사실 아우디 기계식 콰트로, 토센 디퍼렌셜이라고 하면 유명하긴 한데

도대체 뭘 어떻게 동작하는지 쉽게 풀어서 설명해주는곳이 잘 없더라구요

심지어 완전히 틀린 내용인데 사실인양 설명하는 자료나 영상도 꽤 많았구요

콰트로가 좋은건 알겠는데 왜 그렇게 동작하는지를 모르면

뭔가 맛집에서 먹은 음식이 맛은 있는데 그게 재료가 뭔지 몰라서 답답한 그런 느낌이 드는거에요

그래서 기계식 콰트로(토센 디퍼렌셜) 동작 원리를 분석해봤습니다

기계공학이나 자동차공학을 전공하지 않은 비전공자이기에 그냥 개념적으로 이해를 했을뿐

수식으로 계산하여 정확한 값을 도출하거나 한건 아니기 때문에 그 부분은 감안해서 봐주시면 감사하겠습니다

https://www.clien.net/service/board/cm_car/17121813CLIEN

일단 시작하기전에 제가 기존에 올렸던 콰트로와 토센 디퍼렌셜의 종류에 대해서 정리한 글이 있는데

그 글을 한번 보고 와주시면 더 이해가 잘 될수 있으니 참고 부탁드립니다~

자 그럼 시작하겠습니다~

토센 디퍼렌셜은 위 처럼 다양한 종류가 존재합니다.

생김새는 다르지만 기본적인 동작 원리는 동일하구요.

오늘 동작 원리를 분석할 디퍼렌셜은 아우디 커스텀 버전의 타입B 토센이 되겠습니다.

바로 위에 보이는 디퍼렌셜이 아우디 커스텀 버전의 토센 B타입 디퍼렌셜입니다.

(부품 번호 0B2409755K, 0B2409755L)

독일어로 뭐라뭐라 적혀있는데 대충 보시면 기본 구동배분 전륜40, 후륜60

후륜으로 최대 85%까지 토크배분이 가능하다고 적혀있습니다 

위 사진은 7단DCT S트로닉(DL501)에서 토센 디퍼렌셜의 위치한 곳을 표시한것입니다.

빨간색 네모가 토센 센터 디퍼렌셜이구요.

그 뒤로 후륜쪽 출력 샤프트 플렌지가 있고

옆에 쇠파이프처럼 생긴게 전륜으로 가는 출력 샤프트 입니다.

토센 디퍼렌셜의 세부 명칭입니다.

여기서 눈여겨 보셔야할 부분이 "썬기어", "유성기어", "링기어", "마찰재" 입니다.

이 몇 안되는 작은 부품들이 바로 실시간 토크배분을 하는 마법같은 녀석들입니다.

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이제부터는 "같이 회전하는 것들"을 기준으로 크게 묶어서 설명 드리겠습니다.

초록색 부분이 구동력 입력축입니다.

엔진&미션을 통해 나온 출력이 저 디퍼렌셜 하우징이 통채로 회전시킵니다.

디퍼렌셜 하우징의 회전은 곧 엔진&미션의 출력이라는 점을 일단 기억해두시구요~!

빨간색 부분이 전륜으로 연결되는 구동력 출력축입니다.

디퍼렌셜 하우징안에 있는 빨간색 작은 썬기어가 외부의 큰 기어와 연결되어있고

내부의 작은 썬기어가 회전하면 바깥에 있는 전륜구동축으로 구동력을 전달합니다.

파란색 부분은 후륜 구동력 출력축입니다.

역시나 디퍼렌셜 하우징 안에 썬기어와 외부로 나가는 샤프트가 연결되어있습니다.

마찬가지로 내부의 썬기어가 회전하면서 외부로 나가는 후륜구동축으로 구동력을 전달합니다.

여기서는 주황색과 보라색을 눈여겨 봐주시기 바랍니다.

주황색 유성기어와 보라색 유성기어는 디퍼렌셜 하우징에 수평으로 연결 되어있고 혼자 자전이 가능합니다.

스스로 회전하면서 썬기어 -> 유성기어 -> 유성기어 -> 썬기어로 동력을 전달합니다.

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이제 본격적으로 토크 분배에 대해서 설명 시작하겠습니다.

본격적으로 설명 들어가기전에 "토크"에 대해서 사전적 의미를 간략하게 설명드리면

"물체를 회전시키기 위해 가한 힘의 작용"입니다. 대략 "물체를 회전시키는 힘"이라고 보시면 되겠습니다.

첫번째 설명은 "기본 토크 배분"에 대한 설명입니다.

기어들이 회전하는 방향을 잘 보시면

빨간색 박스에서 서로 힘이 상쇄되는 방향으로 회전하려는 것을 알수있습니다.

즉 전륜과 후륜의 접지력 차이가 없는 상황에서는 모든 기어들이 자체 회전하지 않고 하나로 고정됩니다.

이렇게 모든 부품들이 하나로 고정되어 통채로 같은 속도로 회전합니다.

엇.. 그러면 어떻게 기본 토크 배분이 전륜 40 : 후륜 60이 되는걸까요?

자세히 보시면 후륜쪽 썬기어와 전륜쪽 썬기어의 직경이 다르다는걸 알수있습니다.

이 직경의 비율이 60대 40입니다. 후륜이 60, 전륜이 40이죠.

썬기어 직경이 토크배분이랑 뭔 상관일까요? 간단히 예를 들어보겠습니다.

그림을 보시면 가운데에 있는 사람이 "디퍼렌셜 하우징"

그리고 왼쪽 방망이 두꺼운 부분이 "후륜 썬기어", 오른쪽 방망이 얇은 부분이 "전륜 썬기어"입니다.

가운데 사람을 기준으로 왼쪽 방망이는 직경이 크고, 오른쪽 방망이는 직경이 작습니다.

이때 가운데에 있는 사람이 양쪽 방망이를 잡고 똑같이 한바퀴 회전을 시켰을때

왼쪽과 오른쪽으로 가는 토크의 크기가 달라지게 됩니다.

이것은 "축바퀴의 원리"와 동일합니다.

축바퀴의 원리 : https://blog.naver.com/moeblog/220453507169

직경의 비율이 60대 40이 되면 토크의 배분도 60대 40이 됩니다.

이것이 토센 디퍼렌셜의 기본 구동력 배분의 원리 입니다.

< 추가로 드리고 싶은 얘기 >

가끔보면 콰트로는 전륜기반이라 전륜쪽으로 구동력이 먼저 간다라고 얘기하는 사람이 있는데

애초에 "전륜기반이라는 소리도 잘못되었지만 구동력이 전륜에 먼저 간다는 것도 완전히 틀린 얘기"입니다.

결론부터 말씀드리면 "전륜과 후륜에 구동력이 동시에"전달됩니다.

디퍼렌셜 하우징과 유성기어, 그리고 전륜축 후륜축은 모두 물리적으로 연결 되어 있으며

물리적으로 서로 연결된 상태에서는 "토크의 전달 속도는 모두 동일"합니다.

전륜이 먼저가고 후륜이 나중에가고 그런건 불가능합니다.

단, 서로 연결된 부품들의 질량이나 발생하는 마찰력에 따라 "토크의 크기는 달라질 수" 있습니다.

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지금까지는 "기본 토크 배분"에 대한 설명이었습니다.

여기까진 많이 어렵진 않으셨을겁니다.

두번째 설명은 "차동 발생시 토크 전달"에 대한 설명입니다.

전륜쪽 타이어 접지력이 부족해서 전륜과 후륜이 서로 다른 속도로 회전하게 되는 상황을 가정해보겠습니다.

실제로는 차동이 발생하는 상황은 아주 찰나의 순간입니다.

급가속이나 급감속, 혹은 코너링을 할때도 전륜과 후륜의 접지력 차이가 발생하며

이때도 차동이 미세하게나마 일어납니다.

전륜과 후륜의 회전차가 발생하면

즉시 전륜 썬기어가 회전하면서 유성기어들을 회전시키고

유성기어가 다시 최종적으로 후륜 썬기어를 회전시킵니다.

이때는 디퍼렌셜 하우징의 회전과는 별개로 내부 기어들이 자전을 하게 되는 상황입니다.

이제 정말 중요한 부분입니다.

 기어들을 자세히 보시면 내부 기어들이 전부다 헬리컬 기어(helical gear)로 구성되어있다는걸 알수있습니다.

헬리컬 기어는 특정 방향으로 비스듬히 톱니가 나있는 기어인데요.

헬리컬 기어는 맞물려 돌아가는 동안 기어축 방향으로 추력(thrust)가 가해지는 특성이 있는 기어입니다.

바로 이런식으로 말이죠~

사실 여기서 더 깊게 들어가면 "헬리컬 기어 추력 방향"을 계산하는 공식이 나와야하는데

저는 전공자가 아닌 관계로 거기는 손대지 않겠습니다 ㅜ 어려워요...

어쨌든 헬리컬 기어는 회전하면서 축 방향으로 힘이 작용합니다.

이것만 기억해두시구요

추력이 발생하면 썬기어는 디퍼렌셜 하우징쪽으로 더 밀착하게됩니다.

밀착하는 만큼 마찰력이 크게 발생하죠.

제가 처음에 디퍼렌셜 하우징은 뭐라고 설명드렸죠?

네 맞습니다. 

엔진 미션과 직결되어있어서 구동력 입력축과 함께 회전한다고 말씀드렸습니다.

빨간 박스를 보시면 후륜 썬기어 - 마찰재 - 디퍼렌셜 하우징 이렇게 서로 마찰하게 됩니다.

디퍼렌셜 하우징은 엔진/미션의 구동력 받아서 회전하는 녀석이죠?

그럼 하우징과 밀착한 썬기어는 엔진 구동력을 더 크게 받을수 있는 조건이 됩니다.

쉽게 설명해 드리자면...

왼쪽 사람은 손에 힘을 빼고 뚜껑을 따려고 하고

오른쪽 사람은 손에 힘을 힘껏 주고 뚜껑을 따려고 합니다.

접촉면에 수직으로 작용하는 힘이 클수록 마찰력은 더 커지고

뚜껑과 손 사이에 마찰력이 큰 만큼 뚜껑을 회전시키려는 힘(토크)은 더 잘 전달됩니다.

마찰력의 성질 : https://namu.wiki/w/%EB%A7%88%EC%B0%B0%EB%A0%A5

"마찰력은 물체가 접촉면을 누르는 수직항력에 비례한다."

"정지 마찰력은 멈춰 있는 물체와 그에 맞닿은 표면이, 물체에 가해진 힘에 저항하여 물체를 못 움직이게끔 하는 힘이다"

"최대 정지 마찰력은 물체가 바닥을 누르는 수직 항력과 접촉면의 성질(마찰 계수)에만 비례한다"

뚜껑과 접촉한 손의 마찰력이 낮은 상태에서는 뚜껑을 회전 시키려해도

최대 정지 마찰력이 낮기 때문에 뚜껑에 힘을 전달하지 못하고 손만 미끌어짐(스핀)해버립니다.

하지만 손에 힘을 주면 뚜껑과 손 사이에 최대 정지 마찰력이 커지고

그만큼 전달 가능한 힘의 크기가 커지므로 뚜껑을 돌릴 수 있습니다.

사람의 손은 "디퍼렌셜 하우징"

뚜껑은 "썬기어와 출력축"

뚜껑을 꽉 쥐는 힘은 "헬리컬 기어가 만들어내는 추력"입니다.

헬리컬 기어가 만드는 추력 덕분에 디퍼렌셜 하우징과 썬기어가 강하게 마찰하고

발생하는 마찰력 만큼 썬기어와 연결된 출력축은 엔진/미션의 토크를 더 많이 받게됩니다.

이런 원리로 접지력이 낮은쪽 바퀴의 회전력이 헬리컬 기어의 추력을 만들어내고

반대편의 접지력 높은쪽 바퀴로 더 많은 토크가 전달 되게 되는것입니다.

ps. TOP커피 바이럴 아닙니다.. ㅎㅎ
뚜껑따기 힘든 커피 찾다보니 TOP가 생각나서 쩝..

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그럼 이제 토크 증가가 일어나는 과정을 다시 한번 정리해 보겠습니다.

1. 전륜보다 후륜쪽 접지력이 낮은 상황

후륜이 더 미끌어짐 -> 후륜 썬기어 회전 <-> 후륜 유성기어 회전 <-> 전륜 유성기어 회전 <-> 전륜 썬기어 회전 -> 여기서 발생한 추력의 방향은 전륜 썬기어와 디퍼렌셜 하우징간의 마찰력을 증가시킴 -> 하우징과 밀착한 전륜 썬기어는 하우징을 통해 더 큰 토크를 받음 -> 전륜 썬기어와 연결된 전륜으로 더 큰 토크가 전달됨

2. 후륜보다 전륜쪽 접지력이 낮은 상황

전륜이 더 미끌어짐 -> 전륜 썬기어 회전 <-> 전륜 유성기어 회전 <-> 후륜 유성기어 회전 <-> 후륜 썬기어 회전 -> 여기서 발생한 추력의 방향은 후륜 썬기어와 디퍼렌셜 하우징간의 마찰력을 증가시킴 -> 하우징과 밀착한 후륜 썬기어는 하우징을 통해 더 큰 토크를 받음 -> 후륜 썬기어와 연결된 후륜으로 더 큰 토크가 전달됨

참고로 위에 제가 화살표로 표시해서 순서대로 움직이는거라 생각하실수 있는데

순서대로 시간순으로 움직이는게 아니라 위 부품들은 "동시에"움직입니다.

정말 찰나의 순간의 약간의 접지력 차이로도 헬리컬 기어의 회전으로 추력이 발생하기 때문에

토센 디퍼렌셜이 토크 전달 속도가 빠른것입니다.

전자식 사륜처럼 센서가 감지해서 액츄에이터를 동작시켜서 다판클러치를 물게 하고 

뭐 그런거 없이 그냥 즉각 동작을 해버리는거죠.

기계식 사륜의 가장 큰 장점입니다.

이렇게 토센 디퍼렌셜은 디퍼렌셜 내부에서 발생하는 "마찰력"을 이용해

접지력이 낮은곳에서 높은곳으로 토크를 보낼수가 있습니다.

엄밀히 얘기하면 토크를 보내는게 아니라

전륜과 후륜의 차동현상을 기계적으로 이용해서 토크를 배력시키는 것입니다.

여기서 토크가 증가되는 비율이 나오는데요.

모든 토센디퍼렌셜은 Torque Bias Ratio (TBR)이라는 값이 있습니다.

마찰력이 작용하는 크기에 따라 증가되는 토크의 비율입니다.

대충 TBR값이 4:1이면 접지력이 높은곳으로 4배 높은 토크를 추가로 발생시킨다고 보시면 됩니다.

근데 왜 여기서 비율이 중요하냐면

헬리컬 기어의 추력(thrust)으로 발생한 마찰력이 계속 무한대로 커질수가 없기 때문에

일정 마찰력 이상 넘어가면 더이상 토크가 증가되지 않습니다.

이게 토센의 가장 큰 약점 중 하나인데요.

가령 전륜과 후륜의 접지력 차이가 너무 커버리면

썬기어와 마찰재, 마찰재와 하우징간의 마찰한계점을 넘어버려 토크 증가 효과가 발생하지 않습니다.

적당히 마찰력을 유지해야 하우징과 썬기어가 밀착해 토크전달이 일어나거든요.

예를들어 TBR값이 4:1이라고 했을때 전륜은 마른땅, 후륜은 빙판이라고 하면

빙판은 정지마찰력이 매우 낮아 아주 적은 토크로도 바퀴가 회전이 가능하므로 전륜과 후륜의 차동이 크게 일어나고

빙판에서 회전하는 후륜에 전달되는 엔진/미션 토크값이 0이라고 보면 0 x 4 = 0 이므로 전륜에 추가 전달되는 토크는 0입니다.

이렇게 되면 빙판을 탈출 할 수 없게됩니다.

가끔 xDrive랑 콰트로랑 비교영상이라고 올라오면서

콰트로 뒷바퀴를 모두 휠에 올려놓고 탈출 못한다고 까는 영상이 올라오는데

이게 토센의 약점을 이용해서 까는 영상입니다.

사실 이 약점은 쉽게 해결이 되는데요.

뒷바퀴가 모두 빙판위에 있으면 브레이크를 살짝 밟아서 앞뒤 바퀴 차동을 적게 발생시켜 해결이 가능합니다.

아우디에서도 이 약점을 알기에 이런 상황이 발생하면 시스템에서 자동으로 제동을 걸어버리는걸로 알고있습니다.

물론 ESC(차체자세제어장치)가 켜져 있을때 동작하고 꺼버리면 동작을 안하지만요.

아마 콰트로 탈출 못한다고 까는 영상은 ESC끈 상태로 테스트 했을 가능성이 매우 높습니다.

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마지막으로 총 정리 한번 해보겠습니다.

1. 전륜과 후륜의 접지력 차이가 없으면 차동이 발생하지 않고 이때 전륜과 후륜에 연결된 썬기어의 직경(지렛대의 원리)에 따라 기본 토크 배분이 발생한다. (전륜 40 : 후륜 60)

2. 전륜과 후륜의 접지력 차이가 발생하면 썬기어와 유성기어가 자체적으로 회전하면서 헬리컬 기어 형상으로 인해 추력(thrust)을 발생시키고 썬기어는 디퍼렌셜 하우징과 마찰하여 썬기어와 연결된 출력축은 더 큰 토크를 얻게 된다.

3. 이때 토크를 얻는 비율을 Torque Bias Ratio (TBR)이라고 하며 헬리컬 기어들의 형상과 마찰재의 성질로 TBR 비율이 설정된다.

4. 아주 찰나의 순간, 미세한 접지력 차이로도 토크 배분 변화가 일어나며 토크 전달 속도는 거의 0에 가깝다.

기계식 디퍼렌셜의 큰 장점 중 하나.

5. 단, 전륜 후륜의 회전차이가 너무 커서 TBR을 넘어서는 경우 이때는 토크 증가가 되지 않으며, 심지어 한쪽 륜이 빙판에 있는 경우는 탈출을 못하는 경우도 있다.

이런 경우 ESC가 켜져있으면(원래 항상 켜져있음) 빙판에서 회전하는 바퀴에 브레이크를 걸어서 강제로 차동현상을 줄여서 TBR값이 접지력이 좋은 바퀴에 적용되도록 시스템이 마련되어있다. (아우디는 바보가 아니다)

지금까지 토센 디퍼렌셜의 동작 원리에 대한 분석 내용이었습니다.

긴 글 끝까지 봐주셔서 감사합니다~

사실 전공자가 아니라서 첨에는 이해가 잘 안되서 

해외 커뮤니티나 유튜브 영상같은걸 엄청 찾아봤는데요

오히려 잘못된 정보들이 너무 많아서 더 헷갈렸던거 같습니다.

특히 이런 영상이 진짜 잘못된 영상인데 사람들이 진짜라고 생각하고 믿어버리더라구요.

https://www.youtube.com/watch?v=JEiSTzK-A2A

아마 저 영상 보신분들 정말 많을겁니다.

영상 내용은 그럴듯 한데 "완전히 틀린 내용"입니다.

일단 토센 디퍼렌셜에는 웜기어나 웜휠 같은건 존재하지 않구요.

토센의 원리는 "헬리컬 기어의 추력(thrust)을 통한 마찰력으로 토크 전달이 발생"하는건데

저 영상은 그런 내용은 없고 웜기어, 웜휠로 아예 lock을 걸어버린다는 식으로 설명을 했더라구요.

그래서 사람들이 더 헷갈려 하는거 같습니다.

어쨌든 이것으로 이번 분석 내용은 마무리 짓도록 하겠습니다~

다시 한번 봐주셔서 감사하구요~!

저는 전공자가 아니기 때문에 수식으로 정확하게 계산한게 아니라 개념적으로만 이해한 내용이라서

혹시 전공자분이 보신다면 틀린 내용 지적해주시면 수정 하도록 하겠습니다~

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< 블로그 자료 >

정말 큰 도움이 되었던 국내 블로그 자료입니다. 

알고보니 굴당분이셨네요~!

우리나라 토센 디퍼렌셜 자료들 중에 아마 이분이 가장 정확한 내용으로 설명하신 분이 아닐까 싶습니다 : 

http://egloos.zum.com/donghyun53/v/4091056

< 토센 디퍼렌셜 공식 홈피 >

https://torsen.com/how-it-works/

https://www.jtekt.co.jp/e/products/lsd.html

< 토센 기술 자료 >

https://www.flashoffroad.com/features/Torsen/Torsen_white_paper.pdf

< 콰트로 다큐멘터리 >

https://youtu.be/hIl5JyFAYuA

< 아우디 미디어 센터 자료 >

2021년식 RS7에 장착된 토센 기어 타입Csm에 대한 영상 : 

https://www.audi-mediacenter.com/en/audimediatv/video/animation-audi-rs-7-self-locking-center-differential-5327