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.

, 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.

차동기어(디퍼렌셜 기어) ?

차동기어를 영어로는 디퍼렌셜 기어(Differential Gear)이다. 그런데 정비 현장에서는 차동기어라고 얘기하지 않고 대후 또는 대우라고 부른다. 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, , 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 LSD'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)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 시기에 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 차동기어디퍼렌셜 기어(Differential Gear)에 대하여 기초적인 내용을 알아봤습니다. 자동차와 차동기어를 관리하는 데 도움 되어 원활한 자동차 관리와 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

자동차 전륜구동과 후륜구동의 차이점

우리는 자동차의 전륜구동(FF)과 후륜구동(FR)에 대해 잘 알지 못하고 있다. 오늘은 자동차 운전을 10년 넘게 해온 드라이버나 튜너들조차 헷갈리는 사람이 있을 정도로, 우리가 잘 알지 못했던 전륜구동(FF)과 후륜구동(FR)의 차이점에 대하여 알아보자.

최근에는 비교적 쉽게 후륜구동과 MR 차량을 만나볼 수 있지만 불과 몇 년 전까지만 해도 제조단가에 초점을 맞춘 현대자동차가 전륜구동을 주로 생산했기 때문이다. 그렇다 보니 상대적으로 후륜구동 차량보다 전륜구동 차량을 많이 접하게 되었고 후륜구동 차량에 대한 편견이 생겼다는 판단이다.

이전 국내 자동차 소비자가 후륜구동을 탄다는 것은 고급 수입차를 탄다거나 화물차나 승합차 같은 뒤가 가벼운 영업용 차량을 타는 것이 보편적이었다. 지금은 제네시스 브랜드나 혹은 K9과 같은 후륜 기반의 차량들을 어렵지 않게 접할 수 있게 됐지만 일반적으로 접하는 차량은 아니었다. 그러다 보니 전륜구동은 좋지 않고, 후륜구동은 좋다는 등의 오해와 편견을 가져온 것 같다.

1. 차량의 구동방식은 크게 4가지로 구분한다.

국내 차량은 대부분 앞바퀴가 동력을 전달하는 전륜구동(FF) 방식과 뒷바퀴가 동력을 전달하는 후륜구동(FR), 슈퍼카와 같은 초고 성능 차량 등에 사용되는 MRRR 그리고 콰트로 같은 4륜구동 방식으로 나눌 수 있다.

일부 빠진 모델도 있겠지만 국산차 기준 아래에 나열한 차종 이외 국내 제조사가 만든 대부분의 모델은 전륜구동이다.

후륜구동 차종들

현대자동차: 포니, 스텔라, 그레이스, 포터, 제네시스 쿠페, 제네시스 G80, EQ900(1세대 에쿠스는 전륜구동),

쉐보레(구 대우자동차): 로얄살롱, 임페리얼, 프린스, 브로엄, 라보, 다마스, 스테이츠맨, 베리타스

기아자동차: 포텐샤, 엔터프라이즈, 프레지오, K9, 스팅어

쌍용자동차: 체어맨

1975년 현대자동차가 포니를 생산한 이래로 국내 제조사가 만든 후륜구동 차는 손에 꼽을 정도로 적다. 현재 세대에서도 위의 차량들을 타본 이가 몇이나 될까 싶다. 이 모델을 타봤다고 해도 후륜구동의 장단점이나 특징을 완벽히 체득하긴 어려웠을 것이다. 대체로 트럭과 승합차를 경험했을 것이기 때문이다. 당시의 세단 모델들은 감히 함부로 살 수 없는 고급 세단에 속했다.

2. 전륜구동(FF)과 후륜구동(FR)의 차이점

전륜구동(FF)은 엔진이 앞에 위치한다. 그 엔진 옆에 미션이 붙어있고 바로 있어 구동력을 전달할 수 있어 전체 부품 개수가 줄어들게 된다. 덕분에 제조 공정은 단순해지고, 단가를 낮출 수 있게 된다.

또한 엔진을 가로 배열이 가능해 엔진룸 크기 역시 줄일 수 있다. 같은 크기의 전장, 전고라면 전륜구동 쪽이 실내 공간을 더 활용할 수 있는 셈이다. 메이커 입장에서 전륜구동 모델의 생산은 단가는 저렴하게 만들어 싸게 팔 수 있는 방법의 자동차 생산 아닌가 싶다.

후륜구동 형은 구동축을 뒷바퀴에 둔다. 그렇기 때문에 동력 전달 축인 프로펠러 샤프트(미션->후륜 엑슬)가 차량 하부 축을 가로질러 가야 하기에, 동력 손실도 발생하고 실내도 좁아지기 마련이다.

이미지출처: 네이버

위 사진에서 보듯 프로펠러 샤프트(빨간색 부분)가 미션과 리어엑슬(디퍼런셜기어)과의 동력을 전달하기 위해서 차량의 하체 부분을 지나게 되어 있다. 이때 프로펠러 샤프트의 공간을 확보하기 위해 차량의 하부에 볼록한 아치(파란색 부분)가 생기게 됨에 따라 실내가 좁아지게 된다.

3. 동력성능에서 전륜구동과 후륜구동의 차이점

전륜구동(FF) 차량의 장점은 엔진 무게에 의한 접지력의 향상이 있다. 특히 눈길, 빗길 등에서의 견인력이 매우 우수하다. 또한 차량이 슬립이 되었을 때나 스핀이 될 때 차체 바로 잡기도 쉽다. 차량이 스핀이 될 때 그 중심축은 앞바퀴가 되기 때문에 앞바퀴에 동력을 줄 수 있는 전륜구동(FF) 차가 보다 안전하다. 반면 뒷바퀴에만 구동력을 주는 후륜구동(FR)은 스핀 발생 시에 카운터가 어렵다.

국내 운전자들은 전륜구동에 맞추어 운전습관이 배어있다. 그렇다 보니 후륜구동의 주행에 익숙하지 않고, 빗길이나 눈길 등에서 발생하는 오버스티어에 쉽게 당황한다. 운전 중 당황은 곧 사고로 이어진다. 카운터 스티어라는 것이 후륜구동을 탄다고 자연스레 익혀지는 것은 아니다. 하지만 전륜구동의 언더스티어에 익숙해진 운전습관으로 인해 뒤가 약간만 미끄러지거나 조금 흔들리는 상황에 무조건 브레이크부터 밟게 되는 것이다.

4. 후륜구동은 왜 스포츠카에 적합한가

스포츠카의 가장 큰 조건은 운동성능과 조향 성능이다. 스포츠카의 성능을 판단하는 기준은 정지 상태에서 100km/h까지의 가속 시간을 예로 드는 편이다. 1~2초 차이를 줄이기 위해 천문학적인 금액과 노력이 필요하지만 그렇게까지 생각하지 못하는 것이 일반적이다. 일반인이 생각할 때 "그깟 3초 차이"라고 하겠지만 스포츠카를 만들고 튜닝하는 튜너 입장에서는 무에서 유를 창조하는 것으로 3초는 거의 기적을 이루는 수치인 셈이다.

그럼 배기량만 높이면 3초를 줄일 수 있을까? 전륜구동으로는 사실상 불가능하다. 엔진과 트랜스미션이 모두 보닛 안에 집중되어 앞바퀴 접지력이 좋겠다 생각하기 쉽다. 하지만 실제 급출발을 해보면 앞의 무게가 순간적으로 뒤로 이동하면서 앞바퀴는 뜨게 되고 뒷바퀴는 가라앉게 된다. 다시 말해 뒷바퀴 접지력이 상승하고 앞바퀴는 접지력이 줄어드는 스쾃(Squat) 현상이 발생하는 것이다.

이 스쾃 현상을 줄이기 위한 전륜구동 차량은 뒤쪽을 올리고 앞을 내리는 세팅을, 감쇠력 조정이 가능한 경우 뒤를 하드하게 앞을 상대적으로 소프트하게 하는 것이 좋다. 반면 후륜구동 방식이라면 뒷바퀴 쪽으로 이동한 무게 중심 때문에 접지력이 증가되어 빠른 출발이 가능하다. 접지력 저하에 의한 바퀴가 헛도는 현상인 휠 스핀(Wheel Spin)을 줄이는 것이 안정적이고 빠른 자동차의 기본 요건이다. 그래서 후륜구동 차량의 경우 급출발을 하면 하중이 뒤로 이동하면서 뒷바퀴의 접지력이 좋아진다.

무게 이동은 차량이 출발한 이후 중/고속에서도 수시로 이루어진다. 엑셀에서 발을 떼는 것만으로도 무게 중심은 앞으로 이동하지만 가속을 하면 다시 뒤로 이동한다.

5. 전륜구동(FF)과 후륜구동(FR)을 자연계의 동물에 비유하면

잘 달리는 포유류 동물치고 앞발이 큰 동물은 없다. 빠르게 달린다는 네 발 짐승들 모두가 뒷발이 더 크고 굵다. 앞발은 좌우 어느 쪽인가를 선택하는 역할만 한다. 참 적절한 비유다.

6. 조향 성능에서의 차이

전륜구동형은 대부분 엔진을 횡배열(가로배열)을 선택한다. 덩달아 미션도 가로로 향하게 된다. 보통 엔진은 운전자 혼자 탔을 때를 기준으로 차량의 무게를 맞추고자 조수석 쪽에 위치한다. 엔진이 무겁기 때문에 미션은 운전 자쪽에 위치하는 것이 일반적이다.

사고 발생 시 엔진에 의한 2차 사고를 피하기 위한 의도 역시 들어있는 설계다. 엔진과 미션이 좌/우로 치우쳐져 있기 때문에 바퀴로 동력이 전달되는 드라이브 샤프트의 길이가 달라지게 된다. 운전석 쪽이 짧고 조수석 쪽으로 길어 좌우 동력 전달의 불균형이 발생한다.

좌우 드라이브 샤프트의 길이가 달라짐에 따라 좌우 동력 전달 차이가 발생하며 어느 한쪽으로 쏠리는 현상이 발생하는데 이것을 토크 스티어(torque steer)라고 한다. 이 토크 스티어 때문에 전륜구동으로 제작되는 차량에는 높은 토크를 발휘하는 구성을 사용하지 않는다. 토크가 높으면 높을수록 토크 스티어를 제어하지 못할 정도로 조향하는 데 있어 위험하기 때문이다.

이미지출처: 네이버 전륜구동 차량의 경우 미션이 가운데 위치하지 않아 등속 샤프트(프런트 엑슬)의 길이가 다르다.

  이미지출처: 네이버 후륜구동의 경우 가운데 디퍼렌셜기어를 중심으로 좌우 바퀴에 전달되는 등속 샤프트(리어 엑슬)의 길이가 같다.

스포츠성을 살리는 스포츠카에서 구동륜인 앞바퀴의 좌우 동력 전달 불균형이라는 건 난센스다. 반면 후륜구동은 디퍼렌셜 기어가 중심에 있고 좌우로 같은 동력을 전달한다. 이렇게 동력과 조향의 역할을 함께 가지고 있는 전륜구동은 동력성능에도 불리하고 조향 성능도 떨어뜨리는 원인이 된다. 또한 가로 배열 엔진은 조향륜인 앞바퀴의 회전각을 떨어뜨리는 요소다.

이외에도 후륜구동은 구동륜과 조향륜이 별개이므로 보다 빠른 핸들링이 가능하다. FR의 앞바퀴에 달린 링크들은 모두 조향에만 쓰면 되지만, 전륜구동(FF)는 동력 전달을 위한 샤프트도 달리게 된다.

또한 후륜구동(FR)은 뒷바퀴가 추진을 하면서 나아가고 앞바퀴는 조향만 하면 되기에 빠르고 예리한 스티어링이 가능한 반면 FF는 조향을 하는 바퀴가 회전하며 굴러가고 뒤쪽은 그냥 따라오는 격이다. 반응은 한 박자 늦게 되며, 스티어링 휠도 많이 돌려야 한다. 전륜구동을 칭하는 속어 중 전륜 박이라는 표현이 있다. 하나는 뒷바퀴의 제어가 사실상 되지 않기 때문이다.

전륜구동(FF)에서 나타나는 필연적인 언더스티어 현상도 문제다. 물론 안전의 측면에서 대부분의 차량이 약한 언더스티어 세팅을 한다. 전륜구동 차량은 원래부터 언더스티어 기 때문에 선회(회전) 각 이 항상 큰 편이다.

7. 중요한 것은 전, 후 밸런스

평균적으로 전륜구동 차량은 7:3, 후륜구동 차량은 6:4 정도의 무게 배분을 갖는다. 이 무게 배분은 코너링과 승차감 이외에도 브레이크 성능에 큰 영향을 미친다. 대부분의 자동차는 프런트 브레이크 7, 리어 브레이크 3의 브레이크의 배분 비율(7:3)을 가진다. 브레이킹 시 차량의 무게가 앞쪽으로 집중되어 실제적으로 앞바퀴에 많은 부하가 걸리기 때문이다.

실제로 4바퀴를 가진 자동차가 100킬로 이상의 속도에서 풀 브레이킹을 하게 되면 앞쪽 범퍼가 땅에 닿을 듯 숙여진다. 이를 노즈 다이브 현상이라고 하는데 이때 뒷바퀴는 거의 떠있다 싶을 정도로 들리게 된다.

노즈 다이브 [ nose dive ] : 주행 중이던 차량이 급브레이크 등의 상황에서 관성운동에 따라 차체 앞부분이 고꾸라지듯 주저앉는 현상. 차체의 무게중심이 서스펜션보다 높은 위치에 있어서 발생한다.

만약 무게 배분이 7:3(전륜)인 차량과 6:4(후륜)인 차량이 같은 속도에 같은 풀이 브레이킹을 한다면 전륜구동 보다 뒤쪽에 많은 무게가 배분되어있는 후륜구동의 네 바퀴 접지력이 우수하다. 후륜구동 차량이 뒤쪽의 무게가 더 무겁기 때문에 전륜구동에 비해 상대적으로 뒷바퀴 들림이 적기 때문이다. 이런한 조건들로 인해 달리기 성능, 코너링, 브레이킹 모두 후륜이 우수한 이유다.

8. 결론

국내소비자들에게 후륜구동에 대해 어떠냐고 물으면 한국인의 70% 이상의 대답은 아마도 "빗길, 눈길에 잘 미끄러지고 위험한 차다"라고 대답할 것이다. 벤츠, BMW, 캐딜락 등 수입 브랜드의 생산라인은 90% 이상이 후륜이다. 유럽의 국가들은 우리나라 보다 안 좋은 기후 조건을 가지고 있다. 하지만 후륜 메커니즘의 차량이 대중화되어 있고 그것을 즐기는 방법을 알고 있는 것이다.

우리나라는 4계절의 나라다. 현명한 오너 라면 한 계절(겨울)에만 유리한 전륜보다는 한 계절(겨울)에만 불리하고 삼 계절 안전한 후륜을 더욱 매력적이라고 판단할 것이다.

어느 쪽이 좋다는 절대적 명제는 없다. 전륜구동(FF) 방식도 그 나름대로의 가치가 있다. 하지만 스포츠카를 표방하는 차량에까지 전륜구동(FF) 방식을 고집하는 것은 코미디가 아닌가 싶다. '전륜구동과 오토매틱 차량은 이동 수단에 지나지 않는 자동차다'라는 말로 결론을 짓는다.

 

이상으로 알아본 전륜구동(FF)과 후륜구동(FF)의 차이점과 장단점을 잘 이해하여 자동차에 대하여 생각하는 접근성이 좀 달라져 자동차에 대한 올바른 이해와 차량관리 및 안전운전에 도움 되어 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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