아우디 기계식 토센 콰트로의 동작 원리 (1부) : 클리앙

안녕하세요~! 린드우디입니다~^^

오늘은 전기차와 자율주행차가 다니는 시대에 뜬금없이

"아우디 기계식 토센 콰트로의 동작 원리"에 대해 이야기해 볼까 합니다.

사실은 토센의 동작 원리는 이미 제가 한참 전에 올렸던 글이 있긴 한데요. (글 올린 지 2년이 넘었군요 ㄷㄷ)

https://www.clien.net/service/board/cm_car/17135850CLIEN

당시에 너무 설명을 복잡하게 하기도 했고 그동안 새롭게 알게 된 정보도 있어서

2025년 버전으로 깔끔하게 새로 정리 한번 해보려고 합니다~! 일종의 완결편이라고 봐도 되겠네요ㅋ

일단 기계식 토센 콰트로의 동작 원리를 설명하기에 앞서 먼저 "오픈 디퍼렌셜"부터 이해해야 합니다.

오픈 디퍼렌셜을 이해해야 "LD"와 "LSD", 그리고 "사륜구동"과 "상시사륜"에 대해 이해할 수 있거든요.

1. 오픈 디퍼렌셜

"디퍼렌셜"은 자동차가 부드럽게 코너링을 가능하게 만들어주는 장치입니다.

그리고 위 그림과 같은 형태의 가장 기본적인 차동장치를 "오픈 디퍼렌셜"이라고 합니다.

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자동차가 코너링을 할 때는 네 바퀴가 모두 서로 다른 크기의 동심원을 그리며 회전을 합니다.

그래서 엔진에서 나온 동력이 바퀴로 전달될 때 토크를 전달하면서도 각 바퀴 회전수는 다르게 허용해야 합니다.

그래서 똑똑한 공학자들이 "디퍼렌셜"이라는 장치를 개발했습니다. 우리나라 말로 "차동장치"라고도 부릅니다.

양쪽 바퀴에 동일한 토크를 전달하면서도 회전수는 다르게 허용이 가능하죠.

이 디퍼렌셜이라는 장치는 100년이 넘는 자동차 역사 동안 거의 대부분 자동차에 사용되어 왔습니다.

내연기관은 물론, 전기차 조차도(쿼드 모터 제외) 이 디퍼렌셜이라는 장치를 통해 부드럽게 코너링을 할 수 있죠.

"전륜구동" 차량에는 "전륜의 좌우 바퀴 회전 수 허용"을 위해 전륜에 디퍼렌셜 1개 들어가며

"후륜구동" 차량에는 "후륜의 좌우 바퀴 회전 수 허용"을 위해 후륜에 디퍼렌셜 1개 들어가며

"기계식 사륜구동" 차량에는 "전륜의 좌우 바퀴 회전 수 허용"을 위한 전륜 디퍼렌셜 1개

+ "후륜의 좌우 바퀴 회전 수 허용"을 위한 후륜 디퍼렌셜 1개

+ "전륜과 후륜의 바퀴 회전 수 허용"을 위한 센터 디퍼렌셜 1개

= 총 3개의 디퍼렌셜이 사륜구동 차량에는 적용됩니다.

참고로 "전자식 사륜구동" 차량의 경우 "전륜의 좌우 바퀴 회전 수 허용"을 위한 전륜 디퍼렌셜 1개

+ "후륜의 좌우 바퀴 회전 수 허용"을 위한 후륜 디퍼렌셜 1개

+ "전륜과 후륜의 바퀴 회전 수 허용"을 위한 트랜스퍼 케이스(TC) 1개

= 총 2개의 디퍼렌셜과 1개의 트랜스퍼 케이스(TC)가 들어가기도 합니다.

2. 오픈 디퍼렌셜의 치명적인 단점, 그리고 "LD"와 "LSD"

이렇게 자동차에겐 정말 필수적인 장치인 디퍼렌셜에게는 치명적인 단점이 있습니다.

바로 양쪽 바퀴의 접지력 차이가 크게 나는 경우 접지력이 낮은 쪽으로 토크가 의미 없이 소비된다는 것이었습니다.

그래서 다시 똑똑한 공학자들이 "Locking Differential(LD)"이라는 장치를 만들었습니다.

잠금 디퍼렌셜이라 부르는 장치로 접지력이 낮은 쪽 바퀴가 헛돌지 않게 좌우 바퀴를 묶어 버리는 디퍼렌셜이죠.

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이렇게 한쪽 바퀴가 헛돌지 않게 완전히 꽉 묶어 버리는 방식의 Locking Differential(LD)는

주로 4x4 파트타임 사륜구동 차량에 많이 사용되었습니다.

특히 파트타임 사륜구동은 운전자가 수동으로 디퍼렌셜을 잠글지 말지 조작할 수 있는데

험로 탈출 시 사용하기 위해 수동 조작으로 하게 한 것도 있지만 LD의 치명적인 단점이 있기 때문입니다.

위 영상처럼 LD의 경우 양축을 너무 강하게 묶기 때문에 코너링을 할 때 회전수 허용이 안되서 헛돌게 됩니다.

그나마 위 차량은 비포장길이어서 바퀴가 스핀하고 말지만 포장도로에서 저런 짓을 하면 변속기가 박살 나죠.

그래서 Locking Differential(LD) 같은 잠금 디퍼렌셜은 일반 승용차에는 잘 사용되지 않고

트럭이나 군용차량 같은 험로 주파, 험로 탈출용 같은 파트타임 사륜구동 차량에 사용됩니다.

그렇다면.. 코너링도 가능하면서 양쪽 바퀴 접지력 차이가 날 때 바퀴를 덜 헛돌게 하는 장치는 없을까요?

그래서 똑똑한 공학자들은 새로운 장치를 생각해냅니다.

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공학자들은 이번에는 "Limited Slip Differential(LSD)"이라는 장치를 만들었습니다.

여러분들도 익히 많이 들어 알고 계시는 "차동 제한 장치"죠.

"바퀴를 반드시 꽉 묶을 필요는 없잖아? 그냥 적당히 덜 스핀 할 정도로 묶으면 되지!"

라는 개념으로 만들어진 차동 제한 장치는 말 그대로 양쪽 바퀴를 적당히 느슨하게 묶는 장치입니다.

LSD의 개념이 잡힌 이래로 정말 수많은 방식의 LSD들이 개발되었습니다.

여기서 몇 가지 대표적인 LSD들을 나열해 보면...

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첫 번째는 "다판 클러치 LSD" 입니다.

1way, 1.5way, 2way등 스포츠 주행을 좋아하신다면 가장 많이 접하시는 LSD일겁니다.

위 사진은 기계식 다판 클러치 LSD이며 악셀을 밟거나(under throttle) 혹은 감속을 할 때(overrun)

중앙에 박혀있는 핀이 회전 관성으로 케이스를 밀어서 클러치를 압착 시키면서 차동이 제한되는 방식입니다.

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참고로 다판 클러치 방식이지만 기계식이 아닌 전자식으로 동작시키는 LSD도 있는데요.

바로 BMW M모델에 들어가는 M-Diff입니다.

전자식이므로 상황에 맞게 차동 제한을 조절할 수 있어서 기계식보다 훨씬 똑똑하죠.

다만 그만큼 복잡한 시스템이기에 유지비는 기계식보다 더 들어가는 편입니다.

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두 번째는 "비스커스 커플링 LSD" 입니다. 1세대 R8에도 잠시 사용된 녀석이죠.

점성이 있는 유체를 넣어 차동이 발생하면 유체가 끈적해지면서 차동을 제한하게 되는 LSD입니다.

단순함과 부드러운 연결이 장점이었지만, 느린 반응 속도와 열화 문제로 인해

고성능 및 고효율을 요구하는 현시점에서는 전자 제어식 시스템에 자리를 내주게 되었습니다.

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세 번째는 바로 오늘의 주인공 "토센 LSD" 입니다.

아우디의 기계식 상시사륜, 콰트로 시스템의 센터 디퍼렌셜로 사용되어 유명해진 LSD죠.

사실 콰트로 때문에 토센이 유명해지긴 했지만 실제로 토센은 아우디뿐만 아니라 많은 차종에 사용된 LSD입니다.

국산 스포츠카인 제네시스 쿠페의 후륜에도 적용된 적이 있고 최근에는 토요타 GR86의 후륜에도 들어가죠.

이제 토센까지 나왔으니 동작 원리를 설명해야겠지만...

그전에 LD와 LSD가 어떻게 토크 배분을 하는지 원리를 먼저 설명드리겠습니다.

3. Locking Differential(LD)와 Limited Slip Differential(LSD)가 토크 배분을 하는 원리

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여러분들은 혹시 위와 같은 LSD 홍보 자료를 많이 보셨나요?

잘 보시면 다판 클러치는 한 세트뿐인데 토크는 한쪽으로 몰려서 전달되고 있죠.

저 그림이 뭔가 이상하다는 생각해 보신 적은 없으신가요?

직관적으로 생각해 보면 클러치가 1개뿐인데 어떻게 한쪽으로 토크를 몰아주는 걸까요?

그 이유를 설명 드리겠습니다.

image (8).png

자! 일단 위와 같이 전륜은 마른 노면, 후륜은 빙판에 있고 빙판의 마찰력은 0이라고 가정해 보겠습니다.

그리고 해당 차량의 센터 디퍼렌셜에는 Locking Differential(LD)가 장착되어 있다고 가정하겠습니다.

자동차를 운전하는 운전자는 수동으로 4WD모드를 켜서 LD를 작동 시킵니다.

LD가 작동하면서 전륜과 후륜은 완전히 하나의 축으로 꽉 체결됩니다.

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전륜과 후륜이 완벽하게 하나의 축으로 묶이고 나면 후륜이 빙판에서 헛돌든 말든

마른 노면 위에 있는 전륜으로 구동력이 전달되므로 차는 앞으로 전진할 수 있습니다.

이때 엔진의 구동력이 바퀴를 통해 노면으로 전달되는 비율이 앞100 : 뒤0입니다.

반대로 전륜이 빙판 위에 있다면 앞0 : 뒤100이 되겠죠.

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자... 그러면 이번에는 센터 디퍼렌셜이 Limited Slip Differential(LSD)면 어떻게 될까요?

LD와는 다르게 LSD는 전륜과 후륜을 완벽하게 꽉 무는 게 아니라 적당한 마찰력으로 느슨하게 묶습니다.

Limited Slip Differential(LSD)는 전륜과 후륜을 완전히 꽉 체결하는 게 아니기 때문에 후륜의 스핀을 약간 허용합니다.

그래서 전륜이 노면에 전달하는 토크 비율이 60%, 후륜이 노면에 전달하는 토크 비율이 40%가 됩니다.

여기서 LSD가 전륜과 후륜을 강하게 체결하면 할수록 전륜과 후륜의 토크 배분 비율 차이는 커집니다.

이걸 토크 바이어스 비율(Torque Bias Ratio, TBR)이라고 하며 LSD 성능의 지표가 됩니다.

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자! 이제 다시 위 그림을 보시면 60% : 40%가 어떤 의미인지 확실히 이해가 가실 겁니다.

실제로 다판 클러치가 1개뿐인데 토크 배분을 60대 40으로 한다는 건 일종의 말장난입니다.

어떤 종류의 LSD든 LD든 기본 동작 원리는 한쪽 바퀴가 미끄러질 때 양축을 묶는 매커니즘입니다.

다만 얼마나 강하게, 혹은 약하게 묶느냐에 따라 "각 바퀴가 노면에 전달하는 토크 비율이 달라지는"거죠.

그리고 토크 최대 배분 비율이 60대 40이라는 건 LSD가 딱 그 정도만 차동을 제한 한다는 의미입니다.

클러치가 더 강하게 마찰하면 60 : 40이 아니라 80 : 20 혹은 100 : 0도 가능하겠죠.

그래서 LSD를 만드는 제조사들은 성능과 내구성을 잘 조율해서

토크 바이어스 비율(Torque Bias Ratio, TBR)을 결정합니다.

참고로 LSD는 험로 탈출 오프로드 차량에도 많이 쓰이지만

서킷이나 와인딩에서 스포츠 주행을 하는 스포츠 성향의 자동차에도 많이 사용되는데요.

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위 사진과 같이 급격한 코너링을 할 때 하중이 외륜쪽 바퀴로 이동하면서 내륜쪽 바퀴의 접지력이 낮아지는데

이때 LSD가 없는 차량은 접지력이 낮은 내륜쪽 바퀴의 휠 스핀으로 소비되어 코너에서 차가 느려지게 되죠.

하지만 LSD가 달려있으면 급격한 코너링 시 양쪽 바퀴를 묶어 버려서

내륜쪽 접지력이 약해지든 말든 상관없이 외륜으로 구동 토크가 전달되어 코너링이 빨라집니다.

글이 너무 길어지는 관계로 일단 여기까지 1부로 마치겠습니다~!!

다음 2부에서는 본격적으로 토센에 대한 동작 원리를 설명하겠습니다~~

굴러간당

이야기 아우디 기계식 토센 콰트로의 동작 원리 (1부) 8