차동제한장치(LSD)

왜 배우는가: 차동제한장치는 선회와 저마찰 노면에서 구동력이 한쪽 바퀴로 몰리는 개방형 차동장치의 문제를 줄이는 장치이다. 작동 방식에 따라 회전수 감응형, 토크 감응형, 하이브리드형으로 나뉘므로 형식별 원리를 정확히 구분해야 답안에서 설명할 수 있다.

출제 이력: 제110회 4교시 1번, 제95회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

차동제한장치(LSD)는 좌우 구동축의 회전 차이를 허용하되 그 차이에 상한을 두어, 노면 마찰이 큰 쪽 바퀴로 구동 토크를 더 전달하는 차동장치이다.

일반 차동장치(개방형 차동장치)는 좌우 바퀴에 거의 같은 토크를 나눠 준다. 그래서 한쪽 바퀴의 노면 마찰이 작아지면 구동력이 그 바퀴에 몰려 헛돌고, 노면을 잡고 있는 반대쪽 바퀴에는 구동력이 거의 전달되지 않는다. 차동제한장치는 두 출력축 사이에 제한 토크를 두어 이 현상을 줄이는 장치이며, 두 바퀴가 모두 노면을 잡도록 하여 직진 가속과 출발 성능을 높이는 것이 목적이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 차동장치: 좌우 바퀴의 회전수 차이를 허용하는 기어 장치이다.
• 슬립: 바퀴가 노면에 대해 미끄러져 회전하는 상태이다.
• 제한 토크: 두 출력축 사이의 토크 차이를 만드는 구속 토크이다.
• 구속력: 제한 토크를 만들어 내는 마찰 요소의 힘이다.
• 회전수 감응형: 출력축의 회전속도 차이에 따라 제한 토크가 정해지는 형식이다.
• 토크 감응형: 입력 토크의 크기에 따라 제한 토크가 정해지는 형식이다.
• 하이브리드형: 회전수 감응과 토크 감응을 함께 쓰는 형식이다.

2. 개념 풀이

차동제한장치는 두 출력축이 서로 다른 속도로 회전하는 것을 허용하되, 그 사이에 제한 토크(T_d)를 발생시켜 좌우 구동 토크의 차이를 일정 범위 안으로 묶는 차동장치이다. 제한 토크의 크기는 입력 토크 또는 두 출력축의 회전속도 차이에 따라 정해지며, 이 기준에 따라 회전수 감응형과 토크 감응형으로 나뉜다. 제한 토크가 없는 개방형 차동장치와 달리, 차동제한장치는 차동 작용 자체를 일정량 억제한다는 점이 핵심이다.

제한 토크가 좌우 출력 토크의 차이를 만들어 구동력을 노면을 잡은 쪽으로 보낸다.

입력 토크 T_{in}(N·m)과 제한 토크 T_d(N·m)가 있을 때 두 출력축의 토크는 다음과 같이 계산된다.

• 노면을 잡은 느린 쪽 출력: T_1 = (T_{in} + T_d)/2
• 헛도는 빠른 쪽 출력: T_2 = (T_{in} - T_d)/2

즉 두 출력 토크는 제한 토크의 절반씩 가감하여 정해진다. 직진 중 한쪽 바퀴가 헛돌기 시작하면 빠른 쪽의 T_2가 줄고 그만큼 느린 쪽의 T_1이 커진다. 개방형 차동장치는 T_d가 0인 경우에 해당하므로 노면을 잡은 쪽으로 추가 토크를 보내지 못한다.

회전수 감응형은 두 출력축의 회전속도 차이에 따라 제한 토크가 정해지는 형식이다. 속도차가 작을 때는 개방형 차동장치에 가깝게 작동하고, 속도차가 커질수록 제한 토크가 커져 한쪽 바퀴의 과도한 헛돎을 점진적으로 억제한다. 점성 유체의 전단 저항을 이용하는 점성식 차동장치가 대표적인 예이며, 이 형식은 주행 중 속도차가 생길 때만 구속이 커진다는 점에서 토크 감응형과 구별된다.

토크 감응형은 입력 토크의 크기에 따라 제한 토크가 정해지는 형식이다. 구동 토크가 클수록 내부 마찰 요소가 강하게 물려 차동을 제한하며, 기어식과 클러치식이 이 형식에 속한다. 구동 토크가 거의 걸리지 않는 상태에서는 제한 효과가 약해지므로, 가속 중 구동 토크가 실제로 걸릴 때 제 기능을 발휘하는 것이 회전수 감응형과 다른 특성이다.

하이브리드형은 회전수 감응과 토크 감응을 함께 쓰는 형식이다. 두 요소가 합쳐져 제한 토크가 결정되므로, 구동 토크의 크기와 두 출력축의 속도차를 동시에 반영한다. 직진 가속과 선회 상황에서 구동 배분 특성을 함께 조절하려는 목적으로 설계된다.

슬립은 구동 바퀴가 노면에 대해 미끄러져 회전속도가 차량 속도와 어긋나는 현상이다. LSD는 이 슬립이 한쪽 바퀴에 집중되는 것을 제한하여 구동력이 양쪽 바퀴에 나뉘도록 하는 장치이다.

구속력은 제한 토크를 만들어 내는 마찰 요소의 힘이다. 클러치 마찰면의 예압이나 점성 유체의 전단 저항처럼 구조에 따라 발생 원리가 다르며, 이 힘의 크기가 곧 제한 토크의 크기를 결정한다.

3. 등장 배경과 필요성

개방형 차동장치는 좌우 바퀴의 구동력을 균등하게 나눠 주기 때문에, 한쪽 바퀴가 저마찰 노면에 놓이거나 선회 하중이 한쪽에 쏠리면 구동력이 그 바퀴로 몰린다. 결과적으로 노면을 잡은 반대쪽 바퀴는 구동력을 거의 받지 못하고, 차량은 출발이나 가속에서 힘을 잃는다. 이 문제는 동력이 큰 차량일수록 더 뚜렷하게 드러난다.

이 문제를 해결하는 가장 단순한 방법은 좌우 축을 완전히 잠그는 잠금식 차동장치이다. 그러나 잠금식은 두 바퀴가 항상 같은 속도로 돌도록 강제하므로, 선회 시 바퀴가 미끄러지고 조향과 주행 감각을 해치는 문제가 있다. 차동제한장치는 이 사이에서 두 출력축의 차이를 완전히 막지 않고 일정 수준으로만 제한하는 절충안으로 등장했다.