차동 기어(디퍼렌셜-Differential) - 자동차 안정성의 비밀
달리기 경기를 하면 안쪽에서 뛰는 사람은 바깥쪽에서 뛰는 사람보다 더 적은 거리를 뛰게 됩니다. 그래서 달리기 경기에선 레인을 교차해서 뛰도록 하죠. 공정하게 경기를 진행해야 하니까요. 그런데 자동차는 어떨까요? 만약 좌회전을 한다면 왼쪽 바퀴가 오른쪽 바퀴보다 더 적은 거리를 움직이게 되고 만약 이걸 같은 회전수로 움직인다면 오른쪽 바퀴는 더 빨리 돌아야 하고 왼쪽 바퀴는 더 느리게 돌아야해서 차가 엄청나게 불안정해 질껍니다. 그래서 등장했죠. 바로 디퍼렌셜 입니다.
목차
- 디퍼렌셜
- 디퍼렌셜의 기능
- 디퍼렌셜의 종류
- 디퍼렌셜 고장 증상
- 디퍼렌셜 수리 비용
- 마치며
디퍼렌셜
디퍼렌셜은 차량의 좌우 바퀴간의 회전 수 차이를 보정해주는 장치입니다. 앞서 말씀드렸듯이 커브를 돌 때 혹은 노면 상태가 다를때 좌우 바퀴가 동일한 속도로 회전하면 타이어 마모나, 조향 불안정 등이 생겨서 차량이 위험할 수 있죠. 그래서 디퍼렌셜이 각 바퀴에 적절한 회전력과 속도를 자동으로 배분해서 부드럽고 안정적인 주행이 가능하도록 돕는 장치 입니다.
디퍼렌셜의 기능
디퍼렌셜은 다음과 같은 기능을 보입니다.
- 회전 차이 보정 - 가장 핵심적인 디퍼렌셜의 기능입니다. 커브 구간 주행시 바퀴의 회전 차이를 허용해 조향의 안정성을 높이죠.
- 동력 분배 - 엔진에서 전달된 동력을 두 개의 바퀴로 나눠줍니다.
- 구동 손실 최소화 - 험로나 미끄러운 도로에서도 적절한 접지력을 유지하도록 돕죠.
- 구동 방식에 따라 센터에 위치하여 차량 전체 구동 성능을 높힙니다.
디퍼렌셜의 종류
디퍼렌셜은 1820년대에 등장했습니다. 그로 부터 거의 200년간 엄청난 발전을 이루기도 했죠. 지금의 디퍼렌셜은 거의 차량의 모든 제어를 하는 정도로 발전해 있습니다. 그래서 이야기 하지면 거의 끝이 없죠. 간단하게만 종류를 알아보겠습니다.
일반 디퍼렌셜(오픈 디퍼렌셜, Open Differential)
- 가장 기본적인 형태의 디퍼렌셜 입니다.
- 가장 기본적인 기능을 가지고 있죠. 커브 구간 주행시 좌우 바퀴 회전 속도 차이를 허용하여 부드러운 주행이 가능하도록 합니다.
- 하지만 치명적인 단점이 있는데 한쪽 바뀌가 미끄러지면 미끄러지는 쪽으로 오히려 동력이 더 집중된다는 것입니다. 디퍼렌셜이 상황을 오인해서 생기는 단점이죠.
- 일반적으로 커브를 돌때 바깥쪽이 바퀴가 더 많이 구르게 되는데 이때 바깥쪽으로 동력을 더 전할하도록 설계된것이 디퍼렌셜이다보니 미끄러지는 상황도 더 많이 굴러야 한다고 오인하여 동력을 오히려 더 배분해버리는 것입니다. 그래서 미끄러지지 않는 쪽이 동력을 받아서 미끄러운 상황에서 탈출해야 하는데 디퍼렌셜 때문에 오히려 갖히게 되는 상황이 발생하는 것입니다.
LSD (Limited Slip Differential)
위에 언급한 아이러니한 상황 때문에 등장한 것이 LSD (Limited Slip Differential) 바로 차동 제한 장치 입니다. LSD는 위와 같이 미끄러지는 상황이 발생할때 반대로 작동하도록 만들어졌습니다. 한쪽바뀌가 미끄러지면서 디퍼렌셜이 오히려 미끄러지는 쪽으로 동력을 더 배분할때 아에 동력을 다른 쪽으로 배분하여 미끄러지지 않고 탈출할 수 있도록 만든 것이죠.
LSD에는 다양한 작동 방식이 존제합니다.
- 기계식 LSD - 클러치나 기어 등의 마찰력을 이용하여 차동 기능을 제한하는 장치입니다.
- 비스커스 LSD - 점성이 있는 오일을 사용하여 오일의 저항력으로 차동 기능을 제한하는 장치입니다.
- 토르센 LSD - 웜 기어(나사선을 가진 긴기어)와 헬리컬 기어(비스듬한 톱니를 가진 기어)의 조합으로 토크 변화에 따라 차동 기능을 제한하는 장치입니다.
- 전자식 LSD - 최근 고성능 차량에서 많이 쓰이는 방식입니다. 기존에 단순히 차동을 제한 하는 것을 넘어선 기능을 가지고 있죠. 트랙션 컨트롤(TCS)와 함께 차량 전반의 자세 제어에 기여합니다. 덕분에 예전엔 숙련된 드라이버나 가능했던 고속 주행을 안정적으로 일반 사람들도 할 수 있도록 돕고 있죠. 주행 품질과 운동성에 많은 영향을 주기 때문에 각 자동차 제조사마다 개발에 노력을 하고 있는 장치이기도 합니다. 그덕에 부르는 이름이 많습니다. 현대에선 e-LSD라고 부르며, 기아에선 M-LSD를 쓰기도 했죠. 그리고 BMW에선 EDLC(Electronic Differential Lock Control)라고 하기도 했으며 토크 백터링이라고 하기도 하죠.
락킹 디퍼렌셜 (Locking Differential)
- 필요에 따라서 좌우 바퀴를 강제로 연결하여 회전수를 똑같이 만드는 장치입니다.
- 험로 주행시 사용되며, 탈출 확률을 크게 높이죠.
- 수동방식과 자동방식이 존재합니다.
센터 디퍼렌셜(Center Differential)
- 트랜스퍼 케이스를 소개할 때 잠깐 나왔던 장치 입니다.
- 4륜 또는 AWD 차량에 적용되는 전륜과 후륜 사이의 차동 장치이죠.
- 보통 디퍼렌셜은 좌우의 회전 차이를 담당하지만 트랜스퍼 케이스와 같이 작용하면서 전후 구동축 간의 회전 차이를 보정합니다.
디퍼렌셜 고장 증상
디퍼렌셜은 지속적인 회전운동에 노출되어 있고 또한 하체에서 높은 하중을 감당하고 있기 때문에 마모가 발생하기 쉽죠.
- 코너링 시 이질적인 소음 - 달그락 거리거나, 우웅 거리는 소리들이 들리게 됩니다.
- 진동 - 가속하거나 감속할때 진동이 생기게 되는데 디퍼렌셜의 기어가 마모되면 일어날 수 있습니다.
- 핸들링 문제 - 코너링 시 차량 회전이나 핸들링이 어려워 지며 차량이 불안정해 집니다.
- 오일 누출 - 디퍼렌셜 하우징 손상시 오일이 누출되죠. 디퍼렌셜 오일은 악취로 유명합니다.
- 경고등 점등 - 전자식 LSD의 경우 경고등이 점등되죠.
- 잠김 - 심한경우 디퍼렌셜이 잠겨 바퀴 회전이 멈출 수도 있습니다.
디퍼렌셜 수리 비용
| 고장 증상 | 일반 디퍼렌셜 | LSD(기계식,전자식 포함) | 센터 디퍼렌셜 |
| 곡선 주행 시 휘청임 or 소리 | 내부 기어 마모 / 마찰판 유격 | 마찰판 마모 or 클러치 작동 오류 | 토크 배분 오류 or 내부 마모 |
| 변속 충격 or 떨림 | 크라운기어 유격 or 오일 부족 | LSD 기계 마모 / TCU 오류 (전자식) | 점성 커플링 마모 or 록업 클러치 고착 |
| 바퀴 한쪽만 헛도는 느낌 | 일반 디퍼렌셜 특성 (정상 범위) | LSD 작동 안 됨 (오일 문제 or 전자 오류) | 앞뒤 토크 분배 안 됨 (액츄에이터 불량 등) |
| 곡선 코너링 시 뚝뚝뚝 타격음 | 사이드기어 마모 or 베어링 문제 | LSD 마찰판 마모 or 과도한 잠김 | 클러치식 센터디퍼 고착 |
| 구동축에서 쇠 긁는 소리 | 피니언 기어 마모 or 오일 혼입 | 내부 기계식 부품 손상 | 베어링 손상 or 오일 누유 |
| 심한 경우 구동불능, 회전불가 | 기어 파손 / 하우징 깨짐 | 내부 결합부 파손 (드문 편) | 전체 고장 시 구동력 손실 + 경고등 점등 |
| 항목 | 교체 / 리빌드 | 오일 교환 | TCU/전자식 부품 |
| 일반 디퍼렌셜 | 60만 ~ 120만 | 5만 ~ 10만 | 해당 없음 |
| LSD (기계식) | 80만 ~ 180만 | 8만 ~ 12만 | 없음 |
| LSD (전자식) | 100만 ~ 250만 | 10만 ~ 15만 | 50만 ~ 100만 |
| 센터 디퍼렌셜 | 100만 ~ 250만 | 10만 ~ 15만 | 포함됨 (일체형) |
국산차를 기준으로한 대략적인 금액입니다.
마치며
디퍼렌셜은 오랜기간 발전해온 장치이지만, 앞으로의 미래에도 많이 쓰일 것으로 생각하는 장치이기도 합니다. 물론 인휠모터(전기차 방식의 일종으로 모터가 바퀴 안에 있어 4바퀴 각각의 조절이 가능한 차량)가 나온다면 디퍼렌셜의 의미가 사라질 수도 있지만 저는 앞으로도 꽤 오랫동안은 디퍼렌셜이 사용될 것 같긴 합니다. 아무튼 이번엔 디퍼렌셜에 대해서 알아보았습니다. 디퍼렌셜의 이야기에 반도 소개 못한 것 같지만 재미있게 봐주셨으면 좋겠습니다.
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