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지프형 차나 SUV 차는 네바퀴 굴림(4WD) 방식이 대부분 적용되어 있다. 일부 수입차 중에서는 승용차이면서도 4WD 방식을 적용한 차들도 있다. 이들 4WD 차의 경우는 차동제한장치(Limited Slip Differential : LSD)가 필요하게 된다. LSD는 타이어 슬립이 발생하는 경우, 차동장치의 2개 구동축을 고정해 차의 구동력이 미끄러지는 구동 바퀴로 전달되는 것을 방지하는 역할을 한다
이형규 「한국특허정보원 조사분석1팀」
지프형 차나 SUV 차는 4륜 구동방식(네바퀴 굴림)이 대부분 적용되어 있다. 일부 수입차 중에서는 승용차이면서도 4륜 구동방식을 적용한 차들도 있다. 이들 차에는 ‘4WD’라는 글자가 새겨져 있다. 4WD란 네바퀴에 모두 엔진의 출력이 걸려 움직이는 4륜 구동이란 뜻인 ‘4 휠 드라이브(Wheel Drive)’의 약자로, 4×4라고 쓰기도 한다.
우리나라에서 시판되고 있는 차 중에서 4WD 방식이 적용된 차는, 카니발과 트라제와 같은 RV차나 무쏘, 테라칸, 쏘렌토와 같은 지프형 RV가 대부분을 차지하고 있었다. 그러나 최근 메르세데스 벤츠의 4륜 구동 세단 C320 4매틱, S500L 4매틱, 아우디의 A4 3.0콰트로, A6 2.4와 3.0콰트로, A8 3.7콰트로, 폭크스바겐 파사트 2.8 포모션, 볼보 S60R, 재규어 X타입 2.5와 3.0 등이 있다. 이들 차는 제작비와 수리비가 상대적으로 비싸고, 전륜 구동(앞바퀴 굴림)이나 후륜 구동(뒷바퀴 굴림)보다 무게가 50~100㎏ 정도 무거워 기름이 더 드는 단점에도 불구하고 눈길이나 빗길, 내리막 도로에서의 탁월한 성능과 기술의 발달에 의해 단점이 대거 보완되면서 각광을 받고 있다.
■ 4WD의 장단점 및 특성
최근의 4WD 시스템은 앞 차축에서 왼쪽과 오른쪽 바퀴의 동력을 배분하는 제1 차동장치, 뒤 차축에서 왼쪽과 오른쪽 바퀴의 동력을 배분하는 제2 차동장치 그리고 중앙 차동장치(center differential)라 불리는 것으로서 앞과 뒤 차축사이에 설치되는 제3 차동장치를 구비하고 있다.
차동장치의 목적은 자동차가 선회할 때 바깥쪽의 바퀴가 안쪽의 바퀴보다 빨리 선회하기 때문에 안과 밖의 바퀴 사이에서의 동력 배분을 위한 차동장치가 필요하다. 4WD 차의 경우에는 앞바퀴가 뒷바퀴보다 빨리 가게 되므로 센터 차동장치가 필요하다.
차동장치를 구비하고 있지 않는 경우에는 타이어 슬립, 마모, 소음이 발생하게 되므로 현재 거의 모든 4WD 차종에는 센터 차동장치가 구비되어 있다.
1. 견인력과 접지력
4륜 구동은 2개의 바퀴가 아닌 4개의 바퀴로 구동력이 배분되므로 더 큰 견인력과 접지력을 갖게 된다. 이것은 특히 험로의 주행이나 젖은 노면에서 더 높은 코너링 한계를 가지도록 한다.
2. 중량증가 및 동력손실
추가적인 바퀴로의 동력전달부는 마찰 손실을 발생시켜 4륜의 경우에 2륜보다 더 많은 동력을 필요로 하며 대부분의 4륜 구동 시스템은 2륜 구동 시스템보다 50~100kg의 중량이 더 나가게 되므로 가속력을 감소시키고 연료소비를 증가시킨다.
3. 스티어링(조종) 특성
풀타임 4륜 구동 시스템의 경우는 모든 바퀴에 견인력이 배분되므로 중립적인 조종 특성을 갖는다. 조종특성은 중량 배분, 캠버와 캐스터 조절, 앞뒤 타이어의 크기를 다르게 함으로서 조정할 수 있다. 또한, 정확한 스로틀과 스티어링 조작을 한다면 약간의 오버 스티어 특성을 나타내며 이는 중립적인 조정특성보다 안전하다. 50:50의 중량배분을 갖는 풀타임 4륜구동 시스템은 매우 미끄러운 노면을 제외하고는 오버 스티어를 일으키지는 않는다.
LSD(Limited Slip Differential)
1. LSD의 필요성
4륜 구동 차에서 3개의 차동장치를 사용한다고 해서 불규칙한 노면에서의 그립력이 확보되는 것은 아니다. 실제 도로에서 차를 코너의 한계까지 운행한다든가 미끄러운 노면에서 운행하는 경우에 타이어 미끄러짐은 피할 수 없다.
만일 한쪽의 차륜이 견인력을 잃어버리는 경우 일반적인 차동장치는 거의 대부분의 구동력을 미끄러지는 바퀴로 공급하게 되어 한번 미끄러지기 시작한 바퀴는 더 빠른 속도로 회전하게 되고 구동력을 갖는 바퀴에는 구동 토크가 공급되지 못하게 되어 차륜이 공회전하는 상황에서 벗어나기 어려워진다.
이러한 문제는 4륜 구동이든 2륜 구동이든 상관없이 발생하게 되는데, 이는 험로주행이나 급격한 코너링의 필요에 의해 설계되어지는 4륜 구동 차량에서 2륜 구동의 경우보다 상대적으로 더 중요하게 고려된다.
따라서 4WD 차의 경우는 차동제한장치(Limited Slip Differential : LSD)가 필요하게 된다. LSD는 타이어 슬립이 발생하는 경우, 차동장치의 2개 구동축을 고정해 차의 구동력이 미끄러지는 구동 바퀴로 전달되는 것을 방지한다.
2. 작동원리
파워 로크식 차동제한 장치는 마찰 클러치를 이용해 차동 작용을 자동적으로 제한하는 것이다. 2세트의 클러치를 설치해 뒤 축과 차동 케이스를 연결한 부분이 보통 차동 기어와는 다르다.
피니언 샤프트는 중앙의 ㄷ자 형으로 된 오목한 부분에 십자형으로 결합되고 차동 케이스에 부착된 부분은 각각 V자형으로 가공되어 있다. 클러치는 차동 케이스에 물리는 마찰 판과 사이드 기어 링에 물리는 마찰 디스크로 구성되어 차동 케이스의 회전력을 그 압착력에 따라 사이드 기어 링에 전달하는 작용을 한다.
클러치의 압착력은 구동 피니언에 의해 차동케이스가 구동된 경우, 피니언 축에는 구동바퀴의 저항이 가해지므로 케이스의 경사면에 따라 밀어 올리려고 해 피니언 축을 옆쪽으로 미는 힘 P(클러치를 누르는 힘)가 발생한다.(그림 4 참조)
N은 차동 케이스의 경사면과 직각을 이루는 힘이다. F와 P와의 비는 경사면의 경사각도에 따라 결정되며, F는 차동 케이스가 좌우의 뒤 액슬 샤프트에 전달하는 회전력에 비례한다. 오른쪽 바퀴의 저항이 작고 왼쪽보다 빨리 회전한다면 오른쪽 뒤 액슬 샤프트의 회전이 가장 빠르고 차동 케이스가 다음으로 빠르고 왼쪽 뒤 액슬 샤프트가 가장 느리다.
이때 보통의 차동 기어에서는, 링 기어의 회전력은 좌우의 액슬 샤프트에 똑같이 분배되나 이 형식에서는 좌우의 클러치가 피니언 축에 의해 생기고, 압력에 의해 미끄러지면서 회전하게 되어 회전이 빠른 오른쪽 축은 클러치를 거쳐 차동 케이스를 구동하므로 회전력은 회전축에 플러스가 된다.
또 한쪽 바퀴가 미끄러지는 타이어의 노면 회전저항이 없어진 경우, 보통의 차동 기어에서는 미끄러지기 시작한 바퀴는 헛돌고 반대쪽 바퀴는 헛도는 바퀴의 저항과 똑같은 추진력 밖에 발생하지 않아 빠져 나오는 것이 어려우나 이 형식은 헛도는 바퀴의 저항에 맞먹는 회전력이 반대쪽 바퀴에 더해지게 되어 한쪽 바퀴의 미끄러짐과는 상관없이 구동력이 지면에 접촉되어 있는 바퀴에 전달되게 된다.
3. 종류
■토르센 차동장치(Torsen Differential)
- 아우디 콰트로 시스템에서 사용
- 중간 차동장치로 사용
- 구조 : 스퍼 기어(Spur gear)에 의해 서로 연접된 2개의 웜 기어(Worm gear) 시스템
- 커브 선회 때 : 앞뒤 차축간의 회전 속도차를 보상하고, 구동 토크를 견인력에 따라 앞뒤 차축에 분배
- 구동 토크 : 변속기로부터 중공축, 하우징, 웜 기어축, 웜 기어가 부가된 스퍼 기어 그리고 웜을 거쳐 앞뒤 차축에 분배
- 모든 바퀴의 회전속도가 같으면 스퍼 기어와 웜 기어는 회전하지 않음. 즉, 쐐기작용을 하므로 하우징과 일체로 되며, 이때 구동 토크는 앞뒤 차축에 같은 비율로 분배
- 커브 선회 때 웜 기어가 부가된 스퍼 기어가 회전(=자전)해 차동기능.
- 1개의 구동축 바퀴가 접지력을 상실해도, 접지력이 유지되고 있는 구동축의 웜 기어 상의 스퍼 기어가 버팀목 역할을 하므로 스핀을 방지할 수 있음
- 순간적으로 큰 회전 속도차(웜 기어의 나사선 리드 형상과 그 마찰특성 때문에 저항으로 나타남)의 저항에 의해 차동제한되므로 노면과의 접지력이 우수한 바퀴에 보다 큰 구동 토크가 분배
■ 비스커스 커플링(Viscous Coupling)
- 폭스바겐 싱크로 시스템에 사용
- 1축 구동방식에서도 뒤 차축 차동제한장치로는 사용할 수 있음
- 중간 차동장치로서의 비스코-커플링(Visco-Coupling) : 앞뒤 차축간의 회전속도차를 보상하고 동시에 노면의 마찰계수에 따라 대응되는 구동력을 앞뒤 차축에 분배
- 주요 구성요소 : 하우징과 허브, 내치형 다판과 외치형 다판, 실리콘 오일, 하우징 안쪽에 끼워지는 구멍이 가공된 외치형 다판 디스크, 허브에 끼워지는 방사선 방향으로 슬릿이 가공된 내치형 다판 디스크, 밀폐된 하우징 내 나머지 공간은 실리콘 오일과 공기가 약 9:1의 비율로 혼합된 상태로 채워져 있음
- 앞뒤 차축간의 회전속도가 작을 경우 : 다판간의 속도차가 크지 않으므로 다판간의 마찰이 적기 때문에 실리콘 오일의 온도 상승도 거의 없어 실리콘 오일의 점도가 낮기 때문에 다판 사이의 전단작용(Shear Effect)도 크지 않아 다판간의 슬립에 의해 실리콘 오일의 전단작용은 극복
- 앞뒤 바퀴 간의 회전속도차가 클 경우(예: 앞바퀴가 스핀할 경우) : 전단효과가 증대되어 다판간의 회전속도차에 의한 마찰에 의해 다판 사이의 실리콘 오일의 온도가 상승해 오일의 점도가 상승하면 다판간의 마찰이 증대되어 차동제한 효과를 나타나 구동 토크의 분배는 자동적으로 그리고 부하에 따라 바퀴의 접지력에 상응해 이루어진다.
- 비스코-커플링은 마모가 거의 없고 부드럽게 접속되므로 동력전달계의 진동과 충격을 감쇠시키는 효과도 있음
- 속도차가 클 경우에는 실리콘 오일의 마찰열을 크게 받아 심하면 비스코-커플링이 파손
■ 비스커스 커플링 디퍼렌셜 로크
(Viscous Coupling Differential Lock)
- 고가의 토르센(Torsen) 차동장치 대신에 파트타임 4WD에 적용
- 비스커스 커플링 디퍼렌셜과 동일한 원리로 동작한다.
- 약간의 동작 지연과 비선형 특성을 갖는다.
- 토르센 차동장치보다 저가이고 무게가 가벼움.
■ 액티브 디퍼렌셜(Active Differential)
- 앞바퀴와 뒷바퀴의 토크 배분을 컴퓨터의 신호에 의해 공급되는 유압에 의해 동작되는 다판 마찰 클러치를 이용해 변경한다.
- 슬립이 일어나는 경우에만 동력 배분이 변화되는 것과는 달리 포르쉐959의 경우 앞뒤 바퀴의 40:60 동력배분에서 견인력 증가를 위해 20:80까지 동력을 배분할 수 있다.
- 센터 차동장치를 대신해 유압에 의해 동작되는 다판 마찰 클러치를 이용, 차동제한을 한다.
- 센서에 의해 측정되는 차의 상태에 따라 항상 동작한다.
특허동향
차동제한 장치(LSD)의 특허정보를 분석해 기술 발달 추이와 국가별 출원 현황을 파악해본다. 이 특허동향 조사는 한국특허정보원 내의 조사도구를 활용해 주요국(한국, 미국, 일본)의 특허정보를 분석했다. 이번 분석에서 조사대상의 특허 문헌은 출원일을 기준해 국내의 경우는 공개된 특허와 실용신안, 일본은 공개된 특허, 미국은 등록된 특허를 참고로 했다. 한편, 가변 차동제한 장치와 관련된 기술을 국제특허분류(IPC)상의 F16H로 한정해 분석대상으로 삼았다. 조사결과 국내의 경우 86건, 일본은 684건, 미국은 413건이 최종 분석대상으로 필터링 되었다. 조사결과를 국가별로 분석해 보기로 한다.
1. 국내의 특허동향
■ 국내의 LSD 기술의 연도별 출원현황
1980년대 중반부터 LSD에 관한 특허출원이 있었으나 전체적인 출원추이를 살펴보기 위해 1990년도부터의 출원 건을 대상으로 살펴보면, 차량에 기술이 본격적으로 적용되던 1990년대 초반부터 꾸준한 증가세를 보였으나 IMF를 겪으면서 급격한 감소를 보였다. 그 후 출원건수가 증가를 보이고 있다. 이는 1990년대 초반부터 기술개발에 의한 특허출원이 이루어지고 IMF 이후에 중가세를 보였으나 2002년 이후는 공개된 출원건만이 파악되어 예상되는 그래프의 형태와 차이를 보이는 것으로 볼 수 있다.
■ 국내의 LSD 기술의 출원인별 출원현황
국내의 LSD 기술은 현대자동차가 주도적인 역할을 하고 있다. 한편 국외의 이턴 코퍼레이션과 기타 외국건으로 분류되는 외국 회사들도 관련 기술을 국내에 출원하고 있다.
2. 일본의 특허동향
■ 일본의 LSD기술의 연도별 출원현황
일본에서의 연도별 출원동향에서 가장 특징적인 것은 출원건수가 1989년부터 1995년까지 급격한 증가를 보이는 것이다. 이후의 일본 내의 출원인별 특허에서 볼 수 있듯이 가장 많은 출원을 보이는 토치기 후지(TOCHIGI FUJI IND CO LTD.)가 본격적으로 특허를 출원하게 된 시기로 볼 수 있다. 그리고 그 이후의 특허 출원건수는 증가와 감소를 반복하며 꾸준한 출원이 이루어지고 있음을 알 수 있다.
■ 일본의 LSD 기술의 출원인별 출원현황
일본의 출원인별 특허 출원 추이를 살펴보면 토치기 후지의 LSD 시스템에 관한 특허출원이 월등히 많고 이 밖에도 마쓰다, 닛산, 미쓰비시, 혼다 등 자동차 메이커 회사들의 출원이 많다. 토치기 후지의 차동장치 기술이 다른 차동장치 시스템과는 다른 다판 클러치, 웜 기어를 이용한 차동장치의 기술과 같은 원천 기술과 그 기술에서 파생되어 나오는 특허 출원에 의해 대다수의 특허를 출원하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 현대자동차도 4건의 출원을 했음을 알 수 있다.
3. 미국의 특허동향
■ 미국의 LSD 기술의 연도별 출원현황
미국의 연도별 출원건수는 1970년대부터 2000년도까지 계속적인 상승곡선을 보이고 있는데 이는 미국의 데이터가 출원일을 기준해 등록된 자료만을 분석했기 때문에 실질적인 VVT 관련 기술 개발과 출원이 점증적으로 이루어짐을 알 수 있다.
■ 미국의 LSD 기술의 출원인별 출원현황
미국내 출원인별 특허분석은 6개 이하로 출원한 회사가 전체의 53%를 차지하고 있고 미국에서도 국내 출원이 많은 이튼(EATON Co.)이 6%를, 그리고 일본내 출원이 많은 토치기 후지(TOCHIGI FUJI IND.)가 7%를 차지했고 기타에 들어가는 회사 역시 자동차 메이커 회사들의 출원이 많은 것을 알 수 있다.
결론
최근에 차동장치와 같은 자동차 동력전달 장치에 관한 기술개발의 추세는 ECU에 의한 정밀한 제어를 통한 차량의 자세제어 및 능동적 안전 수단으로서 개발되고 있다. 이번 글에서 다룬 차동제한장치 역시 차의 상태, 노면과의 접촉상태, 차의 무게균형에 따라 엔진의 출력을 손실없이 전달하기 위한 신기술이라 할 수 있다.
이 기술에 관한 특허 동향에서 살펴보았듯이 특허 출원 건수는 꾸준히 증가하고 있다. 또 현재 이 기술을 적용한 자동차가 국내외적으로 다수 출시되고 있는 상황이다. 현대 자동차를 비롯한 국내의 자동차 관련 회사들도 가변 차동제한장치(Active Differential)의 핵심기술에 대한 활발한 연구개발과 투자가 필요한 분야라고 생각한다.
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