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차동장치
차동장치(differential)는 3개 축으로 구성된 기어 트레인이며 이는 한 축의 회전속도가 다른 축들의 평균 회전속도 또는 평균 회전속도의 고정된 배수로 되는 특징을 갖고 있다.
개요[편집]
자동차 차동장치는 좌, 우 구동륜이 서로 다른 회전속도로 회전하게끔 해주는 장치이다. 기본적으로 좌우의 차동 사이드 기어(Side Gear, 半轴齿轮), 2개의 차동 피니언 기어(Spider Gear, 行星齿轮), 링기어(Ring Gear)로 구성된다. 사륜구동의 경우에는 자동차의 회전 각속도의 일치성을 유지하고자 중간 차동장치를 적용하여 전후륜의 회전속도 차이를 조절한다. 엔진의 동력은 구동축을 통해 차동장치로 전달되어 링기어를 회전시키고 이에 따라 차동 사이드기어가 구동되면서 좌우 반축을 회전시켜 좌우 바귀를 구동한다. 차동장치의 설계는 좌반축 회전속도+우반축 회전속도=2x링기어 회전속도 라는 요구를 만족시킨다. 직진 주행시 좌우 바퀴 회전속도와 링기어 회전속도는 평형상태에 처해 있고 회전 시에는 3자의 평형상태가 무너지면서 내측 바퀴의 회전속도가 낮아지고 외측 바퀴의 회전속도가 높아진다. 차동장치의 원리를 이용하여 동력을 전달하는 바퀴의 좌우에는 항상 이 차동장치가 들어가게 된다. 네 바퀴 굴림 자동차에는 엔진의 동력을 앞바퀴와 뒷바퀴에 동시에 전달하게 된다. 이 차가 선회할 때는 좌우 바퀴 간은 물론 앞바퀴와 뒷바퀴 간에도 달려야 할 거리의 차이가 생기게 된다. 이럴 때는 차동장치를 앞바퀴와 뒷바퀴 사이에 하나를 더 달아주어 앞바퀴와 뒷바퀴 간에 발생하는 회전 거리의 차이를 흡수해 주어야 한다. 이렇게 앞과 뒤를 차축사에 장착되는 차동장치를 센터 디프렌셜 유닛이라고 부른다. 항상 네 바퀴를 굴리는 것이 아닌 선택적인 사양으로 적용된 차에는 센터 디프렌셜이 없어 네 바퀴 굴림으로 운전할 때는 선회 시의 감각이 매우 무거워짐을 알 수 있다.[1]
작동원리[편집]
차동장치의 작동은 자동적으로 이루어지며 여기에는 최소 에너지 원리가 적용된다. 즉 지구상의 모든 물체는 잠재 에너지를 최소화하는 쪽으로 변형 또는 변위한다는 원리이다. 선회할 때 내측 바퀴와 외측 바퀴는 노면으로부터 받는 압력차(비틀림 압력)가 발생하면서 최소 에너지 원리가 적용되어 양측의 회전속도가 틀려진다. 이것이 반축을 통해 차동 사이드 기어에 반영되면서 차동 피니언 기어 자전이 발생한다. 비틀림 압력이 클수록 차동 피니언 기어 자전이 빨라지면서 내측 반축의 회전속도를 줄이고 외측 반축의 회전속도를 높여 양측 바퀴의 회전 각속도를 일치하게 한다. 또,가운데의 직선형으로 된 톱니바퀴가 위로 들어 올려지면 양쪽에 매달려있는 기어 두 개도 같이 들려 올라갈 것이다. 그런데 만일 양쪽의 기어 중 오른쪽 하나를 회전할 수는 있게 하지만 위로는 올라가지 못하도록 손으로 잡고 있는 상태에서 가운데의 기어를 들어 올리면 왼쪽의 기어는 가운데 기어의 속도보다 두 배의 속도로 들려 올라가게 된다. 따라서 이 세 개의 기어 사이에는 아래와 같이 표현할 수 있는 수학적 관계가 항상 성립하게 된다.
차동장치의 원리: 2 x 가운데 기어 속도 = 왼쪽 기어 속도 + 오른쪽 기어 속도[1]
구조와 기능[편집]
자동차가 선회할 때에 바퀴와 노면 사이에 미끄러짐이 없다고 가정하면 바깥쪽 바퀴는 안쪽 바퀴보다 많이 회전하여야 한다. 그리고 일직선 상의 노면을 주행하더라도 노면의 요철이 있는 경우 요철이 심한 노면에 놓여 있는 바퀴는 반대편 바퀴에 비하여 빨리 회전하여야 직진이 이루어진다. 이와 같이 주행 조건에 따라 좌우 구동 바퀴의 주행거리가 달라지는 경우 좌우 구동 바퀴를 한 개의 축으로 고정해서는 안되므로 차축을 좌우 별도로 둘로 나누고 그 중앙에 차동 기어를 설치하여 좌우의 차축 및 바퀴가 서로 단독으로 회전하도록 한 것이 차동장치이다. 차동장치의 구조로는 차동 케이스 내에 차동 피니언이 피니언 축에 결합되고 여기에 직각 방향으로 2개의 사이드 기어가 무려 있다. 사이드 기어의 중심부는 스플라인으로 되어 있고 구동축인 차축과 결합되어 있다. 구동 피니언으로부터 동력을 받는 링 기어는 구동 피니언과 함께 종감속을 하며 차동 기어 케이스와 볼트로 결합되어 있다. 예를 들어 자동차가 평탄한 길을 직진하는 경우는 좌우 구동바퀴의 회전저항이 같으므로 사이드 기어에 걸리는 저항도 같다. 따라서 피니언 기어는 공전만 하므로 좌우의 사이드 기어의 회전수는 같아지며, 따라서 구동바퀴의 회전수도 같아져 직진이 된다. 왼쪽으로 선회할 때는 왼쪽 바퀴에 걸리는 저항이 오른쪽 바퀴에 걸리는 저항보다 크므로 차동 피니언은 공전과 함께 왼쪽 사이드 기어의 저항에 의한 자전도 동시에 한다. 따라서 왼쪽 사이드 기어의 회전수는 차동 피니언의 공전 회전수 - 차동 피니언의 자전 회전수가 되고 오른쪽 사이드 기어의 회전수는 차동 피니언의 공전 회전수 + 차동 피니언의 자전 회전수가 되어 좌회전이 된다. 다음으로 왼쪽 바퀴가 고정된 경우 즉, 오른쪽 구동바퀴가 수렁 등에 빠져 바퀴에 전혀 저항이 없는 경우와 같다. 이 상태에서는 차동 피니언이 공전하면서 좌우의 사이드 기어를 회전시키려 하지만 왼쪽의 사이드 기어에는 저항이 많아 고정되어 있는 것과 같고, 오른쪽 사이드 기어에는 저항이 전혀 없는 상태이므로 차동 피니언이 공전하기 위해서는 고정되어 있는 왼쪽 사이드 기어 위를 굴러 차동 피니언이 자전을 하면서 공전을 하여야 한다. 따라서 오른쪽 사이드 기어는 차동 피니언의 공전에 의한회전수와 자전에 의한 회전수의 합만큼 회전하게 된다. 즉, 차동 피니언 공전의 2배만큼 오른쪽 사이드 기어가 회전하게 된다.[2][3]
자동차 선회시의 운동[편집]
요즘의 승용차는 주로 앞엔진 앞바퀴 구동 방식(Front Engine Front Drive)을 취하여 차축 장치를 볼 수 없는 경우가 많지만 과거 앞엔진 앞바퀴 구동 방식의 자동차가 나오지 않았을 때는 거의 모든 차가 앞엔진 뒷바퀴 구동 방식(Front Engine Rear Wheel Drive)의 구동 방식을 취했으며 이 때는 차축이라는 것이 뒷바퀴 두 개 사이에 있었다. 그 안에는 그 유명한 차동장치가 들어 있었다. 그러나 요즘의 앞엔진 앞바퀴 구동 방식의 동력 전달 장치를 가지는 자동차에서도 이것이 없어진 것은 아니고 단지 변속기 안으로 들어가 버렸기 때문에 보이지 않을 따름이다. 이 차동장치가 하는 일은 자동차가 선회할 때 좌우 바퀴가 돌아야 하는 거리의 차이가 생기게 되는데 차동장치가 이것을 자동적으로 해결해 주는 일을 한다. 파워트레인 분야에 종사하는 사람이면 누구나 이 차동장치를 발명한 사람의 천재성에 감탄을 금치 못한다고 하는데, 원자 폭탄보다도 더 훌륭한 발명이라고 해도 전혀 과찬이 아닐 정도라 한다. 이 차동장치는 몇 개의 기어를 조합한 것으로 하나의 동력 전달 축으로 들어오는 동력을 두 개의 축으로 꼭 같은 속도로 나누어 주는데 만일 동력을 전달해야 할 두 대의 축간이 서로 속도의 차이가 있어야 한다면 그것이 자동적으로 이루어지게끔 해주는 장치인 것이다.[1]
- 자동차 선회 시의 운동 : 오른쪽 바퀴의 회전 반경이 훨씬 크므로 달려야 할 거리가 길어지게 된다.
- 선회 시 : 선회하는 좌우 바퀴의 구르는 거리는 다르기 때문에 안쪽 바퀴의 회전은 줄고, 바깥쪽 바퀴의 회전 속도는 증가된다.
- 직진 시 : 좌우바를 구르는 거리가 동일하므로 사이드 기어와 물려 있는 차동 케이스는 피니언 샤프트 위에서 회전하지 않고 같은 속도로 회전
- 차동케이스 : 링기어와 일체로 되어 있으며, 회전력은 축에서 구동 피니언-> 링기어 -> 차동 케이스 -> 차동 피니언 -> 사이드 기어 -> 액슬 샤프트 등의 순서로 전달하게 된다.[4]
용도[편집]
차동장치의 용도로는 동력 전달 및 회전축 방향 변경과 감속 및 회전력 또는 토크 증대 등이 있다. 동력 전달 및 회전축 방향 변경은 바퀴의 축에 수직으로 전달되는 힘을 바퀴에 온전히 전달하기 위해 회전축을 변경하는 것이고, 감속 및 회전력(토크) 증대는 변속기에서 나온 동력은 속도가 빠르지만 아직 바퀴를 돌리기에는 구동력이 부족하지만, 기어비를 통해 속도를 낮추면 토크가 증대하는데 이를 통하여 구동력을 보정하는 용도로 사용된다. 보통 승용차는 3~5의 감속비를, 승합 차는 5~11정도의 감속비를 사용한다고 한다. 그런데 종감속기어를 설치하지 않고 변속기에서 한 번에 기어비를 맞춰서 회전력을 보정할 수 있지 않는 가 하는 의문이 들 수 있다. 변속기로 기어비를 모두 결정하기에는 변속기의 크기에 한계가 있다. 흔히들 사용되는 6단 자동변속기 1단의 기어비가 4 대 1 정도 된다. 그런데 종감속비가 없다면 최소 약 10 대 1정도의 기어비를 맞춰야 하는데, 이는 유성 기어를 더 설치해야 하고 크기도 커질 것이다. 따라서 변속기 크기의 증대를 야기한다. 어떻게 보면 자동차의 무게 중심을 맞추는 데에도 종감속기어가 요긴하게 쓰인다고 볼 수 있다.[3]
종류[편집]
- 오픈 디퍼런셜(Open differential) : 가장 보편적인 차동장치 형식으로서 승용차가 선회할 때 두 바퀴가 서로 다른 속도로 회전하게 한다. 여기에서 오픈은 잠금과 대응하면서 나타났다.
- 차동 잠금 장치(Locking Differential) : 험한 도로 또는 직진성을 특히 중시한 주행 등의 경우 구동륜의 좌우를 일축으로 접속고정하여 좌우가 동일하게 회전하도록 하는 장치.
- 차동 제한 장치(LSD: Limited Slip Differential) : 1990년대 말부터 2000년대 초반에 오프로드 성능을 강조한 SUV에 적용되기 시작하면서 유행되었다. 차동 제한 장치는 양쪽 바퀴의 회전 수가 일정한 수준 이상으로 날 때 회전수가 적은 바퀴로 구동력의 일부를 보내 회전수의 차이가 일정한 수준을 넘지 못하게 해준다. 종류로는 토르센(Torcen) LSD, 비스커스 LSD, 다판 클러치식 LSD 등이 있다.[5]
- 전자식 차동 제한 장치(ELSD: Electronic limited slip differential) : 전자 제어 방식의 클러치를 이용하여 자동차 바퀴의 구동력을 제어하는 장치이다. 2017년 9월에 출시되었다.
- 토크 벡터링 차동장치(TVD: Torque Vectoring Differential) : 전자식 토크분배장치로서 브레이크 제어나 엔진출력을 떨어트리지 않고 선회반경 바깥쪽의 앞 뒤 바퀴에 구동력을 추가적으로 제공한다. 전자식 4륜구동(4WD) 모델의 경우, TOD(Torque on Demand)와 비스커스 커플링, 토센기어 등을 이용해 전륜과 후륜의 구동력을 분배하는 시스템이 적용되고 있으며 일부 4WD 시스템은 전륜과 후륜의 구동력 분배뿐 아니라 LSD처럼 좌우 바퀴의 구동력을 제어하기도 한다. 이외 디퍼렌셜을 프로펠러샤프트와 같은 구동축 대신 전기모터와 연결해 좌우 구동력을 분배해 주는 전자식 디퍼렌셜(e-Differential)도 있다.[6]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 1.2 henry0009, 〈차동장치〉, 《네이버 블로그》, 2014-01-18
- ↑ 조길동, 〈종감속 기어 및 차동장치 알아보기〉, 《티스토리》, 2021-02-21
- ↑ 3.0 3.1 토미, 〈종감속기(Final Drive),종감속기어(Final Reduction Gear)〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-29
- ↑ 카즈요시, 〈차동장치와 종감속기어〉, 《네이버 블로그》, 2009-05-10
- ↑ 〈LSD〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 오토헤럴드, 〈스팅어의 기계식 LSD와 토크 벡터링은 무슨 차이?〉, 《네이버 포스트》, 2017-09-01
참고자료[편집]
- "Differential (mechanical device)", Wikipedia
- 차잘알, 〈차동 기어 장치 와..이걸 어떻게 설명해야 쉬울까〉, 《네이버블로그》, 2020-09-30
- 토미, 〈차동기어(Differential)〉, 《네이버 블로그》, 2018-01-03
- 〈Differential-Pocket-Study-Guide-Ugears-STEM-lab-kor.pdf〉, 《UGEARS》
- 〈差速器〉, 《百度百科》
- "Types of Differential and How They Work", MAT FOUNDRY GROUP
- 조길동, 〈종감속 기어 및 차동장치 알아보기〉, 《티스토리》, 2021-02-21
- 카즈요시, 〈차동장치와 종감속기어〉, 《네이버 블로그》, 2009-05-10
- henry0009, 〈차동장치〉, 《네이버 블로그》, 2014-01-18
- 토미, 〈종감속기(Final Drive),종감속기어(Final Reduction Gear)〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-29
같이 보기[편집]
