차동 제한장치

1. 개요2. 작동 원리, 주행 특성3. 종류

3.1. 기어식3.2. 비스커스 커플링식3.3. 다판식

1. 개요

Limited Slip Differential(LSD)

양쪽 바퀴의 마찰력의 차이가 극단적일 경우 운행이 불가능한 차동 기어의 단점을 보완하는 장치이다. 기본적인 원리는 구동륜 양쪽 바퀴의 회전수에 차이가 생기면 회전수가 적은 쪽으로 구동력의 일부를 보내서 차이를 일정 수준 이하로 제한하는 것이다. 그리하여 접지력이 더 좋은 바퀴로 더 많은 토크를 전달할 수 있다.

원래는 험지를 탈출하기 위해 고안되어 SUV, 그 중 도심형 유니바디 SUV에 주로 장착되었다. 특히 2000년대 2WD 사양의 국산 유니바디 SUV에 무조건 장착되어 있었는데, 1996년 12월 개정된 자동차관리법이 '다목적형' 차량은 프레임 바디, 4WD, LSD 중 1개 이상을 구비하고 있어야 한다고 했기 때문이다.[1] 험로 탈출시에 구동력의 일부만 전달되어서 전달된 구동력이 험로를 탈출하기에 충분하지 않으면 탈출에 실패할 수도 있기 때문에 험로를 중시하는 정통 오프로더나 픽업트럭의 후륜 차동기어에는 LSD 대신 차동 잠금장치(LD)가 주로 장착된다. 정통 오프로더나 픽업트럭에 LSD가 사용되는 것은 주 구동륜인 후륜이 아니라 보조 구동륜인 전륜이며, 대표적으로 포드 F-150이 2012년식 이후로 전륜에 기어식인 토센 LSD를 사용하고 있다.[2]

그래서 2010년대 이후로 기계식 장치를 이용한 LSD를 찾아볼 수 있는 것은 코너 탈출 가속 시 구동력을 효율적으로 전달할 수 있고, 선회방향으로 회전력을 증대시킬 수 있다는 장점을 극대화 할 수 있는 스포츠카, 슈퍼카, 하이퍼카다. 전륜구동, 후륜구동, 사륜구동을 가리지 않고 스포츠 주행을 제대로 추구하는 차들이라면 대부분 LSD가 장착되어 있으며 LSD의 구동력 배분과 전개를 어떻게 세팅하느냐는 서스펜션 세팅과 함께 차량의 핸들링 특성에 중요한 영향을 끼치므로 온로드 경주차나 스포츠카에는 LSD가 선회중인 차량의 거동과 가속 성능에 큰 영향을 준다.

2. 작동 원리, 주행 특성

차동 제한 장치의 필요성과 작동 원리를 다판식 LSD를 예시로 설명한 동영상.

자동차가 한계 속도로 코너링 중에는 좌/우 하중이동량이 커서 내측륜 접지력이 줄어들고 외측륜 접지력은 늘어난다.[3] 이때 LSD가 없는 차량으로 코너 탈출을 위해 가속페달을 밟으면 접지력이 약한 내측으로 출력이 몰려서 슬립이 일어나고 제대로 가속할 수 없다. 영상 전륜구동은 당연히 언더스티어가 일어날 수 있다.

반면 LSD가 있는 차량은 내측륜으로 들어가는 구동력을 외측륜으로 보낸다. 내측륜 슬립을 막고 접지력이 좋은 외측륜이 출력을 노면에 전달하므로 제대로 가속할 수 있으며, 선회 방향으로의 회전력이 증가하여 탈출 가속 시 언더스티어가 억제되어 차량 성향이 상대적으로 오버스티어쪽으로 변하게 된다. 특히 전륜 구동 차량은 최대의 약점인 탈출 언더스티어를 억제할 수 있고,[4] 후륜구동은 드리프트도 할 수 있다.

코너 진입을 위해 감속하면서 턴인을 할 때[5] LSD가 작동하면 차량 성향은 언더스티어 방향으로 이동한다. 타이어는 풋 브레이크와 엔진 브레이크로 생성하는 제동 토크를 노면에 전달해야 하는데, 접지력이 작은 내측륜은 두 가지 제동 토크를 모두 받아내지 못하고 슬립할 수 있다.[6] 이때 LSD는 접지력이 좋은 외측륜으로 엔진 브레이크의 제동 토크를 보낸다. 그러면 내측륜 슬립을 막고 접지력이 좋은 외측륜이 내측보다 더 큰 제동력을 만든다. 따라서 외측의 제동력이 내측의 제동력보다 커져 차의 성향은 언더스티어 쪽으로 이동한다. 때문에 턴인 상황에서는 LSD가 턴인을 방해하게 되므로, 전륜구동 차량에는 주로 감속 중에 작동하지 않는 토센 LSD나 1way 다판식 LSD를 사용하며, 후륜구동 차량 중 진입 오버스티어 성향이 커서 후륜이 불안한 차량은 감속[7][8] 중에도 작동하는 1.5way, 2way 다판식 LSD를 사용해서 자세를 안정화한다.

선회 중 좌/우 하중이동이 크지 않아 내측과 외측륜의 접지력이 비슷한 상황[9]에서는 LSD가 작동하면 가감속 상관없이 언더스티어 현상이 생긴다. 차동 제한 장치라는 이름답게 차동 기어 작동을 방해하기 때문이다. 예를 들어 웰디드 디퍼렌셜[10]을 달은 차량은 좌/우 차륜의 회전속도가 동일하므로 골목길처럼 느린 속도로 달리면 좌/우 차동이 되지 않아 선회하기가 힘든것과 같다.[11] 따라서 일반 양산차량은 차동제한 성능이 낮은 토센식, 비스커스식 LSD를 사용한다.

드리프트를 하는 차량에는 필수적으로 달려있다고 생각하면 된다. 이유는 드리프트를 안정적으로 오래하기 위해서는 후륜이 계속 슬립해주어야 하는데 좌/우 바퀴의 마찰력이 같을 수는 없으므로 LSD가 장착되지 않으면 한쪽에만 구동력이 몰려[12] 한쪽 바퀴만 슬립하게 되고 그렇게 되면 차량의 스핀 등으로 드리프트를 안정적으로 지속할 수 없기 때문이다. 가속페달을 밟으면 오버, 떼면 언더 상태가 되며 이를 미세하게 컨트롤 하여서 차체가 일정각 이상 돌아가지 않도록 유지를 해줘야 하는것이 요점이다.[13] 이걸 제대로 설명하자면 가속페달을 밟으면 LSD로 인해 오버스티어로 차가 돌아가고, 페달을 떼면 차 자체의 하체세팅으로 언더스티어가 난다. 즉 이런 원리로 드리프트를 유지하는 것이고 드리프트 차의 서스펜션 세팅이 언더스티어 성향인 것이다.

3. 종류

LSD는 기어식, 비스커스 커플링, 다판식 세가지 방식이 있다.

3.1. 기어식

헬리컬 기어간의 회전시 발생하는 추력(thrust)을 이용해 사이드 기어(바퀴와 연결)와 디퍼렌셜 하우징(변속기와 연결)간의 마찰을 일으켜 구동력을 한쪽으로 몰아주는 원리로 차동제한을 한다. 구체적인 작동 원리는 torsen 기술 문서와 링크[14]를 참고하면 된다. 반응속도가 빠르고 소음이 적으며, 일반적인 오픈 디퍼렌셜과 동일한 기어 오일을 사용해도 되는 등 정비요소가 적기 때문에 일반 양산차량에 달린다. 단점은 TBR [15]이 최대 4:1 정도[16]로 크지 않고, TBR 이상의 회전차가 발생할 경우 일반적인 차동기어와 동일하게 무력해진다는 것이다.

대부분 헬리컬 기어를 포함하기 때문에 헬리컬 LSD라고 부르기도 하며, Torsen, Quaife, Eaton 등의 제조사에서 각자 특허를 보유하고 제조한다. 이 중 토센 LSD는 2세대 이후의 아우디 콰트로 구동계의 센터 디퍼렌셜에 사용되어 빠른 동력 분배 속도로 콰트로를 승용 AWD 중 가장 유명하게 만들었다.

토센 LSD는 수직방향으로 맞물린 헬리컬 기어를 사용하는 Type-1, 수평방향으로 맞물린 헬리컬 기어를 사용하는 Type-2, Type-2에 프리로드 클러치를 포함시켜 TBR을 크게 한 Type-2R, 유성기어를 사용하는 Type-3가 있다. Type-1은 TBR을 2.8:1~4:1까지 크게 설정할 수 있지만 백래시 소음이 있기 때문에 2000년대 중반 이후로는 거의 사용되지 않고, Type-2는 소음이 없지만 TBR 값과 설정 범위가 2:1~2.5:1로 작고 좁다. 최신인 Type-3는 센터 디퍼렌셜(아우디 콰트로)에만 사용되고 있으며 후륜 디퍼렌셜에는 사용된 바 없다.

국산차 중에서는 젠쿱에 토센 Type-2가 장착된 바 있다. 그 외에도 베라크루즈 2WD, 싼타페 SM, CM 2WD, 투싼 JM 2WD, 스포티지 KM 2WD, 엑스트렉 등 1997년~2012년 사이에 출시된 유니바디 전륜구동 SUV에 장착된 바 있는데, 대부분 백래시 소음 문제가 있었다.

3.2. 비스커스 커플링식

윤활유의 점성을 이용한 LSD이다. 내외측 구동축과 이어진 원판이 있고 그 사이에 윤활유가 들어있다. 원판의 회전수 차이가 생기면 윤활유의 점성으로 차동제한을 한다. 윤활유의 점성으로 구동력을 전달하는 토크 컨버터와 유사한 원리이다. 회전수가 커야 차동제한도 크게 일어나며 온도에 따라 윤활유의 점도가 변하면 차동제한성능도 변한다. 소음은 적다.

3.3. 다판식

여러개의 클러치판을 사용해서 차동제한을 한다. 좌/우륜과 연결된 클러치판이 서로 접촉하고 있어서 회전수 차이가 나면 마찰력으로 차동제한을 한다. 가장 확실한 차동제한 성능을 가지고 있지만, 응답이 느리고, 채터링 소음이 크며, 길들이기, 오버홀 등 관리요소[17]가 추가되고, 마찰조정제가 포함된 기어 오일을 사용해야 하며 기어 오일의 교환 주기도 짧다[18]는 단점이 있다. 따라서 경주차나 스포츠카에 주로 사용된다. 가속과 감속중 차동제한 작동에 따라 1way, 1.5way, 2way가 있는데, 1way는 가속할 때만 작동하며 2way는 가감속 모두 작동한다. 1.5way는 가속중에 작동하며 감속중에는 약하게 작동한다.

국산차 중에는 G70과 스팅어에 장착된 바 있다.

3.3.1. 전자식 차동 제한장치

자세한 내용은 전자식 차동 제한장치 문서 참고하십시오.
다판식 LSD를 상황에 맞게 세밀하게 전자식으로 제어하는 것이다. 전자식으로 클러치를 제어해서 선회력을 증대시키므로 액티브 디퍼렌셜, 디퍼렌셜 제어 방식 토크 벡터링이라고도 부른다. 이는 다판식임에도 일상과 스포츠 주행 모두 적절하게 쓸 수 있다.[19]

1996년 4세대 란에보와 5세대 프렐류드에 처음 사용되었다. 그 뒤 2004년 4세대 레전드에 사용되어 일반 승용차에 적용되었으며, ZF, 할덱스, 리카르도 등의 구동계 부품 제조사를 통해 포르쉐, 아우디, BMW 등에서 사용하기 시작한 것은 2010년대부터다. 국산차 중에서는 코나 N, 벨로스터 N, 아반떼 N, GV60, GV70, GV80에 현대위아의 e-LSD가 장착된 바 있다.

[1] 2012년부터는 자동차관리법이 개정되어 ESP가 의무화되면서 브레이크 제어 방식 토크 벡터링으로 대체하는 것이 받아들여졌다. [2] 물론 전륜에도 차동 잠금 장치를 사용하는 경우도 있다. [3] 우선회 중이라면 오른쪽 바퀴가 내측륜, 왼쪽 바퀴가 외측륜이다. [4] 벨N이 전륜구동임에도 불구하고 코너링 중에도 계속 가속할 수 있고, 가속 페달을 밟아 차량 앞머리를 코너 안쪽으로 집어 넣을 수 있는 것(스로틀 스티어)은 LSD 때문이다. [5] 트레일 브레이킹 [6] 물론 LSD가 없어도 ESC가 있다면, ESC가 내측륜 브레이크 제동 토크를 줄인다. [7] 제동중에 하중이 후륜에서 전륜으로 이동해 후륜의 접지력이 약해지기 때문에 오버스티어 성향을 띠는 것. 정도가 심하면 차량 뒤쪽 거동이 불안정해 다루기 어려운데 감속중에도 작동하는 LSD를 사용해 언더스티어 성향으로 턴인을 억제하여 차량을 안정시키는 것이다. [8] 리프트 오프 오버스티어라고 한다. 미니, 벨로스터는 전륜구동임에도 리어 오버행이 짧아 리프트 오프 오버스티어가 발생하는 것으로 유명하다. [9] 골목길처럼 서행하며 주행하는 경우. [10] 디퍼렌셜 내부 기어를 용접해서 묶어 버린 것. 사실상 상시 LD라고 보면 된다. '지짐데후'(...)라는 속어가 주로 사용된다. [11] 이런 단점때문에 사실상 드리프트 퍼포먼스 카에만 저렴하게 차동 잠금 효과를 넣기 위해 ~~혹은 제대로 된 LSD를 주문해서 도착할 때 까지 임시로~~ 작업한다. 일반적인 주행에서 선회할 때 쓰라고 장착해 놓은 차동기어를 강제로 묶어버렸으니 공공도로상 일상 주행에선 그리 좋지가 않다. 선회 할 때마다 가가각 거리는 소음은 덤. ~~국내에서는 젠쿱에서 주로 볼 수 있다. 애초에 국산 후륜 수동 드리프트카로 쓸 만한 차가 젠쿱밖에 없다.~~ [12] 보통 하중이 빠져 마찰력이 줄어드는 내측륜 [13] 넘어가면 스핀이고 부족하면 언더로 코스아웃. 엔진의 파워가 약하다면 저그립 타이어로 대체하던지, 노면이 젖은 상태에서 드리프트를 유도하면 된다. 최고의 조합은 접지력이 떨어지는 연비용 타이어나 내구성 위주인 남자의 타이어 트레드 혹은 다써서 맨들맨들해진 타이어 + 젖은노면... 비 오는날 레져카트를 타보는 방법도 있다. 보통 렌탈용 레져카트는 유지 보수 비용 절감을 위해 레인 타이어를 따로 구비하지 않아서 노면이 젖어도 슬릭타이어를 끼워놓는데 5.5마력이라도 뒤가 술술술 미끄러지기 때문에 아주 재미(?)가 있다. 만약 12마력이 넘는 엔진을 단 소위 스포츠 카트라면 가속패달을 밟는 즉시 옆으로 가속을 하게된다. 엑셀워크를 익히지 못하면 앞으로도 못 가는 상황이 만들어진다. [14] #1, #2. [15] Torque bias ratio, 즉 차동제한력. [16] 젠쿱에는 TBR 설정범위가 2:1~2.5:1인 토센 Type-2 LSD가, 1세대 86에는 TBR 설정범위가 3:1~4:1인 토센 Type-2R LSD가 각각 순정으로 장착된다. 순정 세팅값은 각각 2:1, 4:1로 알려져 있다. [17] 클러치판의 소재 선정에 따라서 채터링 소음, 길들이기, 오버홀 등의 관리요소는 양산차 수준에서 신경쓰지 않게 할 수 있다. 카본 클러치를 사용하는 GKN사 OEM인 G70, 스팅어 순정 다판식 LSD가 대표적이다. [18] 젠쿱의 토센 LSD는 오픈 디퍼와 동일하게 가혹 조건에서 6년 12만 km주기로 교환하게 되어 있지만 G70, 스팅어 순정 다판식 LSD는 그 절반인 3년 6만 km 주기로 교환하게 되어 있다. [19] 다판식의 단점인 채터링 소음, 길들이기, 오버홀 등의 단점은 전술했듯이 클러치 소재를 개선해 커버한다.