차동기어
차동기어(differential gear)은 자동차의 엔진에 연결된 좌우 바퀴의 구동력을 나눠 분배하여, 좌우의 회전을 다르게 하는 장치이다. 즉, 한 기어가 다른 기어 주위를 돌며 동력을 전달한다.
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개요[편집]
차동기어는 한 기어가 다른 기어 주위를 돌며 동력을 전달하는 장치이다. 동력전달장치 중 선회 시에 중요한 역할을 하는데, 차동기어는 자동차가 선회할 때, 회전각의 차이로 인해 달라지는 휠 속도를 바로잡아 엔진으로부터 온 동력을 양 바퀴에 적절하게 나누어 주는 역할을 한다. 차동기어가 필요한 이유는 자동차가 회전할 때 즉, 자동차가 커브를 돌면 회전 방향의 안쪽에 있는 바퀴는 바깥쪽 바퀴보다 회전반경의 반지름이 작게 되고 달리는 거리가 각각 다르게 된다. 안쪽바퀴의 회전수가 바깥쪽 바퀴보다 작아야 정상적으로 회전할 수 있다. 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 차동기어가 없다면 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴가 똑같은 회전수로 회전하게 되고, 그로 인해서 극심한 차량이 코너를 돌 때 운전대를 돌린 각도보다 차량의 회전각도가 커지는 현상이 발생하거나 양쪽 바퀴 모두 슬립하게 되어서 차체가 매우 불안정하게 될 것이다. 바퀴가 슬립하면서 타이어의 마모가 심해지기도 한다.[1][2]
원리[편집]
차동기어장치는 두 개의 기어가 서로 맞물려서 회전함과 동시에, 기어축도 한쪽의 기어축을 중심으로 하고, 다른 쪽의 기어축이 회전할 경우, 이와 같은 기어의 조합을 유성기어장치라고 한다. 중앙에 있는 기어를 태양기어라고 하는데, 태양기어의 주위를 유성기어가 회전한다. 즉, 공전기어를 유성기어라 한다. 태양기어축·유성기어축 및 그것들을 잇는 링크 중의 어느 두 개에 운동을 주면, 다른 하나는 그 두 개의 운동을 동시에 받아 회전한다. 이와 같은 기어장치를 차동기어장치라고 한다.[3][4]
구조[편집]
차동기어는 종감속기어의 링 기어와 일체형인 것을 알 수 있는데, 추진축에서 온 동력이 피니언 기어에서 링 기어로 전달이 된다. 링 기어의 회전은 곧 구속되어있는 차동기어의 일부인 차동피니언기어의 회전이 된다. 차동기어는 차동 피니언 기어와 차동사이드기어로 이루어져 있는데, 차동사이드기어의 회전은 구동축으로 휠의 회전을 의미한다. 따라서 입력값인 차동피니언기어를 차동기어의 핵심으로 볼 수 있다. 차동피니언기어는 2가지 운동이 존재한다. 첫 번째는 링 기어와의 구속으로 인한 구동축을 중심으로 공전하는 회전운동 있고 차동피니언 기어의 중심을 기준으로 자전하는 회전운동이 있다. 전자는 구동 중에는 항상 존재한다. 자전운동이 일어나지 않는 경우는 직진 시 양 휠의 속도가 같을 때이다. 오로지 링 기어의 속도 공전하는 차동피니언기어가 같은 힘으로 양 사이드 기어를 밀어주어서 같은 속도로 사이드 기어가 회전하게 되는 것이다. 반면, 선회 시에는 양 바퀴에 속도가 다르게 걸려야 한다. 같은 속도로 간다고 하면 스핀이 발생하게 되는데, 이때, 양 타이어에 걸리는 마찰저항이 다르게 작용하는 상태이다. 그 마찰저항이 어떻게 보면 다시 입력되어 차동피니언기어에 전달이 된다. 차동피니언기어는 자전을 통해 양 타이어 마찰저항의 합을 받아서 같은 크기의 마찰저항으로 양 축에 되돌려준다. 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 피니언 기어가 마찰저항을 보정해 준다. 기계적으로 연결되어 있으므로 응답성이 즉각적이다.[1]
장단점[편집]
장점[편집]
차동기어의 장점은 레일 위에 있는 열차처럼 슬립 현상에 안전하지 않은 조건에서 자동차가 곡선 주행을 가능하게 해 준다는 점이다.
단점[편집]
차동기어의 단점은 양쪽 바퀴의 마찰력의 차이가 극단적일 경우 운행이 불가능할 수도 있다는 점이다. 예를 들어 눈길이나 늪지대같이 접지력이 상시로 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 위에 놓이게 되어 전고가 높아지게 되며 이로 인해 안정성에 문제가 생긴다. 또한 후륜 자동차의 경우 동력 축이 내부를 가로지르며 불편함을 겪는다.[5][6]
단점 보완[편집]
트랙션컨트롤시스템[편집]
트랙션컨트롤시스템(TCS, Traction Control System)은 가속 상황에서 미끄러지는 상황을 인식해 인위적인 마찰력을 가해 주는 시스템이다. 특히 미끄러운 노면에서 발진 또는 가속, 등반할 때 바퀴가 헛도는 것을 방지하여, 자동차가 길이 방향 축 선상에서 안정을 유지하도록 한다. 결과적으로 코너링 안전성이 유지되며, 자동차의 구동축 차륜들이 옆으로 미끄러져 차선을 이탈하는 것을 방지한다.[7]
차체 자세 제어장치[편집]
차체 자세 제어장치(ESC, Electronic Stability Control)는 좌·우측 바퀴 중 한쪽의 마찰력이 너무 작을 경우, 그쪽으로만 구동력이 전달되어서 차량의 출발이 불가능하게 되므로, 마찰력이 작은 쪽의 바퀴에 제동을 걸어줌으로써 인위적인 마찰력을 가하고 반대쪽 바퀴에도 구동력이 전달될 수 있도록 해 주는 기능이 포함되어 있다. 스포츠 성향의 차량에서는 코너 탈출 가속 시 선회 안쪽 바퀴에 제동을 가해서 바깥쪽 바퀴로 구동력을 보내는 제어가 포함되기도 한다. 엔진 토크까지 제어해 위급한 상황에서 차량 자세를 안정적으로 유지해 준다. 차체 자세 제어장치는 3개 이상의 센서가 동원되며 밸브도 추가로 들어간다. 조립 시 운전석 브레이크 페달 위치와 가까운 엔진룸 안쪽에 장착된다. 미국 고속도로 안전보험협회(IIHS)에 따르면, 차체 자세 제어장치는 사망사고 위험을 32~56% 감소시키는 것으로 나타났다.[8]
차동제한장치[편집]
차동제한장치(LSD, Limited Slip Differential)는 일정 비율 이상으로 회전수 차이를 나지 않게 하는 장치이다. 양쪽의 바퀴의 회전수가 일정 수준 이상으로 차이 나면 회전수가 적은 쪽으로 구동력의 일부를 보내서 그 차이를 일정 수준 이하로 제한하고 더 많은 접지력을 가지는 바퀴로 더 많은 토크를 전달하는 장치이다.[5] 차동제한장치의 종류는 마찰클러치 방식, 다판클러치 방식, 토센 방식, 비스코스 커플링 방식 등이 있다. 다판클러치 방식은 베벨 기어의 원리의 의해 사이드 기어가 회전하면서 마찰클러치를 압착하여 발생하는 마찰력에 따라 차동을 제한시킨다. 클러치가 작동될 때 마찰 소음이 발생하지만 작동 응답성이 좋고, 오랜 역사를 가지고 있어 신뢰성이 높다. 토센 방식의 차동제한장치는 웜기어에서 웜으로 구동력이 전달되지 않는 원리를 활용한 장치이다. 토센 방식의 차동제한장치는 6개의 평기어가 달린 웜과 2개의 웜기어로 구성되어 있다. 차량이 직진으로 주행시에는 웜기어가 같은 속도로 돌아 웜이 회전하지 않는다. 차량이 코너를 선회하는 경우, 웜기어의 속도가 차이가 나는데 이는 웜의 회전으로 차동 방식을 구현하게 된다. 하지만 한쪽 휠이 진흙이나 눈길에 빠지면 한쪽의 웜기어만 빠르게 돌게 된다. 이때 웜에 달린 평기어끼리 속도차가 커지면서 반대쪽 웜이 웜기어를 회전시켜 차동을 제한시킨다.[9]
차동잠금장치[편집]
차동잠금장치(LD, Locking Differential)는 차동기어를 잠가 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 내구성이 높고 한쪽 면만 접지가 확실하게 되어 있으면 웬만한 험로가 다 탈출이 가능하다는 점이 있지만, 눈길처럼 미끄러운 지형에서는 차동제한 장치보다 못할 정도로 잘 미끄러져서 사용하기 힘들며, 파동 잠금장치의 경우 미끄러지는 상황에서 좌우 회전차가 다르다고 인식하여 갑자기 차동기어가 잠겨버려서 큰 사고를 일으킬 수도 있다는 단점이 있다. 일반적인 승용차나 도시형 SUV에는 거의 탑재되지 않고 험로를 달려야 하는 정통 비포장도로용 차나 픽업트럭에 주로 탑재된다.[5]
하이포이드 기어[편집]
하이포이드 기어(hypoid gears)는 교차하는 두 축의 각도가 90°인 엇갈림 기어이다. 베벨기어 대신에 하이포이드 기어를 사용하여 높이를 바꿀 수 있게 된다. 하이포이드 기어는 두 축이 교차하지 않아도 사용이 가능하여 바퀴 축을 차량 바닥 아래로 내릴 수 있다. 또한 소음과 진동이 낮게 발생하는 장점이 있다.[5][6] 또한 보다 높은 감속비를 실현하며, 크기가 작고, 무게가 가벼우며, 소비 전력이 낮다. 하이포이드 기어는 겉모습이 일반 나선형 베벨 기어와 유사하다. 하이포이드 기어는 곡선 형태의 기어 이를 가지고 있다. 따라서 한쪽 이에서 다른 이로 부드럽게, 점차적으로 접촉할 수 있다. 또, 서로 교차하지 않는 축을 가지고 있다. 이것이 나선형 베벨 기어와의 결정적인 차이점이다. 하이포이드 기어의 장점은 오프셋이라고 하는 축 사이의 거리를 통해 높은 감속비를 실현하는 것이다. 오프셋 축은 장치에 그물망 상태를 만드는데, 그물망 상태는 기어 이의 작동 특성 및 부하운반능력을 향상시킨다. 소음 및 진동이 아주 적거나 아예 없는 것으로도 유명하다. 높은 작동 속도에서도 마찬가지이다. 하이포이드 기어는 축이 서로 교차하지 않아 설치 공간을 줄이고 설계상 유연성을 높일 수 있다. 또 대부분의 각도 및 속도에서 샤프트와 샤프트 사이의 동력을 전달할 수 있다. 하이포이드 기어는 일반적으로 원통형 기어 및 웜기어보다 높은 효율성을 자랑한다. 하이포이드 기어는 매우 부드러운 움직임 및 저전력 소비를 필요로 하는 응용 사례에서 주로 사용한다. 예를 들어 고성능 기어모터에서 하이포이드 기어를 사용한다. 고성능 기어모터는 크기 대비 높은 토크 능력과 낮은 백래시 그리고 조용한 작동 등이 필수적이므로 하이포이드 기어가 적절한 선택이다. 하이포이드 기어를 활용한 기어모터는 또한 기존의 직각(Right Angle) 기어모터에 비해 능률이 높다. 하이포이드 기어는 웜기어 드라이브와 비교했을 때 마찰로 인한 열이 적게 발생하고, 기어 이의 마모 역시 적다. 또한 작은 크기의 모터로도 웜기어 드라이브의 그것과 같은 크기의 출력을 만들 수 있어 장치의 발열이 적다. 따라서 하이포이드 기어를 활용하면 기어박스 전체의 온도가 낮아져 윤활유를 비롯한 구성 요소의 수명을 늘이고, 냉각에 필요한 추가 비용을 낮춘다.[10]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 토미, 〈차동기어(Differential)〉, 《네이버 블로그》, 2018-01-03
- ↑ 〈차동기어〉, 《위키백과》
- ↑ 〈차동기어〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈자동차 차동기어란?/차동기어의 구조와 원리 알아보기/디퍼런셜기어〉, 《티스토리》, 2020-05-26
- ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 〈차동 기어〉, 《나무위키》
- ↑ 6.0 6.1 wbmj2020, 〈차동 기어(Differential Gear)〉, 《티스토리》, 2020-03-07
- ↑ 〈TCS〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈전자식 주행 안정화 컨트롤〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 엠에스리, 〈차동제한장치(LSD : Limited Slip Differential)〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-15
- ↑ 윤진근 기자, 〈하이포이드 기어를 알아보자〉, 《MSD》, 2018-05-27
참고자료[편집]
- 토미, 〈차동기어(Differential)〉, 《네이버 블로그》, 2018-01-03
- 〈차동기어〉, 《위키백과》
- 〈차동기어〉, 《네이버 지식백과》
- 〈자동차 차동기어란?/차동기어의 구조와 원리 알아보기/디퍼런셜기어〉, 《티스토리》, 2020-05-26
- wbmj2020, 〈차동 기어(Differential Gear)〉, 《티스토리》, 2020-03-07
- 〈TCS〉, 《네이버 지식백과》
- 〈전자식 주행 안정화 컨트롤〉, 《네이버 지식백과》
- 엠에스리, 〈차동제한장치(LSD : Limited Slip Differential)〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-15
- 윤진근 기자, 〈하이포이드 기어를 알아보자〉, 《MSD》, 2018-05-27
같이 보기[편집]
