자동차의 구동방식에 대한 이해

자동차의 구동방식에 대한 이해

보통 자동차의 퍼포먼스를 평가할 때 엔진과 미션에 대해서는 많이들 관심을 가지는 편이지만 실제로 자동차의 주행 특성과 성향을 파악할 수 있는 구동방식에 대해서는 대부분 크게 관심이 갖지 않는다.

오늘의 자동차의 구동방식에 대해서 기본적인 이해를 구하고 이를 통해 보다 명확하게 자동차의 본질을 파악하는 데 도움이 되었으면 하는 마음으로 포스팅을 합니다.

우선, 자동차의 구동방식에 대해서 다루려면 자동차의 동력이 엔진에서 변속기(미션) 통해 구동 바퀴로 전달되기까지의 구조를 파악해보자.

자동차의 동력전달장치의 크게 엔진-미션-구동 바퀴의 휠로 이루어지게 된다. 그러나 이 구조 안에서 세부적으로 들어가면 아주 복잡한 과정을 거치게 되는데 오늘 다루게 될 주요 내용은 이 중에서 엔진이 앞에 배치된 상태에서 전륜 측 휠을 구동하게 되는 전륜구동 (FF) 방식과 후륜 휠을 구동하게 되는 후륜구동 (FR) 방식에 대해서 다루도록 한다.

1. 전륜구동 (FF) 방식

첫번째로 다루게 될 전륜구동 (FF) 방식의 경우 기본적으로 엔진과 트랜스미션 및 디퍼런셜이 일체화에 가깝게 구성된 구조를 보이고 있다.

전륜 구동 방식 (이미지출처: 네이버)  

위의 그림에서 보시다시피 전륜구동 방식의 동력 전달 계통의 구조는 상당히 복잡하고 오밀조밀한 형태를 보이고 있다.

전륜구동 방식의 동력 전달 계통의 구조물 사이에는 조향 계통이 추가되어야 하기 때문에 더욱더 복잡한 구조를 보일 수밖에 없다.

전륜구동 방식은 일견 상당히 오밀조밀하고 복잡하게 보일 수도 있지만 파워가 전달되는 경우가 짧고, 구동 계통의 경로가 간단해지기 때문에 쉽게 구동력을 전달하는 구조를 만들 수 있다는 장점이 있다.

또한, 위의 그림에서도 보시다시피 전륜구동 방식의 동력 전달 구조에서는 후륜이 동력과 전혀 무관하게 배치되어 있는 것을 볼 수 있는데요.

이로 인해서 전륜구동 방식의 경우 전체적으로 차량의 중량이 앞쪽에 집중될 수밖에 없기 때문에 앞쪽이 무거워지게 된다.

전륜구동 방식에서는 엔진에서 발생된 동력은 트랜스미션을 전달되게 되고, 트랜스미션에서 감속된 동력은 디퍼렌셜 기어를 거치면서 앞바퀴 좌우로 전달되게 된다.

후륜구동과 달리 디퍼렌셜 기어가 트랜스미션 내부에 위치하도록 하는 것이 일반적이며, 디퍼렌셜 기어에서 바로 등속 조인트로 연결되기 때문에 프로펠러 샤프트가 필요 없게 된다.

등속 조인트는 주행 중 서스펜션의 상하 운동의 영향을 받아서 샤프트의 각도가 변하게 되는데, 여기에 전륜 측의 경우 조향까지 해야 하기 때문에 허브 쪽에서도 조향이 각에 따라 각도가 바뀌게 된다.

이에 대응하기 위해 등속 조인트는 Constant Velocity Universal Jonit를 채택하고 있으며 이때 앞서 설명한 대로 서스펜션의 상하 운동에 의한 각도 변화에 대응하기 위해 보통 일반적으로는 디퍼렌셜 쪽에 연결되는 쪽에는 접동 식을 채택하고 있으며, 조향으로 인한 각도 변화까지 대응해야 하는 허브 쪽에는 고정식을 채택하고 있다.

접동식 조인트에는 여러 가지 종류가 있는데 트리포드 타입의 조인트는 3개의 롤러를 사용하는 방식으로 되어 있고, 접동 저항이 적은 것이 장점이다.

트리포드 타입의 조인트는 프랑스의 자동차 메이커들이 많이 쓰는 것으로 알려져 있는데 QM5도 르노 차량이라서 그런지 트리포드 타입이다.

트리포드 타입 조인트는 각도가 어느 정도 이상 기울어지게 되면 진동이 쉽게 전달되는 특성이 있고, 축 방향으로 진동이 가속화돼서 차량의 진동을 증폭하는 특성이 있는 것이 단점이다.

그래서 트리포드 타입 접동식 조인트도 저 진동 타입으로 개선하기 위해 중앙의 롤러가 기울어지지 않도록 하는 형태로 진화가 되면서 진동 특성을 개선한 방식도 있는데 QM5의 등속 조인트는 바로 이 저진동 타입의 트리포드 타입의 접동식 조인트가 적용되어 있다.

그리고 등속 조인트에는 윤활용 그리스를 도포한 상태로 고무 부츠로 보호하고 있는데 이 부츠가 손상돼서 조인트 안의 그리스가 빠져나가 손상이 돼서 등속 조인트를 교환하는 경우가 종종 있다.

전륜구동 방식에서는 엔진룸에 엔진이 가로 배치가 되고 엔진 옆에 트랜스미션이 일체화되어 부착되면서 트랜스미션이 차체의 중앙에 있는 것이 아니라 한쪽에 치우쳐 있기 때문에 어쩔 수 없이 등속조인트 드라이브 샤프트의 좌우 길이가 달라지고, 이 때문에 토크 스티어라는 현상이 발생한다.

토크 스티어는 가속을 할 때 엔진의 동력이 휠로 전달되는 과정에서 드라이브 샤프트의 좌우 길이가 다름으로서 생기는 휠 파워의 차이가 발생하면서 차체가 한쪽 방향으로 쏠리는 현상을 말한다.

전륜구동 방식의 약점 중 하나였던 토크 스티어 현상을 기술적으로 해결하기 위해 전륜구동이면서도 엔진을 세로로 배치하는 방식도 고안이 되었고, 지금은 대부분의 경우 드라이브 샤프트의 좌우 길이를 같게 함으로서 토크 스티어를 해결하고 있다.

그럼에도 불구하고 전륜구동은 아직도 약간의 토크 스티어 현상을 일으키고 있는데 이것은 가속을 통해 휠에 파워가 전달될 때 등속 조인트의 기울기의 차이, 조향과 동시에 이루어지는 상황에서 좌우 타이어의 그립의 차이 등의 여러 가지 변수로 인해 토크 스티어가 발생하고 있다. 그래서 지금의 전륜구동 방식은 드라이브 샤프트의 길이를 같게 하고, 조인트의 각도 변화의 영향을 적게 받는 고성능의 등속 조인트의 개발 등으로 토크 스티어는 상당히 미미한 정도로 줄어든 상태다. 스티어링 기어의 배치와 기술적인 향상으로 전륜구동의 구조적 약점이었던 토크 스티어는 지금에 와서는 거의 해소되었다고 봐도 될 정도로 미미한 수준으로 줄어든 것이다.

앞서 잠깐 언급한 전륜구동 방식 차량의 엔진을 세로로 배치하는 경우는 드문 경우이나 대표적인 차종으로는 스바루, 아우디 등이 전륜구동이면서 엔진을 세로로 배치하는 형태를 채택하고 있다.

전륜구동에서 엔진을 가로로 배치하는 것은 엔진의 크랭크축과 트랜스미션의 출력축 및 드라이브 샤프트 (등속조인트)가 서로 평행한 구조를 가지게 되는 것인데, 엔진을 세로로 배치하게 되면 등속 조인트와 트랜스미션이 결과적으로 직각을 이루게 되기 때문에 동력의 방향을 바꿔주어야만 하게 된다.

이를 위해서 전륜구동이면서 엔진이 세로로 배치되는 엔진에서는 트랜스미션 내부의 디퍼렌셜에서 출력을 90도 방향으로 전환해서 등속조인트로 전달하게 된다.

전륜구동 방식에서 차량의 운동성은 구동과 조향을 모두 전륜에서 담당하기 때문에 전륜에 걸리는 부담이 커지게 되지만 대신 구동과 조향이 일치하기 때문에 조작이 편해지고 미끄러운 노면에서 비교적 주행과 선회가 쉬워지는 장점이 있다.

또한, 엔진룸의 설계와 케빈의 설계를 독립적으로 할 수 있기 때문에 플랫폼을 공유하기가 쉬워지고 생산성이 향상되며, 동력 전달 계통이 짧아지기 때문에 효율이 증가하는 장점도 있다.

단점이라면 역시 차체의 중량이 앞쪽에 집중될 수밖에 없어서 운동성이 떨어지고 큰 동력을 사용할 때에는 구동력이 휠에서 손실되기 쉽다는 것이 단점이다.

2. 후륜구동 방식(FR)

후륜 구동 (이미지출처: 네이버) 

앞에 엔진을 둔 후륜구동 (FR) 방식은 위의 그림에서 보시다시피 전륜구동에는 없는 프로펠러 샤프트가 앞쪽에서 뒤쪽까지 연결된 것을 보실 수 있다.

또한 후륜구동 방식의 엔진은 전륜구동 방식과 달리 기본적으로 세로로 배치가 되어서 트랜스미션이 엔진의 크랭크축과 평행하게 위치하면서 프로펠러 샤프트를 통해 후륜 휠에 연결된 디퍼렌셜 기어로 연결되고, 디퍼렌셜 기어에서는 프로펠러 샤프트에서 전달된 동력의 방향을 90도 전환해서 좌우 휠로 전달하게 된다.

프로펠러 샤프트는 트랜스미션을 통해 전달된 동력을 후륜 쪽의 디퍼렌셜에 전달하기 위한 드라이브 샤프트인데 일반적인 드라이브 샤프트를 사용하지 않고 프로펠러 샤프트로 구성하는 이유는 진동과 소음을 저감하기 위해서다.

프로펠러 샤프트는 기본적으로 여러 개의 드라이브 샤프트로 구성되며, 그 사이에 공진점을 정하고 등속 조인트와 같은 형태의 Constant Velocity Universal Jonit 혹은 카르단 조인트를 설치하게 된다.

그리고 각각의 조인트 사이에는 센터 베어링 서포트를 두어 차체에 고정하게 된다.

차체가 큰 후륜구동 기반의 4륜 구동 차량의 경우는 트랜스미션에서 리어 디퍼렌셜로 이어지는 프로펠러 샤프트 외에 트랜스퍼 케이스에서 전륜 디퍼렌셜로 이어지는 프로펠러 샤프트까지 적용되는 경우도 있다.

앞서 소개한 전륜구동과 달리 후륜구동에서는 구동과 조향이 각각 뒷바퀴와 앞바퀴로 구분되어 있다.

이 때문에 전륜구동 방식보다는 프런트 쪽의 구조가 좀 더 간결하고, 후륜까지 이어진 동력 전달 계통의 중량으로 차체의 무게 앞뒤 무게 밸런스가 전륜구동 방식보다 안정적으로 구성이 되게 된다.

덕분에 후륜구동 방식의 경우에는 전륜에 보다 복잡한 구조의 서스펜션을 배치하는 것도 가능하기 때문에 전륜구동 방식에서 널리 사용하는 맥퍼슨 스트럿 방식이 아닌 더블 위시 본 같은 복잡한 형태의 서스펜션을 프런트에 배치하기가 보다 수월하다.

전륜구동과 마찬가지로 후륜구동에서도 독립식 서스펜션이 적용된 경우 후륜 측 디퍼렌셜에서 좌우 휠로 연결되는 등속 조인트 각도 등의 영향으로 좌우 휠에 전달되는 파워의 편차를 줄이기 위해 등속 조인트의 성능이 개선되어 왔다. 서스펜션이 좌우 일체형인 경우에는 디퍼렌셜과 좌우 드라이브 샤프트가 직선으로 고정되어 있다.

후륜구동 방식은 아무래도 전륜구동 방식보다는 전체적으로 차량의 중량이 조금 더 나갈 수밖에 없고, 동력 전달 계통이 길어지기 때문에 손실을 감수해야 하며, 미끄러운 노면에서 구동과 조향을 동시에 할 때 구동 방향과 조향 방향이 엇갈리면서 주행이 어려워지는 단점이 있지만 전체적인 차량의 중량 밸런스가 좋고, 파워를 지면에 전달하는 구동력을 더 크게 실현할 수 있기 때문에 고출력 엔진을 적용하기가 더 쉬워지며, 차량의 운동성이 좋아지게 된다.

요즘에는 전륜구동 방식의 경우에도 엔진을 케빈에 가깝게, 혹은 일부 케빈 쪽으로 들어가는 형태의 프런트 미드십 형태로 설계되는 경우가 있어서 중량 밸런스가 더 좋아졌기 때문에 과거보다 훨씬 더 높은 출력의 전륜구동 방식 차량도 쉽게 운전이 가능해졌으며, 서스펜션과 타이어의 성능이 향상되면서 구동력도 크게 향상이 되어서 대부분의 일반 차량들은 전륜구동 방식을 선호하는 경우가 많아졌다.

따라서 출력이 아주 큰 경우가 아니라면 굳이 손실이 큰 후륜구동을 고집할 필요가 적어진 것이다.

3. 4륜 구동

그리고 최근에는 4륜 구동에 대한 관심이 크게 높아졌는데 4륜구동에서도 전륜구동 기반의 4륜과 후륜구동 기반의 4륜이 상이한 구조를 보여주고 있습니다.

사실, 전륜구동 방식에서 4륜 구동 방식으로는 전환은 아주 간단합니다.

대표적인 전륜구동 베이스의 4륜 구동 차량을 꼽으라면 역시 벤츠의 소형차에 적용된 4매틱이나 아우디의 소형차에 적용된 콰트로 시스템, 그리고 4륜 구동 차량의 고성능 퍼포먼스하면 떠오르는 차량 중에 미쓰비시의 랜서 에볼루션이 있다.

전륜구동 베이스에서 시작되었기 때문에 앞서 소개했던 전륜구동의 구조와 비슷하지만 후륜으로 동력을 전달하는 프로펠러 샤프트가 추가되고, 트랜스미션에서 전달되는 동력을 전륜과 후륜으로 나누어서 보내야 하기 때문에 센터 디퍼렌셜이 추가된 트랜스퍼 케이스에서 전륜으로 전달하는 프런트 디퍼렌셜을 통해 전륜으로 동력을 전달하고 후륜으로는 트랜스퍼 케이스의 센터 디퍼렌셜에서 보내는 방식의 형태를 가지고 있습니다.

전륜구동형 4륜 구동 시스템에서 후륜으로 동력을 보내지 않을 때나 동력을 분배할 때에는 센터 디퍼렌셜에서 후륜을 분배되는 동력을 제어하면 되는 것이다.

4륜 구동 (이미지출처: 네이버) 

반대로 후륜구동 베이스의 4륜 구동 시스템은 기본적으로 트랜스미션에서 프로펠러 샤프트를 통해 후륜으로 동력을 전달하기 때문에 중간에 전륜으로 동력을 분배할 장치가 필요하게 된다.

이를 위해서 트랜스미션에 센터 디퍼렌셜과 트랜스퍼 케이스를 두고 이를 통해 전륜으로 전달될 동력을 분배하는 형태를 보여주고 있다.

전륜구동형 4륜 구동과 달리 트랜스퍼 케이스에서 전륜 방향으로 분배된 동력은 다시 전륜 쪽에 배치된 등속 조인트에 전달되기 위해 별도의 전륜용 디퍼렌셜을 거쳐서 동력을 전달하게 된다.

4륜 구동 구조 중에서 센터 디퍼렌셜이 없는 직결 형태의 4륜 구동도 있지만, 4륜을 모두 직결로 연결하게 되면 선회 시 4륜의 회전차를 보상할 방법이 없어지기 때문에 각각의 휠은 선회 시의 회전 차에 의해 각각 슬립이 발생하게 되어 브레이크 현상이 발생하게 된다.

즉, 센터 디퍼렌셜은 이런 디렉트 브레이크로 인한 타이트 턴 브레이킹 현상을 해소하기 위해 필요한 장치인 것이다.

대신 직결식 4륜 구동 시스템은 험로 주파 능력이 뛰어나기 때문에 보통 직결식 4륜 구동 시스템에서는 온 오프 기능을 탑재해서 평상시에는 2륜 구동으로 주행을 하다가 험로 주파와 같은 특별한 경우에만 4륜 구동으로 전환해서 사용하는 방식을 사용하고 있으며, 센터 디퍼렌셜이 추가된 4륜 구동 시스템에서는 한 후륜의 속도 차를 보상할 수 있기 때문에 일상적인 상시 4륜 구동으로 사용이 가능하며, 센터 디퍼렌셜에 LSD를 적용해서 한 후륜의 휠이 구동하지 못하거나 스핀 할 때 차동을 제한하는 기능을 더해서 주행성능을 향상시키고 있습니다.

센터 디퍼렌셜에는 단판 클러치나 비스코스 커플링, 토르센 타입의 여러 가지 방식이 사용되는데 여기에 전자제어식 클러치 방식을 적용해서 상황에 따라 4륜 구동의 배분을 결정하고 필요하다면 직결로 작동할 수도 있게 한다.

 

이렇게 자동차의 구동방식에 대하여 앞 시간에 이어 조금 더 깊이 있게 알아봤습니다. 이번 시간에 알아본 자동차 구동방식이 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다. 다음 시간엔 자동차의 디퍼렌셜 기어 와 LSD에 대하여 다루어 보도록 하겠습니다.