답력은 기계식 혹은 유압식으로 클러치 시스템에 전달된다.

 

1) 기계식 : 링크기구나 케이블을 이용하여 페달의 조작력을 릴리스 포크에 전달하는 방식

 

기계식 특징
- 구조가 간단하고 가격이 비교적 저렴하다.
- 유압식 대비 저항손실이 커 답력에 불리하다.
- 엔진의 진동과 링크 기구와의 간섭이 발생할 수 있다.
- 케이블로 인해 운전석으로 진동 및 소음이 전달될 수 있다.

 

2) 유압식 : 마스터실린더와 릴리스 실린더를 포함한 유압장치를 이용하여 페달의 조작력을 릴리스 포크에 전달하는 방식이다. 일반적으로 유압식이 사용된다.

 

유압식 특징
- 마모가 적고 페달에 조작력을 줄일 수 있다.
- 엔진과 클러치 페달의 취부 위치를 자유롭게 선택할 수 있다.
- 엔진, 클러치 기구, 페달의 위치가 변해도 클러치 조작에 악영향을 주지 않는다.
- 구조가 복잡하다.

 

3.2 클러치 릴리스 컨트롤 구성

1) 클러치 릴리스 베어링

: 클러치 동력 단속 시, 축방향으로 이동하여 클러치 압력판을 클러치 디스크로부터 이격 또는 접촉을 도와주는 베어링이며, 주로 축방향 하중을 많이 받는다.

 

2) 클러치 릴리스 포크

: 페달에 답력을 적게하기 위해 지룃대의 원리를 이용하여 릴리스 베어링을 앞뒤로 움직여서 압력 스프링을 작동시키는 역할이다. 한쪽 끝은 릴리스 베어링과 연결되고 다른 쪽 끝은 릴리스 포크 샤프트 혹은 릴리스 실린더의 푸시로드와 접촉하여 유압 또는 클러치 케이블에 의하여 작동한다.

 

3) 클러치 페달 어셈블리

: 클러치 페달의 조작력을 릴리스 포크에 전달하는 장치.

 

4) 클러치 케이블(케이블 타입)

클러치 페달과 클러치 포크를 연결하여 동력을 전달한다.

 

5) 클러치 마스터 실린더(유압식 타입)

클러치 페달을 밟으면 푸시로드에 의하여 피스톤 운동에 의하여 유압이 발생한다. 발생한 유압은 유압 튜브를 거쳐서 릴리스 실린더에 전달된다.

 

6) 클러치 릴리스 실린더(유압식 타입)

마스터 실린더에서 발생한 유압을 전달받으면 릴리스 실린더 내 피스톤이 푸시로드를 밀고, 이 힘으로 릴리스 포크를 작동시켜 클러치를 차단한다.

유압식 클러치 (출처 : X-Engineer, Clutch actuation system)

 

 

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관련 영상

아래는 마찰 클러치와 관련된 영상들이다

 

클러치 원리

[Youtube] CARinfo3d(En) Clutch / how does it work? 3D Animation

 

 

릴리스 스프링 및 레버 작동 영상

[Youtube] Educational Mechanics, Clutch Release beraing / Throw out Bearing Explained - How it works?