디퍼렌셜 기어와 파이널 기어는 좌우 저항의 크기에 맞춰 회전을 분배합니다.
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CVT
연비 향상 가능해 CVT를 탑재하는 차량이 증가하고 있습니다. 과거에는 트로이달 CVT를 탑재한 자동차도 시판되었지만 현재는 벨트식 CVT만이 사용되고 있습니다. 벨트식 변속기에 사용하는 두개의 풀리는 홈이 V자 모양이어서 그 폭을 바꿀 수 있습니다. 그리고 그 폭에 딱 들어가도록 벨트의 단면을 사다리꼴로 만습니다. 폴리와 벨트를 이용해 회전을 전달하거나 변속할 경우 일정한 장력을 유지할 수 있기 때문에 고무벨트를 채용하는 경우가 많지만, 벨트식 변속기의 경우 벨트에 커다란 힘이 걸리기 때문에 얇은 금속편 여러개를 금속제 밴드에 끼운 벨트를 사용합니다.
풀리에 있는 홈의 폭을 바꾸면 벨트가 걸리는 위치가 변합니다. 흠이 넓어지면 벨트가 걸리는 위치는 중심에 가까워집니다. 반대로 홈이 좁아지면 벨트가 걸리는 위치는 바깥 둘레에 가까워집니다. 이처럼 풀리의 실질적인 지름을 바꿀 수 있기 때문에 변속이 가능합니다. 다만 부주의하게 양쪽 폴리에 있는 홈의 폭을 바꾸면 벨트가 느슨해져 회전을 전달하지 못합니다. 그래서 컴퓨터가 홈의 폭을 제어합니다. 물룬 주행 상황에 맞춘 변속비도 컴퓨터가 선택합니다.
홈의 폭을 조절할 떄 모터를 사용하는 경우도 있지만, 일반적으로는 유압을 이용합니다.
벨트식 변속기의 경우에도 발전을 할 때는 엔진고 변속기 사이에 단속 기구가 필요합니다. 전자 클러치를 활용하는 경우가 일부 있는데, 전자 클러치를 사용하면 효율을 높일 수 있지만 클리핑을 이용하기가 어렵습니다. 그래서 CVT가 탑재된 자동차에도 일반적으로 토크 컨버터를 씁니다.
디퍼렌셜 기어
자동차가 커브를 돌 떄는 바깥쪽 바퀴의 이동거리가 더 길어집니다. 이떄 만약 좌우의 구동륜에 똑같은 회전이 전달된다면, 알쪽 바퀴는 본래 이동할 수 있는 거리보다 짧은 거리를 이동할 것입니다. 그 탓에 안쪽 바퀴는 미끄러져서 공회전하거나, 본래 이동 거리보다 더 깊게 이동하는 바깥쪽 바퀴에 끌립니다. 물론 어느쪽이든 원호라한 주행이 되지는 못합니다.
그래서 동력 전달 장치에는 좌우 구동륜의 회전속도 차이를 흡수하는 디퍼렌셜 기어가 장착되어 있습니다. 디퍼렌셜 기어의 원리는 저항 차이에 따른 힘의 전달입니다. 위아래로 움직일 수 있는 랙을 두 개 준비하고 그 사이에 바깥기어를 배치합니다. 두 랙의 무게가 완전히 똑같을 경우, 바깥기어를 위로 이동시키면 톱니바퀴가 회전하지 않아 양쪽 랙이 바깥기어의 이동거리만큼만 이동합니다. 이것의 좌우에 저항 차이가 없는 상태입니다.
한편 한쪽 랙을 무겁게 만든 상태에서 바깥기어를 위로 이동시키면 가벼운 랙만이 울직입니다. 바깥기어가 회전하면서 무거운 쪽의 랙에서 가벼운 쪽의 랙으로 회전이 전달된 것입니다. 가벼운 쪽의 랙이 이동하는 거리는 바깥기어가 이동한 거리의 두 배가 됩니다. 요컨대 저항 차이가 있는 경우나 없는 경우 오두 두 랙이 이동한 거리의 합계는 동일합니다. 이것이 저항 차이에 따라 힘이 전달되는 원리입니다. 디퍼렌셜 기어는 이 원리를 이용해 좌우 구동륜의 회전속도에 차이를 만들어냅니다
디퍼렌셜 기어와 파이널 기어
차동
회전 속도의 차이를 흡수하는 것을 차동이라고 하며, 디퍼렌셜 기어를 우리말로 차동 기어 장치라고 합니다. 디퍼렌셜 기어 중에는 유성기어를 이용하는 것도 있지만, 일반적으로 베벨기어를 사용합니다. 마주보듯이 배치한 두 디퍼렌셜 사이드 기어가 출력측이며, 바퀴에 회전을 전달하는 구동축에 연결합니다.
양쪽의 사이드 기어와 맞물리도록 배치한 두개의 디퍼렌셜 피니언 기어는 디퍼렌셜 케이스라는 틀에 고정합니다. 이 케이스가 입력측이며, 변속기로부터 회전이 전달됩니다. 피니언 기어는 자전뿐만 아니라 디퍼렌셜 케이스와 함꼐 공전도 할 수 있습니다. 이 자전이 바깥기어의 회전에 해당하며, 공전은 바깥기어의 이동에 해당합니다.
직선 주행을 할 때는 좌우의 구동륜이 받는 저항이 같으므로 피니언 기어가 자전하지 않고 공전해 사이드 기어에 같은 속도의 회전을 전달합니다. 한편 선회를 할 때는 안쪽 구동륜의 저항이 커지기 때문에 피니언 기어가 자전해 저항이 큰쪽에서 작은 쪽으로 회전을 전달합니다. 이에 따라 커브 바깥쪽 바퀴의 회전 속도가 높아집니다.
파이널 기어
보통은 포괄적으로 디퍼렌셜 기어라고 부르지만, 디퍼렌셜 케이스의 바깥쪽에 장착된 기어와 여기에 맞물려 회전을 입력하는 기어의 조합을 파이널 기어라고 합니다. 우리말로 종감속 장치 또는 최종 감속 장치라고 합니다. 변속기로 바퀴의 회전에 필요한 회전 속도까지 감속시키는 것이 불가능하지는 않지만, 그렇게까지 감속시키면 토크가 커지기 떄문에 변속기나 축류를 튼튼하게 만들어야 합니다. 즉, 동력 전달 장치가 크고 무거워진다는 뜻입니다. 그래서 바퀴와 가까운 부분에 위치한 파이널 기어가 감속을 담당합니다.
- 주로 FR에서 사용되는 디퍼렌셜 기어와 파이널 기어는 입력인 엔진쪽과 출력인 바퀴쪽의 방향이 직각이기 때문에 베벨 기어를 사용합니다. FF의 경우는 입력측과 출력측의 회전축이 평행하기 떄문에 양쪽에 바깥기어를 사용합니다.
디퍼렌셜 기어의 동작
- 직진 중 = 디퍼렌셜 피니언 기어가 공전해 디퍼렌셜 사이드 기어에 회전을 전달합니다.
- 선회 중 = 디퍼렌셜 피니언 기어의 자전이 더해져 저항이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 회전이 전달됩니다.