차량용 디퍼렌셜 종류와 작동 원리: 장단점 완벽 분석

특정 차량에 적합한 다양한 디퍼렌셜 종류가 있으며, 모두 엔진 동력을 바퀴로 전달하는 목적을 가집니다. 이전 글에서 디퍼렌셜은 엔진 토크를 바퀴로 전달해 동력을 분배하고, 바퀴가 서로 다른 속도로 회전할 수 있게 하는 메커니즘이라고 설명했습니다.

오늘은 다양한 디퍼렌셜 종류와 작동 원리를 심층적으로 살펴보겠습니다.

디퍼렌셜 종류

자동차에서 볼 수 있는 디퍼렌셜 종류는 다음과 같습니다.

• 오픈 디퍼렌셜(Open differential)
• 락 디퍼렌셜(Locked differential)
• 용접/스풀 디퍼렌셜(Welded/Spool differential)
• 리미티드 슬립 디퍼렌셜(Limited slip differential)
• 토르센 디퍼렌셜(Torsen differential)
• 액티브 디퍼렌셜(Active differential)
• 토크 벡터링 디퍼렌셜(Torque vectoring differential)

각각의 설명을 살펴보겠습니다!

참고: 자동 변속기 시스템 이해하기

오픈 디퍼렌셜(Open differential)

기본적인 오픈 디퍼렌셜은 양쪽 액슬 끝에 기어가 있고, 제3의 기어로 연결돼 정사각형의 세 변을 이룹니다. 네 번째 기어를 추가해 강성을 높이고, 디퍼렌셜 케이스에 링 기어를 장착해 기본 코어 기어를 고정합니다. 이 링 기어는 드라이브 샤프트를 피니언으로 연결해 바퀴에 동력을 전달합니다.

오픈 디퍼렌셜의 장점은 코너링 시 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 빠르게 회전할 수 있게 해 효과적인 코너링을 가능하게 한다는 점입니다. 또한 제조 비용이 저렴하고 널리 사용됩니다.

단점은 토크가 양쪽 바퀴에 50:50으로 균등 분배되므로, 접지력이 낮은 쪽 바퀴에 의해 전달 동력이 제한된다는 점입니다.

락 디퍼렌셜(Locked differential)

락 디퍼렌셜은 주로 오프로드 주행 차량에 장착됩니다. 기본적으로 오픈 디퍼렌셜에 액슬을 고정해 독립적인 액슬 대신 고정 액슬을 만드는 효과를 줍니다. 이 기능은 수동 또는 전자적으로 작동합니다.

장점은 오픈 디퍼렌셜보다 훨씬 큰 접지력을 확보할 수 있다는 점입니다. 토크가 50:50으로 분배되지 않아, 접지력이 좋은 쪽 바퀴에 더 많은 토크를 보낼 수 있습니다.

단점은 '바인딩(Binding)' 현상입니다. 드라이브트레인 내에 과도한 회전 에너지(토크)가 축적돼 해제가 필요합니다. 바퀴가 지면을 떠 위치가 리셋되거나, 액슬 잠금을 해제해 해결합니다.

용접/스풀 디퍼렌셜(Welded/Spool Differential)

용접 디퍼렌셜은 락 디퍼렌셜과 유사하지만, 오픈 디퍼넌셜을 영구적으로 용접해 고정 액슬로 만든 것입니다. 용접 목적은 양쪽 바퀴가 동시에 회전하게 하기 위함입니다. 이런 디퍼렌셜을 단 차량은 드리프트용입니다.

이 디퍼렌셜은 다른 주행 조건에 적합하지 않습니다. 용접으로 부품 강도가 손상되고, 치명적 부품 파손 위험이 커 디퍼렌셜 기어가 케이스를 뚫고 나올 수 있습니다.

리미티드 슬립 디퍼렌셜(Limited Slip Differential - LSD)

LSD는 오픈과 락 디퍼렌셜의 장점을 더 복잡한 시스템으로 결합한 것입니다. 다른 형태의 저항을 이용해 같은 효과를 냅니다. 크게 두 가지로 나뉩니다.

• 기계식 클러치 LSD(Mechanical clutch LSD)
• 점성 LSD(Viscous LSD)

기계식 클러치 LSD

오픈 디퍼렌셜과 같은 코어 기어링에 한 쌍의 압력 링이 있습니다. 압력 링은 기어 옆에 위치한 두 쌍의 클러치 플레이트에 힘을 가합니다. 이는 바퀴의 독립 회전에 저항을 줘 디퍼렌셜 효과를 오픈에서 락으로 바꾸고 접지력을 높입니다.

압력 링이 코어 기어를 둘러싸고 센트럴 기어 핀에 의해 벌어집니다. 회전 시 경사면을 밀어 압력 링을 클러치 팩(노란색/파란색)으로 밀어넣어 저항을 생성하고, 액슬 작동을 오픈에서 고정 효과로 전환합니다.

참고: 디퍼렌셜에 대해 알아야 할 모든 것

기계식 클러치 LSD는 클러치 플레이트와 압력 링에 가해지는 압력 시점에 따라 하위 유형으로 나뉩니다.

• 원웨이 LSD(One-way LSD): 감속 시에만 압력이 가해져 코너링 시 오픈 타입처럼 작동해 바퀴가 독립 회전합니다. 가속 시 클러치 회전으로 마찰이 생겨 플레이트가 잠기며 접지력을 높입니다.
• 투웨이 LSD(Two-way LSD): 감속 시에도 클러치 플레이트에 압력이 가해집니다. 가변 노면에서 제동 안정성을 높입니다.
• 원앤하프웨이 LSD(One and a half way LSD): 가속 시 충분한 압력, 감속 시 적은 압력을 가해 두 유형의 장점을 결합하려 합니다.

점성 LSD(Viscous LSD)

클러치 대신 점성 유체를 사용해 오픈과 락 사이 작동을 전환하는 저항을 만듭니다. 기계식 LSD보다 움직이는 부품이 적어 구조가 단순합니다.

바퀴 속도에 비례해 저항이 서서히 증가해 작동이 부드럽습니다. 점성 LSD는 접지력이 좋은 쪽으로 토크를 더 효과적으로 전달합니다. 유체가 속도 차이에 저항하기 때문입니다. 한쪽 바퀴가 미끄러져 회전하면 양쪽 바퀴 속도 차가 발생하고, 더 느린 바퀴에 더 큰 저항을 줘 드라이브샤프트의 토크를 그쪽으로 보냅니다.

단점은 유체가 가열되면 점도가 낮아져 저항이 줄어들고, 기계식 LSD처럼 완전 잠금이 불가능하다는 점입니다. 유체가 적절한 공간에서 절대적 저항을 제공할 수 없기 때문입니다.

토르센 디퍼렌셜(Torsen differential)

토르센 디퍼렌셜은 클러치나 유체 저항 없이 정교한 기어링으로 LSD와 같은 효과를 냅니다. 오픈 디퍼렌셜의 전통적 기어 세트에 웜 기어 층을 추가합니다. 웜 기어 세트가 각 액슬에 작용해 토크 전달에 필요한 저항을 제공합니다. 이는 웜 기어들이 연결된 스퍼 기어를 통해 서로 끊임없이 맞물려 있기 때문입니다.

디퍼렌셜 양쪽의 끊임없는 맞물림으로 토크가 즉각 전달돼 노면과 주행 조건 변화에 더 민감하게 반응합니다. 기어비에 따라 한쪽으로 높은 비율의 토크를 보낼 수 있어, 토크를 균등 분배해야 하는 오픈 디퍼렌셜과 대조됩니다.

토르센 디퍼렌셜은 기어 가공 방식으로 가속/감속 시 다른 저항비를 구현할 수 있어, 기계식 LSD의 원앤하프웨이와 유사한 효과를 전자 장치 없이 순수 기계적으로 구현합니다. 토르센은 이 글에서 다룬 디퍼렌셜 중 가장 우수한 기계식 시스템입니다.

액티브 디퍼렌셜(Active differential)

액티브 디퍼렌셜은 LSD와 유사하게 메커니즘을 이용해 한쪽에서 다른 쪽으로 토크를 전달하는 저항을 만듭니다. 차이점은 클러치가 순수 기계적 힘이 아닌 전자적으로 작동한다는 점입니다.

액티브 디퍼렌셜은 전자 장치로 주행 조건 변화에 따른 기계적 힘을 인위적으로 변경합니다. 따라서 제어 가능하고 프로그래밍 가능합니다. 센서를 통해 컴퓨터가 어느 바퀴에 동력을 보낼지, 언제 보낼지 자동으로 감지합니다.

이 디퍼렌셜은 악로 주행 성능이 뛰어나고 급변하는 주행 조건을 견디는 차량에 유리합니다. 하지만 차량의 지속적인 조정을 따라갈 수 있는 시스템이 필요합니다.

토크 벡터링 디퍼렌셜(Torque Vectoring differential - TVD)

토크 벡터링 디퍼렌셜도 전자 제어 시스템을 사용하며, 차량의 각도(벡터)까지 제어합니다. 필요할 때 특정 바퀴가 더 많은 토크를 받게 해 코너링 성능을 높입니다. 순수 기계식 LSD가 작동할 때 반대쪽 클러치를 작동시켜 조향을 보조하고, LSD 시스템의 결함을 보완하며 더 많은 동력을 전달합니다.

코너에서 멀티웨이 LSD가 양쪽 바퀴에 저항을 가해 액슬을 부분 잠금시키고 제동 시 안정화한 뒤, 바퀴 속도가 떨어지며 차량이 회전할 때 저항을 해제해 바퀴가 다른 속도로 회전하게 합니다. 하지만 TVD는 바깥쪽 바퀴 클러치만 계속 작동시킵니다. 이로 인해 바깥쪽 바퀴 저항이 커지고 시스템이 더 많은 토크를 그쪽으로 보냅니다. 동력 불균형이 바깥쪽으로 생겨 차량이 날카롭게 회전하고 언더스티어가 줄어듭니다.

코너를 통과하며 계속 저항이 가해지면, 차량이 에이펙스를 지나 가속할 때 TVD는 일반적인 멀티웨이 LSD를 오버라이드합니다. 멀티웨이 LSD는 더 빠른 바깥쪽 바퀴를 슬립으로 간주해 가속 시 안쪽 바퀴로 토크를 돌리려 하지만(더 많은 그립으로 인식), TVD는 바깥쪽 바퀴 클러치에 더 많은 저항을 가해 시스템이 더 많은 토크를 바깥쪽으로 보내도록 속입니다. 이로 인해 가속 시 적용 가능한 동력량이 늘고 코너 탈출 시 언더스티어가 줄어듭니다.

참고: 수동 변속기 시스템에 대해 알아야 할 것들

토크 벡터링 디퍼렌셜은 극한 상황에서 사용 가능한 토크의 100%를 단일 바퀴로 전달할 수 있습니다.

TVD의 한계는 구조가 매우 복잡하고 고가라 주로 레이싱/트랙 용도의 고속 코너링 잠재력을 위해 사용된다는 점입니다.

모든 디퍼렌셜 종류마다 장단점이 있습니다. 이제 다양한 디퍼렌셜 종류를 아시게 되었길 바랍니다. 질문은 댓글로 남겨 주시고, 이 글을 다른 기술 전공 학생들과 공유해 주세요. 감사합니다!