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

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.

작동원리

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. 이 것이 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.

종류

□ 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.

□ 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.

참고자료

• "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

같이 보기

• 뒷차축
• 액슬
• 사륜구동

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