차동 기어
Differential Gear
1. 개요
차동 기어의 필요성과 구조에 대해 설명한 동영상. 무려 1937년작이다. 한글 자막 영상
자동차의 엔진에 연결된 좌우 바퀴의 구동력을 나눠 분배하여, 좌우의 회전을 다르게 해주는 장치이다. 나이가 있는 분들이나 정비소에서 '데후' 또는 '데우'라고 부르는게 바로 이 차동 기어를 말하는 것이다. 아마 영어인 디퍼렌셜 기어의 축약형인 Diff(디프)의 일본어식 발음에서 넘어온 듯 하다. [1]
차동 기어가 필요한 이유는 자동차가 회전할 때, 회전 방향의 안쪽에 있는 바퀴는 바깥쪽 바퀴보다 회전반경의 반지름이 작게되므로 안쪽바퀴의 회전수가 바깥쪽 바퀴보다 작아야 정상적으로 회전이 가능하기 때문이다. 만약 차동 기어가 없다면 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴가 똑같은 회전수로 회전하게 되고, 그로 인해서 극심한 언더스티어가 발생하거나 양쪽바퀴 모두 슬립하게 되어서 차체가 매우 불안정하게 될 것이다. 바퀴가 슬립하면서 타이어의 마모가 심해지는 것은 덤이다.
참고로 열차의 바퀴에는 차동기어가 없다. 대신 차륜의 답면(테이퍼)이 경사각을 가지고 있는데, 이 답면은 열차 외측으로는 가늘고 열차 중심쪽으로는 굵은, 원뿔이 누워있는 것과 같은 형상을 하고 있다. 열차가 곡선부를 주행하게 되면 원심력이 작용하여 굵은 테이퍼(긴 직경)를 가진 쪽이 바깥쪽으로 밀려 나가 반경이 큰 외측 곡선부를 주행하게 되고, 이에 가는 테이퍼(짧은 직경)을 가진 쪽이 상대적으로 반경이 짧은 안쪽으로 주행하여 곡선부를 돌 수 있는 것이다. 열차의 곡선부 소음은 차동기어와는 관련이 없으며 차량의 전부대차와 후부대차가 직선으로 평행하게 연결되어 있어 곡선부에서 가장자리 부분의 플랜지와 레일이 마찰하는 것이다.
2. 단점
자동차의 운행에 있어 차동 기어가 당연히 있어야 하지만 이 장치도 단점이 없는 것은 아니다. 차동 기어의 단점은 양쪽 바퀴의 마찰력의 차이가 극단적일 경우 운행이 불가능 할 수도 있다는 점이다. 예를들어 눈길이나 늪지대 같이 접지력이 상시적으로 변하는 험로를 간다거나 험로를 운행하다가 차량의 한쪽 바퀴만이 웅덩이나 빙판에 빠졌을 경우, 빠지지 않은 쪽의 바퀴는 가만히 있고 웅덩이나 빙판에 빠진 쪽의 바퀴만 열심히 헛바퀴를 돌면서 차량이 출발하지 못하는 것을 보았을 것이다. 웅덩이나 빙판에 빠진 쪽의 바퀴의 마찰력이 작아서 그쪽으로만 엔진의 구동력이 전달되고 반대쪽의 바퀴에는 구동력이 전혀 전달되지 않아서 험로에서 탈출할 수 없는 것이다.
3. 단점을 보완하기 위한 장치
3.1. 트랙션 컨트롤 시스템
Traction Control System(TCS)
한 쪽의 마찰력이 너무 작을 경우, 그 쪽으로만 구동력이 전달되어서 차량의 출발이 불가능하게 되므로, 마찰력이 작은 쪽의 바퀴에 브레이크를 걸어줌으로서 인위적인 마찰력을 가하고 반대쪽 바퀴에도 구동력이 전달될 수 있도록 해주는 장치이다. 한 쪽 바퀴에 브레이크를 걸어주므로 엔진 출력의 일부가 손실된다는 단점이 있다.
3.2. 차동 제한 장치
Limited Slip Differential(LSD)
양쪽의 바퀴의 회전수가 일정 수준 이상으로 차이나면 회전수가 적은 쪽으로 구동력의 일부를 보내서 그 차이를 일정 수준 이하로 제한하는 장치이다.[2] 단점은 험로 탈출시에 구동력의 일부만 전달되어서 전달된 구동력이 험로를 탈출하기에 충분하지 않으면 탈출에 실패할 수도 있다는 것이다. 때문에 험로를 중시하는 정통 오프로더에는 LSD와 아래에서 설명할 차동 잠금장치(LD)를 함께 탑재한다.
LSD는 토르센 LSD, 비스커스 커플링 LSD, 다판식 LSD로 이 세가지 방식을 사용한다. 양산차랑에 달리는 것은 보통 토르센식 LSD인데 기어의 마찰력으로 차동제한을 한다. 차동제한력이 크지는 않지만 소음이 적다.
비스커스 커프링식은 윤활유의 점성을 이용한 LSD이다. 내외측 구동축과 이어진 원판이 있고 그 사이에 윤활유가 들어있다. 원판의 회전수 차이가 생기면 윤활유의 점성으로 차동제한을 한다. 회전수가 커야 차동제한도 크게 일어나며 온도에 따라 윤활유의 점도가 변하면 차동제한성능도 변한다. 소음은 적다.
다판식 LSD는 여러개의 클러치판을 사용해서 차동제한을 한다. 좌/우륜과 연결된 클러치판이 서로 접촉하고 있어서 회전수 차이가 나면 마찰력으로 차동제한을 한다. 가장 확실한 차동제한 성능을 가지고 있지만 소음이 크고 관리가 필요해서 경주차나 스포츠카에 사용한다. 가속과 감속중 차동제한 작동에 따라 1way, 1.5way, 2way이 있다. 1way는 가속할 때만 작동하며 2way는 가감속 모두 작동한다. 1,5way는 가속중에 작동하며 감속중에는 약하게 작동한다.
웰디드 디퍼센셜은 차동기어를 그냥 용접한 것이다. 장난감 자동차처럼 좌/우 구동축을 하나로 이어 붙인 것이라 엔진 출력이 좌우륜에 똑같이 전달된다. 선회 중 내외륜 차동이 전혀 되지 않기 때문에 선회가 힘들고 타이어 마모가 빠르다. 따라서 일상용 자동차에는 어울리지 않는다. 그러나 LSD 없이 저렴하게 드리프트를 하기에는 좋은 방법.
험로탈출에도 쓰이긴 하지만 트랙션 컨트롤 시스템, 차체 자세 제어장치와 결합하여 차량 운행시 안정성을 높이는 데에도 사용한다. 전륜구동, 후륜구동, 사륜구동을 가리지 않고 스포츠 주행을 제대로 추구하는 차들이라면 대부분[3] LSD가 장착되어 있으며 LSD의 구동력 배분과 전개를 어떻게 세팅하느냐는 서스펜션 세팅과 함께 차량의 핸들링 특성에 중요한 영향을 끼친다.
온로드 경주차나 스포츠카에는 LSD가 선회중인 차량의 거동과 가속 성능에 큰 영향을 준다.
자동차가 한계 속도로 코너링 중에는 좌/우 하중이동량이 커서 내측륜 접지력이 줄어들고 외측륜 접지력은 늘어난다.[4] 이때 LSD가 없는 차량으로 코너 탈출을 위해 가속페달을 밟으면 접지력이 약한 내측으로 출력이 몰려서 슬립이 일어나고 제대로 가속할 수 없다. 영상 전륜구동은 언더스티어가 일어날 수 있다.
LSD가 있는 차량은 내측륜으로 들어가는 구동력을 외측륜으로 보낸다. 내측륜 슬립을 막고 접지력이 좋은 외측륜이 출력을 노면에 전달하므로 제대로 가속할 수 있다. 무엇보다 내측보다 외측의 구동력이 커지므로 차량 성향은 오버스티어쪽으로 이동한다. 전륜 구동은 언더스티어를 억제하고 후륜 구동은 오버스티어도 일으킬 수 있다.[5]
코너 진입을 위해 감속하면서 턴인을 할 때에는[6] LSD가 작동하면 차량 성향은 언더스티어 방향으로 이동한다. 타이어는 풋 브레이크와 엔진 브레이크로 생성하는 제동력을 노면에 전달해야 하는데, 접지력이 작은 내측륜은 두 가지 제동력을 받아내지 못하고 슬립할 수 있다.[7] 이때 LSD는 접지력이 좋은 외측륜으로 엔진 제동력을 보낸다. 그러면 내측륜 슬립을 막고 접지력이 좋은 외측륜이 내측보다 더 큰 제동력을 만든다. 따라서 외측과 내측의 제동력 차이가 생겨 차의 성향은 언더스티어 쪽으로 이동한다.
턴인을 할 때 오버스티어 성향이 커서 후륜이 불안한 차량은 감속중에도 작동하는 1.5way, 2way LSD를 사용해서 자세를 안정화한다. 원리는 제동중엔 전륜으로 하중이 이동해서 후륜의 접지력이 약해져 차량의 성향은 오버스티어 쪽으로 이동한다. 정도가 심하면 차량 뒤쪽 거동이 불안정해 다루기 어려운데, 감속중에도 작동하는 LSD 사용해 언더스티어 성향으로 안정시키는 것이다.
그러나 선회 중 좌/우 하중이동이 크지 않아 내측과 외측륜의 접지력이 비슷한 상황[8]에서는 LSD가 작동하면 가감속 상관없이 언더스티어 현상이 생긴다. 차동제한장치라는 이름답게 차동장치 작동을 방해하기 때문이다. 예를 들어 웰디드 디퍼렌셜[9]을 달은 차량은 좌/우 차륜의 회전속도가 동일하므로 골목길처럼 느린 속도로 달리면 좌/우 차동이 되지 않아 선회하기가 힘든것과 같다.[10] 따라서 일반 양산차량은 차동제한 성능이 낮은 토르센식, 비스커스식 LSD를 사용한다. 최근에 등장한 전자 제어 차동제한장치 e-LSD는 다판식임에도 일상과 스포츠 주행 모두 만족한다.
드리프트를 하는 차량에는 필수적으로 달려있다고 생각하면 된다. 이유는 드리프트를 안정적으로 오래하기 위해서는 후륜이 계속 슬립해주어야 하는데 좌/우 바퀴의 마찰력이 같을 수는 없으므로 LSD가 장착되지 않으면 한쪽에만 구동력이 몰려[11] 한쪽 바퀴만 슬립하게 되고 그렇게 되면 차량의 스핀 등으로 드리프트를 안정적으로 지속할 수 없기 때문이다. '''가속페달을 밟으면 오버, 떼면 언더 상태'''가 되며 이를 미세하게 컨트롤 하여서 차체가 일정각 이상 돌아가지 않도록 유지를 해줘야 하는것이 요점이다.[12][13][14] 이걸 제대로 설명하자면 '''가속페달을 밟으면 LSD로 인해 오버스티어로 차가 돌아가고, 페달을 떼면 차 자체의 하체세팅으로 언더스티어'''가 난다. 즉 이런 원리로 드리프트를 유지하는 것이고 드리프트 차가 언더스티어 성향인 이유인 것이다.
3.3. 차동 잠금 장치
Locking Differential(LD)
차동 기어를 잠궈 양쪽 바퀴가 똑같은 회전수로 회전할 수 있도록 하는 장치이다. 방식에는 수동과 자동이 있으며, 수동은 사용자가 직접 작동을 시켜야 하는 방식이고 자동은 좌우 바퀴가 일정 회전수 이상 차이가 나면 자동으로 잠기는 방식이다. 잠금장치의 장점으로는 구조적으로 매우 단순하게 생겼으며 내구도가 높고 한쪽면만 접지가 확실하게 되어있으면 웬만한 험로가 다 탈출이 가능하다는 점이 있지만, 눈길처럼 미끄러운 지형에서는 차동제한장치보다 못 할 정도로 잘 미끄러져서 사용하기 힘들며, 차동 잠금장치의 경우 미끄러지는 상황에서 좌우 회전차가 다르다고 인식하여 갑자기 차동 기어가 잠겨버려서 큰 사고를 일으킬 수도 있다는 단점이 있다. 일반적인 승용차나 도시형 SUV에는 거의 탑재되지 않고 험로를 달려야 하는 정통 오프로더나 픽업트럭에 주로 탑재된다.
국산 SUV/RV/픽업트럭 중에 LD가 옵션 또는 기본 장착된 차량은 다음과 같다.
현대 포터 - 후륜 LD
현대 스타렉스 - 2018년형 이후 4WD 모델 한정 후륜 LD 기본장착, 이전 연식 옵션 적용
기아 봉고 - 후륜 LD
기아 모하비 - 초기형은 후륜 LD 옵션 적용, 1차 FL 후륜 LD 기본 적용, 2차 FL 전륜 LSD 추가 기본 적용
쌍용 올 뉴 렉스턴 - 후륜 LD 기본 적용
쌍용 렉스턴 스포츠 & 칸 - 후륜 LD 옵션 적용
쌍용 올 뉴 렉스턴 스포츠 & 칸 - 후륜 LD 옵션 적용
[1] 젊은 사람의 경우 데후라고 말하면 못 알아들을 가능성이 크다. [2] 정확하게는 LSD는 토크를 전달하는 장치이다.[3] 맥라렌 12C 이후의 맥라렌 스포츠카들 정도가 예외. 맥라렌은 무거운 LSD를 탑재하지 않는 대신 브레이크의 미세한 전자적 조작을 통해 LSD의 토크 벡터링과 비슷한 효과를 낸다. F1 기술에서 유래된 것이라지만 유저들 사이에서는 호불호가 갈린다.[4] 우선회 중이라면 오른쪽 바퀴가 내측륜, 왼쪽 바퀴가 외측륜이다.[5] eLSD를 사용하는 벨로스터 N이 코너링 중에도 계속 가속할 수 있는 원리이다.[6] 트레일 브레이킹[7] 물론 LSD가 없어도 ABS가 있다면, ABS가 내측륜 브레이크 제동력을 줄인다.[8] 골목길처럼 서행하며 주행하는 경우.[9] 디퍼렌셜 내부 기어를 용접해서 묶어 버린 것. 사실상 상시 LD라고 보면 된다. '지짐데후'(...)라는 속어가 주로 사용된다.[10] 이런 단점때문에 사실상 드리프트 퍼포먼스 카에만 저렴하게 차동 잠금 효과를 넣기 위해 작업한다. 일반적인 주행에서 선회할 때 쓰라고 장착해 놓은 차동기어를 강제로 묶어버렸으니 공공도로상 일상 주행에선 영 좋지 않다. 선회 할 때마다 가가각 거리는 소음은 덤. [11] 보통 하중이 빠져 마찰력이 줄어드는 내측륜[12] 넘어가면 스핀이고 부족하면 언더로 코스아웃.[13] 엔진의 파워가 약하다면 저그립 타이어로 대체하던지, 노면이 젖은 상태에서 드리프트를 유도하면 된다. 최고의 조합은 연비용 저그립 타이어나 트래드 다써서 맨들맨들해진 타이어 + 젖은노면... [14] 가장 쉽고 간단하고 확실하게 오버스티어를 느껴볼 수 있는 방법은 비 오는날 레져카트를 타보는 것도 있다. 보통 렌탈용 레져카트는 유지 보수 비용 절감을 위해 레인 타이어를 따로 구비하지 않아서 노면이 젖어도 슬릭타이어를 끼워놓는데 5.5마력이더라도 뒤가 술술술 미끄러지기 때문에 아주 재미(?)가 있다. 만약 12마력이 넘는 엔진을 단 소위 스포츠 카트라면 가속패달을 밟는 즉시 옆으로 가속을 하게된다. 엑셀워크를 익히지 못하면 앞으로도 못 가는 상황이 만들어진다.