안녕하세요~! 린드우디입니다~^^
"아우디 기계식 토센 콰트로의 동작 원리 (1부)"에 이어 2부로 이어지겠습니다~!
https://www.clien.net/service/board/cm_car/19106761CLIEN
1부를 아직 못 보셨다면 위 링크로 먼저 봐주시면 감사하겠습니다~!
4. 토센 디퍼렌셜의 동작 원리에 대해 잘못 알려진 정보
일단 토센의 동작 원리를 설명하기 전에 반드시 짚고 넘어야 가야 할 부분이 있습니다.
인터넷이나 유튜브에 토센의 동작 원리라고 설명하는 것들 대부분 잘못된 내용이라는 점입니다.

특히 가장 대표적으로 잘못된 영상이 바로 위 영상인데 조회 수가 무려 900만이 넘는 틀린 영상입니다.
저 영상 하나 때문에 정말 많은 사람들이 토센의 동작 원리를 잘못 알고 있습니다.

저 영상에서는 토센에 사용된 기어가 "웜 기어(Worm gear)"와 "웜 휠(Worm wheel)"이라고 나오는데...

실제로 토센에 사용된 기어는 웜 기어가 아니라 "크로스드 헬리컬 기어(Crossed helical gear)"입니다.
여기서 잠깐 헬리컬 기어(Helical gear)의 종류에 대해 잠깐 짚고 넘어가겠습니다.

기어 이빨이 대각선으로 비스듬하게 나 있는 기어를 보통 "헬리컬 기어(Helical gear)"라고 부릅니다.
그리고 기어 이빨과 회전축 사이에 기울어져 있는 각을 "헬릭스 각(Helix angle)"이라고 부릅니다.

그리고 "헬릭스 각(Helix angle)"얼마나 크고 작냐에 따라 헬리컬 기어도 위와 같이 종류가 나뉩니다.
"헬릭스 각이 45도"를 이루며 두 개의 기어가 서로 "교차"된 형태를 "크로스드 헬리컬 기어"
"헬릭스 각이 10도"를 이루며 두 개의 기어가 서로 "평행"된 형태를 "헬리컬 기어"
"헬릭스 각이 90도"를 넘으며 두 개의 기어가 서로 "교차"된 형태를 "웜 기어"

참고로 웜 기어는 매우 독특한 특성을 가지고 있는데요.
웜 기어는 웜 휠을 돌릴 수 있지만, 웜 휠은 웜 기어를 돌릴 수 없습니다.
이걸 "웜 기어"의 "자가 잠금 효과(Self-locking effect)"라고 부릅니다.
바로 위에서 설명했던 웜 기어의 동작 원리를 설명하는 그 영상에도 이 내용이 나오는데요.


영상 제작자에겐 정말 미안한 얘기지만... 정말 완벽하게 틀린 내용입니다.
실제로 저런 구조로 토센을 만든다면 토센은 항상 잠겨 있는 Locked Differential이라 불러야 합니다.
토센은 명확하게 Limited Slip Differential(LSD) 이며 차동을 느슨하게 제한하는 장치입니다.
그렇다면 도대체 토센의 진짜 동작 원리는 과연 무엇일까요? 이제 설명드리겠습니다.
5. 토센의 진짜 동작 원리

위 사진은 "일반적인 크로스드 헬리컬 기어"와 "토센의 크로스드 헬리컬 기어"를 비교한 사진인데요.
토센의 경우 두 기어의 헬릭스 각이 정말 미세하게 다르다는 것을 알 수 있습니다.
이렇게 헬릭스 각이 서로 다른 기어가 맞물려 회전을 하면 정말 신기한 현상이 생기는데요.
"기어 A가 기어 B를 회전 시킬 수도 있고 기어 B가 기어 A를 회전 시킬 수도 있지만 회전 자체에 저항이 생깁니다."

위 그림과 같이 토센 디퍼렌셜에는 헬릭스각이 서로 다른 기어들이 맞물려 있습니다.
1. 전륜과 연결된 전륜 사이드 기어 A(45도)
2. 전륜 사이드 기어 A(45도)와 연결된 전륜 유성 기어 B(44도)
3. 전륜 유성 기어 B(44도)와 연결된 후륜 유성 기어 B(44도)
4. 후륜 유성 기어 B(44도)와 연결된 후륜 사이드 기어 A(45도)
5. 후륜과 연결된 후륜 사이드 기어 A(45도)
전륜과 후륜의 접지력 차이가 발생하면 각 기어들이 회전하기 시작하고
내부 기어들 중에서 기어 B(44도)가 기어 A(45도)를 회전 시킬 때 발생하는 저항이 차동 제한을 하게 됩니다.
사실 웜 기어도 헬릭스 각 차이를 이용한 방식이라 웜 기어와 비슷해 보이지만
웜 기어는 한쪽 방향으로만 input이 되는 완전 잠금 방식이고 토센은 완전 잠금이 아니라는 큰 차이점이 있죠.
그리고 또 한 가지 차동 저항을 발생시키는 원리가 하나 더 숨어 있습니다!
바로 헬리컬 기어의 추력(Thrust)을 이용한 축 방향의 힘(Axial force)입니다.

위 그림과 같이 헬리컬 기어가 서로 맞물려 회전할 때 축 방향으로 밀어내는 힘이 작용합니다.
토센 디퍼렌셜은 이 밀어내는 힘을 이용해 더 강한 차동 제한을 할 수 있게 되는데요.

위 사진과 같이 전륜이 슬립하면 헬리컬 기어들이 회전하면서 후륜 쪽 사이드 헬리컬 기어의 추력을 만들어 내고
사이드 헬리컬 기어가 디퍼렌셜 하우징 벽과 마찰하면서 차동 제한을 하게 됩니다.
이렇게 토센 디퍼렌셜은 "헬릭스 각 차이" + "헬리컬 기어 추력" 두 가지 원리를 이용해 동작하게 되며
"클러치를 사용하지 않고도 순전히 기어만 사용해서 차동 제한 장치(LSD)가 구현되는 것입니다!"
기어 간의 마찰을 이용해 동작하기 때문에 정말 미세한 접지력 차이 만으로도 빠르게 차동 제한을 하게 되며
반응도 빠르고 대응 토크도 높을뿐더러 내구성도 좋기 때문에 기계식 사륜의 토크 분배 장치로 많이 사용되었습니다.

아우디는 기존에 세로배치 전륜구동인 아우디 80 쿠페 차량을 개조해서 최초의 콰트로 차량을 만들어 냅니다.
물론 처음부터 토센을 적용한 건 아니고 실제 토센이 들어간 건 1986년에 출시한 아우디 80 콰트로 차량입니다.

참고로 토센 디퍼렌셜을 사륜구동에 적용하기 위해서는 전륜과 후륜이 매우 강하게 직결되어 있어야 합니다.
그래서 아우디는 40년 넘게 후륜과 전륜이 모두 변속기와 직결된 프론트 헤비 레이아웃을 유지하고 있습니다.
"사륜구동을 위해 무게배분을 포기한다!!" 사륜에 진심인 아우디 ㄷㄷㄷ

위와 같은 형태의 토센 디퍼렌셜은 아우디의 기계식 콰트로 차량에 장착되면서 많은 사랑을 받습니다.
하지만... 위 사진에 나온 토센은 1986년부터 2007년까지만 장착되었습니다.

1986년부터 사용된 가장 기본형 토센(토센 타입 A)에는 아주 치명적인 단점이 존재하기 때문인데요.
이 단점 때문에 아우디는 토센 타입 A를 버리고 2008년부터 비대칭 토센 타입 B로 갈아타게 됩니다!
비대칭 토센 타입 B에 대한 이야기는 3부에서 계속됩니다~
어제 유투브에서 C63 400에 사온 정비글보고..
컨디션업 해주시는 분이 하신 명대사가 있습니다.
"전 신차보증이있는 아우디를 좋아합니다. "
ㅋㅋㅋㅋ 부품들이 독일산 맛과 일본의 장인정신이 들어가서그런가
부품이 짱짱하게 결합되어있고.. 이상하게 수리할라고하면 정비업을하니까 싫어한다고하네요..
독일차들이 유독 일단 성능부터 내고 정비는 나중에 어떻게든 알아서 되겠지(?)라는 마인드로 설계를 하는 것 같습니다 ㅋ
매우 이해가 됩니다.
제가 다니는 회사에서도 독일제 기계는 메인터넌스가 너무 어려워 싹다 퇴출되었고, 보편적인 설계의 일본제 기계를 씁니다.
산업현장에서의 일본산 기계는 2차 세계 대전때 스펙상 2천마력쯤 내는 엔진도 만든 곳이라 기본 베이스가 좋고, 전쟁 패망후 철저히 남들 것을 잘 모방하며 보편적인 설계와 범용 부품으로 초 정밀도를 현실로 보여주는 기계릍 만들어놔 아주 요긴하게 잘 쓰고 있습니다.
더구나 우리나라는 지진이 없어 안정적이고, 기계 설계자들이 요구하는데로 건물과 독립된 지지 기반에 기계를 설치해놔 성능이 더욱 좋게 나오는듯 합니다.
예전에 제가 답글로 언급한 것 처럼 윔기어는 기어비가 다른 기어들과 비교하면 덩치에 비해 엄청나게 크다는 부분으로 인해 자동차같은 강한 힘을 받는 구조물에서는 윔휠이 한방에 부서잘 정도로 매우 약한 기계적 구조의 장치라 생각됩니다.
그림의 예시처럼 강철보다는 헐씬 약하나 유연성이 좋고 미끄러지는 성질로 마찰력이 적은 신쭈(황동) 재료로 웜휠을 주로 만들지만, 사람이 직접 돌리는 수동 장치나 저부하의 저속 장치에서 저렴한 방식으로 간단하게 높은 기어비가 필요할때 주로 쓰는 기어로 자동차의 디퍼러셜 기어같은 과부하와 높은 회전수에 쓸 기어 방식은 아닌 듯 합니다.
실제로 헬릭스 각의 차이를 이용한 토센 타입A의 경우 부하를 너무 심하게 받으면 이빨이 부서지는 경우가 해외에 종종 있는거 같더라구요
그에 비해 토센 타입B은 생각보다 내구성이 굉장히 좋아서 국내든 해외든 고장 관련 글을 보기가 힘들었습니다~
말씀처럼 헬릭스 각 차이, 또는 웜기어처럼 기어비가 아주 큰 경우는 고속으로 회전하거나 급격하게 토크 전달이 되는 장치 보다는
감속기처럼 강한 토크를 부드럽게 주려고 할때 매우 유용한 것 같습니다~
기어라는 구조물이 동력을 전달하는 구조물중에서 가장 튼튼한 기계적 구조물중 하나라서 기어 파손은 설계 결함 수준으로 보는게 전통적인 기계 공학 설계자들의 기본 상식이라는 생각이 들어 결국 퇴출 된 듯 합니다.
이를 극복하기 위해 포기하지 않고, 헬리컬 기어 특유의 추력이라는 단점을 역으로 이용하기 위해 수많은 시험끝에 결국 성공한 설계자들은 정말 대단합니다.