https://www.clien.net/service/board/cm_car/17135850CLIEN
예전에 토센 센터 디퍼렌셜을 분석했던 글을 쓴 이후에 저는 한가지 의문이 더 들었는데요.
바로 왜 토센을 토크 센싱(torque sensing)이라고 이름을 지었을까? 라는 의문입니다.
당연히 토크를 감지하니까 토크 센싱 아니야? 라고 반문하겠지만
어떻게 토크를 감지 할 수 있는지는 쉽게 설명된 문서나 자료가 없었습니다.
한국어로 된 분석 자료는 대부분 기어의 맞물림으로 자연스럽게 동작한다(?)라는 추상적인 얘기 뿐이었습니다.
그래서 직접 한번 토센이 왜 토크 센싱이라 불리는지 한번 더 자료를 찾아보고 분석해봤습니다.
참고로 저는 기계공학이나 자동차공학 관련 전공자가 아니라서 분석에 틀린 내용이 있을 수 있습니다.
혹시 틀린 부분을 발견하게 되시면 댓글로 알려주시면 많이 많이 감사하겠습니다~
일단 토센의 풀 네임은 토크 센싱(torque sensing)입니다. 해석하면 토크를 감지한다는 의미 입니다.
보통 영문을 우리나라말로 해석하면 의미가 달라지는 경우도 있지만 이 경우는 맞다고 가정을 해봅니다.
그럼 토크 센싱, 토크를 감지한다? 기어가 어떻게 토크를 감지한단 말인가?
일단 먼저 토센을 이해하려면 헬리컬 기어의 특성을 알아야 합니다.
토센의 동작 원리중에 가장 중요한 부분이 바로 헬리컬 기어와 헬리컬 기어에서 발생하는 추력(thrust)이거든요.
1. 헬리컬 기어의 특징
헬리컬 기어의 특성을 정리하면 다음과 같습니다.
특성 | 장단점 | |
첫번째 | 비스듬하게 나있는 기어의 톱니 덕분에 두 기어의 접촉선이 길다. |
접촉 면적이 넓은 만큼 전달 가능한 토크가 큽니다. 대신 가격이 비싸고 가공하기 쉽지 않습니다. |
두번째 | 비스듬한 톱니 덕분에 회전시 톱니와 톱니 사이에 공백이 생기지 않습니다. |
덕분에 회전할때 부드럽게 회전하고 토크 전달도 끊김 없이 지속적으로 전달 가능합니다. |
세번째 | 두 기어가 회전하면 추력(thrust force)가 발생합니다. |
비스듬하게 나있는 톱니가 마찰하면서 축방향으로 힘이 작용하게 됩니다. 벽에 못을 박을때 쓰는 나사못도 같은 원리입니다. 추력이 발생하는것 때문에 헬리컬 기어를 부품으로 |
자! 그런데 여기서 중요한 사실 하나를 알아야 합니다.
바로 추력이 발생하는 시점이 언제일까요?
2. 추력
위 설명을 보면 기어에서 작용하는 힘의 방향을 보면, 기어에 토크가 전달되면 즉시 추력이 생기는 것을 알 수 있습니다.
헬리컬 기어는 위에 설명했듯이 항상 두 기어의 톱니가 마찰하고 있으므로 힘이 작용하면 추력도 함께 발생하기 때문입니다.
그럼 토센 디퍼렌셜에 들어가 있는 토센 기어도 역시 동일한 원리로 추력이 발생할 것임을 예상해 볼 수 있습니다.
그렇다면 제가 예전에 토센을 분석했던 글에서 수정해야 할 부분이 생기게 됩니다.
3. 예전에 썼던 글을 다시 살펴보니...
https://www.clien.net/service/board/cm_car/17135850CLIEN
바로 위 붉은색 박스인데요. 이걸 간단히 풀어서 설명하면...
"접지력 차이가 발생하면 토센 내부 헬리컬 기어의 회전수 차이로 인해 추력(thrust)이 발생하고 접지력이 부족한 쪽에 더 큰 토크를 전달한다" 라고 설명을 할 수 있는데...
이번에 새로 분석한 내용을 바탕으로 수정한다면..
"접지력 차이가 발생하면 토센 내부 헬리컬 기어간의 토크 차이로 인해 추력(thrust)이 발생하고 접지력이 부족한 쪽에 더 큰 토크를 전달한다"라고 설명이 됩니다.
즉, "회전수 차이" ---> "토크의 차이"로 해석이 바뀌게 됩니다.
어라.. 이렇게 해석을 하고 보니 토크 센싱(torque sensing)이라는 말이 꽤 자연스럽게 들리게 되네요.
4. "회전수의 차이" vs "토크의 차이" 도대체 뭐가 다른거지?
근데 그럼 도대체 "회전수의 차이"에서 "토크의 차이"로 내용을 바꿨는데 그게 뭐가 그렇게 대단한가 싶으실 겁니다.
이 차이의 핵심은 회전수의 변화보다 토크의 변화가 더 일찍 또한 즉각 발생한다는 것입니다.
회전체가 회전한다는건 곧 물체의 관성모멘트, 또는 정지마찰력을 이기고 움직인다는 뜻인데
토크는 회전을 시키기 위한 힘 그 자체를 뜻하고, "힘 --> 회전"과 같이 선후 관계로 정리 할 수 있거든요.
가령 자동차가 급가속 하는 상황을 가정해보겠습니다.
(틀린 내용) 앞뒤 바퀴 회전차가 발생하면 토크 배분이 일어난다.
----> 급가속시 피칭으로 앞바퀴가 완전히 들려서 앞뒤 바퀴 회전 차가 나기 시작하면
센터 디프 내부의 헬리컬 기어에 추력이 발생해 후륜으로 더 많은 토크가 간다.
(맞는 내용) 앞뒤 바퀴에 걸리는 토크 차이가 발생하면 토크 배분이 일어난다.
----> 급가속시 피칭으로 앞바퀴 접지력이 떨어지면 앞바퀴에 걸리는 토크 크기가 줄어들고
센터 디프 내부의 헬리컬 기어에 가해지는 토크 차이가 나기 시작하면 추력이 발생해 후륜으로 더 많은 토크가 배분 된다.
단순히 "회전수의 차이"에서 "토크의 차이"로 내용이 바뀌었는데 체감되는 성능의 차이는 꽤 큽니다.
그리고 토크의 차이로 설명하는것이 더 정확합니다.
5. 좀 더 자세히 설명해 보자면...
이제 이걸 사진으로 설명해보겠습니다.
붉은색 화살표는 접지력(마찰력)입니다.
초록색 막대기는 전륜과 후륜 샤프트입니다.
파란색 네모는 토센 센터 디퍼렌셜입니다.
보라색 화살표는 토크 배분 비율입니다.
접지력 차이가 없으면 구동계에서 노면에 전달하는 토크의 크기도 동일하기 때문에
토센 센터 디퍼렌셜의 각 헬리컬 기어들에 걸리는 토크는 평형을 이루어 추력이 모두 상쇄 되는 상태입니다.
추력이 상쇄되고 있으면 당연히 토크 배분도 50:50으로 배분합니다.
(최근 토센은 모두 기본 배분 40:60이지만 여기서는 그냥 50:50으로 얘기하겠습니다.)
급가속을 하는 상황에서는 전륜 접지력이 하락하고 후륜 접지력이 상승합니다.
이때 토센 내부의 헬리컬 기어에 가해지는 토크의 차이가 발생하고, 즉시 추력(thrust)도 발생합니다.
토센은 토크의 차이로 구동력 배분을 하는 장치이므로 바퀴 회전수 차이가 없음에도 이미 토크 배분은 일어나고 있습니다.
즉, 바퀴 회전수 차이가 발생하기도 전에 먼저 토크 배분을 해버리는 상황입니다.
차가 움직이기 시작하면 피칭이 더 크게 일어나고 전륜이 슬립해 드디어 전륜과 후륜의 회전차이가 발생하기 시작합니다.
토센 내부에서는 여전히 추력이 발생하고 지속적으로 후륜으로 더 많은 토크를 보내게 됩니다.
하지만... 완벽해 보이는 토센도 아주 큰 단점이 있습니다.
헬리컬 기어의 추력과 마찰재의 마찰력으로 토크 배분을 하다보니 특정 상황에서는 토크 배분 능력이 떨어집니다.
특히 전륜과 후륜의 접지력 차이가 너무 많이 나버리면 TBR값에 따라 오픈 디퍼렌셜과 비슷하게 동작하게 됩니다.
TBR값은 나중에 추가 분석으로 한번 다뤄보도록 하겠습니다.
위와 같은 단점은 ABS시스템의 도움으로 해결이 가능한데요.
접지력이 극단적으로 부족한 바퀴에 강제로 제동을 걸어 헬리컬 기어에 가해지는 토크의 차이를 줄여줍니다.
그러면 자연스럽게 원래 토센의 토크 배분 기능이 돌아오게 되죠.
6. 토크와 회전 수
참! 그리고 토크와 회전수를 동일시 하면 안됩니다!
회전은 토크의 결과물이지 회전과 토크는 같지 않습니다.
예를 들어 설명하면 이렇습니다.
위 그림의 두 사람은 원판을 손으로 잡고 서로 상대방 방향으로 돌리려고 힘을 주고 있습니다.
원판을 돌리기 위해 힘(토크)를 주고 있지만 반대되는 힘이 작용하고 있어 힘이 상쇄되어 원판은 회전하고 있지 않습니다.
하지만 분명 원판에 토크는 가해지고 있는 상태입니다.
자 그럼 이제 원판을 헬리컬 기어로 바꿔보겠습니다.
자~ 이번에는 원판을 헬리컬 기어로 바꿨습니다.
추력이 잘 발생하도록 세개의 원판 기어를 준비했습니다.
서로 상대방 방향으로 두 사람이 아까처럼 토크를 줍니다.
당연히 서로 상쇄되는 힘의 방향이므로 토크는 상쇄되어 원판은 회전하지 않습니다.
그런데 아까와는 다르게 원판이 헬리컬기어라고 말씀드렸죠?
원판이 회전하지는 않지만 축 방향으로 추력은 여전히 발생합니다.
톱니가 비스듬하게 되어있기 때문에 힘이 가해지는 방향이 아까와는 다른것이죠.
7. 마무리
마지막으로 정리하면 이렇습니다.
1. 토센은 토크 센싱(torque sensing), 즉 토크의 변화가 일어나면 구동력 배분을 하는 디퍼렌셜이다.
2. 기존에 회전수 차이가 발생해야 토크 배분을 하는 걸로 잘못 알려져 있지만
사실은 회전수 변화가 일어나기 전, 각 바퀴의 접지력으로 인해 디퍼렌셜에 전달되는 토크의 변화만으로 먼저 토크 배분이 일어난다.
3. 회전수와는 별개로 토크 배분이 되기 때문에 토크 배분 속도가 사실상 0에 가깝고 빠르게 반응하는 것이 장점이다.
4. 토크 센싱(torque sensing), 이름 참 적절하게 잘 지었다.
이렇게 토센에 대해서 다시 한번 분석을 해보았습니다.
잘 생각해보면 토크 센싱이라는 단어도 좀 많이 완화된 표현인거 같습니다.
농담으로 토크 센싱(torque sensing)이 아니라 토크 반응(torque reaction)이라고
해야 하지 않을까 생각될 정도로 독특한 장치라 생각이 듭니다.
각 바퀴에 걸리는 토크의 균형이 깨지면서 바퀴의 회전수 차이가 생기기도 전에 토크 전환이 일어나니까요.
그리고 토센방식의 기계식 상시사륜이 왜 반응이 빠르다고 하는지도 어느정도 이해가 되는거 같구요.
회전수 차이가 발생하기 전에 토크의 차이로 배분이 되는거라면 당연히 빠를 수 밖에 없을거 같습니다.
그리고 생각해보면 아우디 기계식 콰트로의 기본 토크 배분이 앞40 : 뒤60라고 하지만
실제로 일상 주행에서 40:60으로 배분된 적은 거의 없을거 같습니다.
왜냐면 일상 노면은 대부분 불규칙하기 때문에 앞바퀴, 뒷바퀴에 가해지는 토크 차이가 항상 다를테니까요.
그래서 기계식 콰트로 차량을 타보면 묘한 주행질감을 보여주는데 아마도 이런 특성 때문이 아닐까 하고 생각해봅니다.
그리고 접지력 감소가 심해지는 빗길이나 눈길에서 보여주는 안정감도 이런 이유일거 같구요.
참고로 토센 방식의 센터 디퍼렌셜은 아우디 뿐만 아니라 후륜에 LSD형태로도 많이 쓰이는데요.
최근 출시된 토요타 GR86에도 후륜에 토센LSD가 적용됩니다.
전자식 LSD나 전자식 상시사륜이 보편화된 지금도 기계식을 고집하는 이유가 나름 설명되는거 같기도 합니다.
전기차 시대에 이젠 이런 종류의 사륜 분배 장치는 소멸하겠지만 (아우디 콰트로도 이젠 모터 제어 소프트웨어..)
기계적인 감성이 왠지 저는 아직도 더 정감이 가고 더 재밌고 좋습니다.
긴글 봐주셔서 감사합니다~
ps. 이번 분석에서 틀린 부분은 지속적으로 정정할 예정입니다. 참고해서 봐주시면 감사하겠습니다~
< 참고 링크 >
특히 디퍼렌셜은 기어링의 정수가 아닌가 싶네요
사실 아우디의 AWD는 참 독특합니다. 다판클러치 타입과 비교하면, 확실히 안정적이에요.
빙판길에 여름용 타이어를 쓰는 것 처럼, 4바퀴 접지력이 매우 부족한 상황이 아닌 이상,
정말 안정적입니다. 전/후륜이 미끄러지는 상황이 잘 안나오고, 나오더라도 뭐랄까.. 천천히 나와요.
타 브랜드 AWD에선 이런 맛을 보기가 힘들더라고요.
거꾸로 이런건 단점이 되기도 합니다. 특히 스포츠한 차들에는 더더욱이요.
요새 스포츠한 차는 일부러 후륜의 슬립을 어느 정도 허용하는데... 제어된 오버스티어라고 할까요.
운전자가 거칠게 카운터를 넣어도, 제어된 상황이기 때문에 무척 부드럽게 오버스티어가 제어되죠....
아우디는 오버스티어 자체가 잘 안나오더라고요.
토르센 구조상 오버스티어 자체가 허용이 잘 안되기 때문에 그런 것 같아요. 그러니 노잼차...죠...
그래서.. 빙판길에선 아우디가 그리운데, 마른노면에선 안그립네요.
나름 xDrive나 4매틱, 제네시스 AWD등 전자식 상시사륜을 많이 경험해보았지만
기계식 토센 콰트로의 독특한 느낌은 전자식에서는 느껴지지 않는거 같습니다. 정말 묘한 주행감입니다.
생각해보면 전륜과 후륜으로 토크 배분 속도가 너무 빠르다보니, 그리고 기계적으로 하다보니
언더와 오버를 운전자가 의도적으로 내기가 너무 힘든게 아닌가 생각됩니다. (진입 언더는 예외로..)
실제로 현실에서 일어나는건 불가능하지만 뉴트럴 스티어가 아우디 콰트로에겐 실존하는 느낌입니다.
말씀처럼 운전자가 할수있는게 너무 없다보니 노잼으로 불리기도 하지만
불규칙한 노면에서는 그 안정감이 빛을 발하는거 같기도 합니다.
후륜으로 빗길이나 눈길을 달리면 털리면 어떻하지 걱정하면서 달리는데 (렌트했던 G70으로 빗길에서 한번 털린.. )
아우디로 빗길 눈길을 달리면 정말 안정감있고 재밌게 주행이 가능하더라구요.
특히 이번 폭설 왔을때 새벽에 나가서 윈터 달고 눈길과 빙판길을 실컷 달려봤는데 너무 재밌었습니다
마지막 말씀은 많이 공감됩니다. 빙판에서의 아우디, 그리고 마른노면에서의 아우디.
물론 농담이구요ㅋ 현업도 바빠서 글 올리는게 쉽진 않네요ㅎㅎ
딜러분들도 차를 좋아하는 분들은 꽤 지식이 많으신 반면 안그런분들도 많죠
매장에 방문해서 얘기를 나눠보면 아.. 나보다 차를 모르시는구나 생각이 들때가 종종 있습니다
그렇다고 제가 차에 대해서 엄청 잘 아는것도 아닌데 가끔 그런경우를 보면 좀 아쉬울때가 많습니다
상품을 팔려면 누구보다 그 상품에 대해서 잘 아는게 중요하다고 생각하거든요
특히 아우디가 타 브랜드와 차별화 되는 부분이 콰트로 상시사륜인데 그 부분에 대해서 제대로 설명 가능한 사람이
많이 없는것 같아서 아쉽습니다. 저도 100% 이해한건 아니지만 아 이제 어느정도 토센을 좀 이해했다는 생각이 듭니다.
재미로 분석하는것도 있지만 기왕이면 아우디의 매력을 느끼고 매니아분들이 좀 더 많이 생겼으면 하는 바램입니다ㅎㅎ
아무튼 재밌게 봐주셔서 감사합니다~~
헬리컬 기어를 웜과 웜휠기어로 설명하고 있는 영상도 있던데요
완전 웜/웜휠로 하지 않고 각도를 적당히 둔것 같은 기어 같은데 스퍼기어가 서로 연결되어 반대로 돌면서 선회시 회전수 차이를 만들어주고
또
한쪽이 얼음같은데 위에 떠서 순간적으로 혼자 돌려고 할때 스퍼기어가 반대쪽3개의 웜휠 기어를 돌리게 되는데
이게 샤프트측이 웜기어라 웜휠 3쌍이 락이걸려 같이 돌게 되는게 기본 원리인것 같은데 헬리컬 기어의 추력에 의한 영상설명자료는 못본것 같습니다
혹시라도 참고할 만한 영상자료가 있다면 링크 공유 가능하실지요?
A타입도 좀더 찾아보니 웜/웜휠은 아니고 핼리컬 기어 추력으로 마찰판을 눌러 LSD기능을 구현하는 것이군요. 빡시게 타면 토센 디프도 마찰판 닳아서 교환 해줘야 하는건가요?
말씀하시는 영상이 바로 이 영상이죠?
이 영상 하나 때문에 토센 기어를 완전히 잘못 이해하는 사람들이 엄청나게 많습니다.
저도 처음에 저 영상 때문에 토센기어의 동작 원리를 분석할때 엄청나게 헤메게 했던 영상입니다.
애초에 토센에 스퍼기어와 웜기어가 들어가는게 말 자체가 안되는게
각 바퀴는 코너링시 서로 다른 회전수로 돌아가야하고 때문에 각 디퍼렌셜은 차동을 허용해야하는데
웜기어 스퍼기어를 넣어버리면 차동 허용이 안되서 바퀴가 퉁퉁 떠버리거나 디퍼렌셜이 박살납니다.
때문에 결론을 말씀 드리면 토센기어는 웜기어, 스퍼기어가 들어가있지 않습니다. (타입A는 스퍼기어가 있지만 특별히 하는 역할은 없습니다)
토센기어 타입A에는 crossed helical gear가 들어가있습니다.
타입B, 타입C는 수평으로 맞물린 helical gear set이 들어가 있구요.
그리고 제가 예전에 토센기어 원리를 최대한 풀어서 설명한 글이 있는데 아래 글을 한번 읽어주시면 감사하겠습니다.
https://www.clien.net/service/board/cm_car/17135850CLIEN
그리고 추가로 토센 관련 기술 문서와 영상 자료는 아래 링크를 참고 하시면 됩니다
특히 토센을 실제로 개발한 글리슨사의 기술자료는 굉장히 볼만합니다.
실제로 개발한 회사가 공개한 자료니까요.
또한 현재 토센 라이센스는 일본의 jtekt이라는 회사가 소유중이고 torsen.com이라는 자회사를 보유 중입니다.
torsen.com의 자료도 굉장히 볼만합니다.
아래 자료들을 통해 헬리컬 기어의 추력(thrust)에 대한 얘기는 충분히 보실 수 있습니다.
< 토센을 개발한 글리슨사의 기술 자료 >
https://www.flashoffroad.com/features/Torsen/Torsen_white_paper.pdf
< 토센 디퍼렌셜 공식 홈피 >
https://torsen.com/how-it-works/
https://www.jtekt.co.jp/e/products/lsd.html
< 국내 블로그 자료 >
http://egloos.zum.com/donghyun53/v/4091056
< 콰트로 다큐멘터리 >
< 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
마찰판이 어떻게 생겼는지는 이 영상을 통해 확인이 가능한데요
(영상에 나온 토센은 타입B를 기반으로 만든 비대칭 토크배분의 아우디 커스텀 버전으로 추정)
영상에 나온 마찰판을 보면 재질도 단단하고 두꺼운 구조로 되어있어 내구성은 충분히 확보가 되어있어 보입니다.
실제 아우디 카페에서도 기계식 토센 센터 디퍼렌셜이 고장났다는 글은 한번도 본적이 없어서
토센의 내구성은 매우 좋은편이 아닐까 생각하고 있습니다.
감사합니다
type a의 경우 스퍼기어가 물려있는 3개의 기어를 반대로 돌려 샤프트를 서로 붙여 마찰력을 일으켜서 같이 돌게해 주는 컨셉이므로 별 기능이 없다고 보긴 어려울것 같습니다
type a 와 b는 이름만 같은 토센이지 컨셉이 확연히 다르다고 봐야 할것 같습니다
a타입은 종종 fail영상이 있는거 보면 c타입으로 그래서 변형(개량)된게 아닐까 싶기도 하네요…
타입A에서 스퍼기어는 보조적인 역할이라고 생각하여 그렇게 말씀드렸습니다~
사실 crossed helical gear는 이름 그대로 직각으로 맞물려 회전을 하다보니 효율이 좀 떨어지는걸로 알고있습니다
그래서 타입B로 가면서 헬리컬 기어들의 배열이 수평으로 바뀌었고 타입C로 가면서 유성기어 형태로 되면서 경량화까지 얻었습니다.
기본적으로 헬리컬의 마찰을 통해 발생한 추력으로 디퍼렌셜 하우징과 샤프트 썬기어를 마찰시켜 lock상태를 만든다는 큰 틀은 변함 없지만
기어들이 배치를 계속 업그레이드하면서 더 효율적으로 바뀌어 가는걸로 보입니다.
가장 최근에 나온 토센은 Csm타입인데 정말 심플하면서도 효과적으로 구동하는거 같더라구요.
Csm타입 토센은 신형 아우디 S, RS모델에도 들어가고 있죠.
https://www.audi-mediacenter.com/en/audimediatv/video/animation-audi-rs-7-self-locking-center-differential-5327
A타입 fail 영상은 저도 종종 보긴 했는데 고장 원인이 어떤건지는 설명이 없다보니 아직 이해는 못하고있습니다.
마찰재도 마찰재지만 기어의 마모도 있는거 같기도 하구요. 아마도 오래된 타입이라서 그런 것도 같기도 합니다.
최근 아우디 모델들은 대부분 타입B 아니면 타입C이다 보니 타입A와 같은 문제는 생기지 않는걸로 보입니다.