LSD – 디퍼렌셜(2)
지난 번, 오픈 디퍼렌셜을 설명하면서 LSD를 잠시 언급했었습니다. 이번 글에서는 그 LSD를 좀 더 자세하게 알아보겠습니다.
차륜제한장치(LSD)는 왜 나타났을까?
이전에 살펴본 오픈 디퍼렌셜은 코너링 시에 하중이 실리고 접지력이 높은 쪽으로 출력을 보내지 못하는 단점이 있었습니다. 더 빠르게 코너를 돌아나가기 위해서는 디퍼렌셜이 없는 게 더 유리할 수 있습니다. 그래서 필요한 상황에 오픈 디퍼렌셜의 역할을 무력화시키는 차동제한장치, Limited Slip Differential이 나오게 된 것입니다.
클러치 타입 LSD
LSD는 통상적으로 다판 클러치 방식과 헬리컬 기어 방식(토센)으로 나뉘는데, 먼저 클러치 타입 LSD에 대한 설명입니다.
이 방식은 기본적으로 오픈 디퍼렌셜에 다판 클러치가 추가된 구조입니다. 스틸플레이트들 사이에 마찰디스크가 들어가 있습니다.
먼저 각각의 요소들이 어떻게 연결되어있는지를 보겠습니다.
- 사이드기어-마찰디스크–구동축
- 케이스-스파이더기어-스틸플레이트
오픈 디퍼렌셜와 같이 사이드기어와 스파이더기어는 베벨기어로 맞물려 있습니다. 베벨기어의 특성 상 회전할 때 서로를 밀어내는 힘이 작용하기 때문에 회전토크가 클수록 사이드기어는 더 큰 힘을 받게됩니다. 즉, 양쪽 휠로 연결된 사이드기어가 휠 방향으로 힘을 받게됩니다.
양쪽 휠의 트랙션 차이에 따라 사이드 기어가 휠 쪽으로 힘을 받게되면 마찰 디스크와 스틸플레이트가 만나 함께 회전하게됩니다.
마찰 디스크와 스틸플레이트 사이의 슬립율은 사이드기어가 받는 힘의 크기에 영향을 받으므로, 양쪽 휠의 접지력 차이가 클수록 슬립율이 감소합니다. 이때 스틸플레이트는 출력을 온전히 전달하는 링기어와 함께 회전하므로 마찰디스크로 토크를 전달하여 바깥쪽 휠에 토크를 전달함으로써 코너링 성능을 향상시키게 되는 것입니다.
Youtube : Sabins Civil Engineering
여기까지가 차동제한장치의 기본적인 작동원리입니다. 인터넷에 조금 검색을 해보셨더라면 LSD가 1way, 1.5way, 2way등 다양한 옵션이 있는것을 보셨을겁니다. 각각의 옵션이 어떤 차이가 있는지도 여기서 알아보겠습니다.
1 way
1way는 단어 그대로 한 방향에 대해서 작동하는 것을 의미합니다. 가속 상황에서만 “차동제한”기능이 동작한다고 생각하면 됩니다.
스파이더기어의 축이 그림과 같은 케이스의 홈에 연결되어 있어 가속시에 링기어와 함께 회전하는 스파이더 기어의 회전력(rotation)과 사이드 기어의 분리력이 작용함에 따라 케이스를 양쪽으로 밀어내어 다판클러치를 미트시키는 방식입니다. 1 way는 가속시에만 차동제한이 되는 구조입니다.
2 way
2 way의 경우, 1 way에 있던 홈이 반대쪽에도 그대로 존재하여 감속시에도 차동제한효과를 얻을 수 있는 구조입니다.
1.5 way
1.5 way는 1 way의 구조에서 감속시 힘을 받는 쪽에 작은 각의 홈을 두어 가속 상황 뿐 아니라 감속 상황에서도 차동제한의 효과를 어느정도 줄 수 있는 구조입니다. 2 way와 1.5 way는 사용하는 용도에 따라(트랙 주행, 공도, 랠리) 선택하게 됩니다.
헬리컬 기어 방식 LSD
이 방식은 토센 lsd로도 잘 알려져있습니다. 보다 조금 복잡한 형태로 되어있는데, 그 장점이 뚜렷하게 나타나는 방식입니다.
사실 말로 설명하기보다 동영상으로 보는 것이 훨씬 더 쉽기때문에 유튜브 동영상을 참고하시면서 설명을 따라 읽어보시면 좋을 듯 합니다.
동영상에서 나오는 파란색 기어는 Worm Wheel이라 하며, 그 단면은 스퍼기어입니다. 양쪽 구동축과 연결된 사이드 기어는 헬리컬 기어입니다.
스퍼기어는 헬리컬 기어를 회전시킬 수 없고, 그 반대로 헬리컬 기어는 스퍼기어를 회전시킬 수 있습니다. 따라서 사이드기어의 회전으로 인해 Worm Wheel이 회전할 수는 있지만, 그 반대는 불가능하다는 것입니다.
작동 상황을 예시로 그 원리를 설명하자면
- 코너링 시에 외륜 쪽 사이드기어가 링 기어보다 더 빠른 속도로 회전하게 되고, 내륜 쪽 사이드 기어는 링기어보다 느리게 회전합니다.
- 각 사이드 기어는 Worm Wheel을 서로 다른 속도로 회전(spin)시킵니다.
- 내륜쪽 Worm Wheel은 외륜쪽 Worm Wheel에 의해 회전력을 얻는다 하더라도 Worm Wheel이 헬리컬 기어인 사이드 기어를 회전시키지 못하므로 추가적인 회전이 제한됩니다.
- 따라서 Worm Wheel은 서로 맞물려 있기에 외륜 쪽 Worm Wheel은 회전을 방해받는 힘을 받습니다.
- Worm Wheel의 회전 속도가 느릴수록 링기어와의 회전차가 줄어들고, 더 큰 토크를 전달하게 됩니다.
- 내륜 쪽 사이드 기어는 링 기어보다 느리게 회전하므로 안쪽 휠로 전달되는 토크는 감소합니다.
- 이로써 바깥쪽 휠로는 추가적인 토크가 전달되며, 안쪽 휠로는 그만큼의 토크가 덜 전달됩니다.
설명이 꽤나 복잡하고 길어졌는데, 그만큼 이런 헬리컬 방식 LSD는 반응이 빠르고 수명이 매우길다는 장점이 있습니다.
내륜에 감소한 토크가 외륜으로 더해지는 특성은 토센 디프 기준 최대 4:1로 토크 분배가 가능하다고 합니다. 이런 특징이 있어 Torque Sensing Differential이라는 이름으로 불리기도 합니다.
한쪽 바퀴가 미끄러지는 경우(험로 등)
이 경우는 앞선 코너링 상황과 다르게 접지력이 약한 쪽의 Worm Wheel이 반대쪽을 회전시키지 못하기에, 양쪽 바퀴가 묶이게 됩니다. 따라서 앞선 코너링 상황에서와 같이 이상적인 토크분배는 없습니다.
마치며
지금까지 LSD의 두 가지 종류, 클러치 타입과 헬리컬 타입을 알아봤습니다. 참고 동영상의 도움이 컸지만, 제 설명이 이해하시는데 조금이나마 더 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 다음에는 전자식 LSD와 다양한 좌우 토크분배 방식들을 알아보겠습니다. 지금까지 읽어주셔서 감사합니다.
