동력전달장치(차축, 구동 방식)

 지난번에는 자동차의 동력 전달 장치 중 클러치와 변속기에 대해서 얘기했고 이번에는 차축과 구동방식에 대해 알아보고자 한다.

 

1.차축?

 차축은 바퀴를 통하여 차량의 중량을 지지하는 축이며, 구동축과 유동축이 있다. 구동축은 종감속 기어에서 전달된 동력을 바퀴로 전달하는 노면에서 받는 힘을 지지하는 일을 한다. 차량의 구동 방식은 전륜 구동(FWD), 후륜 구동(RWD) 4륜 구동(4WD, AWD) 이렇게 3가지 방식으로 나눌 수 있다. 이름에서 알 수 있듯이 순서대로 전륜, 후륜, 전륜·후륜이 구동축이 되고 다른 축은 유동축이 된다. 4륜 구동의 경우 앞, 뒤 차축이 모두 구종축에 해당되기에 유동축이라고 굳이 나눌 필요 없이 두 차축이 모두 구동축이면서 동시에 유동축이 된다.

 

2. 전륜 구동 방식(FWD: Front Wheel Drive)

 앞바퀴를 굴리는 자동차의 구동방식을 통칭하는 용어이다. 일반적으로 대부분 자동차의 스티어링 시스템은 전륜이기 때문에 앞 차축의 구조가 뒷 차축보다 구조가 복잡하다.

 전륜 구동방식은 실내 공간의 확보와 악천후에도 주행 안정성이 뛰어나다는 장점 때문에 우리가 흔히 사용하는 승용차의 경우 대부분 전륜 구동방식을 선택하고 있다. 엔진의 위치에 따라 FF(Front Engine Front Wheel Drive), MF(Middle Engine Front Wheel Drive), RF(Rear Engine Front Wheel Drive) 이렇게 3가지 방식으로 나눠지지만 실내 공간 확보에 유리한 FF방식을 많이 사용하고 있다. 또 다른 장점으로는 구동력의 전달 거리가 짧고 자동차의 무게를 줄일 수 있기 때문에 연비가 우수하고 후륜구동 방식보다 부품이 적어 생산 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

 단점으로는 구동축의 구조가 복잡한데 특히 현가장치가 복잡해진다. 앞바퀴가 구동과 조향의 역할을 담당하기 때문에 성능이 우수한 항속 조인트를 사용하게 되고 방향전환을 할 때 미끄러질 수 있다. 또, 구조상 차체 앞쪽에 하중이 쏠리므로 효율적인 중량 배분이 어렵고 전륜 타이어의 마모가 심해 수명이 짧아진다는 단점이 있다.

 

3. 후륜 구동 방식(RWD: Rear Wheel Drive)

 말 그대로 엔진에서 뒷바퀴로 동력을 전달해 구동하는 방식이다. 주로 엔진을 앞에 배치하여 뒷바퀴를 굴리는 방식인 FR 방식이 많이 이용되지만, MR, RR 등 다양한 방식의 자동차도 존재한다.

 FR 방식은 후륜 구동의 차량 중 대부분을 차지한다. FF차량에 비해 전후 간 무게 배분의 밸런스가 좋아 코너링이나 고속 주행 및 가속 시 차량의 운동성능이 뛰어나다는 장점이 있다. 또한 엔진룸에 구동계의 간섭이 없어 탑재 가능한 엔진 크기에 대한 제약이 덜하며, 직관적인 스티어링 휠의 조작이 가능하다. 하지만 전륜 구동에 비해 실내공간이 좁고 구동축에 가해지는 하중이 상대적으로 작기 때문에 빗길이나 눈길 들 극단적인 노면환경에서는 노면에 대한 접지력이 떨어진다. 이러한 단점에도 불구하고 FR방식은 우수한 승차감의 장점으로 고급 브랜드의 세단 차량에 많이 사용되고 있다.

 MR 방식 차량은 흔히 미드쉽 차량이라고 불리는데 엔진이 차체의 중앙에 위치한 차량으로 접지력과 차체의 밸런스가 매우 뛰어나 다는 장점을 가지고 있다. 코너링에서의 높은 한계차와 성능 등 운동성능 부분에서의 뛰어난 이점으로 인해 레이싱카에 주로 사용되는 방식이다. MR 방식은 엔진룸 커버를 미려한 유리로 디자인하여 엔진 자체를 하나의 미적인 요소로 사용하는 방식으로 차량의 고성능을 표현하기도 한다. 하지만 차체의 중간에 엔진이 위치하기에는 실내 공간의 확보에 불리하며 엔진의 열과 소음이 실내로 유입된다는 단점이 있다.

 RR 방식을 체택하는 차량이 많지는 않은데 뒷바퀴의 강한 접지력으로 뛰어난 가감속과 스포츠 드라이빙이 가능하다는 장점이 있지만 반대로 앞바퀴의 그립력이 약해 운전이 어렵다는 단점이 있다. 대표 차량으로는 포르쉐 911이 있다.

 

4. 4륜 구동 방식(AWD: All Wheel Drive)

 4WD라고도 불리는 AWD 차량은 모든 바퀴가 동력을 전달하는 방식이다. AWD는 높은 출력의 엔진을 필요로 하며, 연비가 다소 떨어진다는 단점이 있지만 비포장 도로나 눈길 등 노면의 접지력이 떨어지는 곳에서 성능이 뛰어나다. 이러한 이유로 AWD 차량은 오프로드에서 주행 시 SUV나 트럭 등에 널리 사용되다가 최근에는 세단에도 점점 확대되고 있다. 그 이유로는 크게 2가지가 있는데 하나는 주행 안정성이 뛰어나다는 점이고 내연기관 차량의 경우 AWD 방식으로 개발하고자 하면 많은 기계부품과 추가되는 축으로 인해 기계적 효율이 떨어지고 연비가 매우 나빠진다는 단점이 있는데 최근에 하이브리드, 전기자동차의 개발이 가속화되고 있어 보다 쉽게 AWD 방식을 채택할 수 있기 때문이다.

 

5. 최대 등판각도

 자동차에는 최대 등판각도라는 것이 있다. 쉽게 말하면 자동차가 큰 각도의 경사진 길을 달릴 수 있냐 없냐를 판단하는 기준이 되는 수치이다. 앞에서 언급했던 전륜, 후륜, 4륜 구동 중 어떤 자동차가 최대 등판각도가 더 클까? 상식적으로 생각해봤을 때 4륜 구동의 차량이 가장 클 것이라는 것에 모두 동의할 것이다. 그러면 후륜과 전륜의 차량 중 어떤 차량이 더 경사진 길을 오를 수 있을까?

 위 그림은 자동차가 임의의 각도 θ만큼 기울어진 경사길을 올라갈 때의 자동차의 모습이고 이 때 힘이 작용하는 작용점과 힘의 종류에 대해서 FBD(자유물체도)를 그린 것이다. 하나하나 다 언급하기에는 너무 많아서 대충 D는 공기저항, W는 무게, F는 마찰력으로 생기는 구동력, Rx는 구름저항, Rh는 견인력, Wf, Wr은 수직반력을 나타낸다. 물리를 배우지 않았던 사람들에게는 생소한 내용이기에 과정은 생략하고 구름저항, 공기저항, 견인력을 무시했을 때 모멘트 평형식을 이용해 정리하면,

 위의 그림에서 보는 식이 나오게 된다. 뭔지 모르겠다라고 생각이 들 수 있는데 쉽게 설명하자면 최대등판각도 θ는 전륜 차축에 걸리는 하중 Wf 와 후륜 차축에 걸리는 하중 Wr과 무게중심으로부터 앞차축까지의 거리, 뒷차축까지의 거리의 비와 노면으로부터 무게중심의 높이를 변수로 나타낼 수 있다. 물론 실제 상황에서는 여러 변수들이 더 존재하기 때문에 이렇게 간단한 식으로 나타낼 수 없다.

 위 식에 맞춰서 계산을 해보면 전륜 구동방식이 후륜 구동방식보다 최대 등판각도가 낮다는 결론을 도출해낼 수 있다. 사실 이러한 계산은 우리가 자동차를 사용하는데 있어 의미가 없다고 생각한다. 왜냐하면 시중에 나와있는 자동차들은 웬만한 각도의 경사진 길을 오를 수 있기 때문이다. 다만, 오프로드 주행이나 험준한 산을 오를 때는 전륜 혹은 후륜 보다 4륜 구동 차량을 타는게 좋다는 얘기는 할 수 있다.

 

6. 차동 기어(Differential gear)

 차동 기어도 동력 전달 장치의 하나이다. 일반적으로 자동차를 좋아하는 사람이라면 디퍼런셜 기어라고 알고 있는 부품이 차동 기어이다. 왜 차축에 대해 포스팅 하면서 차동 기어를 같이 넣었는지 의아할 수도 있지만 차동 기어는 구동축의 차축에 달려 있는 부품으로 차동 기어가 없는 자동차는 내가 알고 있는 한 없다. 그만큼 중요한 부품인데 왜 사용할까?

 위의 그림은 자동차가 선회할 때의 모습을 보여준다. 그림에서 코너링 포스라고 표시되어 있는 화살표를 보면 코너 안쪽에 있는 바퀴의 반경이 바깥쪽에 있는 바퀴의 반경보다 짧다는 것을 알 수 있다. 이 말은 양쪽 바퀴의 회전 반경이 다르다는 것을 의미하고 두 바퀴가 같은 속도로 회전하면 자동차는 원활한 선회운동을 할 수 없다. 이런 이유로 차동 기어가 필요한 것인데 쉽게 말하자면 양쪽 바퀴에 걸리는 구동력을 다르게 해주는 장치, 즉 구동력을 분배하는 장치인 셈이다. 만약에 위의 상황에서 차동 기어가 없다면 어떻게 될까? 아마도 극심한 언더스티어 현상이 발생하거나 양쪽바퀴 모두 슬립하면서 매우 불안정해질 것이다.

 이처럼 자동차에 꼭 필요한 부품이지만 단점도 가지고 있다. 차동 기어는 양쪽 바퀴의 마찰력의 차이가 극단적일 경우 타이어가 공회전을 하면서 접지력을 잃고 움직이지 못할 수도 있다. 예를들어 눈길이나 늪지대 같이 접지력이 상시적으로 변하는 험로를 간다거나 차량 한쪽바퀴만이 웅덩이나 빙판에 빠졌을 경우에 빠지지 않은 바퀴는 가만히 있고 웅덩이나 빙판에 빠진 바퀴만 헛돌면서 차량이 출발하지 못하는데 이 현상들은 차동 기어 때문에 발생한다. 이유는 차동 기어의 작동 원리와 관계되어 있는데 차동 기어는 바퀴에 걸리는 마찰력이 작은 쪽에 더 큰 구동력을 전달하는 원리이기 때문에 이런 형상이 발생한다. 이를 보완하기 위해서 자동차는 많은 제어 장치들을 추가하게 되는데 이 뒤부터는 다음에 포스팅 하기로 한다.