디퍼렌샬의 형식과 LSD

[연료와윤활]

지능형 전자식 4WD의 전성시대

바야흐로 4WD의 전성시대를 맞고 있다. 특히 아우디 콰트로에서 시작된 승용형 4WD는 갈수록 폭발적인 증가세를 보이고 있고 그 완성도도 점점 높아지고 있다. 이제 4WD 승용차가 없는 메이커는 손에 꼽을 정도이다. 4WD는 다양한 차종에 얹히고 있는 만큼 그 종류도 제각각이고 메이커가 목표로 하는 차의 성격과 핸들링에 따라 세부적인 세팅에서 차이를 보이고 있다.

4WD가 승용차에 쓰이는 게 어색하지 않은 세상이 됐다. 오프로드에나 어울릴 것이라는 고정관념은 사라진지 오래이다. 4WD는 차종과 장르에 상관없이 다방면으로 활용되고 있으며 그 기능 역시 점점 첨단화 되고 있다. 아우디로부터 시작된 승용형 4WD는 2000년대 들어서면서부터 폭발적으로 늘어나 이제는 거의 대부분의 메이커가 채택하고 있다.

승용차에 쓰이는 4WD가 나온 배경은 기능이 우선이었지만 지금은 마케팅적인 면도 빼놓을 수 없다. 아우디의 콰트로는 기능적인 면에서도 최고 수준이지만 오랜 시간 쌓인 브랜드 파워도 간과할 수 없다. 뒷바퀴굴림만을 고수하던 BMW와 벤츠가 독자적인 사륜 시스템을 도입한 것도 소비자들이 막연하게 갖고 있는 ‘안정성’의 이미지를 노렸다는 측면도 있다. 스바루의 경우 모든 차종이 4WD를 채용해오고 있다. 이제 4WD는 일본의 경차 같은 시티카부터 럭셔리 클래스까지 영역이 확장되고 있다.

2WD에 비해 4WD가 갖는 강점은 모든 바퀴에 구동력을 실을 수 있다는 점이다. 네 바퀴를 모두 굴림으로써 접지력을 높일 수 있고, 이는 능동적인 안정성으로 이어진다. 세팅에 따라서는 핸들링 성능 향상의 도구로 이용되기도 한다. 네 바퀴를 모두 굴리는 것은 일반적인 2WD에 비해 장단점이 존재하게 마련이지만 기술의 발전으로 격차가 많이 줄어든 상태이다. 또 승용차에 4WD를 적용하기 위해서는 섀시 강성이 높아야만 한다는 조건이 있었다. 하지만 최근 들어서는 섀시 강성도 평준화 되면서 4WD의 채택 빈도가 잦아지고 있다.

모든 바퀴에 동력을 전달하는 것은 동일하지만 방식과 세팅에 따른 차이점은 대단히 다양하다. 승용차의 4WD는 크게 기계식과 전자식으로 나뉜다. 하지만 코스트와 무게 등의 이유로 대부분의 메이커가 전자식을 선택하고 있으며 기계식과의 성능 차이도 상당히 좁혀져 있다. 기계식은 토센, 전자식은 스웨덴의 할덱스와 미국의 보그워너가 높은 점유율을 갖고 있다. 특히 할덱스 4WD는 상당히 많은 메이커가 채택하고 있으며 근래에 나온 4세대의 성능은 대단히 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그리고 근래 나온 사륜 시스템의 특징 중 하나는 뒷바퀴 좌우의 구동력 배분도 가능해지는 것이다. 상황에 따라 토크의 좌우 배분을 달리해 핸들링 성능을 높이는 쪽으로 진화되고 있다.

일반적으로 4WD는 프런트와 리어 액슬의 좌우 토크를 배분하고 중앙에는 앞뒤 액슬에 토크를 배분하는 디퍼렌셜이 필요하다. 만약 앞뒤 액슬에 토크를 배분하는 센터 디퍼렌셜이 없다면 4WD의 의미가 사라지기 때문에 시스템에서 중요한 부분이라 하겠다. 그리고 LSD(Limited Slip Differential) 역시 그 핵심 파츠 중 하나이다. LSD는 토센과 비스커스 커플링, VC 디퍼렌셜 록 등 다양한 방식이 있
다.

토센 디퍼렌셜은 아우디 콰트로에 쓰이는 방식이다. 다른 방식과 차별화 되는 아우디만의 방식이다. 콰트로 중에서는 할덱스의 전자식도 있지만 진짜 콰트로는 기계식 LSD를 사용하는 토센이다. 비싸지만 이것이 가장 효율적이라는 아우디의 판단이다. 토르센은 ‘토크 센싱’을 뜻한다. 미국의 글리슨이 개발한 방식으로 한 쌍의 웜 기어로 작동하고 반응이 즉각적이라는 게 장점이다.

대부분의 콰트로는 리어와 센터에 토르센 디퍼렌셜을 사용하고 있다. 비용이 높지만 토르센 방식의 AWD는 반응이 즉각적이고 록 업 과정이 미끈하며 영구적으로 네 바퀴를 굴릴 수 있다는 장점이 있다. 일반 콰트로의 평상 시 토크 배분은 50:50이며 상황에 따른 웜 기어의 피치에 따라 배분의 비율이 달라진다. 그럼에도 비용의 문제 때문에 토르센 방식을 사용하는 메이커는 아우디가 거의 유일하다. 최근에 나온 콰트로는 평상시 토크 배분을 40:60으로 설정해 언더스티어를 줄이고 있다. 토센은 과거 토요타가 셀리카 GT4에 사용한 적도 있다.

비스커스 커플링 디퍼렌셜은 가장 보편적인 방식이다. 현재의 수많은 AWD가 사용하고 있으며 현대적인 초기 모델은 폭스바겐의 싱크로라고 할 수 있다. 비스커스 커플링의 LSD는 이론적으로 한 쪽 액슬에 토크의 100%를 보낼 수 있어 파트타임 4WD라고도 할 수 있다. 기본 굴림 방식에 따라서는 언더스티어가 심해질 수 있다는 것과 반응의 지연이 단점으로 꼽힌다. 비스커스 액체가 전달되는 시간이 있기 때문에 기계식에 비해 반응이 늦는 게 일반적이다. 이런 문제를 해결하기 위해 많은 메이커들은 최종감속비를 다르게 해 평상시에도 한 쪽 액슬에 소량의 동력을 보낸다. 일반적으로 한 쪽 액슬에 토크의 5%를 항상 전달해 반응 시간을 높이려는 시도이다. 그러나 완전 기계식인 토센 LSD에는 못 미치는 게 사실이다. 하지만 비스커스 커플링은 가격이 저렴하고 구조가 컴팩트해 많은 메이커들이 채용하고 있다.

토센과 비스커스 커플링의 단점을 보완한 방식도 있다. 랠리카로 활약했던 셀리카 GT4와 스바루 임프레자, 미쓰비시 랜서 에볼루션, 포드 에스코트 RS 코스워스는 다른 방식의 센터 디퍼렌셜을 사용하고 있다. 기본적으로 센터 디퍼렌셜이 앞뒤 액슬에 토크를 배분하는 방식은 동일하지만 디퍼렌셜 록이 안티-슬립 기능을 갖고 있다. 토센 보다 가볍고 싸다는 것이 장점이다.

액티브 디퍼렌셜은 지금의 4WD 중에서 가장 세련된 방식이다. 다판 클러치를 이용해 앞뒤 액슬에 토크를 배분하고 타이어의 슬립을 비롯한 수많은 정보를 컴퓨터가 종합해 토크의 배분 정도를 순간적으로 결정한다. 그리고 소프트웨어의 세팅에 따라 급격한 코너링에서 더욱 정확한 컨트롤이 가능하고 이에 따라 언더스티어와 오버스티어도 효과적으로 조절할 수 있다. 뿐만 아니라 일반적인 상황에서의 가속과 감속에서도 더욱 확실한 접지력을 확보할 수도 있다. 이런 방식의 선구자는 포르쉐가 959에 사용했던 PSK(Porsche-Steuer Kupplung)이다.

이 PSK는 현재의 911 터보의 4WD의 시초라고도 할 수 있다. 평상시의 토크 배분은 40:60으로 리어 액슬 뒤에 엔진이 얹힌 것을 고려한 세팅이다. PSK는 토크의 80%를 리어 액슬에 집중할 수 있고 미끄러운 노면 조건에서는 50:50으로 배분된다. 토크 배분은 휠 스피드는 물론 스로틀 포지션과 스티어링 앵글, 횡가속도, 터보의 부스트까지 종합적으로 분석해 결정된다. 일반 4WD가 타이어의 슬립만을 감지해 토크를 결정하는 것과는 한 수 위의 시스템이었다. 디퍼렌셜 클러치로도 불리는 다판 클러치는 6쌍의 마찰판으로 구성되어 있다. 각 쌍의 클러치는 컴퓨터와 유압에 의해 독립적으로 작동되고 포르쉐에 따르면 엔진의 출력 손실은 0.4%를 넘지 않는다.

996 터보와 997 터보의 사륜 시스템의 가장 큰 차이는 비스커스 커플링에서 다판 클러치로 바뀌었다는 점이다. 997 터보에 적용된 PTM(Porsche Traction Management)은 순간적으로 토크 배분을 결정해 언더스티어와 오버스티어를 효과적으로 바로 잡는다.

메르세데스-벤츠는 W124 때부터 4매틱을 선보이고 있다. 4매틱은 차동제어장치 대신 전자식으로 조절되는 트랙셜 컨트롤 시스템 4ETS(Electronic Traction System)를 사용하고 하나 이상의 바퀴가 미끄러질 경우 경우 자동으로 차륜 제동을 걸어 그립이 있는 쪽으로 힘의 양을 늘린다. 평상시의 앞뒤 토크 배분은 모델에 따라 40:60 또는 45:55이다. 4ETS는 센서에서 보내오는 휠 속도와 각도, 회전 운동과 측면 가속 등에 관한 정보를 바탕으로 토크 배분을 결정하고 저속에서는 바퀴 3개를 각기 제동할 수 있다. 4매틱은 리어 액슬에 토크의 100%를 전달할 수 있고 프런트에는 최대 35%를 보낼 수 있다. 이 시스템은 오스트리아의 마그나스티어와 공동 개발했다.

스포츠카를 위한 시스템으로는 닛산의 ATTESA(Advanced Total Traction Engineering System for All-Terrain)가 있다. ATTESA는 ETS(Electronic Torque Split) 프로로 발전했고 R35 GT-R에서는 더욱 성능이 높아졌다. 닛산은 R33부터 기존의 센터 디퍼렌셜을 대신해 다판 클러치를 스카이라인 GT-R에 적용했다. ATTESA ETS 프로의 가장 큰 특징은 평상시에는 뒷바퀴굴림이라는 것이다. 앞바퀴는 필요할 때에만 토크가 전달된다. 즉 기본적으로는 뒷바퀴굴림이지만 필요할 때만 앞바퀴가 보조하는 방식이다. 거기다 프로는 LSD를 통해 뒷바퀴의 좌우 휠도 토크를 배분할 수 있게 된다.

이 때문에 스카이라인 GT-R의 성능이 더욱 돋보이게 되고 운전 재미를 살릴 수가 있다. 앞에 엔진을 얹은 스포츠카에는 가장 이상적인 4WD라고 할 수 있다. ATTESA E-TS 프로 역시 횡가속도와 터보의 부스트, 스로틀 포지션, ABS에서 보내오는 각 휠의 개별적인 스피드 등의 정보를 종합적으로 분석해 토크를 배분한다. 컴퓨터는 이 정보를 바탕으로 자동차의 코너링 정도와 타이어 그립을 분석한다. 단점으로는 코스트가 많이 들고 무게가 늘어난다는 점이다.

신형 GT-R의 ATTESA ETS는 두 개의 드라이드샤프트를 사용하는 독특한 구조를 갖고 있다. 하나의 드라이브샤프트는 엔진에서 나오는 힘을 트랜스액슬로 전달하고 다른 하나는 트랜스액슬의 힘을 앞바퀴로 보낸다. 독립된 트랜스액슬은 변속기와 트랜스퍼케이스, 디퍼렌셜을 하나로 묶었고, R34까지의 ATTESA와 다른 점은 구형이 기계적인 피드백에 의존한 것과 달리 유압으로 작동되는 클러치와 센서들의 역할이 커졌다는 점이다. 여기에는 요 피드백 센서와 슬립 앵글 등의 정보까지 추가된다. 앞뒤 토크 배분은 2:98에서 50:50 사이이다. 즉 필요에 따라 엔진 출력의 98%를 리어 액슬에 집중할 수 있다.

폭스바겐은 앞바퀴굴림에 맞는 할덱스 시스템을 채용해 오고 있다. 1998년부터 비스커스 커플링 방식의 싱크로를 대신해 나타난 4모션은 아우디 TT와 골프 4모션에 가장 먼저 쓰였고 다판 클러치를 사용하는 디퍼렌셜 기어를 사용하고 있다. 4모션의 다판 클러치는 스웨덴의 할덱스가, 소프트웨어는 오스트리아의 마그나스티어가 개발을 맡았다. 4모션은 오직 가로배치 엔진에만 쓰이고 있다. 할덱스 시스템은 소형차에도 적용 가능하게 작고 구조가 간단하며 코스트가 저렴한 것이 장점이다.

또 할덱스는 사브 터보 X와 9-3 에어로 XWD에 4세대 AWD를 선보이고 있다. 할덱스 버전 4.0으로 불리는 4세대 AWD의 핵심은 PTU(Power Take-Off Unit)와 LSC(Limited Slip Coupling), eLSD(Electronic Limited Slip Differential)이다. 프런트 액슬에 위치한 PTU는 엔진에서 나오는 힘을 리어 액슬에 보내는 역할을 한다. 이 PTU는 GKN 드라이브 라인이 제공했지만 할덱스의 주문에 따라 앞바퀴굴림 베이스에 맞게 디자인되었다.

PTU에서 보내지는 힘은 프로펠러샤프트를 거쳐 RDM(Rear Drive Module)으로 전해진다. RDM은 TTD(Torque Transfer Device), eLSD와 통합되고 모두 습식 다판 클러치를 사용한다. 사브는 RDM을 위해 리어의 서브 프레임과 서스펜션 지오메트리, 휠 허브 등을 새로 만들었다. 드라이브샤프트와 맞물리는 LSC는 리어 액슬 앞에 위치한다. LSC의 역할은 앞뒤 액슬에 적절한 토크를 배분하는 것. 리어 액슬의 eLSD는 좌우 휠에 토크를 배분하고 LSC와 유압 라인으로 연결되어 있다.

이전의 할덱스 AWD에도 LSC와 LSD는 있었다. 하지만 LSC의 성능이 크게 개선된 것이 다르다. 4세대 시스템 LSC는 여전히 유압에 따라 토크의 양을 조절한다. 구형에서 가장 큰 불만은 이 유압에 따른 반응 시간이 느리다는 것이었다. 초기부터 LSC 버전 3.0까지는 펌프를 이용해 유압을 만들고 그에 맞춰 토크를 리어 액슬에 보냈다. 즉 휠 슬립이 감지되면 체크 밸브와 펌프를 이용해 임의 유압을 만들었고 용량의 제한도 있었다.

하지만 버전 4.0은 LSC 내에 있는 유압 펌프를 없애 반응 시간을 월등히 높였고 이 때문에 전체 사이즈도 작아졌다. 그 대신 알맞게 압력을 조절해 주는 완충 장치를 더했다. 이는 밸브의 열림 상태를 유지해주어 보다 빠른 반응을 유도한다. 리어 액슬에 토크가 필요할 경우 밸브는 닫히고 유압은 이미 충분한 상태이다.

할덱스는 버전 4.0의 LSD를 기계식에서 전자식으로 바꿨다. eLSD 역시 LSC와 동일한 방식이다. 압력 조절 밸브는 서로 다른 클러치 팩의 유압을 조절하며 휠 슬립을 기다릴 필요 없이 리어 디퍼렌셜을 잠근다. 이 기능은 LSC에 포함되어 있으며 휠 스피드, 회전수, 요 값, 스로틀 포지션, 스티어링 휠의 앵글, ABS, 트랙션 컨트롤 등 다양한 차량의 정보를 끊임없이 모니터 한다.

할덱스 버전 4.0은 100%의 토크를 한 쪽 액슬에 집중할 수 있다. 그리고 크루징 시에는 리어 액슬에 5~10%의 힘만을 보내 연비를 높이고 과격한 코너링에서는 토크의 40%를 리어의 양쪽 휠에 보내 더 많은 그립을 확보한다. 토크의 비율 역시 횡가속 g의 정도에 따라 달라져 오버스티어 또는 언더스티어를 없애준다.

어큐라 RL에 첫 선을 보인 혼다의 SH-AWD(Super Handling All Wheel Drive)는 근래에 나온 시스템 중 가장 주목을 받고 있으며 구조 또한 독특하다. SH-AWD는 센터 디퍼렌셜이나 차동 제한 장치도 없고 대부분의 관련 부품이 리어 액슬에 위치해 있다. 가속 페달 뒤에 위치한 전자석 다판 클러치는 하나의 클러치가 리어 휠 하나씩을 책임진다. 만약 오른쪽 클러치가 이어질 경우 좌측 리어 휠로 더 많은 토크를 보내는 방식이다. 이는 미쓰비시가 랜서 에볼루션에 적용하고 있는 AYC(Active Yaw Control)와 같은 원리이다. 두 개의 클러치가 동시에 이어지면 리어 액슬에 토크를 더 보낸다.

SH-AWD는 평상시 앞바퀴에 토크의 70%를 보내고 가속 혹은 감속 시에는 리어 액슬로 토크의 70%를 보낸다. 그리고 회전 시에는 언더스티어 또는 오버스티어를 없애기 위해 리어 액슬의 좌우 휠에 토크를 배분한다. 극단적인 상황일 경우 리어 액슬의 한 쪽 휠에 엔진 출력의 70%를 전달할 수 있고 그 반대쪽은 0%, 프런트 액슬은 30%가 된다. SH-AWD는 대단히 뛰어난 성능을 인정받고 있지만 무겁고 코스트가 비싸다는 단점이 있다.