LSD에 대해서 더 상세히 알아보자

LSD에 대해서 더 상세히 알아보자

앞서 몇 번을 설명했듯 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 불가능하다.

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.

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 LSD로 오늘은 LSD를 조금 더 깊이 있게 알아보도록 하자.

1. LSD의 종류와 특성

우선 첫 번째로 살펴볼 LSD는 바로 토크 감응형 LSD의 대표적인 모델인 다판 기계식 LSD입니다.

① 다판식 LSD는

좌우 바퀴의 노면 상태나 하중의 변화로 트랙션에 차이가 발생하면 그로 인해 발생되는 저항으로 디퍼렌셜의 피니언 기어에 힘이 가해지면서 내부의 프랙션 디스크와 프랙션 플레이트가 붙으면서 마찰력을 발생시켜 차동을 제한하는 방식을 취하고 있다.

이때 프랙션 디스크와 플레이트 디스크의 재질이나 개수에 따라 작동 질감과 성능에서 차이가 발생하게 된다. 또한 피니언 기어에 전달되는 저항에 의해 위상이 바뀌면서 디스크를 밀어주는 캠의 위상을 작동 방향에 따라 다르게 함으로서 1웨이, 1.5웨이, 2웨이 같은 LSD의 특성이 만들어질 수 있다.

쉽게 말해서 1WAY는 한쪽 방향으로만 차동 제한이 작동하는 방식이고, 2웨이는 양방향으로 차동을 제한하는 방식이며, 1.5웨이는 양방향으로 차동을 제한하되 양측의 제한 특성에 차이를 두는 방식을 말한다.

여기서 말하는 양방향이란 회전하는 방향을 말하는 것이 아니라 구동 토크가 나오는 상태와 코스트 상태를 말한다. 즉 구동 토크가 나오는 상태는 악셀을 밟는 상황이고, 코스트 상태는 악셀을 뗀 상태이다.

초기의 다 판 식 LSD는 주로 2웨이가 주로 사용되었지만 지금은 대부분 1.5웨이가 주류를 이루고 있다.

또한 일반적인 주행 중에는 회전차를 어느 정도 허용해 주어야 부드러운 주행이 가능하기 때문에 피니언에 걸리는 양측 바퀴의 반력 차가 적을 때에는 오픈 디퍼렌셜처럼 차동 제한을 하지 않고 회전차를 허용하게끔 하고 있다.

이런 특성을 설계하기 위해 다판식 LSD에는 이니셜 토크를 제어할 수 있는 프리로드 스프링의 레이트로 조절을 하기도 하고, 디스크를 밀어주게 되는 프레셔 링의 캠 각도를 설계하기도 한다.

②토르센 타입 LSD

토르센 A 타입의 LSD는 기본적으로 앞서 설명한 다판 기계식 LSD와 달리 디스크 구조물이 없고 대신, 독립적으로 설치된 사이드 기어의 양측에 반력 차이가 커지면 회전차가 발생하면서 엘리먼트 기어를 역방향으로 회전시키면서 기어에 걸리는 힘에 의해 반력이 높은 쪽으로 동력을 전달하는 특성을 가지고 있다.

그러나 엘리먼트 기어가 고정되어 있지 않고 좌우 바퀴 사이에 반력 차이가 발생하면 사이드 기어가 엘리먼트 기어를 회전시키려는 힘이 발생하면서 두 개의 엘리먼트 기어가 서로 반대 방향으로 회전을 하면서 사이드 기어를 상대적으로 회전속도가 느린 쪽으로 밀면서 차동을 제한하는 토르센 B 타입도 있다.

그리고, 4륜 구동에서 센터 디퍼렌셜로 사용되는 경우의 토르센 C 타입의 LSD는 플래닛 터리 캐리어 전체를 회전시키는 동력에 의해 모든 기어를 일정한 속도로 회전시키도록 하면서 선기어와 링 기어의 회전 차이에 의해 플래닛터리 캐리어와 플래닛터리 기어 사이에 마찰력이 발생하면서 차동 제한 기능을 수행하게 된다.

③ 슈퍼 LSD

앞서 소개한 LSD보다 저렴한 가격에 간단한 구조를 가진 LSD이다.

이름만 봐서는 슈퍼라는 말이 붙어있어 성능이 좋은 LSD로 잘못 알아듣는 경우가 있는데 슈퍼 LSD의 슈퍼는 슈퍼마켓에서 따온 이름이라고 한다. 마치 슈퍼마켓에서 사듯이 쉽게 장착할 수 있고 성능도 그저 그렇다는 뜻에서 슈퍼 LSD라고 한다는 것이다.

슈퍼 LSD는 가성비를 고려해서 설계된 LSD이기 때문에 성능이 뛰어나지는 않지만 저렴한 가격에 괜찮은 차동 제한 효과를 낼 수 있다.

일반적인 오픈 디퍼렌셜에 약간의 부품의 추가와 변경만으로 구현이 가능하기 때문에 탑재성도 뛰어난 것이 장점이지만 대응 토크가 낮아서 출력이 낮은 차량에 주로 사용되는데 주로 저출력의 자연흡기 엔진을 탑재한 차량에 사용되기 때문에 실질적인 LSD 효과를 크게 기대하기는 어렵다.

④ 비스커스 커플링 타입의 LSD

토크 감응형 LSD와 달리 회전차 감응형 LSD의 대표적인 타입으로는 비스코스 커플링 타입의 LSD가 있습니다.

앞서 소개한 토크 감응형과 달리 회전차 감응형으로 비스코스 커플링 자체가 실제 기어의 결합이 없기 때문에 토크를 전달하는 매개가 필요하다.

비스코스 커플링 구조에서 토크를 전달하는 역할을 하는 매개체로는 실리콘 오일 같은 점성유체가 사용된다. 내부에 얇은 플레이트를 여러 장 겹쳐놓고 그 사이에는 높은 점도를 가진 실리콘 오일을 채워 넣어서 입력 축의 연결된 플레이트가 회전하면 플레이트 사이에 채워진 오일에 의해 플레이트를 돌리는 회전력이 전달되어 마지막 출력축에 연결된 플레이트를 회전시켜 동력을 전달하는 방식이다.

이때 토크 전달력은 오일의 점도와 내부 충전율 그리고 플레이트의 재질에 따라 차이가 생기게 된다.

비스코스 커플링은 가혹하게 사용될 경우 내부 오일의 온도 상승이나 충전율에 따라서 내부 공기의 팽창으로 효율이 저하될 수 있기 때문에 이를 해결하기 위해 사양에 따라서 오일의 점도와 충전율, 플레이트의 재질과 형상을 다르게 설계하게 되는 것이다.

비스코스 커플링은 그 자체가 LSD는 아니기 때문에 기계식 LSD에 비스코스 커플링을 클러치 팩으로 결합한 구조로 설계하여 LSD로 사용하고 좌우 바퀴의 회전차가 발생할 때 단순히 비스코스 커플링의 토크 전달에만 의지하지 않고 펌프 디스크를 이용해서 유압을 증대시켜 차동 제한 성능을 높이는 경우도 있다.

⑤ 전자식 LSD

최근에는 LSD에 전자제어 시스템을 더한 전자식 LSD가 보편화되어 있다. 전자식 LSD의 가장 큰 장점은 간단한 구조에서 높은 성능을 낼 수 있다는 점과 다양한 응용을 통해 스마트한 동력 배분이 가능하다는 점이다.

전자식 LSD에는 디퍼렌셜 내부에 제동을 걸기 위한 기구가 추가되는데 초기에는 액추에이터와 솔레노이드가 디퍼렌셜 외부에 설치되었지만 최근에는 디퍼렌셜 내부에 탑재하고 있다.

필요에 따라 솔레노이드가 작동하면 차동 기능이 활성화되고, 작동하지 않을 때에는 오픈 디퍼렌셜이 되는 방식인데 오픈 디퍼렌셜과 LSD의 장점을 모두 이용할 수 있는 장점이 있다.

게다가 전자식 LSD의 록을 제어하기 위해 정밀한 계산과 수행이 가능한 컨트롤러와 정밀한 알고리즘을 가진 소프트웨어가 탑재되며, 이를 적절하게 수행하기 위한 다양한 센서들이 탑재되면서 매우 정밀한 차동 제한을 수행하게 되고, 이를 통해 매우 안정적이고 뛰어난 트랙션과 주행 퍼포먼스를 낼 수 있게 되었다.

이런 전자식 LSD의 최신 모델 중 하나가 바로 BMW Xdrive에 적용된 토크 팩터링 기능을 수행하는 일렉트로닉 토크 팩터링 기구입니다.

전자식 LSD가 개발되고 발전하면서 오늘날의 LSD는 뛰어난 응답성, 높은 탑재성, 폭넓은 적용 범위, 이질감 없는 주행성능, 범용성 및 전체적인 성능 면에서 기계식 LSD를 거의 완벽하게 대체하고 있다.

물론, 아직도 기계식 LSD의 원초적인 퍼포먼스 때문에 여전히 기계식 LSD를 사용하는 경우도 있지만 이미 토털 퍼포먼스와 밸런스에서 전자식 LSD는 기계식 LSD의 성능을 한참 뛰어넘었으며, 간혹 기계식 LSD를 쓰더라도 전자식을 겸용해서 사용하고 있다.

2. 디퍼렌셜(Differential)과 LSD(Limited Slip Differential)

눈길이나 빗길 같은 미끄러운 노면의 상황보다는 코너링 중의 성능적인 측면에 초점을 맞춰 내용을 정리했다.

자동차를 주행하다 보면 바퀴마다 노면 상태가 다르거나 코너링으로 인해 좌우 바퀴의 회전차가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서 디퍼렌셜(Differential)이란 장치가 존재한다

디퍼렌셜의 가장 큰 역할 두 가지를 보면 하나는 토크 분배 그리고 다른 하나는 좌우 바퀴의 속도 차이를 허용하도록 하는 것이다.

자동차에는 많은 종류의 디퍼렌셜이 존재하지만 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다.

일반적인 차량에 많이 사용되는 Open Differential과 고성능 차량에서 주로 볼 수 있는 LSD(Limited Slip Differential)이다.

Open Differential의 큰 특징은 좌우 바퀴의 회전수 차이를 허용시켜준다는 데 있다. 예를 들어 코너링을 돌 때나 노면의 상태에 따라 좌우 바퀴의 트랙션이 다른 경우 각각의 바퀴의 회전수는 다르게 되어야 주행할 수 있다. 하지만 좌우 바퀴의 회전수가 다르다 하더라도 전달되는 토크 분배가 달라지는 것은 아니다.

Open Differential는 Pinion Gear가 기계적으로 맞물려서 계속 같은 힘으로 Drive Shaft를 밀기 때문에 좌우 토크는 거의 일정하게 50:50이 유지된다. 하지만 바로 이 점이 Open Differential에서 성능을 제한시키는 단점이 되기도 한다.

예시

실제 주행에서는 다양한 요소들에 의해 훨씬 복잡하기 때문에 단순한 개념 이해하면 좋을 것이다. 쉬운 설명을 위해 단위를 제외하고 단순한 임의의 숫자로만 정리한다. 또한 계산상의 편의를 위해 중력가속도는 10m/s2로 보도록 한다.

마른 노면과 타이어 사이의 마찰계수는 1, 슬립이 발생한 경우 마찰계수는 0.5라고 가정하며 마찰계수는 하중과 상관없이 일정하다고 가정한다.

각 바퀴별로 100kg의 하중을 지탱하고 있다면 수직항력은 1000N이고 마른 노면과 타이어의 마찰계수는 1이라고 하였기 때문에 휠 토크로 인해 타이어에서 노면으로 전달 가능한 힘의 최대치는 1000N이 될 것이다.

직진 주행 중에는 각 바퀴별로 1000N씩 좌우 바퀴 모두 합하여 총 2000N의 힘을 노면으로 전달할 수 있다.

코너링 시의 자동차를 생각해보자.

코너링을 돌기 시작하면 횡가속도에 의해 하중이동이 발생하게 된다. 만일 1g의 횡가속도가 가해졌을 때 좌에서 우로 40%의 하중이동이 발생하게 된다면 좌측 타이어에는 60kg의 하중이 그리고 우측 타이어에는 140kg의 하중이 걸리게 된다. 그렇게 된다면 좌측 타이어가 슬립 없이 회전할 수 있는 힘의 한계는 600N 그리고 우측 타이어의 힘의 한계는 1400N이 된다.(타이어와 노면은 기계적으로 맞물려 있는 것이 아니기 때문에 엔진에서 나온 토크가 1000N의 힘을 노면으로 전달한다 하더라도 타이어와 노면의 마찰력이 600N밖에 되지 않는다면 600N 이상의 힘을 낼 수 없다.) 하지만 Open Differential에서는 좌우 토크가 50:50으로 유지되기 때문에 우측 타이어 역시 600N 이상의 힘을 노면으로 전달할 수 없다.

이 상황에서 슬립이 발생하기 전 좌우 바퀴 모두 합하여 최대 1200N의 힘밖에 노면으로 전달하지 못한다. 직진인 상황에 비해 많이 줄어들게 되는 것이다.

이 상황에서 운전자는 더 빠르게 코너를 돌기 위해 악셀을 더 밟는다고 가정해보자. 600N 이상의 힘이 타이어에 전달되게 된다면 안쪽 타이어는 슬립이 발생하게 된다. 바깥쪽 타이어는 1400N까지 버틸 수 있기 때문에 슬립 발생 없이 회전할 수 있다.

일반적으로 슬립이 발생했을 때 타이어와 노면 사이의 마찰력은 줄어들기 때문에 예를 들어 0.5의 마찰계수를 갖는다고 가정해보자. 그렇다면 슬립이 발생한 좌측 타이어에서 노면으로 전달 가능한 힘은 600 X 0.5 = 300N이다. 같은 토크가 우측에도 전달되기 때문에 좌우 측 전달 가능한 최대 힘은 합해서 600N밖에 되질 않는다. 슬립이 발생함으로 인해 전달 가능한 토크가 줄어들게 되는 것이다.

결국은 Power 측면에서 본다면 Open Differential은 접지력이 살아 있는 바퀴로 Power를 전달하는 것이 아니라 접지력을 잃은 바퀴 쪽으로 Power를 전달하게 되는 것이다.

Power = Torque x RPM으로 나타낼 수 있기 때문에 이 공식을 생각해 보면 좀 더 이해하기가 쉽다.

만일 위의 상황에서 LSD가 장착되어 있다고 가정해보자. (본 포스팅에서는 다양한 LSD의 특징보다는 기본 개념만 설명하도록 한다.)

똑같이 1g의 코너링 중에 하중이동이 발생하여 좌측에는 60kg, 우측에는 140kg의 하중이 걸린다고 가정하고 마른 노면에서의 마찰계수가 1이라고 가정했으므로 코너링으로 인한 좌우 바퀴 회전수 차이가 적다고 가정한다면 휠 토크로 인해 노면으로 전달되는 힘이 600N이 될 때까지 LSD는 Open Differential처럼 동작할 것이다. 즉 안쪽 휠에서 슬립이 발생하기 전까지 토크 분배는 거의 50:50을 유지할 것이다.

하지만 운전자가 더 가속하여 휠에서 노면으로 전달하는 힘이 600N을 넘어서게 되면 안쪽 바퀴는 슬립이 발생하고 좌우 바퀴에서는 속도 차가 더 크게 발생한다. 좌우 바퀴의 속도 차가 생기기 시작하면 LSD는 속도 차이가 나는 것을 제한하면서 접지력이 높은 바퀴 쪽으로 토크를 더 전달할 수 있도록 돕는다.

이상적인 Torque Bias Ratio를 가져서 좌측 바퀴는 600N까지, 우측 바퀴는 1400N까지 힘을 나눌 수 있다면 엔진에서 나온 토크를 효율적으로 전달할 수 있는 것이다. 그렇게 된다면 좌우 측 바퀴에서 노면으로 전달 가능한 전체 힘은 2000N이 된다. 앞서 살펴본 Open Differential의 전달 가능한 전체 토크가 1200N인 것에 비해 훨씬 효과적으로 휠에서 노면으로 힘을 전달할 수 있는 것이다.

지금까지 예시를 통해 Open Differential과 LSD의 차이점에 대해 알아보았는데, LSD는 단순히 코너를 빠르게 돌기 위해 사용하는 것이 아니라 일상 주행에서 눈길이나 빗길과같이 한쪽 바퀴의 트랙션을 잃었을 경우 좌우 바퀴에 전달해야 하는 Power를 효율적으로 배분하는데도 사용된다.

이어지는 포스팅에서는 이니셜 토크, 1-Way, 1.5-Way, 2.0-Way 등과 같은 LSD와 관련된 내용들에 대해 계속해서 다뤄보도록 하자.

3. LSD에 대한 이해

LSD에는 다양한 종류가 있다. LSD의 종류를 크게 나누어 본다면 Viscous LSD, Clutch Type LSD, Torsen LSD, Helical LSD 등이 있으며, 각 LSD들은 기본 역할은 비슷하나 동작 방식에 따라 다른 특징을 갖고 있다.

이런 다양한 LSD 중에서 가장 흔하게 볼 수 있는 클러치 타입 LSD에 대해 어떠한 종류가 있고 어떠한 용도로 사용되는지 등에 대해서 먼저 정리해 보도록 한다.

클러치 타입 LSD는 다른 LSD에 비해 비교적 간단한 구조를 갖는다. 차량이 가속 또는 감속을 하게 되면 프레 셔링(Pressure Ring)이 좌우 측에 있는 클러치를 누르게 되고 그로 인해 양쪽 바퀴의 차동이 제한되게 된다.

운전자가 가속페달을 밟게 되면 스파이더 기어의 샤프트가 이동하면서 좌우에 있는 프레셔 링을 누르게 되고 그로 인해 좌우에 있는 클러치를 누르면서 LSD가 동작하게 됩니다.

이러한 구조 때문에 클러치 타입 LSD는 바퀴의 회전차가 발생해서 LSD가 동작하는 것이 아니라 자동차가 가속할 때는 항시 동작하는 구조를 갖다.

클러치 타입 LSD는 크게 3종류로 나누어 볼 수 있는데요, 1 Way, 1.5 Way, 2 Way로 나누어집니다.

이렇게 나누어지는 이유는 각각의 구조를 보면 쉽게 이해할 수 있습니다.

① 1Way의 프레 셔링

프레 셔링(Pressure Ring)에 있는 캠(Cam) 각을 보게 되면 한쪽으로만 각도가 있고 다른 한쪽은 막혀 있는 것을 알 수 있습니다.

즉 자동차가 가속하게 되면 클러치가 눌리게 되면서 LSD가 동작하지만 감속 중에는 LSD가 동작하지 않는다. 감속 중에는 Open Diff처럼 동작하게 되는 것이다.

② 2 Way의 프레 셔링

프레 셔링에 있는 캠 간을 보게 되면 양쪽 모두 같은 모양으로 되어 있는 것을 알 수 있다.

자동차가 가속하는 경우와 감속하는 경우 모두 스파이더 기어의 샤프트가 프레 셔링을 양쪽으로 밀게 되어 바퀴의 회전수 차이를 억제한다. 즉 자동차가 가속할 때 그리고 감속할 때 똑같이 LSD가 동작하게 되는 것이다.

③ 1.5 Way의 프레 셔링

프레 셔링에 있는 캠 각을 보면 양쪽이 다른 모양을 갖는다.

한쪽은 낮은 캠 각을 갖지만 다른 한쪽은 높은 캠 각을 갖는다. 자동차가 가속을 하게 되면 샤프트가 낮은 캠 각 쪽의 프레 셔링을 밀게 되어 LSD가 더 많이 동작하게 하고, 감속을 하게 되면 샤프트가 높은 캠 각 쪽의 프레 셔링을 밀게 되어 LSD가 덜 동작하게 하는 것이다. 가속 시와 감속 시 좌우 바퀴를 Lock 시키는 %에 차이가 발생한다.

즉 가속하는 경우, 감속하는 경우보다 LSD를 더 많이 동작하도록 하기 때문에 위와 같이 1.5 Way란 이름이 붙는다.

클러치 타입의 LSD가 이렇게 다양한 종류를 갖는 것은 각 방식마다 다른 주행특성을 갖기 때문입니다.

따라서 2 Way가 제일 좋고 1 Way가 제일 좋지 않다.라는 것이 아니라 운전하는 환경에 적절한 LSD를 선택하여 사용하는 것이 필요하다.

이렇듯 1 Way 및 1.5 Way는 일반적인 주행이나 트랙 주행에서 주로 사용되고, 2 Way의 경우는 주로 드리프트나 랠리 등에 사용된다. (FF 차량의 경우 랠리를 제외하고는 주로 1Way나 1.5Way를 사용한다.)

 

이상으로 2회에 걸쳐 LSD에 대하여 기초적인 내용 알아봤습니다. 자동차를 달리고 멈추게 하는 장치와 디퍼렌셜 기어 와 LSD 같이 안전하게 차량을 제어할 수 있게 하는 장치들이 있다는 것에 대하여 알아봤다. 이렇듯 운전자의 안전운전을 위해 자동차에 숨어 있는 기계적인 특성이나 기술들을 알아서 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.