회전하는 축으로부터 클러치에 공급된 윤활유는 원심력에 의해 마찰면 사이로 흐른 다. 마찰면에 흐르는 윤활유량은 클러치 작동상태에 따라 변하는 마찰판과 분리판의 간 극에 의해 달라진다. 클러치가 해제되어 있으면 마찰면의 간극이 최대가 되며 윤활유량 도 최대가 된다. 클러치가 결합하기 위해 미끄럼 마찰 중에 있으면 윤활유량은 얇게 형 성된 유막과 마찰재 홈으로 흐르게 되고 완전히 결합하면 대부분 마찰재 홈 또는 마찰 면과 무관한 경로로 흐르게 된다. 따라서 윤활유의 냉각효과는 클러치 작동상태에 따라 달라지며 그럼 2.4와 같이 마찰면의 온도에 영향을 미친다. 클러치 작동 시 마찰면의 온도가 형성되는 과정은 다음과 같다. 마찰면의 온도는 초기 결합 시 마찰열에 의해 급 격하게 상승하고(①), 결합이 완료되면 서서히 냉각된다(②). 클러치를 해제하면 윤활유 의 냉각효과가 상승하여 냉각되는 속도가 상승하며(③) 윤활유와 열평형 온도에 다다를 때까지 냉각된다(④).
Fig. 2.4 Interface temperature variation in clutch operation
마찰판과 분리판의 상대속도는 유활유에 의해 마찰면 사이에서 형성된 유막의 점성 전단(viscous shearing)을 야기한다. 해제된 클러치에서 점성전단으로 인해 발생하는 토 크를 일반적으로 드래그 토크라고 하며 변속기 효율 저하와 온도 상승의 주요 원인 중 하나이다. 드래그 토크는 주로 속도의 함수로 나타나며 그럼 2.5와 같이 각 속도의 영 역에 따라 3가지 영역으로 구분할 수 있다(Iqbal et al., 2013). 낮은 속도의 영역 (low-speed zone)에서는 원심력에 의해 외부로 배출되려하는 윤활유량보다 공급된 유량 이 더 많기 때문에 판 사이에 형성된 유막에 정압(positive pressure)이 발생한다. 따라서 마찰면 전면에 유막이 연속적으로 존재하게 되고 접촉면 간의 상대속도가 커질수록 드 래그 토크도 증가하게 된다. 중간 속도 영역(mid-speed zone)에서는 부분적으로 공급된 유량보다 원심력에 의해 배출되려하는 유량이 커지기 시작한다. 판 간의 속도 차이는 마찰면의 내경보다 외경이 더 크기 때문에 외경부터 부압(negative pressure)이 발생하기 시작하고 이는 공동현상(cavitation)을 야기하여 유막을 파손시킨다. 따라서 드래그 토크 는 상대속도가 증가할수록 감소하게 된다. 고속 영역(high-speed zone)에서는 마찰면 전 면에서 공급된 유량보다 원심력에 의한 유량 배출이 같거나 더 커지게 된다. 이때 유체 는 층류로 유막을 형성하지 못하고 분무 형태로 유막을 형성하게 된다. 이 영역에서 드 래그 토크는 증가하는 상대속도에 따라 분무 형태의 유막이 짙어짐에 따라 조금씩 상 승하게 된다.
Fig. 2.5 A typical drag torque curve
피스톤이 유압에 의해 작동하게 되면 유막이 압착되면서 동유압(hydrodynamic pressure)이 발생한다. 이때 마찰판과 분리판은 얇은 유막에 의해 분리된 상태이며 유체 윤활 (hydrodynamic lubrication) 상태가 된다. 작동이 진행되면 유막은 점차 얇아지게 되 고 일부는 실제 접촉을 하고 일부는 유막으로 연결된 경계 윤활(boundary lubrication) 상태가 된다. 작동 시 변화하는 윤활 상태는 그럼 2.6과 같이 클러치 마찰특성에 영향 을 미치고 결과적으로 변속 시 발생하는 열량에도 영향을 미치게 된다.
Fig. 2.6 Variation of torque during engagement