차동기어

차동기어(differential gear)은 자동차의 엔진에 연결된 좌우 바퀴의 구동력을 나눠 분배하여, 좌우의 회전을 다르게 해주는 장치이다. 즉,한 기어가 다른 기어 주위를 돌며 동력을 전달한다.

개요

차동기어(differential gear)는 한 기어가 다른 기어 주위를 돌며 동력을 전달하는장치이다. 동력전달장치 중 선회시에 중요한 역할을 하는데, 차동기어는 자동차가 선회할 때, 회전각의 차이로 인해 달라지는 휠 스피드를 보정하여 엔진으로부터 온 동력을 양 바퀴에 적절하게 나누어 주는 역할을 한다. 차동 기어가 필요한 이유는 자동차가 회전할 때 즉, 자동차가 커브를 돌면 회전 방향의 안쪽에 있는 바퀴는 바깥쪽 바퀴보다 회전반경의 반지름이 작게되고 달리는 거리가 각각 다르게 된다. 안쪽바퀴의 회전수가 바깥쪽 바퀴보다 작아야 정상적으로 회전이 가능하다. 좌우 차의 바퀴의 회전수에 차이가 생겨도 안쪽 바퀴의 회전이 떨어진 만큼 바깥 바퀴의 회전수를 올리면 무리가 없이 커브를 돌 수가 있다. 이와 같은 동력전달장치로서 차동기어가 사용되고 있다. 만약 차동 기어가 없다면 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴가 똑같은 회전수로 회전하게 되고, 그로 인해서 극심한 차량이 코너를 돌 때 스티어링휠을 돌린 각도보다 차량의 회전각도가 커지는 현상이 발생하거나 양쪽바퀴 모두 슬립하게 되어서 차체가 매우 불안정하게 될 것이다. 바퀴가 슬립하면서 타이어의 마모가 심해지기도 한다.

원리

차동기어는 일단 두 개의 기어가 서로 맞물려서 회전함과 동시에, 기어축도 한쪽의 기어축을 중심으로 하고, 다른 쪽의 기어축이 회전할 경우, 이와 같은 기어의 조합을 유성기어장치라고 하고, 중앙에 있는 기어를 태양기어라고 하는데, 태양기어의 주위를 유성기어가 회전한다. 즉, 공전기어를 유성기어라 한다. 태양기어축과 유성기어축 및 그것들을 잇는 링크 중의 어느 2개에 운동을 주면, 다른 하나는 그 2개의 운동을 동시에 받아 회전한다. 직선도로 운행시 양쪽바퀴와 사이드기어가 동일한 속도로 회전하고, 차동 사이드기어와 피니언 간의 상대운동은 존재않는데, 이들은 케이스와 링 기어와 함께 하나의 장치를 이루어 회전하기때문이다. 따라서 사이드 기어와 물려있는 차동케이스는 피니언 샤프트 위에서 회전하지 않고 같은 속도로 회전하는 상태이다. 그리고 좌회전시 오른쪽 바퀴가 왼쪽 바퀴보다 더 빨리 회전하며, 사이드기어와 피니언은 서로 상대적으로 회전하게된다. 링 기어는 좌우바퀴의 평균 회전 속도로 회전한다. 바퀴와 전동장치를 중간에서 잭으로 들어올린 상태에서 기어를 중립으로 놓고 한쪽 바퀴를 회전시키면, 다른 쪽 바퀴는 속도는 같지만 반대방향으로 회전 하게 된다. 결국 안쪽바퀴의 회전은 줄고, 바깥쪽 바퀴의 회전속도는 올라간다.

구조

차동기어는 종감속기어의 링기어와 일체형인것을 알수있는데, 추진축에서 온 동력이 피니언기어에서 링기어로 전달이 된다. 링기어의 회전은 곧 구속되어있는 차동기어의 일부인 차동 피니언기어의 회전이 된다. 차동기어는 차동 피니언 기어와 차동 사이드 기어로 이루어져있는데, 차동사이드기어의 회전은 구동축으로 휠의 회전을 의미한다. 따라서 입력값인 차동 피니언 기어를 차동기어의 핵심으로 볼 수 있다. 차동 피니언 기어는 2가지 운동이 존재한다. 첫번째는 링기어와의 구속으로 인한 구동축을 중심으로 공전하는 회전운동 있고 차동 피니언기어의 중심을 기준으로 자전하는 회전운동이 있다. 전자는 구동 중에는 항상 존재한다. 자전운동이 일어나지 않는 경우는 직진시 양 휠의 속도가 같을 때이다. 오로지 링기어의 속도 공전하는 차동피니언기어가 같은 힘으로 양사이드기어를 밀어주어서 같은 속도로 사이드기어가 회전하게 되는것이다. 반면, 선회시에는 양 바퀴에 속도가 다르게 걸려야 한다. 같은 속도로 간다고 하면 스핀이 발생하게도는데, 이때, 양 타이어에 걸리는 마찰저항이 다르게 작용하는 상태이다. 그 마찰저항이 어떻게 보면 다시 입력 되어 차동피니언기어에 전달이 됩니다. 차동피니언기어는 자전을 통해 양 타이어 마찰저항의 합을 받아서 같은 크기의 마찰저항으로 양 축에 되돌려 준다. 이로써 양 바퀴의 속도는 다르지만 미끄러지지 않고 안정적으로 그립을 하는 상황이 만들어진다. 사실, 이 모든 상황은 동시에 이루어진다. 따라서 같은 속도로 갈 일도 없고, 마찰저항이 다르게 작용이 될 시간도 없이 알아서 피니언기어가 마찰저항을 보정해 준다. 기계적으로 연결되어 있으니까 응답성이 즉각적이다.

장단점

장점

차동기어의 장점은 레일 위에 있는 열차처럼 슬립 현상에 안전하지 않은 조건에서 자동차가 곡선주행을 가능하게 해준다는 점이다.

단점

차동 기어의 단점은 양쪽 바퀴의 마찰력의 차이가 극단적일 경우 운행이 불가능 할 수도 있다는 점이다. 예를들어 눈길이나 늪지대 같이 접지력이 상시적으로 변하는 험로를 간다거나 험로를 운행하다가 차량의 한쪽 바퀴만이 웅덩이나 빙판에 빠졌을 경우, 빠지지 않은 쪽의 바퀴는 가만히 있고 웅덩이나 빙판에 빠진 쪽의 바퀴만 열심히 헛바퀴를 돌면서 차량이 출발하지 못하는 것을 보았을 것이다. 웅덩이나 빙판에 빠진 쪽의 바퀴의 마찰력이 작아서 그쪽으로만 엔진의 구동력이 전달되고 반대쪽의 바퀴에는 구동력이 전혀 전달되지 않아서 험로에서 탈출할 수 없는 것이다. 그리고 구조적인 문제점도 있는데, 엔진과 바퀴 높이의 상관관계이다. 동력원과 바퀴를 베벨기어로 연결하게 되면, 엔진 축과 바퀴의 축이 일직선 상에 놓이게 되어 전고가 높아지게 되며 이로 인해 안정성에 문제가 생긴다. 또한 후륜 자동차의 경우 동력 축이 내부를 가로지르며 불편함을 격는다.

문제 해결

구동력 제어 시스템

TCS(Traction Control System) = 가속 상황에서 미끄러지는 상황을 인식해 인위적인 마찰력을 가해주는 시스템

차동 제한 장치

LSD(Limited Slip Differential) = 일정 비율 이상으로 회전수 차이를 나지 않게 하는 장치 양쪽의 바퀴의 회전수가 일정 수준 이상으로 차이나면 회전수가 적은 쪽으로 구동력의 일부를 보내서 그 차이를 일정 수준 이하로 제한, 더 많은 접지력을 가지는 바퀴로 더 많은 토크를 전달하는 장치이다.

차동 잠금 장치

차동 기어를 잠궈 양쪽 바퀴가 똑같은 회전수로 회전할 수 있도록 하는 장치이다. 방식에는 수동과 자동이 있으며, 수동은 사용자가 직접 작동을 시켜야 하는 방식이고 자동은 좌우 바퀴가 일정 회전수 이상 차이가 나면 자동으로 잠기는 방식이다. 잠금장치의 장점으로는 구조적으로 매우 단순하게 생겼으며 내구도가 높고 한쪽면만 접지가 확실하게 되어있으면 웬만한 험로가 다 탈출이 가능하다는 점이 있지만, 눈길처럼 미끄러운 지형에서는 차동제한장치보다 못 할 정도로 잘 미끄러져서 사용하기 힘들며, 차동 잠금장치의 경우 미끄러지는 상황에서 좌우 회전차가 다르다고 인식하여 갑자기 차동 기어가 잠겨버려서 큰 사고를 일으킬 수도 있다는 단점이 있다. 일반적인 승용차나 도시형 SUV에는 거의 탑재되지 않고 험로를 달려야 하는 정통 오프로더나 픽업트럭에 주로 탑재된다.

하이포이드 기어

이후에 베벨기어 대신에 하이포이드 기어를 사용하여 높이를 바꿀 수 있게 됩니다.보이는 것과 같이 하이포이드 기어는 두 축이 교차하지 않아도 사용이 가능하여 바퀴축을 차량 바닥 아래로 내릴 수 있습니다. 또한 소음과 진동이 낮게 발생하는 장점이 있습니다.

같이 보기

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