디퍼렌셜이 뭐야? – 디퍼렌셜 (1)

일상에서 쉽게 접하는 승용차부터 예리하게 코너를 공략하며 달리는 레이스카까지 디퍼렌셜은 널리 사용되고 있습니다. 그래서 이번에는 디퍼렌셜의 역할이 무엇이고, 또 어떠한 종류들이 있는지 알아보겠습니다.

디퍼렌셜이 없는 경우

말 그대로 좌우 바퀴가 고정된 상태로 회전하는 것을 의미합니다. 즉, 어떤 상황에서든 좌우 바퀴가 같은 속도로 회전하게 됩니다.
오프로드 차량과 같은 경우 좌우 바퀴의 접지력은 무시하고 구동을 주기 때문에, 필요한 상황에서 좌우 바퀴를 묶는 디퍼렌셜 락 기능을 험로 탈출에 이용하기도 합니다.

디퍼렌셜이 적용되지 않았을 때의 단점은 코너링에서 나타납니다. 운전자가 핸들을 감아 코너를 진입하려 할 때, 바깥쪽 휠은 이동 거리에 비해 느리게 회전해서 미끄러지게 됩니다. 안쪽 휠도 마찬가지로 이동 거리에 비해 빠르게 회전하여 미끄러지게 됩니다. 접지력의 저하는 차량의 회전을 방해하게 되고 이는 초기 진입 시 언더스티어를 초래합니다. 그렇게 코너에 진입해서 하중이 바깥 휠로 넘어가고 나면, 바깥 휠은 접지력 증가로 인해 더 이상 미끄러지지 않게됩니다. 안쪽 휠은 계속해서 미끄러지고 있기 때문에 바깥 휠의 구동력이 지배적이게 되며, 오버스티어를 만들어냅니다.
아무래도 쉴새없이 미끄러지고 접지력을 잃는다면 타이어 마모가 상당히 많이 발생할 것입니다. 그래서 우리가 쉽게 접하는 차량들에는 양쪽 휠의 회전차를 고려한 오픈 디퍼렌셜이나 LSD(limited slip differential)가 적용되고 있습니다.

오픈 디퍼렌셜

오픈 디퍼렌셜은 앞서 말했던 단점들을 없애 승용차에 주로 사용되는 방식입니다. 락 디퍼렌셜은 내륜과 외륜의 회전차를 고려하지 않아 타이어가 미끄러진다는 단점이 존재합니다. 이로써 발생하는 타이어의 마모를 막기위해 오픈 디퍼렌셜은 양쪽 휠이 알맞은 회전 속도를 가지도록 해줍니다.

원리

디퍼렌셜 기어 원리를 알아보겠습니다. 먼저 양쪽 휠의 회전차가 발생하지 않는 직진 주행을 가정해봅시다. 드라이브 샤프트¹가 회전하면, 링기어와 하우징²으로 동력이 전달됩니다. 그러면 하우징에 붙어있던 스파이더 기어³도 함께 회전(Rotate)하게 되고, 여기에 맞물려 있던 사이드 기어⁴가 회전하면서 액슬을 거쳐 휠까지 동력을 전달합니다. 이때는 디퍼렌셜이 없을 때와 마찬가지로 양쪽 휠에 동일한 토크를 배분하게 됩니다.

차량이 선회를 하면 바깥쪽 휠은 빠르게, 안쪽 휠은 느리게 회전하게 됩니다. 오픈 디퍼렌셜에서는 좌우 사이드 기어⁴의 회전차가 발생함을 의미합니다. 이 때 스파이더 기어³는 사이드 기어⁴의 회전차에 의해 하우징에 고정된 축을 중심으로 회전(Spin)하게 됩니다. 즉, 오픈 디퍼렌셜은 양쪽 휠의 회전차가 스파이더 기어³를 회전시키며 반대쪽 휠에 영향을 주지 않는다고 이해할 수 있습니다. 아래 동영상은 오픈 디퍼렌셜을 아주 쉽게 설명하고 있으니, 참고하시면 됩니다.

단점

앞서 양쪽 휠의 회전차를 고려하여 코너링 시 양쪽 휠이 알맞은 회전 속도를 가질 수 있다는 것이 오픈 디퍼렌셜의 장점이라는 걸 알았습니다. 반대로 오픈 디퍼렌셜은 어떤 단점을 가지고 있는지 알아보겠습니다.

코너링 성능의 저하
디퍼렌셜이 없는 경우에 차량의 코너링 특성이 어떻게 나타나는지 알아봤습니다. 그 내용을 다시 한번 보겠습니다.

코너에 진입해서 하중이 바깥 휠로 넘어가고 나면, 바깥 휠은 접지력 증가로 인해 더 이상 미끄러지지 않게됩니다. 안쪽 휠은 계속해서 미끄러지고 있기 때문에 바깥 휠의 구동력이 지배적이게 되며, 오버스티어를 만들어냅니다.

디퍼렌셜이 없으면 어떤 상황에서도 양쪽 휠에 동일한 토크를 전달하기 때문에 위와 같은 코너링 특성이 나타나게 됩니다. 하지만 오픈 디퍼렌셜의 경우, 저항이 더 적은 쪽으로 더 많은 토크를 분배하는 특징이 있습니다. 따라서 코너링시 안쪽 휠에 하중이 빠지고 바깥쪽 휠로 하중이동이 일어나면, 오픈 디퍼렌셜은 저항이 더 적은 안쪽 휠로 더 많은 구동 토크를 보내게 됩니다. 접지력이 떨어져있는 상태의 안쪽 휠의 구동은 코너링에 도움이 되지 않습니다. 따라서 디퍼렌셜이 없을 때와 비교해서 코너링 성능이 떨어지게 됩니다.

위 동영상은 오픈 디퍼렌셜과 LSD의 코너링을 비교해서 보여주고 있습니다. LSD를 잠깐 짚고 넘어가자면, 필요한 경우에 좌우 토크 배분을 같게 만들어주는 장치입니다. LSD는 다음 편에서 자세히 설명하겠습니다.

오픈 디퍼렌셜의 경우에는 가속 페달을 깊게 밟아도 안쪽 휠로 대부분의 토크가 전달되어 안쪽 타이어가 미끄러지기만하는 모습을 보입니다. 반면에 LSD가 장착된 경우, 접지력이 살아있는 바깥 휠에도 동일한 토크가 전달되므로 오버스티어가 발생하며 드리프트로 이어지는 모습입니다.

험로탈출에서도 마찬가지로 오픈 디퍼렌셜은 한계를 가집니다. 눈길에서도 마찬가지로 오픈 디퍼렌셜이 적용된 차량은 LSD가 적용된 차량에 비해 잘 나아가지 못합니다.

마치며

지금까지 디퍼렌셜이 필요한 이유와 오픈 디퍼렌셜에 대한 설명이었습니다. 사진 자료만으로 설명하기에는 어렵게 느껴질 수 있어 유튜브 영상을 첨부해봤습니다. 조금이나마 도움이 되셨기를 바라며, 다음 편에서는 LSD를 심도있게 알아보겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다.