LSD

 지난번에는 자동차의 차축과 구동방식에 대해서 얘기했고 이번에는 디퍼런셜 기어의 단점을 보완해주는 LSD에 대해 알아보고자 한다.

 

1.LSD (Limited Slip Differential) – 차동 제한장치

 LSD의 차동 제한장치라는 말에서 알 수 있듯이 차동기어를 제한하는 장치이다. 왜 제한해야 할까? 차동기어로 인해 양쪽 바퀴의 마찰력이 극단적인 경우 한쪽 타이어가 공회전을 하고 반대쪽 타이어는 돌지 않아 움직일 수 없는 그런 상황이 생길 수 있기 때문이다. 그래서 LSD는 한쪽 바퀴가 미끄러지거나 헛돌고 있을 때 해당 바퀴에만 구동력이 쏠리지 않도록 막아주고, 좌우 바퀴에 같은 동력을 전달해주는 장치이다.

 LSD는 일반적으로 전자식과 기계식 2가지로 나누기도 하고 토크 감응형과 회전차 감응형 2가지로 나누기도 하는데 이렇게 나누는 기준과 그 특징에 대해서 포스팅 하고자 한다.

 

2. 토크 감응형 LSD – 다판 기계식 LSD

 다판식 LSD는 좌우 바퀴의 노면 상태나 하중의 변화로 트랙션에 차이가 발생하면 그로 인해 발생되는 저항으로 디퍼런셜의 피니언 기어에 힘이 가해지면서 내부의 프릭션 디스크와 프릭션 플레이트가 붙으면서 마찰력을 발생시켜 차종을 제한하는 방식을 취하고 있다.

 이 때 프릭션 디스크와 플레이트 디스크의 재질이나 개수에 따라 작동 질감과 성능에서 차이가 발생한다. 또한, 피니언 기어에 전달되는 저항에 의해 위상이 바뀌면서 디스크를 밀어주는 캠의 위상을 작동 방향에 따라 다르게 함으로서 1웨이, 1.5웨이, 2웨이 같은 LSD의 특성이 만들어질 수 있다.

 쉽게 말해서 1Way는 한쪽 방향으로만 차동제한이 작동하는 방식이고, 2Way는 양뱡항으로 차동을 제한하는 방식이며, 1.5Way는 양뱡향으로 차동을 제한하되 양측의 제한 특성에 차이를 두는 방식을 말한다.

 여기서 말하는 양방향이란 회전하는 방향을 말하는 것이 아니라 구동 토크가 나오는 상태와 코스트 상태를 말하는데 여기서 구동 토크가 나오는 상태는 악셀을 밟는 상황이고, 코스트 상태는 악셀을 뗀 상태이다.

 초기의 다판식 LSD는 주로 2Way가 주로 사용되었지만 지금은 대부분 1.5Way가 주류를 이루고 있다. 또한, 일반적인 주행 중에는 회전차를 어느정도 허용해 주어야 부드러운 주행이 가능하기 때문에 피니언에 걸리는 양측 바퀴의 반력 차가 적을 때에는 오픈 디퍼런셜처럼 차동제한을 하지 않고 회전차를 허용하게끔 하고 있습니다. 이런 특성을 설계하기 위해 다판식 LSD에는 이니셜 토크를 제어할 수 있는 프리로드 스프링의 강성으로 조절을 하기도 하고, 디스크를 밀어주게 되는 프레셔 링의 캠 각도를 설계하기도 한다.

 

3. 토크 감응형 LSD – 토르센 타입 LSD

 토르센 A 타입의 LSD는 기본적으로 앞서 설명한 다판 기계식 LSD와 달리 디스크 구조물이 없고 대신, 독립적으로 설치된 사이드 기어의 양측에 반력 차이가 커지면 회전차가 발생하면서 엘리먼트 기어를 역방향으로 회전시키면서 기어에 걸리는 힘에 의해 반력이 높은 쪽으로 동력을 전달하는 특성을 가지고 있습니다.

 그러나 엘리먼트 기어가 고정되어 있지 않고 좌우 바퀴 사이에 반력 차이가 발생하면 사이드 기어가 엘리먼트 기어를 회전시키려는 힘이 발생하면서 두개의 엘리먼트 기어가 서로 반대 방향으로 회전을 하면서 사이드 기어를 상대적으로 회전속도가 느린 쪽으로 밀면서 차동을 제한하는 토르센 B 타입도 있다.

 그리고 4륜구동에서 센터 디퍼런셜로 사용되는 경우의 토르센 C 타입 LSD는 플래니터리 캐리어 전체를 회전시키는 동력에 의해 모든 기어를 일정한 속도로 회전시키도록 하면서 선기어와 링기어의 회전차이에 의해 플래니터리 캐리어와 플래니터리 기어 사이에 마찰력이 발생하면서 차동 제한 기능을 수행하게 된다.

 

4. 회전차 감응형 LSD – 비스커스 커플링 타입 LSD

 비스커스 커플링 타입의 LSD는 앞서 소개한 토크 감응형과 달리 회전차 감응형으로 비스커스 커플링 자체가 실제 기어의 결합이 없기 때문에 토크를 전달하는 매개가 필요하게 된다.

 비스커스 커플링 구조에서 토크를 전달하는 역할을 하는 매개체로는 실리콘 오일 같은 점성 유체가 사용되는데, 내부에 얇은 플레이트를 여러 장 겹쳐 놓고 그 사이에는 높은 점도를 가진 실리콘 오일을 채워 넣어서 입력 축에 연결된 플레이트가 회전하면 플레이트 사이에 채워진 오일에 의해 플레이트를 돌리는 회전력이 전달되어 마지막 출력 축에 연결된 플레이트를 회전시켜 동력을 전달하는 방식이다.

 이 때 토크 전달력은 오일의 점도와 내부 충진률 그리고 플레이트의 재질에 따라 차이가 생기게 된다. 비스커스 커플링은 가혹하게 사용될 경우 내부 오일의 온도 상승이나 충진률에 따라서는 내부 공기의 팽창으로 효율이 저하될 수 있기 때문에 이를 해결하기 위해 사양에 따라서 오일의 점도와 충진률, 플레이트의 재질과 형상을 다르게 설계하게 된다.

 비스커스 커플링은 그 자체가 LSD는 아니기 때문에 기계식 LSD에 비스커스 커플링을 클러치팩으로 결합한 구조로 설계하여 LSD로 사용하고 좌우 바퀴의 회전차가 발생할 때 단순히 비스커스 커플링의 토크 전달에만 의지하지 않고 펌프 디스크를 이용해서 유압을 증대식 차동제한 성능을 높이는 경우도 있습니다.

 

5. 전자식 LSD (e-LSD)

 2017년도부터 양산되고 개발된 전자식 LSD가 최근에 출시되는 차량에 보편화 되어있다.

 전자식 LSD의 가장 큰 장점은 간단한 구조에서 높은 성능을 낼 수 있다는 점과 다양한 응용을 통해 스마트한 동력배분이 가능하다는 점이다. 전자식 LSD에는 디퍼런셜 내부에 제동을 걸기 위한 기구가 추가되는데 초기에는 액츄에이터와 솔레노이드가 디퍼런셜 외부에 설치되었지만 최근에는 디퍼런셜 내부에 탑재되고 있다.

 필요에 따라 솔레노이드가 작동하면 차동기능이 활성화되고, 작동하지 않을 때에는 오픈 디퍼런셜이 되는 방식인데 오픈 디퍼런셜과 LSD의 장점을 모두 이용할 수 있다. (오픈 디퍼런셜은 디퍼런셜기어, 즉 차동 기어를 말한다) 게다가 전자식 LSD의 록을 제어하기 위해 정밀한 계산과 수행이 가능한 컨트롤러와 정밀한 알고리즘을 가진 소프트웨어가 탑재되며 이를 적절하게 수행하기 위한 다양한 센서들이 탑재되면서 차동제한 기능을 수행하게 되고 이를 통해 매우 안정적이고 뛰어난 트랙션과 주행 퍼포먼스를 낼 수 있게 되었다.

 이런 전자식 LSD가 개발되고 발전하면서 뛰어난 응답성, 높은 탑재성, 폭넓은 적용 범위, 이질감 없는 주행성능, 범용성 및 전체적인 성능면에서 기계식 LSD를 거의 완벽하게 대체하고 있다. 아직도 기계식 LSD의 원초적인 퍼포먼스 때문에 사용하는 경우도 있지만 기계식과 전자식 LSD를 같이 사용하는 경우가 많다.

 

이렇게 해서 동력 전달 장치에 대한 포스팅을 끝내고 다음부터는 제동 장치에 대해 글을 써보고자 한다.