변속기와 클러치의 원리: 기어비가 힘을 바꾸는 이유, 수동 클러치 구조, 토크컨버터 자동변속기, CVT, DCT 비교

자동차 변속기를 하나만 고르라면 무엇이 좋을까요. 연비라면 CVT, 반응이라면 DCT, 부드러움과 내구성이라면 토크컨버터 자동, 운전의 재미라면 수동이라는 말이 흔히 오갑니다. 이번 편은 네 가지를 나란히 놓고 비교합니다. 그 전에 먼저 풀어야 할 질문이 있습니다. 전기 모터는 변속기 없이도 잘 달리는데, 엔진은 왜 변속기가 있어야 할까요. 연재 「자동차 부품 이야기」 열 번째 편입니다.

엔진에 변속기가 필요한 이유

엔진은 멈춰 있는 상태에서는 힘을 내지 못합니다. 스스로 돌기 위해 최소한 공회전 회전수(대략 분당 수백 회전)는 유지해야 하고, 힘이 잘 나오는 구간도 정해져 있으며, 너무 빨리 돌면 부품이 견디지 못합니다. 반면 바퀴는 출발할 때 0에서 시작해 고속도로에서는 분당 1,000회전 안팎까지 돕니다. 엔진의 좁은 회전 범위를 바퀴의 넓은 회전 범위에 맞춰 주는 장치가 변속기입니다.

또 하나는 힘(토크)입니다. 정지한 차를 움직이고 언덕을 오르려면 바퀴를 세게 비틀어야 하는데, 엔진의 비트는 힘만으로는 부족합니다. 기어를 거치면 회전 속도를 내주는 대신 비트는 힘을 키울 수 있습니다.

톱니 12개짜리 기어가 24개짜리 기어를 돌리면, 작은 기어가 두 바퀴 돌 때 큰 기어는 한 바퀴 돕니다. 기어비는 2입니다. 속도가 절반이 되는 대신, 마찰 손실을 빼면 비트는 힘은 두 배가 됩니다. 자전거 기어와 같은 원리입니다. 언덕에서 앞 기어를 작게, 뒤 기어를 크게 걸면 페달은 가벼워지지만 많이 밟아야 조금 갑니다.

자동차의 1단은 기어비가 크고(엔진이 여러 바퀴 돌아야 바퀴가 한 바퀴), 높은 단으로 갈수록 기어비가 작아집니다. 최고단은 기어비가 1보다 작은 「오버드라이브」인 경우가 많아, 고속도로에서 엔진을 느긋하게 돌리며 연료를 아낍니다. 변속기를 지난 힘은 다시 최종 감속기어를 한 번 더 거쳐 바퀴로 갑니다.

전기 모터는 정지 상태에서도 큰 토크를 내고 아주 넓은 회전수 범위를 쓸 수 있어, 대부분의 전기차는 감속기 하나로 충분합니다. 엔진과 모터의 이 차이가 변속기라는 복잡한 장치의 존재 이유입니다.

네 가지 변속기 한눈에

구분	수동 (MT)	토크컨버터 자동 (AT)	무단변속기 (CVT)	듀얼 클러치 (DCT)
힘을 잇고 끊는 것	마른 클러치 1개, 운전자 발	토크컨버터 (오일)	토크컨버터 또는 클러치	클러치 2개, 컴퓨터 제어
단을 바꾸는 것	운전자가 기어 레버로	유성기어 + 유압 클러치·브레이크	풀리 지름을 연속으로 바꿈	미리 물려 둔 다음 단으로 클러치만 바꿈
단수	보통 5~6단	요즘 6~10단	단 없음 (가상의 단을 흉내 내기도)	보통 6~8단
장점	단순·가벼움, 직결감	부드러운 출발, 큰 토크 감당, 검증된 내구성	엔진을 효율 좋은 회전수에 붙잡아 둠, 변속 충격 없음	변속이 매우 빠르고 동력 손실이 적음
약점	막히는 길에서 피곤함	구조 복잡, 예전 방식은 미끄러짐 손실	큰 토크에 약한 편, 가속 때 회전만 오르는 느낌	저속 정체 구간의 울컥임, 클러치 과열
주로 쓰는 곳	스포츠카, 일부 경차·화물차	대형 승용·SUV, 많은 국산차	경·소형차, 하이브리드 일부	소형~고성능 차

수동변속기와 클러치: 붙였다 떼는 원판

수동 변속기 차의 엔진 뒤쪽에는 무거운 원판, 플라이휠이 크랭크축에 붙어 돕니다. 그 바로 뒤에 변속기로 이어지는 축에 끼운 클러치 디스크가 있고, 디스크 양면에는 브레이크 패드와 비슷한 마찰재가 붙어 있습니다. 디스크 뒤에서는 강한 판 스프링을 품은 압력판이 디스크를 플라이휠 쪽으로 꽉 누릅니다.

1. 클러치 페달을 떼고 있을 때: 압력판이 디스크를 플라이휠에 눌러 붙여, 세 장이 한 몸처럼 돕니다. 엔진의 힘이 그대로 변속기로 갑니다.
2. 클러치 페달을 밟으면: 유압이나 케이블이 릴리스 베어링을 앞으로 밀고, 베어링이 압력판 스프링의 가운데를 눌러 바깥쪽 누르는 힘을 풉니다. 디스크가 떨어져 엔진은 돌아도 변속기는 쉴 수 있고, 그사이 기어를 바꿉니다.
3. 반클러치: 페달을 천천히 떼는 중간 구간에서는 디스크가 미끄러지며 힘을 조금씩 넘깁니다. 정지에서 부드럽게 출발할 수 있는 것은 이 미끄러짐 덕분이지만, 마찰재가 닳는 원인이기도 합니다.

기어를 바꿀 때 서로 다른 속도로 돌던 톱니가 갑자기 맞물리면 「끼긱」 하고 갈립니다. 요즘 수동 변속기는 맞물리기 직전에 원뿔 모양 마찰면으로 두 쪽 속도를 맞춰 주는 싱크로나이저가 있어 부드럽게 들어갑니다. 클러치 디스크가 닳으면 힘이 미끄러져, 가속 페달을 밟을 때 엔진 회전만 오르고 차는 잘 나가지 않습니다. 고장 신호표는 글 끝에 모았습니다.

토크컨버터 자동변속기: 오일로 힘을 건넨다

선풍기 두 대를 마주 보게 놓고 한 대만 켜면, 꺼진 선풍기 날개가 바람에 밀려 천천히 돕니다. 토크컨버터는 이 원리를 오일 속에서 씁니다. 엔진 쪽 날개(펌프)가 오일을 휘저으면, 그 흐름이 마주 보는 날개(터빈)를 돌려 변속기로 힘을 넘깁니다. 둘 사이의 고정자(스테이터)가 되돌아오는 오일의 방향을 바꿔, 출발할 때 비트는 힘을 키워 주기도 합니다.

엔진과 바퀴가 쇠로 직접 붙어 있지 않으니, 신호 대기 중 브레이크를 밟고 있어도 엔진이 꺼지지 않고 출발도 부드럽습니다. 대신 오일이 미끄러지는 만큼 손실이 생겨, 예전 자동변속기는 연비가 수동보다 나쁘다는 평을 들었습니다. 요즘은 일정 속도 이상에서 펌프와 터빈을 기계적으로 묶어 버리는 록업 클러치를 써서 이 손실을 크게 줄였습니다.

단을 바꾸는 일은 유성기어가 맡습니다. 가운데 태양기어, 그 둘레를 도는 유성기어들, 바깥의 링기어로 이뤄진 한 세트에서 어느 부분을 붙잡고 어느 부분을 돌리느냐에 따라 여러 기어비가 나옵니다. 유압으로 작동하는 클러치와 브레이크가 이 조합을 바꾸며, 이를 컴퓨터(TCU)가 지휘합니다. 단수가 4단, 6단에서 8~10단으로 늘어난 것은 기어비 간격을 촘촘히 해 엔진을 늘 효율 좋은 회전수에 두려는 것입니다.

CVT: 단이 없는 변속기

CVT는 톱니바퀴 대신 V자 홈이 파인 풀리 두 개와 그 사이에 걸린 금속 벨트(또는 체인)로 이뤄집니다. 풀리의 양쪽 원뿔 판이 서로 다가가면 벨트가 바깥으로 밀려 올라가 지름이 커지고, 멀어지면 벨트가 안쪽으로 내려가 지름이 작아집니다. 엔진 쪽 풀리를 작게, 바퀴 쪽을 크게 하면 1단처럼, 반대로 하면 높은 단처럼 됩니다. 그 사이를 연속으로 오가므로 「단」이 없습니다.

덕분에 엔진을 가장 효율 좋은 회전수에 붙잡아 둔 채 속도만 바꿀 수 있습니다. 하지만 운전자는 가속 페달을 밟았을 때 엔진 소리만 먼저 커지고 속도는 뒤따라오는 느낌을 받기 쉽습니다. 이를 줄이려고 일부러 단이 있는 것처럼 회전수를 끊어 올리는 「가상 단」 제어를 넣은 차가 많습니다. 금속 벨트가 미끄러지지 않게 큰 압력으로 붙잡아야 해서, 아주 큰 토크를 내는 엔진에는 잘 쓰이지 않는 편입니다. 승용차용 CVT의 시작으로는 1950년대 네덜란드 DAF의 고무 벨트식 「바리오매틱」이 자주 꼽힙니다.

DCT: 다음 기어를 미리 물려 둔다

듀얼 클러치 변속기는 수동변속기 두 대를 한 상자에 겹쳐 넣은 구조라고 생각하면 쉽습니다. 한쪽 축은 1·3·5·7단 같은 홀수 단을, 다른 쪽 축은 2·4·6단 같은 짝수 단을 맡고, 각 축에 클러치가 하나씩 있습니다. 1단으로 달리는 동안 짝수 축은 이미 2단을 물려 놓고 기다립니다. 변속할 때는 기어를 움직이는 것이 아니라 한쪽 클러치를 떼는 동시에 다른 쪽을 붙이기만 하면 됩니다. 그래서 변속이 매우 빠르고, 힘이 끊기는 순간이 거의 없습니다.

약점은 정체 구간입니다. 토크컨버터가 없으니 출발과 저속 기어 전환을 클러치 미끄러짐으로 처리해야 하는데, 이때 울컥임이 느껴지거나 클러치가 뜨거워질 수 있습니다. 마른 클러치를 쓰는 소형 DCT와 오일 속에서 도는 습식 클러치 DCT는 열에 대한 여유가 다릅니다. 양산 승용차용 DCT는 2000년대 초 폭스바겐의 DSG가 널리 알려진 출발점입니다.

P 레인지는 무엇을 잠그나

자동변속기의 P(주차)에 놓으면 변속기 안의 출력 쪽 톱니바퀴에 작은 쇠막대(파킹 폴)가 끼어 들어가 바퀴 쪽 축을 잠급니다. 생각보다 작은 부품 하나가 차 무게를 붙잡고 있는 셈이라, 경사로에서는 주차 브레이크를 먼저 걸고 P로 옮기라고 안내하는 경우가 많습니다. 그러면 차 무게가 파킹 폴이 아니라 브레이크에 걸려, 다음에 출발할 때 레버가 무겁게 「덜컥」 빠지는 일도 줄어듭니다. 수동차는 P가 없으므로 주차할 때 주차 브레이크와 함께 1단이나 후진에 넣어 둡니다.

고장 신호 읽기

증상	해당 변속기	의심할 곳
가속 때 회전만 오르고 차가 안 나감	수동	클러치 디스크 마모 (미끄러짐)
클러치 페달을 밟을 때만 「위잉·사각」 소리	수동	릴리스 베어링 마모
기어가 잘 안 들어가거나 갈리는 소리	수동	클러치가 완전히 안 떨어짐, 싱크로나이저 마모
변속 때 「덜컥」 충격, 변속이 늦음	자동·DCT	변속기 오일 상태·양, 제어 이상
달리는 중 회전만 치솟았다 떨어짐	자동·CVT	내부 클러치·벨트 미끄러짐
저속에서 울컥거림, 경사로 출발 시 떨림	DCT	클러치 학습값·마모, 과열
바닥에 붉거나 갈색 기름 자국	자동·CVT	변속기 오일 누설
계기판 변속기 경고, 특정 단에 고정	자동·CVT·DCT	보호 모드 진입. 무리하게 달리지 말고 점검

자동변속기 오일은 「평생 교환 안 해도 된다」고 안내되는 차도 있지만, 가혹 조건(잦은 견인, 정체, 산길)에서는 교환을 권하는 경우가 많습니다. 차종 정비 안내서의 기준을 확인하세요.

변속기를 나온 힘은 아직 바퀴에 닿지 않았습니다. 다음 편 「등속조인트와 드라이브샤프트」에서는 핸들을 꺾고 서스펜션이 출렁여도 힘을 끊김 없이 바퀴까지 전하는 마지막 구간을 다룹니다.

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

자주 묻는 질문

Q. CVT 차는 가속할 때 왜 소리만 커지나요?

CVT는 엔진 회전수를 먼저 힘이 잘 나오는 구간으로 올려 두고, 풀리 지름을 바꿔 속도를 따라오게 합니다. 그래서 엔진 소리가 먼저 커지고 속도가 뒤따르는 느낌이 듭니다. 이를 줄이려고 단이 있는 것처럼 제어하는 차가 많습니다.

Q. DCT 차가 막히는 길에서 울컥거리는 건 고장인가요?

어느 정도는 구조에서 오는 특성입니다. 토크컨버터 없이 클러치 미끄러짐으로 출발하기 때문입니다. 다만 점점 심해지거나 떨림·경고등이 함께 나타나면 점검을 받으세요.

Q. 수동차에서 신호 대기 중 클러치를 밟고 있으면 안 좋나요?

클러치를 밟고 있는 동안 릴리스 베어링이 계속 일을 하므로 마모가 늘 수 있다는 설명이 많습니다. 오래 서 있을 때는 중립에 두고 페달을 떼는 습관을 권하는 경우가 많습니다.

Q. 자동변속기 차에서 N에 두면 연비가 좋아지나요?

요즘 자동변속기는 정차 중 부담을 줄이는 제어가 들어간 경우가 많아 차이가 크지 않다는 설명이 많습니다. 달리는 중 N에 두는 것은 엔진 브레이크를 쓸 수 없어 권하지 않습니다.

Q. 전기차에는 왜 변속기가 없나요?

전기 모터는 정지 상태에서도 큰 토크를 내고 매우 넓은 회전수 범위를 쓸 수 있어, 대부분 기어비 하나의 감속기로 충분합니다. 일부 고성능 전기차는 2단 변속기를 쓰기도 합니다.

Q. 변속기 오일은 언제 바꾸나요?

차종마다 크게 다릅니다. 무교환으로 안내하는 차도 있고 정해진 주기가 있는 차도 있으며, 가혹 조건에서는 더 짧게 잡는 경우가 많습니다. 정비 안내서의 기준을 따르세요.