차동장치에 대해서는 한 번씩 들어 보셨을 것입니다. 이제는 일상적인 기술이 되어서 예전처럼 하이라이트 되지는 않지만 자동차의 운행에 꼭 필요한 장치입니다.
전기적인 작동이나 외부의 동력이 필요 없이 상황에 맞게 기계적으로 회전력이 배분될 수 있도록 잘 만들어진 장치입니다.
그러나 이러한 장치도 때때로는 기능을 제한해야 하는 경우도 있습니다. 오늘은 차동장치의 원리와 기능을 제한해야 하는 차동제한장치(LSD)의 필요성에 대해서 알아보겠습니다.
목차
1. 자동차 차동장치 (디퍼렌셜 기어, Differential Gear)
자동차 차동장치는 디퍼렌셜 기어(Differential Gear)라 합니다. 자동차의 구동축(Rear Axle)에서 발생하는 회전력을 바퀴에 전달하는 역할을 하는 기어시스템이죠
차량의 엔진에서 발생한 동력을 뒷바퀴의 구동축에 전달하기 위한 장치로 디퍼렌셜 기어를 통해 왼쪽과 오른쪽 바퀴에 회전력을 배분합니다. 단순 5:5로 배분하는 것이 아니라, 자동차의 주행 상태에서 따라서 오른쪽과 왼쪽의 회전력 배분을 다르게 합니다.
자동차가 방향전환을 위해서 회전할 경우, 빠르게 회전하는 쪽 바퀴에는 더 많은 회전력을 전달하고 더 느리게 회전하는 쪽 바퀴에는 적은 회전력을 전달합니다. 이렇게 자동적으로 배분되도록 만들어진 기어시스템이 차동장치이고, 전기적인 제어 없이 기계적인 움직임에 의해서 동작되므로 매우 효율적으로 이상 동작이 발생하지 않는 좋은 시스템입니다.
이러한 장치가 필요한 이유는 커브를 돌 때 안정적으로 주행하기 위해 필요한 기능입니다. 후륜구동 차량의 경우 이 시스템을 사용하지 않으면 방향을 전환할 때 바퀴 한쪽은 슬립이 발생하여 자동차의 선회 성능도 나빠지고, 타 어이도 빨리 닳는 현상이 발생할 것입니다.
1) 자동차 차동창치(Differential Gear) 작동 원리
자동차 자동장치(Differential Gear, 디퍼렌셜 기어)는 회전력을 양쪽 뒤 바퀴에 전달하는 역할을 합니다.
회전력을 단순화게 전달하기 위해서는 간단한 기어를 이용하면 되는데, 아래의 그림처럼 복잡한 이유는 바퀴의 회전수 차이를 조절하여 차량의 안정성과 주행 성능을 향상하는 위한 것입니다. 차량에서는 구동축(Rear Axle)에 엔진의 회전력을 전달합니다. 그러나 바퀴는 직진 주행에서는 같은 속도로 회전하지만, 선회할 때 양쪽 바퀴의 회전속도는 달라져야 합니다. 이때 디퍼렌셜 기어가 필요하게 됩니다.
디퍼렌셜 기어는 입력축(input shaft)과 출력축(output shaft)으로 이루어져 있습니다. 입력축은 엔진에서 발생한 회전력을 전달받고, 출력축은 바퀴에 회전력을 전달합니다. 입력축과 출력축 사이에는 일반적으로 피니언 기어(Pinion Gear)와 크라운 기어(Crown Gear)로 구성되어 있습니다.
디퍼렌셜 기어는 피니언 기어가 회전하는 동안 크라운 기어를 중심으로 회전합니다. 이때, 피니언 기어의 회전 방향이 바뀌면 크라운 기어가 반대 방향으로 회전하게 되고, 바퀴에 전달되는 회전력도 바뀌게 됩니다.
커브를 돌 때는 차량의 진행 방향이 바뀌기 때문에 두 바퀴의 회전수가 달라져야 합니다. 더 빠르게 회전하는 쪽 바퀴에 더 많은 회전력을 전달하고, 더 느리게 회전하는 쪽 바퀴에 적은 회전력을 전달하여 안정적으로 선회 주행할 수 있도록 합니다. 디퍼렌셜 기어는 차량의 주행 속도와 엔진의 회전수에 따라 적절한 기어 비율을 선택하여 회전력을 바퀴에 전달합니다. 전기적인 제어 없이 바퀴의 회전력 차이에 의해서 기계적으로 적절하게 조정됩니다.
2) 차동장치의 단점
후륜구동 자동차에 없어서는 안 될 장치이고 전기적인 제어기 없이 기계적으로 완벽하게 작동하지만 단점이 없는 것은 아닙니다. 아래와 같이 몇 가지 단점이 있습니다.
- 디퍼렌셜 기어는 차량의 안정성을 향상하기 위해 더 빠르게 회전하는 쪽 바퀴에 더 많은 회전력을 전달하고, 더 느리게 회전하는 쪽 바퀴에는 적은 회전력을 전달합니다. 하지만, 양쪽 바퀴 중 하나가 문제가 발생하면 회전수가 크게 발생하여 차량이 불안정해거나 주행이 불가능합니다.
- 디퍼렌셜 기어는 회전력을 바퀴에 전달하기 위해 일정한 비율로 분배하는데, 이때 분배 비율이 고정되어 있어서 차량의 특성에 따라 최적의 분배 비율이 아닐 수도 있습니다. 이는 차량의 주행 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 디퍼렌셜 기어는 회전력이 바퀴에 전달되기 전에 일부 손실이 발생합니다. 복잡한 기어를 회전시켜야 하기 때문에 단순한 기어대비해서 동력의 손실이 발생합니다.
- 미끄러운 도로나 진흙탕에서 디퍼렌셜 기어의 기능은 미끄러운 바퀴에 모든 동력을 전달하여 차량을 미끄러지게 하거나 험로에서 탈출을 불가능하게 합니다. 이런 경우 디퍼렌셜 기어의 기능을 제한하여 자동차를 안정적으로 운용할 수 있게 합니다. 이 시스템을 LSD(Limited Slip Differential)라 합니다.
2. 차동제한장치(LDS, Limited Slip Differential) 필요성
자동차 LSD(Limited Slip Differential) 우리말로는 차동제한장치입니다. 말 그대로 풀이하면 차동장치의 기능을 억제하는 장치입니다. 자동차에 꼭 필요한 차동장치를 왜 억제해야 할까요? 자동차가 특수한 상황에 노이게 되면 차동장치가 자동차를 제어하고 운행하는데 방해가 발생하기 때문입니다.
특수한 상황은 양쪽의 바퀴가 노면과 슬립이 발생하는 경우입니다. 차동장치의 단점은 슬립이 발생할 경우 슬립이 발생하는 바퀴에 더 많은 회전력을 전달하는 구조로 되어 있어서 더욱더 슬립을 가속화하여 바퀴가 헛도는 현상이 발생합니다. 이렇게 되면 자동차는 정상적인 주행을 할 수 없습니다. 슬립이 발생하는 경우는 다양하게 있지만 대표적으로 모래나 진흙에 빠졌을 때, 눈길 주행 등이 있습니다. 이런 상황이 발생하면 자동차는 미끄러짐을 탈출하기 위해서 노력하는데 슬립이 발생하는 바퀴에 대부분의 구동력이 전달되고, 또 슬립이 발생하여 탈출을 할 수 없습니다.
이럴 경우 차동제한장치(LSD)는 강제적으로 양쪽의 바퀴에 5:5 구동력을 배분하도록 차동장치기능을 억제하는 기능입니다. 이렇게 되면 50%의 구동력이지만 슬립이 발생하지 않는 바퀴에 회전력이 전달되어 험로나 눈길에서 빠져나올 수 있습니다. 최근에서는 기술이 많이 발전하여 양쪽을 5:5가 아닌 6:4 또는 7:3으로 배분도 가능하고, 운전자의 조작 없이 주행 중에도 자동적으로 슬립을 감지하고 제어하는 기능까지 발전하였습니다.
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