자동차공학)동력전달장치 센터 차동장치(4WD)

센터 차동장치는 풀타임 4WD 차량에서 전후륜의 회전속도 차를 흡수하는 장치이다. 일반차량은 앞바퀴만을 꺾어서 선회하기 때문에 선회 중의 전륜은 후륜보다 외측으로 가게 된다. 즉 선회 중의 전륜은 후륜보다 빨리 회전하지 않으면 안 된다. 따라서 전후륜을 구동하는 트랜스퍼에 디퍼렌셜 기어를 설치하지 않으면 4WD는 구동계에 무리한 힘이 작용하여 큰 회전 시에 노면상태에서 따라서 선회특성의 차이가 발생한다.

유성 기어 세트(planetary gear set)를 사용한 유성 기어식 센터 차동장치(planetary gear center differential), 전후, 좌우 2조의 차동장치로 2쌍의 베벨기어를 사용한 베벨기어식, 비스커스 커플링식 및 다판 클러치식 센터 차동장치가 있다.

 

1. 유성 기어식 센터 차동장치

2. 비스커스 커플링식 센터 차동장치

3. 다판 클러치식

 

1. 유성 기어식 센터 차동장치

변속기 계통과 트랜스퍼 계통으로 분류되어 있으나 트랜스퍼 속에는 센터 차동장치와 앞 기어가 교합되어 있는 부분과 트랜스퍼 캐리어 부분으로 나누어진다. 엔진이 가로 설치형이면 변속기, 센터 차동장치 및 앞 차동장치도 평행으로 가로로 설치된다. 이에 대해 트랜스퍼 캐리어는 뒷바퀴로 동력을 전달하기 위해 90도로 방향을 바꾸어야 하므로 차체에 대하여 세로로 설치된다. 또 센터 차동장치를 설치하였을 때 한쪽 바퀴가 미끄러질 경우의 대책으로 전동식 잠금장치를 두고 있다.

 

- 구조

엔진의 동력은 클러치를 거쳐 변속기로 전달되고 출력 기어(output gear)를 경유하여 트랜스퍼 계통의 링 기어로 전달되어 센터 차동장치의 작동이 시작된다.

링 기어는 외주와 내주에 기어가 가공되어 있으며, 내주 기어는 아우터 피니언(outer pinion, 외측의 작은 기어)이 맞물려 있고, 여기에 일체로 되어 맞물리는 인터 피니언(inter pinion, 내측의 작은 기어)이 선 기어에 맞물려 있다. 이 피니언은 2개씩 등간격(120도)으로 3개 조로 배치되어 있으므로 피니언은 모두 6개이다. 

기본적인 유성기어는 3개의 피니언으로 이루어졌으며 이것을 2개씩 결합시킨 이유는 피니언을 추가시킴에 따라 역회전을 시킬 수 있고, 앞, 뒤바퀴의 회전 방향을 같은 방향으로 할 수 있기 때문이다. 이렇게 하지 않으면 앞, 뒷바퀴가 서로 역방향으로 회전하게 되어 주행을 할 수 없게 된다. 2개의 피니언은 캐리어로 고정되어 있고 이 캐리어의 바깥쪽은 링 기어와 일체의 벨형(bell type) 회전 케이스가 덮여 있으며 그 선단부는 센터 차동장치 잠금기구가 위치한다.

 

- 전동식 잠금기구

센터 차동장치가 부착된 4WD는 효과적이기는 하지만 부분적인 동결 노면이나 진흙길 등에서 어느 한쪽 바퀴가 미끄러지면 주행 불능이 되는 수가 있다. 이것은 엔진의 동력이 공전하는 바퀴로 모두 전달되어 그 바퀴의 공전이 더욱 심해지기 때문이다.

이에 따라 다른 쪽 바퀴에는 동력이 거의 전달되지 않게 된다. 이 작용은 차동장치 자체에서 오는 기능으로서 차동장치가 있는 한 어쩔 수 없다. 따라서 이와 같은 경우에만 일시적으로 센터 차동장치를 잠금(센터 차동장치가 없는 상태) 상태로 하면 앞뒤 구동축에 동시에 회전력이 전달되기 때문에 주행과 탈출이 가능해진다.

센터식 차동장치를 잠그는 방식에는 기계식과 전동식이 있으며 현재는 대부분 전동식이 주로 사용된다. 그 기구는 스위치 - 컨트롤 유닛 - 잠금모터 - 시프트 포크 - 잠금이 된다.

잠금부는 링 기어가 일체로 된 벨형 회전 케이스와 그 안쪽에 있는 유성 캐리어(앞바퀴 차동 케이스) 사이에 있다. 이 양 회전체는 스플라인이 가공되어 있어 잠금시에는 이 양쪽을 슬리프로 결합한다. 이것으로 피니언은 회전이 불가능해지고, 링 기어 회전은 유성 캐리어와 선기어로 직결된다.

 

2. 비스커스 커플링식 센터 차동장치

비스커스 커플링식 센터 차동장치의 경우 센터 차동장치로 2쌍의 베벨기어를 사용하며, 오른쪽 사이드 기어 축(입력 축)과 뒷바퀴에 동력을 전달하는 트랜스퍼를 연결하여 트랜스퍼 내에 비스커스 케이스를 설치하여 아우터 플레이트를 붙이고, 이 조합은 일체로 회전한다. 프론트 차동장치를 돌리는 센터 차동장치 왼쪽 사이드 기어에 실린더 축을 설치하여 오른쪽 사이드 기어 실린더 축 내를 지나서 비스커스 케이스로 들어가 이너 플레이트를 끼운다. 프론트 오른쪽 액슬은 센터 차동장치 왼쪽 사이드 기어 실린더 축 내를 통과한다. 비스커스 케이스 내에는 실리콘 오일과 소량의 공기가 들어가 여러 장의 이너 및 아우터 플레이트가 번갈아 나열된다. 앞뒤 바퀴의 어느 쪽이든 공전을 하면 양 플레이트에 회전차가 생겨, 햄프 현상으로 양플레이트는 밀착하여 차동이 고정되며, 앞뒤 바퀴의 회전은 균일하게 된다. 또 센터 차동장치 내에 비스커스를 설치한 자동차 있다.

 

3. 다판 클러치식

다판 클러치의 압착에 실리콘 오일을 사용하므로 비스커스 커플링과 같은 특성을 얻을 수 있다. 추진 축 중간에 하우징을 설치하여 그 속에 클러치 유닛을 넣는다. 클러치 유닛은 입력 쪽 축에 하우징 케이스를 설치하여 세퍼레이터 플레이트(격리판)가 끼워지며, 출력 쪽 축은 마찰판, 피스톤 그리고 실리콘 오일을 넣고 트리 플레이트(3개의 날개가 달린 판)가 끼워져 하우징에 넣어 밀봉한다. 앞뒤에 급격한 채동이 생기면 트리 플레이트에 의하여 실리콘 오일이 점성 마찰열에 의해 열팽창되어 피스톤을 압박, 클러치 판을 밀착시킨다. 그러면 양축은 직결되며 차동은 해제된다. 또 차동 할 때의 실리콘 오일 전단력으로 반 클러치 상태가 된다.

 

- 액티브 제어

커플링 케이스에 전자 클러치를 내장한 것으로서 작용이나 구조는 LSD와 같다. 전자 클러치의 작용으로 주 클러치를 밀어붙여 캠의 배력 작용에 의해 작은 전류로 큰 회전력을 얻는다.

 

- 캠의 스러스트 배력 작용

파일럿 클러치에 의해 캠이 로터리 캠에 밀어붙여지면, 페이스 캠의 작용으로 캠 사이가 벌어져 스러스트가 발생한다. 로터리 캠도 반력으로 뒤로 움직이려고 하나 스러스트가 되지 않기 때문에 그 반력은 앞쪽 스러스트에 더해진다.