사륜구동 자동차의 구동방식 종류

안녕하세요~! 쮜범이입니다 ^_^

 

출처 - https://bit.ly/3jIFkPJ

4륜 구동방식은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 파트타임 4륜 구동 방식과 두 번째는 풀타임 4륜 구동방식이다. 이 두 가지는 비슷하나 큰 차이점이 있으며 근본적인 목적 자체가 다르다.

단순하게 용어 그래도 생각해보자. 파트타임 4륜 구동은 운전자의 조작에 따라 2륜 구동 혹은 4륜 구동을 선택적 주행이 가능하다는 것을 의미하고 풀타임 4륜 구동은 상시 네 바퀴에 구동력이 전달되어 주행이 가능하다는 것을 의미한다.

파트타임은 구동력이 전해지는 바퀴만 있으면 그 바퀴로 눈길, 빗길, 험로와 같이 주행조건이 악조건의 상황에 놓여 있을 때 탈출을 하는 것에 있어서 주목적으로 한다. 풀타임은 고른 구동력의 배분으로 보다 안정된 주행성능을 갖는 것에 있어서 주목적으로 한다.

가끔 우리가 길을 지나가다가 근육질의 오프로드 성향이 강한 SUV들은 트렁크에 4X4 앰블럼이 붙어 있는 것을 볼 수 있다. 4X4는 영어로 'Four By Four(포 바이 포)'라고 읽는다. 앞의 숫자 4는 바퀴의 수를 의미하며 뒤의 숫자 4는 총 구동 바퀴수를 의미한다.

4륜 구동 방식의 자동차가 2륜만 구동하면서 달리는 경우를 굳이 표현하자면 4X2(포 바이 투)를 사용한다. 해석하자면 4개의 바퀴를 가지고 있지만 2개의 바퀴를 구동해서 주행한다라는 뜻이다. 그러나 이런 표기 방법은 그냥 단순히 후륜 구동 전륜 구동이라고 부르고 있으니 굳이 이렇게까지 사용할 필요는 없다.

(※ 헷갈리는 덤프트럭의 경우 6X4라고 표기함. 뒷바퀴에 2개씩 장착된 휠&타이어는 두 개를 합쳐서 하나로 만들었기 때문에 바퀴 수를 정하자면 하나로 칭한다. 샌드위치와 같이 2개를 하나로 축약시켜놓은 것인데 이를 전문 용어로 복륜이라고 한다.)

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A. 가끔 우리가 길을 지나가다가 근육질의 오프로드 성향이 강한 SUV들은 트렁크에 4X4 앰블럼을 제외하고도 눈에 띄는 앰블럼들은 몇 개가 더 있다. 바로 4WD와 AWD라는 앰블럼인데 이 둘은 추구하는 바는 같으나 엄연히 다른 차이점을 가지고 있다.

B. 4WD(Four Wheel Drive)는 어떤 상황에서 4륜 구동으로 혹은 2륜 구동으로 변경할 수 있는 파트타임 4WD를 지칭하는 용어로 사용된다. 그리고 풀타임 4WD도 있는데 이는 추후 개발된 AWD로 명칭이 변경된다. AWD(All Wheel Drive)은 언제나 모든 바퀴가 구동된다는 뜻으로 풀타임 4WD를 지칭하는 용어로 사용된다.

1. 파트타임 4WD

파트타임 4륜 구동방식의 자동차를 보면 변속기 레버 옆에 변속레버가 더 추가되거나 별도의 버튼이 있는 것을 볼 수 있다. 이 변속레버나 버튼은 트랜스퍼 변경 기능이라 부르고 4륜 구동과 2륜 구동을 전환해주는 역할을 한다. 파트타임 4WD의 이전 방식은 수동으로 변경할 수 있도록 레버가 존재하고 진화된 방식은 전자 버튼 방식으로 전기 모터가 작동해서 변경해주는 역할을 한다.

이 트랜스퍼 변경 기능(변속 레버나 변속 버튼)을 보면 2H, 4H, 4L라고 적혀있는 것을 볼 수 있다. 2H(High)는 2륜 하이기어, 4H(High)는 4륜 하이기어, 4L(Low) 4륜 로우기어를 의미한다.

1. 2H(High)는 2륜 하이기어는 2개의 바퀴만 구동된다.

2. 4H(High)는 4륜 하이기어는 4개의 바퀴로 구동된다.

(변속비는 2륜 구동시와 동일함.)

3. 4L(Low) 4륜 로우기어는 4개의 바퀴로 구동된다.

(변속비는 바뀜. 가장 구동력이 강한 경우이며 약 2배 정도 느려지고 2배 정도의 힘이 세진다.)

2. 풀타임 4WD = AWD

풀타임 4륜 구동방식에서 가장 중요한 장치는 차동기어(디퍼렌셜, Differential Gear)다. 차동기어는 같은 차축에 연결된 타이어의 회전수의 차이를 만들어주어 보정해주는 장치다. 차량이 직진만 한다면 굳이 차동기어를 장착할 필요가 없어진다. 그러나 자동차는 그렇지 않다. 운전 상황에서 코너를 선회할 상황도 생기고 직선과 곡선을 자주 마주칠 일이 생기기 때문이다.

이로 인해 구동축 중간에 차동기어를 넣어 양쪽 바퀴의 회전 반경차이를 보정해주는 아주 중요한 역할을 하게 된다. 후륜 구동 및 전륜 구동을 사용하는 2륜 방식과 네 바퀴 모두 구동을 사용하는 4륜 모두 차동기어는 장착될 수밖에 없다.

전륜 구동방식이면 앞 차축에 차동기어가 들어가며 후륜 구동방식이면 뒤 차축에 차동기어가 들어간다. 그리고 네 바퀴를 모두 구동하는 4륜 구동방식은 앞/뒤 모두 각각 차동기어가 들어간다.

이렇게 앞/뒤 차축에만 각각 차동기어가 들어가면 각 차축의 양쪽 바퀴의 회전 차이는 보정해 줄 수가 있다. 그러나 앞바퀴와 뒷바퀴 회전차이는 보정을 할 수 없게 된다. 자동차의 메커니즘을 잘 살펴보면 차량이 선회해야 하는 상황에서 회전하게 되면 내륜차와 외륜차가 생기는 것을 알 수 있다.

회전 시에는 앞바퀴보다 뒷바퀴가 훨씬 더 작은 궤적으로 호를 그리게 된다. 그래서 앞차축과 뒤차축 사이에 차동기어를 하나 더 장착하게 된다. 이 양차축 사이에 들어가는 차동기어는 '센터 차동기어(센터 디퍼렌셜)'라고 한다. 이로 인해 풀타임 4륜 구동 차량에는 모두 3개의 차동기어가 들어가는 구조를 갖게 되며 이로 인해 네 바퀴 모두 차동기어로 연결된다.

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디퍼렌셜(Differential)의 발전 과정

구글 검색 : 베벨 기어

회전수를 보정해주는 차동기어는 베벨기어로 구성되어 있다. 그러나 이 베벨기어 차동기어는 한 가지 문제점을 지니고 있다. 한쪽 바퀴가 진흙이나 눈길에 빠지고 다른 한쪽 바퀴는 마른 노면에 있는 경우 가속을 하면 빠져있는 바퀴 쪽으로만 구동력을 전달한다는 점이다.

접지력이 살아있는 반대편 바퀴로 구동력을 전달하면 바퀴가 빠졌을 때 탈출이 용이할텐데 베벨기어식 차동기어는 그 기능이 떨어진다는 단점이 있다.

이런 경우, 풀타임 4륜 구동은 네 바퀴가 모두 3개의 차동기어에 의해서 연결되어 있기 때문에 어느 한쪽 바퀴가 빠져있어서 나머지 세 바퀴가 멍하니 놀고 있고 빠진 바퀴만 열심히 일하고 있으니 결구 2륜 구동 방식과 별반 차이가 없어진다. 그러니 더 값비싼 비용으로 4륜 구동을 구매할 이유가 사라진다.

출처 - 아우디 공식 홈페이지 기술 자료(센터 디퍼렌셜)

그러나 가만히 앉아만 있을 제조사들이 아니다. 결국 시간이 지나면서 이를 해결할 방법도 등장한다. 이를 해결하기 위해 가장 쉬운 방법은 센터 차동기어에 락(LOCK)을 걸어주는 것이다. 락을 걸게 되면 앞 차축과 뒤 차축 중 어느 한쪽만 구동력이 살아있다면 바퀴가 빠져있더라도 탈출이 가능하다.

위에서 언급했듯이 열심히 일하던 녀석에게 일을 중단시키고 마냥 놀던 녀석에세 일을 시키는 격이 된다. 그러니 접지력이 살아있는 바퀴에 구동력이 전달되어 탈출이 가능할 수 있도록 만들어준다.

그러나 센터 차동기어에 락(LOCK)을 걸어주는 것도 마냥 해결 방법은 아니었다. 앞/뒤 4바퀴가 모두 빠졌을 경우 혹은 대각선 방향으로 앞/뒤 바퀴 하나씩 빠졌을 경우가 있다. 이때는 센터 차동기어뿐만 아니라 차축에 있는 차동기어도 락(LOCK)을 해야 한다.

이와 같이 차동기어에 락(LOCK)을 걸수 있는 장치가 생기면 운전자가 필요에 따라 차동기어 작동에 있어서 제한을 하기도 하고 풀 수도 있다. 그러나 이는 운전자의 의지대로 작동하기 때문에 사람이 실수를 하면 원상태로 복귀시키는 작동도 해야만 한다. 탈출을 위해 차동기어에 락을 걸었다면 탈출 이후에는 걸었던 락을 풀어야 한다. 잠긴 상태로 평상시 주행을 동일하게 하면 디퍼렌셜의 고장을 초래할 수 있기 때문에 약간의 불편함이 생긴다.

사람은 누구나 실수하기 마련이다. 그렇다보니 이를 깜빡하고 락을 작동시킨 상태로 주행을 하다가 디퍼렌셜을 망가뜨린 경우가 종종 생기니 제조사들은 또 한 번 새로운 방식의 차동기어를 개발했다. 운전자가 신경을 안 써도 자동차 스스로가 판단해 차동기어를 제한하기도 하고 풀기도 하는 편리하고 새로운 차동기어가 탄생했다.

디퍼렌셜 기어(Differential Gear) 종류

조금 더 똑똑해진 차동기어는 LSD(Limited Slip Differential), ABD(Automatic Braking Differential), TCS(Traction Control System)과 같이 차체 제어장치가 여러 장비들과 통신을 통해 전자적으로 제어하는 스마트 차동기어로써 작동하고 있다.

LSD(Limited Slip Differential)는 좌/우 중 한쪽 바퀴가 헛돌경우 차동기어에 의해 헛도는 쪽으로면 구동력이 배분되는 것을 스파이더 기어를 채용해서 일정 이상의 회전력이 무부하로 걸렸을 때 일시적으로 차동기어의 작동을 제한하는 장치다. 무부하 상태는 보통 30km/h 정도의 회전력을 의미하는데 무조건 이 이상의 속도에서 무조건적으로 LSD가 작동하는 것이 아니라 무부하로 슬립이 일어날 경우에만 작동하는 구조다.

ABD(Automatic Braking Differential), TCS(Traction Control System)는 양쪽 바퀴의 회전차를 전자 센서가 감지해서 가장 이상적으로 구동력을 배분하는 방식이다. 요즘 출시되는 풀타임 4륜 구동은 ABD라는 명칭으로 사용되며, 고급승용차에는 TCS라는 명칭으로 사용된다.

LSD(Limited Slip Differential), ABD(Automatic Braking Differential), TCS(Traction Control System)과 같이 차체 제어장치는 모두 앞/뒤 차축의 차동기어 내에 적용되므로 굳이 풀타임 4륜 구동이 아니더라도 파트타임 4륜 구동 방식이나 2륜 구동 차량에도 적용할 수 있다는 점이 있다.

풀타임 4륜 구동에서 가장 큰 비중을 차지하는 것이 바로 센터 차동기어다. 베벨기어 방식의 센터 차동기어는 구동력을 앞/뒤 골고루 50:50까지 배분한다는 점이 있는데 이는 약점으로 작용할 수 있다.

가장 이상적인 비율이라고 할 수 있는데 왜 약점이냐면 아스팔트와 같이 접지력이 좋은 도로에서도 언제나 50:50으로 구동력을 배분하기 때문에 네 바퀴를 언제가 구동하기 때문이다. 이렇게 되면 굳이 네 바퀴를 굴리지 않아도 되는 상황에서 필요 없는 구동력이 낭비되고 이로 인해 연비가 나빠지게 된다. 빠른 타이어 마모는 덤으로 추가된다.

가장 이상적인게 약점이 되는 만큼 좀 더 지능적으로 도로 상황에 맞게 자동으로 구동력 배분이 이루어져야 한다. 접지력이 좋은 일반 아스팔트 포장도로에서는 뒷바퀴로만 구동력을 전달해주고 악조건 상황의 비포장도로에서는 앞쪽에도 구동력을 전달해주는 등 필요에 따라 움직이는 역할이 중요해졌다. 즉, 즉각적인 상황에 알맞게 10:90, 20:80, 50:50, 80:20, 90:10 등 아주 다양하고 세분화하여 변화시킬 수 있는 능력을 갖는 게 중요해졌다.

비스커스 커플링(Viscous Coupling)

그래서 또 한번 등장한 새로운 방식의 차동기어가 탄생한다. 새롭게 발전된 차동기어에는 비스커스 커플링(Viscous Coupling)이 사용된다. 비스커스 커플링 방식은 간단하게 설명하자면 오토 미션의 토크 컨버터(Torque Converter)와 비슷한 원리를 지니고 있다.

토크 컨버터의 기본적인 방식은 두대의 선풍기를 서로 마주 보게 한 후 한쪽 선풍기를 돌리면 마주 보고 있는 다른 선풍기로 이에 따라 같이 돌게 만드는 구조다. 즉, 2개의 원판 사이에 점성이 큰 오일을 넣어 한쪽 원판이 회전하게 되면 이에 따라 오일이 회전하게 되고 이는 결국 다른 한쪽의 원판도 돌게 되는 방식을 이용한 것이다.

한쪽 바퀴가 빠져서 헛돌게 되면 원판 간의 회전차가 커지려고 할 때 중간 매개체의 점성이 큰 오일이 큰 저항으로 작용해서 빨리 돌려고 하는 원판은 빨리 회전할 수 없도록 방해하고 마주 보고 있는 원판에 강제적으로 회전력을 줄 수 있게 된다. 이런 원리로 구동력을 상황에 맞게 적절하게 배분할 수 있도록 만들어준다.

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