오늘은 자동차 구동축의 필수품 차동장치, 영어로는 디퍼렌셜 기어에 대해 쉽고 자세하게 알아볼께요.
갑자기 왠 우사인 볼트냐구요?ㅎㅎ 잘 아시겠지만 200미터 달리기를 할때 선수들의 출발점은 다 다릅니다. 왜냐면 선수들이 뛰어야하는 총 거리를 같게 해야되기 때문이죠. 가장 바깥 쪽에서 뛰는 선수는 가장 앞쪽에서 출발합니다. 트랙 바깥쪽에서 뛰는 거리가 안쪽에서 뛰는 거리보다 더 길기 때문이죠.
마찬가지로 자동차가 코너를 돌때 바깥족 바퀴는 안쪽 바퀴보다 더 많이 돌아야합니다. 엔지니어들은 이 문제를 어떻게 해결했을까요? 답은 간단합니다. 양쪽 바퀴가 각각 따로 돌게하면 되는거죠. 따롤 돌려면 두 바퀴축을 분리시켜야겠죠. 짝대기 하나로 두바퀴가 연결되어 있다면 같이 돌수밖에 없을테니까요.
구성부품
그럼 우선 부품을 살펴볼께요. 엔진의 구동력을 후륜에 전달해주는 막대기를 프로펠러 샤프트라고 합니다. 거기에 위에 보이는 피니언 기어(Pinion gear)가 달려있고, 링기어(Ring gear)와 맞물려 돌아갑니다. 보시는것 처럼 이때 회전 각이 달라지죠.
링기어에 스파이더 기어가(Spyder gear) 달려있습니다. 이렇게 해서 링기어와 스파이더 기어는 각각 다른 움직임이 가능합니다. 스파이더 기어는 Planeatry gear 라고도 합니다.
양쪽 각 바퀴에 연결된 봉을 드라이브 샤프트(Drive shaft) , 액슬 샤프트(Axle shaft)라고 합니다. 거기엔 사이드 기어가 달려있습니다. 이렇게 해서 양쪽 바퀴가 각각 움직일수있게 해줍니다.
직진에서는 위와 같이 양쪽 바퀴의 회전 수가 같습니다. 스파이더 기어를 제외한 모든 기어가 회전을 합니다.
차량이 우회전을 하는 경우입니다. 좌측 샤프트가 우측보다 더 많은 회전을 하는게 보입니다.
하중을 분담하기 위해 스파이더 기어를 추가해서 장착해주고, 그림엔 없지만 좌회전을 하는 경우에는 반대로 우측 샤프트가 더 많이 회전하게 됩니다.
디퍼렌셜 오일
기어가 여려개 맞물려 있기 때문에 원활한 구동을 위해 오일이 필요한데, 이를 디퍼렌셜 오일이라고 힙니다. 기어가 맞물려서 많은 움직임을 할 경우 소모가 되서 쇳가루가 발생하는데 이걸 한군데 모으기 위해 자석을 설치하고 기어를 파손될수 있는걸 방지해줍니다. 모든 오일류가 그렇듯, 교체시기에 교체해주지 않으면 기어가 파손되기 때문에 적정 주기에 맞춰서 반드시 교체해줘야 합니다.
리미티드 슬립 디퍼렌셜(Limited Slip differential, 약자로 LSD)
위에서 보시는것 처럼 차동기어에는 한 가지 문제가 있습니다. 진흙이나, 눈에 한쪽 바퀴가 빠졌을 경우 빠진 쪽의 마찰력이 작기 때문에 그쪽으로만 힘이 전달이 되고 반대쪽에는 구동력이 전달이 되지 않기 때문입니다. 이럴 경우 헛도는 바퀴에 동력을 제한하고 반대쪽 바퀴에 힘을 더 실어서 빠져나와야하는데, 이 기능을 Limited Slip differential(LSD) 이라고 합니다. 즉, 상황에 맞게 양쪽 바튀에 동력을 적절히 배분하여 정상적인 운행이 가능하도록 해주는 겁니다.
작동 방식과 부품의 구성에 따라 몇가지로 나눠지는데, 브레이크 처럼 패드로 잡아주는 방식인 다판기계식 타입, 그리고 기어를 더 추가해서 양쪽 휠의 회전차가 커지면 반대쪽도 돌려주는 토르센 타입(Torsen Differential ), 내부에 오일과 여러장의 플레이트도 작동하는 비시커스(Viscous Limited Slip Differential) 방식, 마지막으로 전자식으로 조정이 가능한 전자식 차동 제한 장치(E-LSD)가 있습니다. 두 가지만 간단하게 알아볼께요.
다판기계식 타입
위에서 보시는 것 처럼 차동기어와의 가장 큰 차이는 스파이더 기어가 링기어와 분리되서 통속에 들어가있다는 점입니다.
그리고 그 사이에 스프링을 넣어서 압력에 따라 움직일수 있게 해줍니다. 위 그림에서 파란 색 에스자 형태입니다. 그리고 양쪽에는 여러장의 클러치를 넣어서 바퀴에 연결된 사프트를 고정과 분리를 시켜줍니다.
위 그림은 클러치와 샤프트가 체결되는 모습입니다. 케이스 가운데 윗부분은 삼각형 모양으로 파여있고, 동력이 가해지면 스파이더 기어가 회전하면서 케이스를 바깥으로 밀어내서 체결하게 됩니다.
위 그림은 체결되는 모습의 단면도 입니다.
양축에 마찰력이 같다면, 양쪽 클러치가 체결되서 다같이 한 세트로 회전하는 모습입니다.
그럼, 다시 위 그림처럼 오른쪽 바퀴가 헛도는 상황을 가정해봅시다. 일반 차동기어에서는 양축에 가해지는 힘을 조정할수 없기 때문에 헛도는 바퀴 쪽으로만 동력이 공급이 되고 반대쪽 바퀴는 회전력이 적기 때문에 빠져 나올수가 없습니다.
위 그림은 헛돌지 않는 왼쪽 바퀴 축입니다. 헛도는 바퀴는 마찰력이 적고 반대쪽 바퀴는 마찰력이 크므로 동력이 더 공급되므로, 클러치가 샤프트에 체결이 되서 바퀴가 돌수 있고, 헛도는 바퀴는 동력이 차단됩니다. 이러한 원리로 힘이 가해지는 쪽은 동력을 전달하고, 그렇지 않은쪽은 차단을 하는 방식입니다.
토르센 타입(Torsen Differential )
위 그림의 주황색을 웜기어(Worm grear), 파란색을 스퍼기어(Spur gear)라고 합니다. 양쪽 바퀴가 같은 마찰력이고 직진을 할때는 스퍼기어는 돌아가지 않습니다. 이렇게 사이드 기어 주위에 여러 기어를 설치해서 동력을 조절하는 방식입니다.
위 그림에서 왼쪽 축이 오른쪽보다 더 많이 회전하고 있습니다. 왼쪽 바퀴가 더많은 거리를 가는것이니, 차량이 우회전 하는 상황이죠. 이 상황에서 파란색 스피어 기어의 회전 속도는 동일합니다. 만약에 오른쪽 바퀴가 진흙에 빠져서 헛돌게 된다면, 오른쪽 바퀴만 빨리 회전하게 됩니다. 이때 파란색 기어가 그 속도를 감속시켜주고 반대쪽 축은 가속하게 해서 그 힘으로 빠져나오는는 원리입니다. 다판클러치 방식에 비해 동력 배분 능력은 떨어지지만 소음이 적고 움직임이 부드러운 장점이 있습니다.
오늘은 차동기어에 대해서 알아봤습니다. 자동차에는 우리가 생각했던 이상으로 많은 아이디어 놀라운 기술들이 들어가 있지 않나요? 사람의 창의력은 참 대단한것 같습니다.