차동제한장치 축과 포인트와 사륜구동의 정의

차동제한장치는 디퍼렌셜 기어의 약점을 해결해 줄 수 있어 차동을 제한하는 장치가 탑지되어 있는것입니다.

차동제한장치

디퍼렌셜 기어는 커브를 매끄럽게 주행하기 위해 없어서는 안 될 매우 우수한 장치이지만 약점도 있습니다. 디퍼렌셜 기어는 좌우 구동륜의 저항 차이에 따라 차동을 실시합니다. 그러나 눈길이나 진흙길에서 한쪽 구동륜만이 미끄러져 공회전할 경우, 공회전하고 있는 구동륜은 저항이 매우 작아지기 떄문에 모든 회전이 전달되며, 그 결과 접지한 반대쪽 구동륜이 정지해버립니다. 이처럼 한쪽 바퀴가 공회전하는 극단적인 상황 이외에도 디퍼렌셜 기어의 약점이 나타날 때가 있습니다.

노면 상태가 완전히 균일하다는 보장은 없습니다. 가령 비가 내렸다가 그쳐서 젖은 노면과 마르기 시작한 노면이 섞여 있는 상황에서는 노면의 각 부분마다 마찰력의 한계가 달라집니다. 이와 같이 마찰력의 한계가 다른 부분에 좌우 구동륜이 동시에 닿으면 차동이 작동하는 경우가 있는데, 이렇게 되면 자동차의 움직임이 불안정해집니다. 특히 선회를 할 떄 이런 불안정한 움직임이 일너마녀 위험합니다.

LSD

이떄까지 본 약점을 해결하기 위해 디퍼렌셜 기어의 차동을 제한하는 장치가 탑재된 경우가 있는 데 이런 자동 제한 장치를 일반적으로 LSD라고 합니다. LSD의 구조에는 여러 종류가 있는데, 비스커스 커플링을 을 사용하는 비스커스 LSD가 많이 사용됩니다. 비스커스 커플링은 회전차 감응형 토크 전달 장치의 일종으로, 회전 속도에 차이가 없는 상태에서는 토크를 전달하지 않지만 회전 속도에 차이가 발생하면 회전이 빠른 쪽에서 느린쪽으로 토크를 전달합니다.

비스커스 커플링으로 디퍼렌셜 기어의 좌우 출력을 연결해 차동을 제한하는 것입니다. 또 제어 장치를 통해 누르는 힘을 바꿀 수 있는 습식 다판 클러치로 차동 제한을 하는 전자 제어 LSD도 있습니다. 이것은 주행상황에 맞춰 차동 제한을 할 수 있습니다.

디퍼렌셜 기어의 약점 : 한쪽 구동륜이 진흙탕에 빠져 공회전하면 그 바퀴의 저항이 매우 작아지기 때문에 모든 회전이 전달됩니다. 그 결과 반대쪽 바퀴가 정지해버리기 때문에 자동차가 오도 가도 못합니다.
LSD : 좌우 구동륜의 회전속도가 같을 때는 토크를 전달하지 않습니다. 한편 선회할 떄처럼 좌우 구동륜의 회전 속도에 차이가 발생하면 회전이 빠른 쪽에서 느린쪽으로 토크를 전달합니다.

구동축 / 추진축

디퍼렌셜 기어에서 최종적으로 바퀴에 회전을 전달하는 축을 구동축, FR이나 4WD에서 변속기로부터 디퍼렌셜 기어로 회전을 전달하는 축을 추진축이라고 합니다. 두 축 모두 단순한 구조의 철제 봉인데, 경량화를 위해 속이 비어있습니다.

유니버셜 조인트

바퀴는 서스펜션에 따라 차량 본체와의 위치 관계가 변화합니다. FR이나 4WD의 경우도 변속기와 디퍼렌셜 기어의 위치 관계가 변할때가 있습니다. 그래서 이런 축의 양끝에는 위치관계가 변하더라도 회전을 지속적으로 전달할 수 있는 유니버셜 조인트가 설치되어 있습니다.

훅 조인트

추진축에 사용하는 조인트는 훅 조인트라고 합니다. 이 조인트의 경우, 일정 시간 동안의 회전수는 입력측과 출력측 모두같지만 1회전 사이에 각속도가 변합니다. 그리고 그 변화는 입력측과 출력측의 축이 이루는 각도에 따라 결정됩니다. 그래서 디퍼렌셜 기어의 위치가 이동해도 변속기와 디퍼렌셜 기어의 회전축이 항상 평행을 유지하도록 배치되어 있습니다. 이에 따라 한쪽 조인트에서 각속도가 변하면 다른 쪽 조인트에서는 정반대의 변화가 발생하기 때문에 각속도의 변화가 상쇄됩니다.

등속 조인트

한편 구동축의 경우는 바퀴의 움직임이 복잡하기 때문에 변속기와 디퍼렌셜 기어의 관계처럼 편의적으로 배칠할 수도 없습니다. 그래서 유니버셜 조인트 중에서도 등속 조인트라는 유형을 사용합니다. 여러가지 구조가 있지만, 볼이나 롤러의 회전을 통해 각속도의 변황벗이 회전을 전달할 수 있습니다. 구조가 복잡한 탓에 훅조인트에 비하면 가격이 비쌉니다.

사륜구동

4WD, 즉 사륜구동이라고 하면 비포장도로나 험로를 주파하는 자동차를 떠올리는 사람이 많습니다. 분명 네바퀴 모두에 구동력이 전달되면서 길이 울퉁불퉁해서 어느 한쪽 타이어가 공중에 뜨더라도 잘 주행할 가능성이 높습니다. 그러나 4WD의 능력은 힘로 주파만이 아닙니다.

자동차는 타이어와 노면의 마찰력을 통해 구동력을 발휘하는데, 마찰력에는 한계가 있습니다. 실제로는 단위가 달라서 정확한 표현이라고 말할 수 벗지만, 가령 최대 100의 구동력을 발휘할 수 있는 엔진을 탑재한 자동차의 경우 2WD는 각 구동륜에 최대 50의 구동력을 발휘할 수 있고, 4WD는 각 구동륜에 최대 25의 구동력을 발휘할 수 있습니다.

주행 중인 도로의 마찰력 한계가 30이라고 가정하면, 2WD는 50의 힘을 타이어에 전달할 경우 휠 스핀이 일어나기 때문에 엔진의 힘을 억제해야합니다. 즉, 두바퀴를 합쳐서 60의 구동력밖에 발휘하지 못합니다. 그러나 4WD는 한바퀴에 25씩 모두 합쳐 100의 구동력을 온전히 발휘할 수 있습니다.

눈길이나 빙판길처럼 잘 미끄러지는 노면의 경우에는 이 차이가 크게 나타납니다. 마찰력의 한계가 10인 상태라면 2WD는 20의 구동력밖에 발휘하지 못하지만 4WD는 40의 구동력으로 안전한 주행을 할 수 있습니다.

선회를 할 때는 구동력과 사이드 포스 양쪽이 마찰력의 반력으로 나타나기 때문에 구동력 + 사이드 포스 = 마찰력의 한계 라는 관계가 성립합니다. 전체적으로 같은 구동력을 발휘하는 상황에서는 각 바퀴의 구동력이 나아지는 4WD의 사이드 포스가 커지므로 코너링이 안정됩니다. 그만큼 속도를 높일 수 있고 안정성도 높아집니다.