1. 개요
| 차동 기어의 필요성과 구조에 대해 설명한 동영상. 무려 1937년작이다. 한글 자막 영상 |
차동 기어가 필요한 이유는 자동차가 회전할 때, 회전 방향의 안쪽에 있는 바퀴는 바깥쪽 바퀴보다 회전반경의 반지름이 작게되므로 안쪽바퀴의 회전수가 바깥쪽 바퀴보다 작아야 정상적으로 회전이 가능하기 때문이다. 만약 차동 기어가 없다면 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴가 똑같은 회전수로 회전하게 되고, 그로 인해서 극심한 언더스티어가 발생하거나 양쪽바퀴 모두 슬립하게 되어서 차체가 매우 불안정하게 될 것이다. 바퀴가 슬립하면서 타이어의 마모가 심해지는 것은 덤이다. 경량화를 위해 차동 기어를 떼버린 레이싱 카트를 타보면 타각은 좁은데 생각보다 차가 안돌아가는건 차동기어가 없기 때문.[1]
차축이 없는 자전거, 오토바이, 학교 급식차, 리어카 등은 각각의 바퀴가 따로 떨어져 있고, 이들은 서로 다른 속력을 가지므로 차동 기어가 필요하지 않다.
철도차량에는 차동기어가 없고 양쪽 차륜은 차축에 결합되어 똑같이 회전한다. 대신 차륜의 답면(테이퍼)이 경사각을 가지고 있는데 이 답면은 열차 외측으로는 가늘고 열차 중심쪽으로는 굵은, 원뿔이 누워있는 것과 같은 형상을 하고 있는데 이를 '플렌지'라 한다. 열차가 곡선부를 주행하게 되면 원심력이 작용하여 굵은 테이퍼(긴 직경)를 가진 쪽이 바깥쪽으로 밀려 나가 반경이 큰 외측 곡선부를 주행하게 되고, 이에 가는 테이퍼(짧은 직경)을 가진 쪽이 상대적으로 반경이 짧은 안쪽으로 주행하여 곡선부를 돌 수 있는 것이다. 철도차량의 곡선부 소음은 차량의 전부대차와 후부대차가 직선으로 평행하게 연결되어 있어 곡선부에서 가장자리 부분의 플랜지와 레일이 마찰하는 것이다.
2. 문제점
차동 기어의 단점은 양쪽 바퀴의 마찰력의 차이가 극단적일 경우 운행이 불가능 할 수도 있다는 점이다. 예를 들어 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 경우가 생길 수 있다. 웅덩이나 빙판에 빠진 쪽의 바퀴의 마찰력이 작아서 그쪽으로만 엔진의 구동력이 전달되고 반대쪽의 바퀴에는 구동력이 전혀 전달되지 않아서 험로에서 탈출할 수 없는 것이다.3. 문제점을 보완하기 위한 장치
3.1. 차체 자세 제어장치
Electronic Stability Program(ESP)ESP에는 좌우측 구동륜 중 한 쪽의 마찰력이 너무 작을 경우, 마찰력이 작은 쪽의 바퀴에 브레이크를 걸어줌으로서 인위적인 마찰력을 가하고 반대쪽 바퀴에도 구동력이 전달될 수 있도록 해주는 기능이 포함되어 있다. 스포츠 성향의 차량에서는 코너 탈출 가속시 선회 내측 구동륜에 제동을 가해서 외측 구동륜으로 구동력을 보내는 제어가 포함되기도 한다.
브레이크 제어 방식 토크 벡터링이라고도 부르며, 기계식 차동 제한 장치가 무겁고 부피가 크기 때문에 기존에 순정으로 LSD를 탑재하고 있던 도심형 유니바디 SUV들과 본격적인 스포츠카 이전에 스포츠 맛을 볼 수 있는 차량들[2]에서 볼 수 있다. 본격적인 슈퍼카에서도 기계식 LSD 대신 ESP 기반의 토크 벡터링을 사용하는 차량들이 있는데, 맥라렌 12C 이후의 맥라렌 차량들이 예시다.
한 쪽 바퀴에 브레이크를 걸어주므로 엔진 출력의 일부가 손실되고 브레이크 부하를 더해주는 단점이 있다. 전륜 브레이크 부하가 큰 전륜구동 차량으로 스포츠 주행을 할 때 이 단점이 특히 두드러진다. 맥라렌의 경우는 F1 기술에서 유래된 것이라지만, 브레이크를 이용해서 출력을 갉아먹는 단점은 해결하지 못했기 때문에 운전자들 사이에서는 기계 장치를 사용하는 차동 제한 장치나 다판 클러치 방식 토크 벡터링과 호불호가 갈린다.
3.2. 차동 제한장치
3.3. 차동 잠금 장치
Locking Differential(LD)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.
쉽게 말하면 뒷차축에 LD를 달면 언더스티어가 나고 LSD를 달면 오버스티어가 난다. 그래서 요즘 차량의 뒷차축 차동기어는 LD가 달린다.
기어식 LSD와 마찬가지로 LSD용 기어 오일을 사용할 필요는 없다.
웰디드 디퍼렌셜은 차동기어를 그냥 용접해 차동 잠금 장치가 항상 작동하는 것과 동일한 효과를 낸다. 장난감 자동차마냥 좌/우 구동축을 일체형 차축으로 만든 꼴이라 엔진 출력이 좌우륜에 똑같이 전달된다. 선회 중 내외륜 차동이 전혀 되지 않기 때문에 선회가 힘들고 타이어 마모가 빠르다. 따라서 일상용 자동차에는 어울리지 않는다. 그러나 LSD 없이 저렴하게 드리프트를 하기에는 좋은 방법.
국산 SUV/RV/픽업트럭 중에 LD가 옵션 또는 기본 장착된 차량은 다음과 같다.
- 현대 포터 - 후륜 LD
- 현대 스타렉스 - 2018년형 이후 4WD 모델 한정 후륜 LD 기본장착, 이전 연식 옵션 적용, 2020년형 전모델 기본 장착.
- 기아 봉고 - 후륜 LD
- 기아 모하비 - 초기형은 후륜 LD 옵션 적용, 1차 FL 후륜 LD 기본 적용, 2차 FL 전륜 LSD 추가 기본 적용
- 쌍용 올 뉴 렉스턴 - 후륜 LD 기본 적용
- 쌍용 렉스턴 스포츠 & 칸 - 후륜 LD 옵션 적용
- 쌍용 더 뉴 렉스턴 스포츠 & 칸 - 후륜 LD 옵션 적용
4. 궤도차량의 차동장치와 차동 조향
무한궤도 차량이나 반궤도 차량은 이 장치를 조향장치의 한 부분으로서 사용한다. 반궤도 차량의 경우 앞쪽의 차륜형 조향륜이 끝까지 돌때쯤 해당 방향의 궤도에 브레이크가 걸리는 식으로 작동하며, 무한궤도 차량의 경우 한쪽에 브레이크를 각 단별로 걸어 조향하거나[3] 조향용 동력장치를 가동하여[4] 해당 방향으로 선회한다. 이를 Differential Steering, 차동조향이라고 부른다.[1] 레이싱에서도 큰 각이 안 나올 리는 없는데, 이를 대비하여 도로에 캔트 처리가 되어있다. 캔트는 주로 기차에서 많이 사용되며, 도로의 경우 레이싱 게임에서 흔히 볼 수 있다.[2] 아반떼 N Line, 쏘나타 N Line, K3 GT 등등[3] 티거, 처칠 전차, 샤르 B1, 테트라크(테트라크는 궤도를 끼운 상태로 차륜조향을 한다) 등 일부 기종 외의 거의 모든 양차대전기 전차들, 현역 및 일부 최신예 소련/러시아제 전차들, 광·공업용 무한궤도 중장비들이 해당한다.[4] 티거, 처칠 전차, 샤르 B1 등 소수 대전기 전차들, 구형 현용 및 신예 미국, 일본, 한국, 독일, 프랑스, 영국 등 서방제 전차들, 러시아 T-14 아르마타 등이 해당한다.