사륜구동차량의 메커니즘 이해
대개의 4WD를 소유한 오너들은 자신의 차량이 사륜구동이 가능한 고기능의 차량임을 인식을 하면서도 웬만큼 차량의 관심이 있는 사람이 아니라면 차량의 구조나 작동원리를 이해하고 있는 경우는 드물다.
요즘같이 좋은 도로 여건에 첨단화된, 믿음직한 성능을 지닌 자동차들이 생산되고 있어 오너 스스로 자신의 차량을 직접 만져볼 일이 드문 점을 감안한다면 어쩔 수 없는 현실이겠지만, 그래도 최소한 사륜구동차량의 오너라면 일반적인 차량들과 다른 자신의 모빌에 대한 기본적인 구조와 원리에 대해 대략적인 이해라도 필요하지 않을까 생각을 해본다.
모빌을 운행하는데 있어서 굳이 알아야 할 필요가 없을지도 모르지만 대략적인 구조가 이렇구나 하는 정도의 상식으로서 알고 있는 것이 좋을 것이다. 특히 사륜구동차량을 처음 접해본 오너들이나 이제 갓 사륜차량으로 운전을 시작한 분들에게도 마찬가지이다.
이에 4WD의 기본적인 구동 특성과 원리에 대해 간단히 요약해보기로 한다.
사륜구동(4WD: Four Wheel Drive)
사륜구동은 보통의 2WD(후륜구동이나 전륜구동)구동 방식의 차량과는 달리 상시(풀 타임), 또는 필요시(파트 타임) 차량의 전후륜 모두를 구동륜으로 사용할 수 있는 기능으로서 험로 주행을 목적으로하는 지프형 차량이나 레져용 차량, 그리고 특수한 목적을 위해 사용되어지는 특장차량에 적용되어지는 구동 메커니즘이다.
사륜구동은 이를 적용한 차량이 주행가능한 노면 여건에서의 안정감있는 주행성(풀 타임)을 얻고자 하거나 지형(비포장길, 진흙길등)이나 기후(눈, 비)로 인해 노면이 취약하여 주행성이 좋지 않은 상황에서 네 개의 바퀴에 동력을 고르게 분배하여 타이어의 접지성을 높여 원활한 주행이 가능하도록 하여준다.
사륜구동차량에는 항상 사륜으로 주행이 가능한 풀 타임 사륜구동(Full Time 4WD/AWD)방식과 일반적으로 주행시 2WD(후륜 주행)을 하다가 주행 상황에 따라 필요시 사륜구동 선택이 가능한 파트 타임 사륜구동(Part Time 4WD)방식이 있다. 국내의 차종중 풀 타임 방식의 차량은 쌍용의 무쏘, 뉴코란도, 렉스턴 가솔린(3200cc/TOD)모델과 현대의 싼타페(가솔린,LPG 2.7), 테라칸(Active System)모델등이 있고 이외에 국내 사륜구동차량은 파트 타임방식이다.
사륜구동 동력전달 계통의 원리
사륜구동은 일반적인 자동차들의 후륜구동방식인, 엔진 - 트랜스미션 - 드라이브 샤프트 - 디퍼렌셜 기어(차동장치) - 액슬샤프트 - 구동륜(후륜)의 동력전달구조에 더해, 엔진 - 트랜스미션 - 트랜스퍼 케이스 - 전륜 드라이브 샤프트 - 전륜 디퍼렌셜 기어 - 액슬 - 록킹허브(수동/자동) - 전륜(풀타임/파트타임)으로 이어지는 4WD구조를 결합한 동력전달구조로 구성되어진다. 평상시에 이륜으로 주행을 하다가 트랜스퍼 케이스를 작동시키면 전륜으로도 동력을 전달하여 사륜구동주행이 이뤄진다.
Part 1. 트랜스퍼 케이스(Transfer Case)
사륜구동의 특성을 이해하는데 있어 가장 기본적으로 알아야 할 것이 바로 트랜스퍼 케이스의 구조와 작동원리일 것이다. 트랜스퍼 케이스는 사륜구동을 작동시키기 위한 목적의 전륜구동 전달장치이자 트랜스 미션이외에 또 하나의 변속장치이다.(기본 원리는 트랜스미션과 유사하다.)
트랜스퍼 케이스(이하 TC)는 주철이나 알미늄의 재질로 만들어진 케이스내에 전륜구동을 위한 기어장치들이 구성되어진 기계장치로서, 엔진과 트랜스미션을 통해 전달되는 동력을 후륜으로 보내는 동시에 스위치를 통한 전기모터나 트랜스미션 시프트레버이외에 추가 장치되어 있는 트랜스퍼 시프트 레버(수동)의 조작으로, 전륜 드라이브 샤프트와 조향축인 전륜액슬을 통해 앞 바퀴로 동력을 전달해주는 역할을 한다. TC의 작동위치는 트랜스미션과 후륜 드라이브 샤프트 사이에 있어 전 후륜을 적절히 제어한다.
<매뉴얼 기어 구동 방식 트랜스퍼 케이스>
TC는 풀 타임 사륜구동방식과 파트 타임 사륜구동방식으로 나누어지는데 일반적인 파트 타임방식의 TC와는 다르게 풀 타임 방식의 TC의 작동에는 제3의 차동장치(differential/디퍼렌셜)가 있어 전륜과 후륜간의 주행(선회시)시, 발생되는 구동회전차를 제어하여 파트 타임방식에서 흔히 볼 수 있는 타이트 코너 브레이킹 현상을 방지하여 준다.
※ 타이트 코너 브레이킹 현상(tight corner braking development)
일반 아스팔트 도로나 타이어의 접지성이 충분한 마른 노면등에서 사륜구동(파트 타임 차량)을 작동하여 운행할 때 발생되는 현상으로 방향전환을 위한 선회시 전륜과 후륜의 선회반경에 의해 타이어의 회전수 차이 및 구동축 회전차이로 인해, 선회반경 안쪽의 전륜과 후륜이 서로 엇물린 듯 울컥거리는 듯한 느낌의 현상을 말한다. 이때 앞 바퀴는 브레이크가 걸린 듯 하고 뒷 바퀴는 슬립하는 듯한 느낌을 준다.
이와 같은 현상은 비포장노면에서 전 후륜이 약간의 편차로 회전수가 차이가 나도 적당한 슬립을 할 수 있을 때와 다르게 포장된 도로등에서처럼 접지력이 살아 있는 곳에서는 전후륜의 회전 편차가 발생하게 되면, 동력전달계통에 내부 응력이 발생하여 동력전달 장치들에 무리를 주어 고장을 일으킬 수 있음에 주의를 하여야 한다. 기본적으로 사륜구동모드(파트 타임 차량)는 건조한 노면(접지가 충분한 곳)에서는 작동시키지 않아야 한다.
그리고 사륜구동차량은 타이어 공기압에 신경을 써야 한다. 건조한 노면에서나 비포장에서나 사륜구동으로 주행을 할 때 전 후륜 각 타이어들의 공기압이 일정치 않게 되면 타이어들 지름에 편차가 생겨 구동계통에 무리를 줄 수 있다. 특히 저속 구동에 강한 토크를 내는 4L 모드에서 보다 고속 구동에 상대적으로 약한 토크를 내는 4H 모드에서는 더하니 주의하여야 한다.
※차동장치(differential/디퍼렌셜)
위와 같은 현상을 방지하기 위해 풀 타임 구동차량들에 필수적으로 구성되는 것이 차동장치이다. 차동장치는 전륜과 후륜의 바퀴가 선회시 회전 편차가 생길 때 이를 제어해주는 장치이다. 쌍용의 TOD시스템과 현대의 Active시스템이 그 예라 할 수 있다. 비스커스 커플링과 센터디퍼렌셜등의 장치들이 이런 차동장치이다.
◇트랜스퍼 케이스의 작동 모드
4wd-high range
비포장도로나 노면이 좋지 않은 곳에서 후륜으로 각각 전달되는 50%씩의 과도한 동력전달로 인한 슬립, 타이어 손상을 피하기 위해 전,후 각 바퀴마다 25%씩의 균등한 동력배분으로 접지력을 높여 안정된 주행을 위해 선택되어지는 구동모드이다. 일상적인 운행에서는 눈이나 비로 인한 노면 조건이 좋지 않아진 상황에서도 효율성 높은 구동성능을 발휘한다. 주행속도는 이륜 모드에서의 변속기 속도와 일정하다.( 1: 1 기어비)
4wd-low range
최대의 견인력과 강한 주행성을 필요로 할 때 선택한다. 급 경사길을 오르기 위해서나 차량을 견인할 때 강한 구동성을 보여주고 특히 악조건의 험한 오프로드(머드지형, 크레바스, 측사면로, 급경사 오프막 내리막지형)에서의 탁월한 탈출 성능을 갖는다. 주행속도는 이륜 모드에서의 변속기 속도에 비해 구동 감속비가 높다.(평균 기어비 1 : 2 범위 안팍)
◇트랜스퍼 케이스의 구성과 작동 원리
※아래 그림은 TC의 작동 원리를 알기 쉽도록 하기 위해 '메뉴얼 구동 타입 TC(풀 타임 방식)'를 복잡한 구성을 피하여 간단히 그려 본 것이다. (메뉴얼 구동 타입은 국산 사륜구동차량 대부분이 적용하고 있는 방식이다.) 체인 벨트 동력 전달 방식을 예로 하였고 원리는 유사하나 구조는 차종에 따라 다소 차이가 있다.
1. 동력 흐름의 구성
하이 레인지 동력 기어: 트랜스 미션의 변속비와 1 : 1의 기어비를 갖고 있는 기어로서 4H 모드에서 입력 샤프트와 함께 회전을 한다.
로우 레인지 동력 기어: 4L 모드로 변환시 작동되는 기어로서 카운터기어에 의해 감속되어 저속 구동력을 전 후륜에 전달한다.
슬라이딩 클러치: 동력이 변속기로부터 입력되는 샤프트에 고속기어와 저속기어 사이에 위치하여 샤프트 위에서 공전하고 있는 저, 고속기어중에 하나와 맞물려 구동력을 전달하여 주는 장치이다. 조작되는 시프트 포크에 의해 움직인다.
카운터(클러스터)기어: 4L 모드로 작동할 때 입력되는 동력을 가속과 감속을 통해 로우 레인지 기어에 전달하여 주는 아이들러 기어로서 4L 모드로 작동시에는 로우 레인지 동력 기어와 함께 구동되지 않도록 공전을 한다.
드라이브 체인: 4L 이나 4H에 의해 발생되는 구동력을 후륜동력전달과 함께 전륜 출력샤프트에도 같은 힘의 동력을 전달해준다. 입력축(Input shaft)의 구동 스프로켓을 통하여 전륜 출력축(Output shaft)의 구동 스프로켓으로 전달된다. (체인 방식은 대부분의 사륜구동차량이 채택하고 있고 쌍용의 구형 코란도만이 체인 방식이 아닌 기어방식이다.)
인터액슬 디퍼렌셜: 위에서 언급되었던 사륜구동 주행중 급선회시 전 후륜의 회전 편차에 의해 발생되는 '타이트 코너 브레이킹 현상'을 방지하기 위해 TC내에 구성되어지는 차동장치(differential)로서 흔히 센터 디퍼렌셜(Center differential)이라고도 한다. 위와 같은 현상이 일어날 때 전륜과 후륜의 동력의 흐름을 차단하여 준다. 항상 사륜으로 주행하는 풀 타임 방식에 적용되어지는 메커니즘이다. (파트 타임 방식의 TC에는 후륜 출력 샤프트만 구성되어 있다.)
2. 작동원리
TC의 작동은 갤로퍼나 구형 코란도처럼 수동방식으로 트랜스미션 시프트 레버 옆에 있는 트랜스퍼 시프트 레버를 조작하거나 무쏘나 렉스턴 타입의 작동 스위치를 조정해서 TCCU의 전자 제어로 모터를 이용하여 트랜스퍼를 변환시킨다.
이같은 조작에 의해 TC내의 시프트 포크가 동력이 입력되는 샤프트에서 공전하고 있는 고속기어(하이 레인지 동력 기어)와 저속기어(로우 레인지 동력 기어)사이, 중간 위치에 놓여있던 슬라이딩 클러치를 변환하고자 하는 기어 포지션에 맞물리게 해 사륜모드중에 하나(4L - 4H)를 작동하도록 한다.
4H 모드(High Range Mode)
중립에서 TC를 4H로 변환하게 되면 입력 샤프트와 함께 움직이는 슬라이딩 클러치가 하이레인지 기어와 맞물리게 된다. 클러치에 연결된 하이레인지 기어는 클러치를 회전시키고 이에 따라 클러치에 의해 입력축(input shaft)과 출력축(output shaft)이 체결되어 회전을 하여 전륜과 후륜 모두에 4H 모드의 동력을 전달한다.
4L 모드(Low Range Mode)
4L로 변환시 슬라이딩 클러치가 오른쪽 로우레인지 기어와 맞물리면서 아래 카운터기어들의 감속을 통해 저속 모드로 구동을 한다. 이때 그림에서의 화살표 방향으로 동력이 전달되는 샤프트는 4H 모드에서 처럼 직결되지 않고 클러치에 의해 동력이 끊어진다. 카운터 기어를 경유해서 동력이 전달된다. 위와 같은 두 가지의 구동변환으로 뒤축 구동 스프로켓에 체결되어진 드라이브 체인이 전륜측 구동 스프로켓에 회전력을 전달하여 후륜구동과 함께 전륜 구동을 한다.
3. 유성 캐리어 방식(Planet carrier Assembly)
위에 내용과 같은 매뉴얼 구동기어 선택방식과 달리 풀 타임방식에서 주로 사용하는 4WD 변환 모드방식의 기어가 유성 캐리어 방식이다. 파트 타임 모델로는 뉴코란도, 무쏘등이 유성 캐리어 방식의 TC구조를 사용한다.
유성 기어세트는 중심, 즉 선기어(Sun gear)와 더 작은 피니언 기어(Pinion gear)들을 지지해주는 유성 캐리어(Planet carrier) 및 내접기어(Internal gear)로 이루어져 있다.
유성 기어세트는 위에서의 메뉴얼 기어 타입에서 저속 기어와 고속 기어의 역할과 같다. 선기어는 위 메뉴얼 기어 방식에서처럼 하이레인지 모드 기어(4H)이고 유성 캐리어는 로우 레인지 모드 기어(4L)이다. 본 구조에서는 위 매뉴얼 기어 방식처럼 기어가 분리되어 구성되어 있지 않고 두 기어가 항시 맞물려 있다. 또한 카운터 기어가 따로 포함되어 있지 않다. 4H에서는 가운데 선기어가 회전을 하고 유성기어는 공전을 한다. 4L 모드에서는 선기어가 입력축이 되어 유성기어와 함께 회전을 한다.
손가락으로 가리키고 있는 것이 내접기어(Internal gear)이다. 내접기어는 케이스 본체에 나있고 고정되어 있다. 가운데 기어는 동력을 전달받는 입력 샤프트(Input shaft)이다.
좌측 그림 위에 얹혀진 것이 유성 캐리어 어셈블리이다. 육각형의 몸체(플래닛 캐리어)에 여섯 개의 피니언 기어가 있고 원 중심에는 선기어(sun gear)가 일체되어 있다.
유성 기어세트는 수동으로 조작되는 (매뉴얼 기어 구동 타입 : 동기 물림식)의 기어에 비해 많은 장점이 있다. 이 기어세트에서는 강도를 높여주기 위해 힘을 여러 기어톱니에 걸쳐 분산시키며, 언제나 맞물려 있어(상시 물림식) 기어를 바꾸기 위해 변속작업이 필요 없다.
선기어는 유성 기어세트의 중심에 위치한 기어로서 다른 기어들이 태양계와 같이 그 주위를 돌고 있고 있는 듯한 구조를 보여준다. 피니언 기어들은 캐리어에 마운팅 되어 위성들이 태양을 도는 것과 흡사하게 선기어 주위를 돈다. 그래서 피니언 기어를 유성 피니언, 캐리어를 유성 캐리어라 부른다. 유성 캐리어와 피니언 기어는 하나의 유니트로 동작한다.
쌍용의 'TOD' 시스템
TOD시스템은 미국 보그워너(Borg Warner)사의 등록상표로서 'Torque On Demand의 약자이다. 기존의 풀타임 4륜구동 방식은 엔진과 트랜스미션을 통해 트랜스퍼케이스로 전달되는 유체와 기계시스템을 이용하여 전륜과 후륜으로 분배하는 것이 주 기능이었다.
반면 'TOD'트랜스퍼케이스는 전자제어에 의해 전륜과 후륜으로 최적의 동력을 분배한다. 즉, 일률적으로 전륜과 후륜에 동력을 분배하는 것이 아니고, 도로조건이나 차량상태에 따라서 전륜과 후륜으로의 동력분배가 0:100~50:50까지 자동으로 수시 변경된다.
기본적으로 포장도로에서 중,저속 주행을 할 때는 'FR'상태(이론상 후륜: 100%의 동력이 전달, 전륜:동력 미 전달)로 주행을 하다가 후륜의 슬립이 감지되면 적절한 량의 동력이 전륜으로도 전달된다.
TOD컨트롤 유니트는 트랜스퍼 케이스의 프로펠러 샤프트 스피드 센서로 부터 전,후륜의 회전속도를 받고, 엔진 컨트롤 유니트로부터 엔진의 출력 상태에 대한 정보를 받아 분석하고 그 값에 따라 전자식 다판 클러치(Electro Magnetic Clutch)의 압착력을 변화시킨다. 전자식 다판 클러치의 압착력이 변화되면 프론트 프로펠러 샤프트가 제어되고 컨트롤 유니트로 보내지는 입력 값에 따라 전륜으로의 동력이 변화하게 된다.
컨트롤 유니트로 보내지고 분석된 차량 속도, 엔진 출력 상태, 차륜의 슬립율등의 정보에 따라 전자식 다판 클러치의 압착력이 조절된다. 압착력이 변화될 때, 압착력이 크면 동력이 많이 전달되고 압착력이 작으면 클러치의 슬립율이 커져 작은 동력이 전달되므로 입력 신호에 따라 적절한 동력이 전륜으로 분배된다. 이와 같은 원리는 현대 테라칸의 Active 시스템도 유사한 작동구조를 가지고 있다고 볼 수 있다.
도로 주행시 TOD 작동 특성.
4WD HIGH(하이레인지 모드)
포장도로에서 고속주행을 할 때는 후륜이 주 구동륜이 되며(약 85%), 측면에서부는 바람 또는 우천시에도 안전한 접지를 유지하도록 전륜에도 구동력(약15%)이 분배된다.
비포장도로, 눈길, 빙판길, 진흙길 등에서 코너링을 할 때 필요한 토크를 전륜에도 분배한다. 전륜에 동력(약30%)이 분배된면 노면 접지력이 상대적으로 높아지고 자연스러운 핸들링이 가능하다.
비포장도로, 눈길, 빙판길, 진흙길등에서 등판주행 또는 출발을 할 때에는 필요에 따라 50:50의 동력을 전, 후륜에 분배함으로써 4WD 최대 접지력과 구동력을 발휘할 수 있다.
4WD LOW(로우레인지 모드)
4L 모드에서는 전, 후 프로펠러 샤프트에 4WD 최대 구동력을 발휘하도록 하기 위하여 트랜스퍼 케이스의 전자식 다판 클러치를 'lock' 시킨다. 이때 트랜스퍼 케이스의 시프트 모터도 캠의 회전에 의해 4L 위치로 회전한다. 이렇게 4L모드로 변경이 되면 유성 기어 세트에 의해 프로펠러 샤프트의 토오크는 1:1에서 2.48:1로 비율이 변경된다
첫댓글 어후 머리아파..