차동기어(디퍼렌셜 기어) 란?

차동기어(디퍼렌셜 기어) 란?

차동기어를 영어로는 디퍼렌셜 기어(Differential Gear)이다. 그런데 정비 현장에서는 차동기어라고 얘기하지 않고 대후 또는 대우라고 부른다. 이 차동기어의 기본 정의는 기어에 연결된 바퀴의 구동력을 나눠 분배함으로써, 좌우 바퀴의 회전을 다르게 해주는 기어라고 할 수 있다.

이 차동기어를 디퍼렌셜 기어라 하고, 이 디퍼렌셜 기어를 윤활하는데 필요한 오일이 바로 디퍼렌셜 오일이다.

차동기어를 정비 현장이나 연세가 있는 분들은 대후 또는 대우라고 잘못된 일본어식으로 부르고 있다. 저는 일단 차동기어라고 정의하고 포스팅을 합니다.

동양트랙터 T431 앞 차동기어 분해 사진

1. 차동기어(디퍼렌셜 기어)의 원리

차동기어가 필요한 이유는 자동차가 회전을 한다면 회전하는 방향의 안쪽 바퀴의 이동거리보다 바깥쪽 바퀴의 이동거리가 더 길다. 그래서 바퀴의 회전수가 양쪽이 같다면, 분명히 슬립이나 언더스티어(understeer)가 난다.

왜냐하면 회전수가 같다는 것은 타이어의 이동거리가 같다는 뜻인데 실제로 이동한 거리는 바깥쪽이 더 길거나 회전하는 방향의 안쪽이 더 짧기 때문에 바퀴의 크기가 차이가 나야 한다는 것이다. 그런데 바퀴의 크기가 틀리게 장착을 하여 운행한다는 것은 현실적으로 불가능하다는 것을 모두 잘 알고 있을 것이다. 그리고 똑같은 바퀴의 크기로 전자와 같이 회전을 한다면 슬립이나 언더스티어가 발생하면서 바퀴의 편마모가 발생하게 되는 많은 문제점을 발생하게 된다.

이렇듯 차동기어가 없을 때 발생하는 현상을 볼 수 있는 예가 바로 열차이다. 열차가 회전을 하게 되면 쇠끼리의 마찰음을 내면서 회전하게 된다. 이는 차동기어의 부재로 인하여 좌우 회전수 조절이 되지 않아서 레일과 바퀴가 마찰하며 생기는 소리다. 그래서 이런 단점을 보완하기 위하여 차동기어를 장착하여 사용하는 것이다.

2. 차동기어(디퍼렌셜 기어)의 단점

장점이 있으니 물론 단점도 있다. 바퀴 양쪽의 마찰력의 차이가 극명하게 다를 때 차동기어가 한쪽으로만 단독으로 작용할 수도 있기 때문이다. 늪지대, 눈길, 빙판 등등 접지력(마찰력)이 예측 불가능하고 상시로 변할 경우 이 차동기어는 제 기능을 하지 못하게 된다. 가끔 웅덩이나 빙판에 한쪽 바퀴만 빠진 자동차를 보면 접지되어있는 바퀴는 가만히 있고 힘을 받지 않는, 즉, 마찰력이 없는 쪽의 바퀴만 헛도는 경우가 바로 그것이다.

이것이 바로 구동력이 양쪽으로 균일하게 전달되지 않을 때 생기는 문제점이다. 그래서 이런 단점을 커버할 방법으로 ‘트랙션 컨트롤 시스템(Traction control system, TCS)’이라는 것이 있고, 또한 차동 제한 장치(limited slip differential, LSD)가 있으며, 차동 잠금장치(differential lock system)라는 것도 있다. 세상에 완벽한 것이 있을 수도 있겠지만 대부분은 완벽하지 못하기에 이러한 보완 장치가 반드시 있어야 하는 것이다.

기아 2.5T 트레이드 베어링 파손으로 차동기어 분해된 모습

3. 차동기어의 단점 바퀴의 헛돌음을 방지하는 차동 제한 장치 LSD

겨울철, 주행 중 눈이 녹아 얼어붙은 빙판길을 조심해야 할 도로다. 빙판길에 빠져 한쪽 바퀴가 헛돌며 빠져나오지 못한 경험을 가진 운전자들이 있을 것이다. 흔한 상황은 아니지만 이러한 상황에 처하면 당황하게 되고, 평소 대처 방법을 알고 있더라도 쉽게 빠져나오지 못하는 경우가 많다. 이러한 상황이 발생되는 이유는 차동기어 때문이며, 이를 극복하는 데 도움을 주는 장치가 'LSD(차동 제한 장치)'이다.

차동 제한 장치 LSD는 'Limited Slip Differential'의 약자로 차동 제한 장치라고 불리며, 한쪽 바퀴가 미끄러지거나 헛돌고 있을 때 해당 바퀴에만 구동력이 쏠리지 않도록 막아주고, 좌우 바퀴에 같은 동력을 보내주는 장치이다.

자동차가 회전할 때 엔진의 동력을 좌우 구동 바퀴에 차이를 두고 전달하는 장치를 ‘차동기어(디퍼렌셜 기어)’ 장치라고 하고, 차동기어(디퍼렌셜 기어) 장치는 평상시에 좌우 바퀴에 동일한 토크를 전달한다. 하지만 한 쪽 바퀴가 진흙탕, 모래 등에 빠지거나 얼음과 같이 미끄러운 노면에 있을 경우에는 토크가 작게 걸리는 쪽에 동력을 집중하기 때문에 바퀴가 헛돌며 빠져나올 수 없게 된다. 이때 LSD의 장치가 있는 자동차라면 LSD는 차동기어의 작동을 제한해 한 쪽 바퀴에 쏠리는 구동력을 다른 쪽 바퀴로 전달함으로써 이러한 상황을 극복할 수 있도록 하는 장치가 LSD이다.

4. 차동기어와 LSD에 대한 이해

자동차에 차동기어(디퍼렌셜)가 사용되는 가장 큰 목적 중 하나는 자동차가 선회할 때 좌우 바퀴 차가 발생하기 때문이다. 바깥쪽 바퀴 회전수가 안쪽 바퀴 회전수보다 높아야 자동차는 부드럽게 회전할 수 있는 것이다.

만일 좌우 바퀴의 회전차를 허용하지 않는다면, 운전자가 아무리 조향한다 하더라도 자동차는 직진을 하려고 할 것이다.

뒤 차축은 조향이 되지 않을뿐더러 나란히 정렬되어 있기 때문에 바퀴 회전차가 없다고 한다면 자동차가 향하고 있는 방향으로 계속 직선으로만 가려고 할 것이다.

다시 말하면 원래 운전자가 의도한 궤적보다 더 크게 돌려고 하는 언더스티어(understeer) 성향의 주행특성을 보이는 것이다.

자동차가 감속 시에 LSD가 동작하는 것은 코너 진입에 영향을 끼칠 뿐 아니라 고르지 않은 노면(좌우 바퀴의 접지력이 다른 경우)을 달리는 차량의 경우 브레이킹 성능에도 영향을 끼치기 때문에 랠리 차량 같은 경우 상황에 따라 다른 종류의 LSD를 사용하기도 한다.

특정 용도에 특정 방식의 LSD를 쓰면 유리한 점은 존재하지만 반드시 해당 LSD만 사용해야 한다는 정답은 존재하지 않는다. 운전자의 드라이빙 스타일에 맞는 LSD를 고르거나 해당 차량의 언더스티어/오버스티어를 조절하기 위해 LSD를 고르는 경우도 존재하는 것이다.

따라서 LSD를 고르는데 100% 완벽한 정답은 없다는 것을 알아두면 좋을 것 같다.

5. 차동기어 (디퍼렌셜, 데후) 오일 교환의 시기는?

자동차를 뒤에서 보면 수박만 한 통이 양쪽 바퀴 사이의 가운데로 차동기어 박스가 존재하며 그 안에 오일이 들어가는데 이 오일은 차동기어오일로 주기적으로 교환이 필요한 소모품이다.

그럼 대후 오일이라고 많이들 알고 있는 차동기어(디퍼렌셜 기어) 오일의 교환주기와 시기에 대하여 알아보자.

차동기어오일은 차종마다 차이가 있지만 보통 약 50,000 km 정도에서 교환하면 되고, 오일 규격을 정확히 판단하고 규격에 맞는 오일을 교환하여야 한다.

차동기어 배유 코크 볼트 끝부분은 자석으로 되어있어서 차동기어 내에서 돌아다니는 쇳가루들을 한곳에 모아 붙게 해준다. 오일 교환 시 이 볼트 끝의 자석에 얼마나 많은 쇳가루가 붙어있느냐를 보면 대략적인 차동기어의 컨디션을 알 수 있다.

쇳가루가 조금 붙어있는 모습

많은 운전자들이 엔진오일 교환 주기는 잘 지키지만 내 차에 차동기어(디퍼렌셜 기어)에 오일이 들어가는지 모르는 운전자들도 있다. 차동기어는 힘을 많이 받는 기어로 오일 관리를 하지 않으면 차동기어 와 베어링 등의 장치가 윤활 역할을 못하기 때문에 소음이 발생하다가 망가지게 된다.

보통 60,000 km 정도에서 윙윙, 웅웅 하는 소리가 나는데 이를 무시하고 운행하다가 나중엔 더 큰 고장으로 이어져 차동기어를 영원히 못쓰게 된다.

‘차동기어의 오일 교환 시기’에 있어서 여기저기 틀린 시기가 많이들 있지만 차동기어오일은 자체 용량도 많지 않기에 비용이 많이 발생하지도 않으니 2년 또는 50,000 km 정도를 기준으로 하여 점검하고 교환 관리해주는 것이 장기적으로 볼 때 올바른 차동기어의 관리 방법 일 것이다.

 

이상으로 차동기어인 디퍼렌셜 기어(Differential Gear)에 대하여 기초적인 내용을 알아봤습니다. 자동차와 차동기어를 관리하는 데 도움 되어 원활한 자동차 관리와 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.