자동차 LSD 이해하기

자동차 LSD 이해하기

자동차가 선회할 때는 반드시 내외 측 바퀴 사이에 회전차가 발생하게 되고 이때 디퍼렌셜에서 내외 측의 회전차를 허용해주지 않으면 자동차는 안정적으로 선회할 수 없게 되는 것이다. 이렇듯 디퍼렌셜 기어는 자동차가 직진만 하지 않고 선회를 해야 하기 때문에 반드시 필요한 부품이다. 디퍼렌셜이 없어도 자동차는 선회는 할 수 있지만, 지금처럼 부드럽고 안정적으로 선회를 한다는 것은 구조적으로 불가능한 것이다.

자동차가 직진만 하고 있는 상태에서는 일반적으로 좌우 바퀴에는 회전차가 없는 상태가 유지되는데 이때 디퍼렌셜 내부의 피니언 기어는 공전만 하게 되고, 사이드 기어는 드라이브 샤프트와 연결되어 좌우로 동력을 동일하게 전달하게 된다.

그러나 선화를 하면서 좌우 바퀴에 회전차가 발생하게 되면 (외측의 바퀴가 회전속도가 빨라지게 됩니다.) 내측의 바퀴가 속도가 느려지면서 저항을 받게 되는데 이때 발생하는 반력에 의해 디퍼렌셜 내부의 사이드 기어 와 피니언 샤프트의 회전차가 발생하면서 피니언 기어가 축 방향으로 회전하게 된다. 이로 인해서 내측 바퀴에 연결된 사이드 기어 쪽에 걸리던 반력만큼 외측 바퀴와 연결된 사이드 기어가 더 빠르게 회전하게 되어 내 외측 바퀴의 회전차가 허용되게 되는 것이다.

문제는 선회 중 가속을 해서 바퀴가 노면을 박차고 가속을 해야 할 때 오픈 디퍼렌셜 구조로는 동력이 모두 저항이 적은 쪽 바퀴 쪽으로 몰리게 되어 가속이 어려워지고 내측 바퀴의 스핀만 유발되는 현상이 발생하게 된다. 이런 오픈 디퍼렌셜의 약점을 해소하는 것이 바로 LSD다.

1. 차동 제한 장치 LSD

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

차동 제한 장치 LSD는 'Limited Slip Differential'의 약자로 차동 제한 장치라고도 하며, 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 '디퍼렌셜 기어', 차 동장치라고 하고, 차동 장치(디퍼렌셜 기어)는 평상시에 좌우 바퀴에 동일한 토크를 전달합니다. 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 디퍼렌셜 기어의 작동을 제한해 한 쪽 바퀴에 쏠리는 구동력을 다른 쪽 바퀴로 전달함으로써 이러한 상황을 극복할 수 있도록 하는 장치가 LSD이다.

2. LSD가 필요한 상황은?

일반적으로 코너 구간에서 감속하는 것이 상식이지만, 갑작스러운 급커브 구간을 만나게 되거나 노면이 미끄러운 경우에는 마찰력이 일정하지 않다. 특히 급제동이 필요한 상황에서는 LSD가 주행 안전성을 높여주기도 한다. 물론 무리하게 가속 페달을 밟는 것이 위험할 수 있겠지만 빠른 제동 후 가속을 하는 것으로 LSD가 제 역할을 하게 해주면 양측 바퀴에 안정된 구동력을 전달할 수 있다.

LSD는 모터스포츠에서 빼놓을 수 없는 장치다. 서킷을 주행하는 레이싱카들의 격렬한 질주를 보면 바퀴에서 연기가 날 정도의 극한 상황을 보게 된다. 이런 상황에서는 한 쪽 바퀴가 붕 뜨기도 하고, 급격한 코너링을 하는 것은 다반사다. 이때 LSD가 없다면 랩타임이 느려지거나 사고가 발생할 위험이 있다. 완벽한 코너링과 선회 중 탈출을 위한 가속을 제대로 할 수 있도록 해주는 것이 바로 LSD인 것이다.

드리프트 상황을 떠올리면 좀 더 잘 알 수 있다. 드리프트는 뒷바퀴가 미끄러지도록 유도하는 것이다. 똑같이 힘을 주었더라도 미세한 차이로 인해 양쪽의 마찰력은 달라질 수 있다. 이렇게 되면 어느 한 쪽으로 동력이 쏠려 스핀이 발생하고 만다. 하지만 LSD는 양쪽 바퀴에 같은 동력을 전달해 스핀 없이 드리프트를 성공하도록 해준다.

즉, LSD는 바퀴의 움직임을 의도적으로 제한해야 하는 상황에서 양측 바퀴에 동일한 구동력을 전달해 운전자 스스로 차량을 통제할 수 있도록 해주는 장치인 것이다.

3. LSD로 차동 제한을 통해 동력을 향상시키는 메커니즘

LSD를 간단하게 정의하면 구동 중인 바퀴 사이에서 회전차를 단속하는 역할을 하는 디퍼렌셜을 말한다.

일반적인 차량에 적용되는 오픈 디퍼렌셜의 경우에는 구동 바퀴 사이의 회전차를 제어하는 데 있어서 타이어에 걸리는 그립이 적은 쪽에 회전이 증대되는 구조를 가지고 있다.

가령, 선회를 할 때 구동 바퀴 중 선회 중인 원의 내측 휠은 회전속도가 느려지고, 외측 휠은 상대적으로 회전속도가 빨라지게 되는데 오픈 디퍼렌셜은 이런 상황에 구동 바퀴의 회전 차이를 허용하기 때문에 부드러운 주행이 가능하다.

기본적으로 오픈 디퍼렌셜은 구동력이 발생되는 휠에 모두 동일한 토크를 전달하다가 구동 바퀴 사이의 그립에서 차이가 발생하게 되면 그립이 적은 쪽으로 구동 토크가 몰리게 돼서 위와 같이 선회를 하는 중에 가속을 하게 되면 하중이 낮은 선회 중 내측 휠은 스핀을 하게 되고, 반대로 하중이 걸리는 선회 중 외측 휠은 구동 토크가 손실되는 현상이 발생하기 때문에 선회 중 가속에 필요한 구동력이 발생하기 어려워지게 된다.

또한, 직진 주행 중이라고 가정해도 진 흙탕길에서 한쪽 바퀴가 빠졌을 때 탈출을 위해 가속을 해도 진흙에 빠져 그립이 낮은 바퀴에만 동력이 전달돼서 헛돌게 되고, 단단한 노면에 지탱 중인 나머지 바퀴에는 동력이 제대로 전달되지 않아서 탈출이 어려운 상황에 빠지게 된다.

LSD는 이런 상황에서 디퍼렌셜 내부에서 헛도는 측에 제동을 걸어줌으로써 동력을 분배해주는 역할을 하게 된다. 말하자면 LSD도 동력을 배분하는 기능을 가지고 있는 것이다.

쉽게 말해서 LSD를 사용함으로써 더 높은 트랙션과 구동력을 얻을 수 있게 되고, 이는 더 빠른 코너링과 더 쉬운 험로 탈출은 물론이고, 더 안전한 주행에도 LSD는 폭넓게 기능을 발휘할 수 있다.

LSD는 작동 방식에 따라 부하에 따라 작동하는 토크 감응형과 회전속도의 차이에 감응하는 회전차 감응형 등이 있다.

특히, 토크 감응형이나 회전차 감응형은 탑재성이 좋아서 많은 차량들에 사용되고 있는데 토크 감응형은 반응속도를 중시하는 스포츠카 같은 퍼포먼스 차량에 주로 사용되며, 작동 시 이질감이 적고 부드러운 회전 감응형은 주로 일반 승용차량에 사용되고 있다.

그렇다면, 회전차 감응형과 같은 자연스러운 작동 감어 토크 감응형 같은 빠른 반응속도를 겸비한 LSD가 있다면 좋을 것이다. 그래서 개발된 것이 바로 액티브 제어형 LSD이다. 쉽게 말해서 전자식 LSD다.

그러면 지금부터 종류별로 LSD의 특징들을 살펴보도록 하자.

이미지출처: 네이버

4. LSD의 종류

① 다판클러치 방식(Multi plate LSD)

다판클러치 방식은 좌우 구 동측 사이에 클러치를 배치해 구동력이 발생하면 그 힘으로 클러치를 작동시켜 디퍼렌셜 작동을 제한하는 방식이다. 효과가 강력하고 빠른 방식으로 레이싱용으로 많이 사용한다.

② 토르센(Torsen) 방식

토르센은 토크를 감지하는 토크 센싱(torque-sensing)에서 나온 말로, 6개의 평기 어가 달린 웜과 2개의 웜 기어로 구성되어 있다. 이 방식은 기어가 움직일 때 생기는 마찰력을 이용해 속도가 빠른 쪽의 차축은 감속하고, 느린 쪽의 차축은 가속하도록 해, 빠른 쪽에는 적은 토크가 걸리고 느린 쪽에는 많은 토크가 걸려 균형을 이루게 하는 방식이다. 단판클러치 방식에 비해 효과는 약하지만 부드럽게 작동하고 소음이 없어 양산형 차량의 순정품으로 사용된다.

③ 비스코스 커플링(Viscous coupling) 방식

오일의 점성에 의해 힘을 전달하는 비스코스 커플링의 특성을 이용한 방식이다. 디스크 판어 회전할 때 윤활유가 회전을 방해하면서 디퍼렌셜 작동을 제한하는 것으로, 부드럽게 움직이기 때문에 일반 운전자도 무리 없이 사용할 수 있지만 온도에 민감한 윤활유 특성상 과열되면 효과가 떨어질 수 있다.

이상으로 LSD에 대하여 아주 기초적인 것을 알아봤습니다. 다음 시간엔 좀 더 깊이 있게 LSD를 알아보도록 하겠습니다.

자동차에는 달리고 멈추게 하는 장치를 비롯해 디퍼렌셜 기어 와 LSD 같이 안전하게 차량을 제어할 수 있게 하는 장치들이 있다. 이렇듯 운전자의 안전운전을 위해 자동차에 숨어 있는 기계적인 특성이나 기술들을 알아 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.