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전륜구동
전륜구동(前輪駆動, Front Wheel Drive)은 엔진에서 앞바퀴로 동력을 전달하는 자동차의 구동 방식이다. FWD라는 약칭을 사용한다. 대한민국의 경우, 대형차와 스포츠카를 제외하면 모든 승용차에 전륜구동 방식이 쓰이는 경우가 많다. 엔진은 대부분 가로로 배치하나, 일부 전륜구동 자동차는 엔진을 세로로 배치하기도 한다. 전륜구동을 엔진 배치 방식으로 나누면 앞 엔진 앞바퀴 구동 방식(Front engine, Front wheel drive), 중앙 엔진 앞바퀴 구동 방식(Mid-ship engine, Front wheel drive), 뒷 엔진 앞바퀴 구동 방식(Rear engine, Front wheel drive)이 있으나 중앙 엔진 앞바퀴 구동 방식, 뒷 엔진 앞바퀴 구동 방식인 경우 효율이 별로 좋지 않기에 현재 전륜구동을 쓰는 자동차는 거의 앞 엔진 앞바퀴 구동 방식이다.
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목차
개요
전륜구동은 앞바퀴를 돌려서 주행하도록 한 자동차 구동 방식이다. 앞바퀴 굴림이라고도 한다. 엔진의 힘을 받은 앞바퀴가 자동차를 이끌고 뒷바퀴가 이를 따라가는 방식이다. 또한 엔진에서 바로 앞바퀴로 동력을 전달하기 때문에 별도의 구동축이 필요하지 않다.[1] 일반적으로 자동차는 앞에 기관이 있어도 뒷바퀴를 구동하여 주행한다. 앞바퀴로 조향(操向)하고 뒷바퀴로 미는 이 방식은 그 자체가 모순이므로, 전륜구동은 초창기부터 자동차의 이상(理想)이었다. 그러나 조향을 위해 움직이는 앞바퀴에 회전을 전달하는 것이 기술적으로 어렵기 때문에 실현된 것은 1920년대 후반부터이다. 전륜구동의 장점은 조향 바퀴가 구동 바퀴이기 때문에 잘 미끄러지지 않으며, 젖거나 얼어붙은 노면과 눈 위에서도 안전하다는 점이다. 그리고 옆바람의 영향을 받지 않을 뿐 아니라, 기관 구동 계통이 앞쪽에 집중되어 있고 추진축이 없으므로 바닥은 낮게, 실내는 넓게 할 수 있는 점이다. 다만 단점으로는 조향 바퀴에 회전을 전해야 하기 때문에 성능이 우수한 항속(恒速) 조인트가 필요하며, 구조가 복잡하고 제조 원가가 높아진다는 점, 액셀러레이터를 밟고 있을 때와 떼었을 때는 조종 감각에 차이가 있다는 점 등이다.[2]
역사
- 가로 배치 레이아웃
양산차로서 전륜구동 레이아웃을 대중화시킨 것은 1934년부터 1957년까지 생산된 시트로엥(Citroën)의 트락숑 아방(Traction Avant)이다. 당시 대부분의 자동차가 후륜구동으로 제작되었다는 점에서 트락숑 아방은 혁신이었다. 이후 전륜구동 자동차는 차츰차츰 영역을 넓히기 시작했으며, 20세기 중후반에는 전 세계 자동차 시장의 50% 이상을 차지하게 되었다. 전륜구동 레이아웃은 후륜구동에 비해 조향 성능의 명확성이 다소 부족하고, 전륜 쪽의 무게가 무거워 고출력을 구현하는데 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 월등히 넓은 공간을 구현할 수 있다는 점에서 대중적인 자동차에 적용되고 있다. 전륜구동 레이아웃에서 엔진의 배치를 가로 방향으로 구현하는 것은 동력 손실을 최소화하고 트랜스미션과의 연결 구조를 최대한 간단하게 하기 위함이었다. 직렬 3기통 이상의 엔진은 크랭크축 방향의 길이가 더 길 수밖에 없으므로, 엔진을 가로로 배치하면 1열의 레그룸은 자연스럽게 넓어졌다. 초기 트락숑 아방의 경우 전륜 구동축보다 엔진이 뒤쪽에 있었으므로 이 효과를 극대화하기는 어려웠으나, 자동차들이 진화하면서 가로 배치 전륜구동 차량의 1열 공간은 더욱 넓어졌다.
- 세로 배치 레이아웃
세로 배치 전륜구동 레이아웃의 개념은 제2차 세계대전 직후 프랑스의 제조사인 파나르(Panhard)의 자동차에서도 살펴볼 수 있다. 그러나 이러한 레이아웃이 본격적으로 등장한 것은 1970년대다. 당시 동력 성능이 강한 대배기량 엔진을 전륜구동 레이아웃과 결합하면서도, 전륜구동의 단점인 조향 성능의 부족을 해결하기 위한 방법이 필요했다. 1966년, 미국 올즈모빌(Oldsmobile)의 토로나도(Toronado)는 최고 출력 385hp를 발휘하는 6,964cc의 V8 엔진을 세로로 배치했다. 이른바 전륜구동 머슬카였던 셈이다. 미국의 경우, 1990년대에도 크라이슬러(Chrysler) LHS 1세대(1994), 2세대(1999), 1997년에 출시된 닷지(Dodge) 인트레피드(Intrepid) 등 1990년대에서 세로 배치 전륜 구동 방식의 차량이 다수 등장했다. 알파로메오(Alfa Romeo)는 보다 콤팩트한 차량에 세로 배치 전륜구동 레이아웃을 적용했다. 1970년대에 개발된 알파수드(Alfasud)의 라인업 중 패스트백 모델인 알파수드 스프린트 벨로체는 전장이 3,900㎜, 휠베이스가 2,450㎜ 남짓한 콤팩트한 자동차였다. 여기에 최고 출력 78hp의 1.3리터(1,350cc) 엔진, 최고 출력 84hp의 1.5리터(1,490cc) 엔진을 세로 배치로 장착했다. 그런데 이 엔진은 수평 대향이었다. 즉 알파수드는 전륜구동이면서도 무게 중심을 낮춘 세로 배치 레이아웃을 통해 최대한의 조향 성능을 발휘하고자 했던 것이다. 일본도 1980년대부터 약 10년간 이어진 최대의 경제 호황기는 자동차 역사에 있어서도 수많은 실험적인 일제 자동차가 나온 시기였다. 길거리 레이서들의 열정을 다룬 다수의 자동차 관련 만화도 주로 이 시기에 집중적으로 등장했다. 특히 혼다(Honda Motor)는 이 분야에 있어서 독보적인 기술력을 자랑했다. 혼다 레전드는 당시 트랙션 컨트롤 시스템, 현재의 ABS라 할 수 있는 ALB(Anti Lock Brake), SRS 에어백 등 다양한 안전 기능을 갖추었던 최고 세단으로, 일본 중년층의 로망이었다. 이 자동차는 뱅크각 90º의 최고 출력 213hp(215ps)의 V6의 엔진을 세로 배치로 장착했다. 트랜스미션은 전자제어식 4단 자동변속기를 장착했다. 흥미롭게도 가속 시 기어를 하향 변속할 수 있도록 하는 킥다운 스위치가 별도로 장착되어 있는데, 이는 세로 배치 전륜구동이라는 레이아웃에서도 기계적인 충격이나 마모를 최소화할 수 있다는 자신감의 발로라 할 수 있었다. 참고로 이 자동차는 대한민국의 대우자동차㈜(Daewoo)가 라이선스를 획득해 아카디아(Acadia)라는 차종으로 출시하기도 했다. 비슷한 시기인 1989년에 출시된 혼다 인스파이어(Honda Inspire) 역시 세로 배치 전륜구동의 대표적인 사례이다. 원래 어코드의 한 트림으로 등장한 인스파이어는 최고 출력 163hp의 2.5리터 직렬 5기통 엔진을 세로로 배치했다. 여기에 전자 제어로 작동하는 4단 자동변속기가 결합되어 파워트레인을 형성했다. 레전드와 마찬가지로 기존 자동변속기 대비 명확한 변속 성능을 가진 것으로 높은 평가를 받았다. 여기에 좌우 무게 중심 배분이 우수해 선회 성능도 뛰어났다. 사실 세로 배치 전륜구동의 경우, 조향을 담당하는 드라이브 샤프트와 트랜스미션이 직각을 이루기 때문에 트랜스미션 내부의 디퍼런셜에서 출력을 90도로 바꿔줘야 하는 추가적인 구조가 필요했다. 이는 곧 제조 단가 상승이라는 치명적인 단점을 가져왔고, 이렇게 약 30년 전 등장하며 주목받았던 세로 배치 전륜구동의 구조는 거의 자취를 감추었다. 그나마 비교적 최근까지 남아 있었던 세로 배치 전륜구동 레이아웃은 폭스바겐 그룹(Volkswagen Group)의 일부 차종이었다. 2001년부터 2008년까지 생산된 스코다(SKODA)의 슈퍼브(Superb)의 1세대인 B5는 최고 출력 160hp의 1.8리터 가솔린 터보, 190hp의 2.8리터 V6, 그리고 1.9, 2.0, 2.5리터 디젤 엔진 등 다양한 엔진을 세로 배치로 장착했다. 변속기는 5단 수동과 5, 6단 자동으로 다양했다. 이 레이아웃은 플랫폼을 공유한 폭스바겐의 중국형 파사트(Passat)에도 적용된 바 있다. 그나마 이마저도 이후 등장한 2세대에서는 가로 배치로 바뀌었다. 소재의 경량화와 섀시 설계의 정교화로 인해, 전륜구동 차량은 더 이상 세로 배치라는 어려운 레이아웃을 사용하지 않고도 우수한 조향 성능을 구현할 수 있게 되었다. 또한 과급에 의한 배기량 다운사이징과 출력 강화가 가능해지면서 굳이 엔진이 무거워져야 할 필요가 없었다. 이는 전륜구동 차량에 엔진을 굳이 세로로 배치해야 할 이유를 한 번 더 없애는 것이었다.[3]
원리
전륜구동 방식의 기관은 앞차축의 전방, 바로 위 또는 후방에 설치된다. 기관, 클러치, 변속기, 종감속기어 및 차동장치는 단일 블록을 형성한다. 엔진에서 나오는 힘이 앞바퀴로 전달되어 앞바퀴가 조향과 구동을 같이 한다. 후륜구동과 달리 뒷바퀴 구동을 위한 추진축이 없다. 추진축은 앞쪽에 있는 기관 등에서 뒷차축에 회전력을 전달하는 축이다. 일반적으로 조향의 역할을 했던 앞바퀴가 구동을 하기 위해서는 등속 조인트가 필요하다. 등속 조인트는 자동차의 앞바퀴가 조향을 위해 틀어져서 구동 방향과 일치하지 않더라도 동력 전달이 균등하게 되도록 축의 양 끝에 부착한다. 전륜구동 방식의 자동차는 언더스티어의 경향을 강하게 보인다. 언더스티어란, 쉽게 말해 코너를 돌다가 가속했을 경우에 앞 타이어가 바깥쪽으로 향하려고 하는 현상이다. 따라서 의도한 주행 라인으로 진행하려면 스티어링휠을 안쪽으로 수정해야 한다. 이 현상의 주된 이유는 타이어의 마찰력이 자동차의 방향을 바꾸기 위한 횡방향의 힘과 자동차를 앞으로 나가게 하기 위한 힘 양쪽에 쓰여져 가속에 의한 하중의 이동에 의해 앞 타이어의 하중이 감소되어 마찰력이 작아지기 때문이다.[4]
방식
앞 엔진 앞바퀴 구동 방식
앞 엔진 앞바퀴 구동 방식은 앞에 엔진이 있고 앞바퀴로 구동하는 방식이다. 전륜구동 중 구조가 가장 복잡하지만, 세 가지 엔진 배치 방식 중 가장 넓은 탑승 공간과 적재 공간을 자랑한다. 가장 널리 사용되는 동시에 거의 유일하게 사용되는 방식이다.
중앙 엔진 앞바퀴 구동 방식
중앙 엔진 앞바퀴 구동 방식은 중앙에 엔진이 있고 앞바퀴로 구동하는 방식이다. 구동 방식의 비슷해서 자주 앞 엔진 앞바퀴 구동 방식으로 분류되기도 한다. 중앙 엔진 앞바퀴 구동 방식을 채택하고 있는 차는 사브(Saab)의 쏘넷(Soneet) 1과 닛산 GT-R 니스모(GT-R Nismo)가 있다. 이중 GT-R 니스모는 앞 엔진 앞바퀴 구동 방식으로 분류되기도 한다.
뒷 엔진 앞바퀴 구동 방식
뒷 엔진 앞바퀴 구동 방식은 뒤쪽에 엔진이 있고 앞바퀴로 구동하는 방식이다. 이 경우 트렁크는 앞 보닛에 위치하게 된다. 하지만 승용차에서는 트렁크의 수납 공간이 구동계 배치로 너무 줄어들뿐만 아니라, 같은 엔진 배치에 구동 위치만 옮긴 뒷엔진 뒷바퀴 구동 방식(RR) 방식에 비해서 이점은 거의 없으므로 전방 공간을 확보할 수 있는 일반적인 자동차에서는 거의 쓰지 않는다. 대신 지게차에서 많이 볼 수 있다. 조종석의 시야와 밸런스 확보를 위해 엔진은 뒤에 두고 후륜이 조향하는 대신 접지력이 크게 걸리는 전륜에서 구동하도록 만들기 때문이다. 궤도형의 일부 전차들도 이 구성을 사용하는데, 엔진을 뒤로 뺴는 것은 전면부를 경사장갑으로 만들고 조종수 좌석을 배치하다 보면 엔진이 들어갈 공간이 없기 때문인 것도 있지만, 전방에서 피격되어 기동 불능에 빠지는 것을 막기 위해서 엔진을 뒤에 배치하는 것도 있다. 또한 구동계를 전륜구동으로 배치하면 궤도가 일그러질 가능성이 줄어들기 때문에 에너지 손실이 생기더라도 뒷 엔진 앞바퀴 구동 방식을 사용하는 것이다.[5]
장단점
- 장점
- 구동력의 전달 거리가 짧고 자동차의 무게를 줄일 수 있다. 그렇기 때문에 연비가 우수하여 친환경차로 채택되기도 한다.
- 엔진룸의 크기를 줄일 수 있다.
- 차종 변경이 용이하다.
- 후륜구동 방식보다 부품이 적게 들어가므로 생산 비용을 절감할 수 있다.
- 하중이 전륜에 많이 걸리기 때문에 직진 안정성이 좋을 뿐만 아니라, 악천후에도 주행 안정성이 우수하다.
- 모듈화에 의하여 국내외의 거의 대부분의 승용차에 적용되며, 그에 따라 많은 실험 결과를 얻을 수 있어 연구 개발 기간을 단축할 수 있다.
- 파킹 브레이크만 해체하면 뒷바퀴를 지면에 접지한 상태에서 견인할 수 있어 차량 견인이 수월하다.
- 단점
- 구동축 쪽의 구조, 특히 현가 장치가 복잡하다.
- 앞바퀴가 조향, 구동 기능을 모두 감당해야 하기 때문에 성능이 우수한 항속(恒速) 조인트를 사용해야 한다.
- 방향 전환을 할 때 미끄러지기 쉽다.
- 급제동에 취약하다.
- 구조상 차체 앞쪽에 하중이 쏠리므로 효율적인 중량 배분이 어렵다.
- 전륜 타이어의 수명이 짧다. 차량 특성상 전후륜 타이어의 위치를 자주 변경해 줘야 한다.
- 가속 시 무게 중심이 뒤로 빠지면서 구동축의 접지력이 떨어지기 때문에 오버행을 짧게 할 수 없다.
- 피쉬테일 현상이 발생할 수 있다.[6]
후륜구동과의 차이점
- 동력 성능의 차이
전륜구동은 엔진이 앞에 위치한다. 그 엔진 옆에 미션이 붙어 있고 바로 있어 구동력을 전달할 수 있어 전체 부품 개수가 줄어들게 된다. 덕분에 제조 공정은 단순해지고, 단가를 낮출 수 있게 된다. 또한 엔진의 가로 배열이 가능해 엔진룸의 크기를 줄일 수 있다. 같은 크기의 전장, 전고라면 전륜구동 쪽이 실내 공간을 더 활용할 수 있는 셈이다. 제조사 입장에서는 전륜구동 모델의 생산은 단가를 저렴하게 만들어 싸게 팔 수 있는 방법이다. 후륜구동은 구동축을 뒷바퀴에 둔다. 그렇기 때문에 동력 전달 축인 프로펠러 샤프트가 차량 하부축을 가로질러 가야 하기 때문에 동력 손실도 발생하고 실내도 좁아진다. 전륜구동 차량의 장점은 엔진 무게에 의한 접지력의 향상이 있다는 것이다. 특히 눈길과 빗길 등에서의 견인력은 매우 우수하다. 또한 차량이 슬립이 되었을 때나 스핀이 될 때 차체를 바로잡기도 쉽다. 차량이 스핀될 때 그 중심축은 앞바퀴가 되기 때문에 앞바퀴에 동력을 줄 수 있는 전륜구동 자동차가 보다 안전하다. 반면 뒷바퀴에만 구동력을 주는 후륜구동은 스핀 발생 시 카운터가 어렵다.
- 조향 성능의 차이
전륜구동은 대부분 엔진을 횡배열을 선택한다. 덩달아 미션도 가로로 향하게 된다. 보통 엔진은 운전자 혼자 탑승했을 때를 기준으로 차량의 무게를 맞추고자 조수석 쪽에 위치한다. 엔진이 무겁기 때문에 미션은 운전자 쪽에 위치하는 것이 일반적이다. 사고 발생 시 엔진에 의한 2차 사고를 치하기 위한 의도도 포함되어 있다. 엔진과 미션이 좌우로 치우쳐 있기 때문에 바퀴로 동력이 전달되는 드라이브 샤프트의 길이가 달라지게 된다. 운전석 쪽이 짧고 조수석 쪽으로 길어 좌우 동력 전달의 불균형이 발생한다. 좌우 드라이브 샤프트의 길이가 달라짐에 따라 좌우 동력 전달 차이가 발생하며 어느 한쪽으로 쏠리는 현상이 발생하는데, 이것을 토크 스티어라고 한다. 이 토크 스티어 때문에 전륜구동으로 제작되는 차량에는 높은 토크를 발휘하는 구성을 사용하지 않는다. 토크가 높으면 높을수록 토크 스티어를 제어하지 못할 정도로 조향하는 데 있어 위험하기 때문이다. 후륜구동은 구동륜과 조향륜이 별개이므로 보다 빠른 핸들링이 가능하다. FR의 앞바퀴에 달린 링크들은 모두 조향에만 쓰면 되지만, 전륜구동은 동력 전달을 위한 샤프트도 달게 된다. 또한 후륜구동은 뒷바퀴가 추진을 하면서 나아가고 앞바퀴는 조향만 하면 되기에 빠르고 예리한 스티어링이 가능한 반면, 전륜구동은 조향을 하는 바퀴가 회전하며 굴러가고 뒤쪽은 그냥 따라오는 격이다. 반응은 한 박자 늦게 되며, 스티어링 휠도 많이 돌려야 한다. 전륜구동에서 나타나는 필연적인 언더스티어 현상도 문제이다. 물론 안전의 측면에서 대부분의 차량이 약한 언더스티어 세팅을 한다. 전륜구동 차량은 원래부터 언더스티어이기 때문에 회전 각이 항상 큰 편이다.
- 무게 배분의 차이
평균적으로 전륜구동 차량은 7:3, 후륜구동 차량은 6:4 정도의 무게 배분을 갖는다. 이 무게 배분은 코너링과 승차감 이외에도 브레이킹 성능에 큰 영향을 미친다. 대부분의 자동차는 프런트 브레이크 7, 리어 브레이크 3의 브레이크 배분 비율을 가진다. 브레이킹 시 차량의 무게가 앞쪽으로 집중되어 실제적으로 앞바퀴에 많은 부하가 걸리기 때문이다. 실제로 4 바퀴를 가진 자동차가 100km 이상의 속도에서 풀 브레이킹을 하게 되면 앞쪽 범퍼가 땅에 닿을 듯 숙여진다. 이를 노즈다이브 현상이라고 하는데, 이때 뒷바퀴는 거의 떠 있다 싶을 정도로 들리게 된다. 만약 무게 배분이 7:3인 전륜구동 차량과 6:4인 후륜구동 차량이 같은 속도에서 같은 풀 브레이킹을 한다면 전륜구동보다 뒤쪽에 많은 무게가 배분되어 있는 후륜구동의 네 바퀴 접지력이 우수하다. 후륜구동 차량이 뒤쪽의 무게가 더 무겁기 때문에 전륜구동에 비해 상대적으로 뒷바퀴 들림이 적기 때문이다. 이러한 조건으로 때문에 후륜구동이 주행 성능, 코너링, 브레이킹 모두 더 우수하다.[7]
각주
- ↑ 〈전륜구동과 후륜구동의 차이는? 헷갈리는 자동차 구동방식 알아보기!〉, 《키즈현대》, 2019-10-16
- ↑ 〈전륜구동〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 온갖차, 〈진보를 위한 변칙, 세로배치 전륜 구동의 추억〉, 《네이버 포스트》, 2018-04-30
- ↑ 휠라이프, 〈"전륜구동" -자동차 구동방식 1편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-10-12
- ↑ 〈전륜구동〉, 《나무위키》
- ↑ 〈전륜구동〉, 《위키백과》
- ↑ 행복남의 일상, 〈자동차 전륜구동과 후륜구동의 차이점〉, 《티스토리》, 2019-01-28
참고자료
- 〈전륜구동〉, 《네이버 지식백과》
- 〈전륜구동〉, 《위키백과》
- 〈전륜구동〉, 《나무위키》
- 휠라이프, 〈"전륜구동" -자동차 구동방식 1편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-10-12
- 온갖차, 〈진보를 위한 변칙, 세로배치 전륜 구동의 추억〉, 《네이버 포스트》, 2018-04-30
- 행복남의 일상, 〈자동차 전륜구동과 후륜구동의 차이점〉, 《티스토리》, 2019-01-28
- * 〈전륜구동과 후륜구동의 차이는? 헷갈리는 자동차 구동방식 알아보기!〉, 《키즈현대》, 2019-10-16
같이 보기
