자동차공학)동력전달장치 차동 제한장치

차동 제한장치(LSD, Limited Slip Differentail)는 차량 공전 방지로서 선회 시에 내륜보다 외륜을 빨리 회전시키는 차동 작용과 한쪽 바퀴의 공전 시에 자동적으로 공전을 방지함과 동시에 대부분의 구동 토크를 견인 조건이 좋은 차륜으로 전달할 수 있는 구동력 배가 작용을 겸비한 차동기어 장치를 말한다.

일반적으로 차동장치는 차동 소기어(피니언)에 의해 좌우 구동바퀴에 토크를 항상 균등하게 분배한다. 따라서 차량의 총 구동력은 마찰력이 작은 구동바퀴 구동력의 2배가 된다. 한쪽 바퀴에 미끄럼이 발생하든지 혹은 공전하게 되면 구동력이 감소하여 다른 쪽 바퀴의 구동력도 감소하여 결국 차량이 움직일 수 없게 된다. 이와 같은 국부적 슬립현상을 방지하기 위하여 차동장치 내부에 적극적으로 마찰저항을 발생시키는 별도의 기구를 설치하여 한쪽 바퀴의 구동력이 감소하여도 다른 쪽 바퀴의 구동력을 상대적으로 증가시켜 차량의 구동력을 최대한 확보해 주는 장치가 차동 제한장치이다.

 

LSD는 자동차의 급가속, 급제동, 급회전 및 노면의 요철이 심한 경우에도 차량의 직진성, 안정성, 가속성 등을 크게 향상시킬 수 있고 타이어에 걸리는 접촉 면압을 균일하게 유지하므로 마멸량을 감소시키는 장점이 있다.

 

1. LSD의 구조와 작동

2. LSD의 종류

 

1. LSD의 구조와 작동

LSD는 차동장치 내부에 일종의 클러치를 가지고 있어서 한쪽 바퀴가 공정할 때에는 그 클러치가 자동적으로 움직여서 차동기구를 일시적으로 록(lock)하도록 되어 있다. 구조는 차동 케이스와 차동 사이드 기어에 각각 다판 클러치(사이드 기어 스러스트 와셔와 클러치 멤버)가 맞물려 있고, 슬립에 의해 회전속도의 차가 발생하면 클러치 사이의 마찰력 때문에 사이드 기어의 회전속도를 차동케이스 속도에 근접하도록 작용하여 슬립을 제어한다. 이와 같이 클러치의 마찰력에 의해 슬립을 제어하는 방식을 기계식이라 한다. 최근에는 기계식이 아닌 점성이나 전자적으로 제어하는 비스코스 커플링 LSD 혹은 전자제어 LSD가 주로 적용되고 있다.

 

기계식 차동 제한장치의 구동 토크는 다음과 같이 전달된다.

 

① 직진시 : 엔진의 회전력(구동 토크)는 구동피니언 → 링 기어 → 차동 케이스 → 클러치 멤버 레프트로 전달된다. 타이어의 구동 저항은 액슬 축 → 사이드 기어 → 피니언 → 클러치 멤버 라이트로 전달된다. 직진할 경우에는 차동 피니언 축은 각각의 클러치를 작용시키는 위치가 되어 차동기어 작용은 하지 않는다. 이때는 차동기어 장치가 일체가 되어 회전하여 좌우 회전력은 같다.

 

② 공회전시 작동 : 한쪽 바퀴가 공회전시, 클러치 멤버 레프트는 엔진의 구동력에 따라 진행하려고 한다. 한편 클러치 멤버 라이트는 타이어의 구동저항에 의해 멈추고 있어 그 반발력으로 화살표 방향으로 움직인다. 따라서 양쪽의 클러치 멤버는 서로 물림작용으로 축 방향(외측)으로 압력 P를 발생한다.

 

이 압력 P는 클러치 멤버 스러스트 와셔를 경유하여 사이드 기어에 전달되고, 사이드 기어는 스러스트 와셔에 압력을 가하여 결과적으로는 디퍼렌셜 케이스와 사이드 기어는 일체가 되어 회전하는 힘을 가하게 된다.

이상과 같이 커브를 돌 때 등, 좌우 타이어에 큰 차동력이 발생할 때에는 엔진의 구동력을 차동 케이스 → 클러치 멤버 →사이드 기어 → 타이어로 전달되지만, 디퍼렌셜 케이스와 사이드 기어에 회전 차이가 발생하여 스러스트 와셔와 사이드 기어 사이에 미끄럼이 생기게 된다. 그러나 구동력과 구동 저항에 의해 압력 P가 발생하고 그 부분에 디퍼렌셜 케이스와 사이드 기어를 동일하게 회전시키려는 마찰 토크를 발생하게 되는데 이 마찰 토크가 차동 리미티드 슬립(limited slip) 효과가 된다.

 

2. LSD의 종류

차동 제한 장치에는 차동제한 토크 발생 메커니즘에 따라서 ① 피니언 샤프트의 캠 기구에 의한 스러스트 힘으로서 마찰식 클러치를 누르는 방식이나, 웜 기어 등이 서로 물릴 때 발생하는 기어면 마찰력을 이용하는 토크 감응식, ② 좌우 또는 전후바퀴 사이에 회전 차이가 발생하면 차동제한 토크가 회전 차이에 따라 증감하는 회전속도 감응식, ③ 전자제어에 의해  차동 제한 토크를 연속 가변 제어하는 방식 등이 있다. 이것들은 어느 것이나 차동제한 토크를 발생시켜 차동 제한 토크라서 저속 회전측의 전달 토크를 증대시킨다.

 

(1) 회전속도 감응식

이 방식의 대표적인 것으로는 비스커스 커플링식이 있다. 이것은 하우징 내에 2종류의 다른 형상의 얇은 플레이트(하우징에 고정되어 있는 아웃터 플레이트와 허브에 고정되어 있는 인터 플레이트)를 상호 배치하여 점도 높은 실리콘 오일을 봉입한 조인트이다. 주행중 하우징(입력 축)과 허브(출력 축) 사이에 회전속도 차이가 발생하면 실리콘 오일에 점성 전단력이 발생하고, 점성저항의 마찰열로 팽창하여 인너플레이트를 밀어 회전력을 전달한다 이와 같은 작용 즉, LSD 토크가 급격히 상승하는 현상을 '험프(hump)현상' 이라 한다. 유체 클러치와 같은 원리이며 회전수가 많은 쪽에서 작은 쪽으로 회전력이 전달된다. 험프현상이 발생하면 인너 플레이트와 아웃터 플레이트가 직결(디프렌셜 록) 상태가 된다.

 

(2) 전자 클러치식 차동 제한장치

전자 클러치식 LSD는 액티브 제어식 LSD라고도 하며 유성 기어식을 사용한 리어 디퍼렌셜에 전자 클러치를 조합한 LSD로서 전자 클러치에 흐르는 전류에 의해 차동 제한력이 제어된다.

동력전달 경로는 드라이브 기어로부터의 입력은 디퍼렌셜 케이스 내측의 링 기어에서 피니언 기어로 전달되고 그곳에서 기어와 피니언으로 분배되며 좌우의 드라이브 샤프트로 전달된다. 또한 링 기어와 선 기어 사이의 차동을 전자식 다판 클러치에 의해 제한하고 좌우 바퀴에의 토크 배분을 조정할 수 있도록 하고 있다.