등속조인트와 드라이브샤프트: 꺾이고 출렁여도 바퀴를 돌리는 원리, 제파형·트라이포드, 부트 파손과 「딱딱」 소리, 후륜 추진축

마트 주차장에서 핸들을 끝까지 돌린 채 천천히 빠져나가는데, 차 앞쪽 어딘가에서 「딱, 딱, 딱」 하는 소리가 바퀴 도는 박자에 맞춰 들립니다. 똑바로 가면 조용하고, 다시 꺾으면 또 납니다. 정비소에서 듣게 되는 이름은 대개 하나입니다. 등속조인트. 연재 「자동차 부품 이야기」 열한 번째 편은 엔진의 힘이 바퀴에 닿기 직전의 마지막 구간을 다룹니다.

지난 편 변속기와 클러치에서 엔진의 회전을 속도에 맞게 바꾸는 과정을 봤습니다. 그런데 변속기를 나온 힘에는 아직 큰 문제가 하나 남아 있습니다. 변속기는 차체에 단단히 붙어 있지만, 바퀴는 그렇지 않다는 점입니다.

움직이는 바퀴에 힘을 전하는 어려움

앞바퀴굴림 차의 앞바퀴는 세 가지 방식으로 동시에 움직입니다. 첫째, 굴러가며 돕니다. 둘째, 과속방지턱이나 움푹 팬 곳을 지나면 서스펜션을 따라 위아래로 오르내립니다. 셋째, 운전자가 핸들을 돌리면 좌우로 꺾입니다. 변속기 쪽 출력축은 제자리에서 돌기만 하는데, 바퀴 쪽은 높이와 방향이 쉬지 않고 바뀝니다.

이 둘을 곧은 쇠막대 하나로 이으면 어떻게 될까요. 바퀴가 조금만 올라가도 막대가 휘거나 부러질 것이고, 핸들은 아예 꺾이지 않을 것입니다. 그래서 막대의 양 끝에 관절이 필요합니다. 사람의 팔이 어깨와 손목에서 꺾이듯, 드라이브샤프트도 변속기 쪽과 바퀴 쪽 양 끝에서 꺾입니다. 문제는 그 관절이 꺾인 상태에서도 회전을 매끄럽게 넘겨야 한다는 점입니다.

십자 조인트의 한계: 꺾이면 속도가 출렁인다

회전축을 꺾어서 잇는 가장 오래된 방법은 십자 조인트(유니버설 조인트)입니다. 두 개의 U자 모양 쇠고리를 십자 모양 부품으로 연결한 구조로, 16세기 이탈리아 학자 지롤라모 카르다노의 이름을 따 「카르단 조인트」, 17세기 영국 과학자 로버트 훅의 이름을 따 「훅 조인트」라고도 부릅니다. 지금도 공구 소켓 연장대, 트럭과 후륜차의 추진축 등 곳곳에 쓰입니다.

그런데 십자 조인트에는 타고난 약점이 있습니다. 두 축이 일직선이면 문제가 없지만, 각도가 생기면 입력 쪽이 일정한 속도로 돌아도 출력 쪽은 한 바퀴 안에서 빨라졌다 느려졌다를 두 번씩 반복합니다. 꺾인 각도가 클수록 출렁임도 커집니다. 각도가 10도라면 출력 속도가 입력의 약 98.5%에서 101.5% 사이를 오가고, 30도라면 약 87%에서 115% 사이를 오갑니다. 바퀴에 이런 출렁임이 전해지면 핸들이 떨리고 타이어가 노면을 비비며, 특히 크게 꺾이는 앞바퀴에서는 감당하기 어렵습니다.

그래서 필요했던 것이 각도가 얼마든 입력과 출력이 언제나 같은 속도(등속)로 도는 조인트, 즉 등속조인트(CV 조인트, Constant Velocity joint)입니다.

등속조인트의 원리: 볼이 꺾인 각도의 정확히 절반에 선다

등속조인트의 핵심 아이디어는 의외로 단순합니다. 두 축이 만나는 관절에서 힘을 전하는 접점이 언제나 두 축이 이루는 각도를 정확히 반으로 나누는 평면 위에 있으면, 양쪽에서 본 회전 반지름이 같아져 속도가 같아집니다. 두 개의 같은 크기 톱니가 맞물리면 같은 속도로 도는 것과 비슷한 이치입니다.

가장 널리 알려진 형식은 1920년대 후반 미국 포드의 엔지니어였던 알프레드 제파(Alfred H. Rzeppa)가 고안한 제파 조인트입니다. 안쪽 공(내륜)과 바깥 그릇(외륜)에 각각 곡선 홈을 파고, 그 사이에 강철 볼 여러 개(흔히 6개)를 넣은 뒤 「케이지」라는 고리로 볼들을 한 평면에 붙잡아 둡니다. 축이 꺾이면 볼들이 홈을 따라 굴러가며 스스로 각도의 절반 지점으로 이동합니다. 덕분에 꺾인 상태에서도 힘이 볼을 통해 고르게 넘어갑니다. 이후 영국 등에서 개량된 형식(버필드형 등)이 나오며 오늘날 앞바퀴 쪽 조인트의 기본형이 되었습니다.

바깥쪽과 안쪽은 하는 일이 다르다

드라이브샤프트 한 개에는 보통 등속조인트가 두 개 달립니다. 위치에 따라 맡는 일이 다릅니다.

구분	바깥 조인트 (바퀴 쪽)	안쪽 조인트 (변속기 쪽)
흔한 형식	볼형(제파·버필드 계열)	트라이포드형, 또는 볼이 축 방향으로 미끄러지는 형식
감당하는 각도	큼. 핸들을 끝까지 꺾은 각도까지 (대략 40도 이상을 견디는 설계가 흔함)	상대적으로 작음. 주로 서스펜션 높이 변화
길이 변화	거의 없음 (고정형)	있음. 바퀴가 오르내리면 샤프트 길이가 달라져 안에서 미끄러짐 (플런지형)
마모 신호	꺾고 돌 때 「딱딱딱」 소리	출발·가속 때 덜컹거림, 속도에 따라 커지는 진동

트라이포드 조인트는 이름처럼 세 갈래 축 끝에 롤러를 끼우고, 이 롤러가 바깥 하우징의 세 홈을 따라 앞뒤로 미끄러지는 구조입니다. 볼형보다 큰 각도에는 약하지만 축 방향으로 쉽게 움직여, 바퀴가 오르내리며 생기는 길이 변화를 받아 줍니다. 왜 길이가 바뀔까요. 바퀴는 아래팔을 따라 원호를 그리며 움직이므로, 높이가 바뀌면 변속기와 바퀴 사이의 직선 거리도 조금씩 달라지기 때문입니다.

또 하나 흥미로운 점은 좌우 드라이브샤프트의 길이입니다. 엔진과 변속기가 가로로 놓인 앞바퀴굴림 차에서는 변속기가 한쪽으로 치우쳐 있어 좌우 샤프트 길이가 다른 경우가 많습니다. 길이가 다르면 비틀림 정도가 달라 세게 가속할 때 핸들이 한쪽으로 끌리는 「토크 스티어」가 생길 수 있어, 짧은 쪽에 중간 축을 넣어 좌우 길이를 맞추는 차도 있습니다.

미니가 보여 준 가능성

등속조인트가 보편화되기 전까지 앞바퀴굴림은 만들기 까다로운 방식이었습니다. 바퀴를 꺾으면서 동시에 힘을 넣어야 했기 때문입니다. 1959년 영국에서 나온 소형차 미니는 엔진을 가로로 눕히고 앞바퀴를 굴리는 배치로 작은 차체에 넓은 실내를 만들어 큰 반향을 일으켰는데, 이 설계를 받쳐 준 부품 중 하나가 바로 앞바퀴 쪽의 볼형 등속조인트였습니다. 이후 앞바퀴굴림은 소형·중형 승용차의 표준이 되었고, 등속조인트는 거의 모든 승용차에 들어가는 부품이 되었습니다. 엔진룸 배치는 엔진룸 부품 지도에서 다시 확인할 수 있습니다.

고무 부트: 가장 약한 곳이 수명을 정한다

등속조인트 자체는 단단한 강철 덩어리라 쉽게 닳지 않습니다. 수명을 정하는 것은 의외로 바깥을 감싼 고무 주름 덮개, 부트(boot)입니다. 부트 안에는 조인트를 매끄럽게 돌게 하는 전용 그리스가 채워져 있고, 부트는 이 그리스가 빠져나가지 않게, 그리고 흙탕물과 모래가 들어오지 않게 막습니다.

부트는 바퀴가 꺾일 때마다 주름이 접혔다 펴지며, 겨울에는 차갑게 굳고 여름에는 엔진·배기 열을 받습니다. 세월이 지나면 주름 골에 가는 금이 생기고, 결국 찢어집니다. 돌이나 이물질에 찍혀 찢어지기도 합니다. 찢어진 부트에서는 원심력 때문에 그리스가 튀어 나가 휠 안쪽과 주변 부품에 검은 기름 자국을 남깁니다. 타이어를 끝까지 꺾은 상태에서 바퀴 안쪽을 들여다보면 부트 상태를 어느 정도 볼 수 있어, 정기 점검 때 정비사가 꼭 확인하는 항목입니다.

그리스가 빠진 조인트에 모래가 들어가면 볼과 홈이 사포에 갈리듯 닳습니다. 홈에 틈이 생기면 볼이 힘을 받을 때마다 덜컥 움직이고, 이것이 핸들을 크게 꺾었을 때 나는 「딱딱딱」 소리의 정체입니다. 부트가 찢어진 것을 일찍 발견하면 부트와 그리스만 갈아도 되지만, 소리가 날 정도로 마모가 진행되면 조인트나 드라이브샤프트 한 짝을 통째로 바꾸는 경우가 많습니다. 작은 고무 덮개 하나를 제때 갈면 큰 비용을 아끼는 셈입니다.

증상으로 읽는 드라이브라인

증상	먼저 의심할 곳	헷갈리기 쉬운 다른 원인
핸들을 많이 꺾고 천천히 돌 때 「딱딱딱」	바깥 등속조인트 마모	휠 너트 풀림, 브레이크 부품 간섭
휠 안쪽에 검은 기름이 튀어 있음	부트 파손, 그리스 누출	쇼크업소버 오일 누유 (다음 편)
가속할 때만 생기는 떨림, 속도 따라 커짐	안쪽 조인트 마모	타이어 밸런스, 엔진 마운트
출발·변속 때 「덜컹」 하는 충격	조인트 유격, 엔진·변속기 마운트	변속기 이상 (10편)
달릴 때 「웅웅」 소리가 속도에 비례	휠 베어링	타이어 소음

휠 베어링은 등속조인트와 붙어 있어 헷갈리기 쉽지만 소리의 성격이 다릅니다. 등속조인트는 「꺾었을 때」 박자 있는 딱딱 소리, 휠 베어링은 「속도에 따라」 커지는 웅웅 소리가 특징입니다. 다만 소리만으로 확정하기는 어려우므로 정비소에서 차를 들어 올려 직접 흔들어 보는 것이 확실합니다.

뒷바퀴굴림 차의 긴 축: 추진축과 십자 조인트

엔진이 앞에 세로로 있고 뒷바퀴를 굴리는 후륜(FR) 차는 구조가 다릅니다. 변속기 뒤에서 차 바닥 가운데를 따라 뒤 차축까지 긴 축이 이어지는데, 이것을 추진축(프로펠러 샤프트)이라 합니다. 실내 가운데 바닥이 불룩 솟은 「센터 터널」이 이 축이 지나가는 길입니다.

추진축은 바퀴 쪽 드라이브샤프트보다 훨씬 빨리 돕니다. 뒤 차축의 최종 감속 기어(디퍼렌셜)에서 회전을 줄이기 전이기 때문입니다. 그래서 길고 빠르게 도는 축이 휘청이지 않도록 가운데를 받쳐 주는 베어링을 달거나, 두 토막으로 나누기도 합니다. 가볍고 단단하게 만들려고 탄소섬유 추진축을 쓰는 고성능차도 있습니다.

추진축의 관절에는 여전히 십자 조인트가 많이 쓰입니다. 앞에서 십자 조인트는 꺾이면 속도가 출렁인다고 했는데, 어떻게 괜찮을까요. 비결은 두 개를 짝지어 쓰는 것입니다. 추진축 앞뒤 끝에 십자 조인트를 하나씩 두고, 두 조인트의 꺾인 각도를 같게, 방향을 알맞게 맞추면 앞 조인트에서 생긴 출렁임을 뒤 조인트가 거꾸로 되돌려 결과적으로 등속에 가깝게 됩니다. 추진축이 꺾이는 각도는 몇 도 정도로 작아 출렁임 자체도 작습니다. 그래서 추진축 정비 때 조인트 방향 표시를 맞춰 다시 조립하는 것이 중요합니다.

네 바퀴굴림 차는 이 모든 것을 함께 가집니다. 앞뒤로 추진축이 있고, 앞바퀴에는 등속조인트 드라이브샤프트가, 뒤에도 독립 서스펜션이면 등속조인트가 들어갑니다. 전기차도 다르지 않습니다. 모터가 엔진 자리를 대신할 뿐, 모터와 감속기에서 나온 힘이 움직이는 바퀴로 가야 하므로 대부분 등속조인트 드라이브샤프트를 씁니다. 바퀴 안에 모터를 넣는 「인휠 모터」가 이 부품을 없앨 수 있는 방식으로 연구되고 있지만, 바퀴 쪽 무게가 늘어나는 숙제가 있어 아직 일반 승용차에는 드뭅니다.

오해 바로잡기

• 「딱딱 소리가 나도 굴러가니 괜찮다」: 소리는 마모가 이미 진행됐다는 뜻입니다. 심해지면 조인트가 파손돼 힘이 바퀴로 전해지지 않을 수 있으므로 미루지 않는 편이 좋습니다.
• 「부트만 찢어졌으면 급하지 않다」: 부트가 찢어진 순간부터 그리스가 빠지고 모래가 들어갑니다. 부트만 갈아서 끝낼 수 있는 시기를 놓치면 비용이 커집니다.
• 「등속조인트는 소모품이라 주기적으로 간다」: 정해진 교체 주기가 있는 부품이 아닙니다. 부트가 멀쩡하면 차의 수명에 가깝게 쓰는 경우도 많습니다. 관리의 핵심은 부트 점검입니다.

바퀴가 오르내리는 동안 드라이브샤프트가 각도를 맞춰 준다면, 그 오르내림 자체를 다스리는 장치는 무엇일까요. 다음 편 「서스펜션: 스프링과 쇼크업소버」에서는 노면의 충격을 받아 내는 스프링과 그 출렁임을 잠재우는 댐퍼, 그리고 맥퍼슨·더블 위시본·멀티링크·토션빔 같은 형식을 비교합니다.

내 차 점검·관리 방법은 피스테라 자동차 관리 글에서, 부품의 원리와 고장 증상은 이 연재에서 다룹니다.

자주 묻는 질문

Q. 등속조인트 부트는 어떻게 확인하나요?

정차한 상태에서 핸들을 한쪽 끝까지 돌리면 앞바퀴 안쪽 뒤편으로 주름진 검은 고무 덮개가 보입니다. 주름 골에 금이 갔거나, 주변과 휠 안쪽에 검은 그리스가 튀어 있으면 부트 손상을 의심할 수 있습니다. 정확한 판단은 차를 들어 올려 정비소에서 보는 것이 좋습니다.

Q. 「딱딱」 소리가 왼쪽으로 돌 때만 나요. 어느 쪽이 문제인가요?

일반적으로 회전할 때 바깥쪽 바퀴에 힘이 더 실려 그쪽 조인트에서 소리가 난다고 설명되지만, 차와 상황에 따라 달라 소리만으로 단정하기는 어렵습니다. 정비소에서 양쪽 유격과 부트를 함께 확인합니다.

Q. 드라이브샤프트는 부트만 갈 수도 있나요?

조인트에 마모 소리가 나기 전, 부트 파손을 일찍 발견했다면 부트와 그리스만 교체하는 경우가 있습니다. 이미 소리가 나거나 유격이 생겼다면 조인트나 샤프트 한 짝 전체를 바꾸는 경우가 많습니다.

Q. 후륜차에도 등속조인트가 있나요?

있습니다. 추진축은 주로 십자 조인트를 쓰지만, 뒤 서스펜션이 독립식인 후륜차는 디퍼렌셜에서 뒷바퀴로 가는 짧은 드라이브샤프트에 등속조인트를 씁니다.

Q. 전기차에도 드라이브샤프트가 있나요?

대부분 있습니다. 모터와 감속기는 차체에 고정되고 바퀴는 위아래·좌우로 움직이므로, 내연기관차처럼 등속조인트가 달린 드라이브샤프트로 힘을 전합니다.

Q. 등속조인트가 망가지면 바로 차가 멈추나요?

초기에는 소리만 나는 경우가 많지만, 마모가 심해져 조인트가 부서지면 엔진이 돌아도 바퀴로 힘이 전해지지 않아 차가 움직이지 못할 수 있습니다. 소리가 나기 시작하면 점검을 미루지 않는 것이 좋습니다.