구동계와 굴림방식에 관한 용어 - 드라이브트레인●트랜스미션
2012-05-28  |   36,046 읽음

구동계와 굴림방식
구동계는 변속기와 차축, 디퍼렌셜 등으로 구성되어 있다. 자동차에 쓰이는 변속기는 조작방법과 구조에 따라 크게 수동(MT), 자동(AT), 무단변속기(CVT)가 있으며 엔진에서 나온 회전력을 어느 바퀴에 전달하느냐에 따라 여러 종류로 나뉜다.

구동계•drive train
엔진에서 발생된 힘이 크랭크샤프트에서 회전력으로 바뀐 것을 각각의 바퀴에 전달하는 기계적 구성요소를 통틀어 구동계(drive train)라고 한다. 구동계는 변속기와 차축(프로펠러샤프트 또는 드라이브샤프트), 디퍼렌셜(differential) 등으로 구성되어 있다.

변속기•transmission
변속기(트랜스미션, transmission)는 구동계에서 가장 핵심을 이루는 요소 중 하나다. 기어와 축, 그리고 이들을 움직이는 관련 부품들이 모여 있는 것으로, 자동차에 쓰이는 변속기는 조작방법과 구조에 따라 크게 수동변속기(manual transmission)와 자동변속기(automatic transmission), 무단변속기(continuously variable transmission)로 구분된다. 흔히 세 장치의 영어 표기 앞글자를 따서 수동변속기는 MT, 자동변속기는 AT, 무단변속기는 CVT로 부른다.

변속기가 필요한 이유는 크게 두 가지를 들 수 있다. 먼저 모든 엔진은 정상적으로 작동할 수 있는 최대 회전수가 있으므로 이 회전수를 넘지 않는 범위 내에서 엔진이 작동하면서 속도를 높이도록 바퀴 회전수를 바꿀 수 있는 장치가 필요하기 때문이다. 다음으로 엔진의 출력과 토크를 최대한 살릴 수 있는 회전수 범위가 정해져 있기 때문에 변속기가 이 회전수를 꾸준히 이용할 수 있도록 유지하는 역할을 한다.

일반적으로 자동차 변속기의 기능은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫째, 크랭크샤프트와 굴림바퀴 사이에 자리잡아 기어비를 변화시켜 다양한 주행상태에 맞게 바퀴를 굴리는 데 필요한 힘을 공급한다. 둘째, 차를 후진할 수 있도록 한다. 셋째, 시동을 걸 때 또는 공회전 때 중립으로 변속해 바퀴로의 동력전달을 끊고 차의 움직임을 막는다.
자동차용 변속기는 일반적으로 2∼3개의 축에 기어를 몇 개씩 달고, 기어의 조합을 바꾸어 엔진의 크랭크샤프트에서 전달된 회전수를 조절해 바퀴로 전달한다.

예를 들어 크랭크샤프트에 연결된 기어의 톱니수가 출력 측 기어 톱니수의 2배가 되면 회전수는 1/2이 되지만 토크는 2배로 늘어난다. 변속기는 이런 역할을 하는 기어를 차의 주행특성에 맞춰 여러 개를 조합해 필요한 회전수와 토크를 얻는다.
수동변속기는 이런 기어 조합의 조절이 운전자의 레버 조작에 따라 이루어지고, 자동변속기는 별도로 더해진 기계부품에 의해 자동으로 이루어진다. 무단변속기는 자동변속기의 일종으로, 크랭크샤프트 쪽에 연결된 축과 바퀴에 연결된 축에 각각 풀리(pulley)를 달고 두 풀리를 체인이나 벨트로 연결한 뒤 속도에 따라 풀리의 간격을 연속적으로 조절하는 장치이다.

트랜스미션과 트랜스액슬•transmission & transaxle
변속기는 디퍼렌셜, 구동축과의 위치관계에 따라 트랜스미션(transmissi on)과 트랜스액슬(transaxle)로 나뉜다. 트랜스미션은 보통 뒷바퀴굴림 차에 쓰이는 것으로, 위에서 보았을 때 크랭크샤프트와 변속기를 거친 출력축이 일직선상에 놓이고 출력축의 최종감속 기어가 드라이브샤프트 뒤에 따로 분리되어 있다. 트랜스액슬은 보통 앞바퀴굴림 차에 쓰이는데, 위에서 보았을 때 크랭크샤프트와 변속기를 거친 출력축이 평행을 이루고 최종감속 기어가 변속기와 같은 케이스 안에 들어 있다. 뒷바퀴굴림이면서 뒤차축에 변속기를 결합한 리어휠 드라이브 트랜스액슬도 있다.

클러치•clutch
클러치(clutch)는 회전력이 전달되는 두 축을 연결하거나 분리시켜 필요에 따라 힘의 전달을 조절하는 장치를 말한다. 자동차에서는 보통 엔진과 변속기 사이에 자리잡고 있는 것을 말하며, 자동변속기에서는 유체를 사용하는 토크 컨버터가 그 역할을 대신한다.
물체와 물체의 마찰을 통해 회전력을 직접 전달하는 마찰 클러치와 액체의 점도와 유동성을 이용해 회전력을 간접적으로 전달하는 유체 클러치가 있다. 일반적으로 수동변속기에는 마찰 클러치가, 자동변속기에는 유체 클러치의 원리를 응용한 토크 컨버터(torque converter)라는 장치를 쓴다.

굴림방식
엔진에서 나온 회전력을 어느 바퀴에 전달하느냐에 따라 구동계, 즉 굴림방식은 앞바퀴굴림, 뒷바퀴굴림, 네바퀴굴림으로 나뉜다. 엔진의 위치와 굴림바퀴를 한데 묶어 표기한 영어를 줄여 부르기도 하는데 앞 엔진 앞바퀴굴림(front engine front drive) 방식을 FF, 앞 엔진 뒷바퀴굴림(front engine rear drive) 방식을 FR, 뒤 엔진 뒷바퀴굴림(rear engine rear drive) 방식을 RR이라고 한다. 그리고 엔진을 앞 뒤 차축 사이에 둔 것을 미드십(midship) 엔진 배치라고 부르고, 미드십 엔진 뒷바퀴굴림 방식을 줄여 MR이라고 한다. 네바퀴 모두에 동력이 전달되는 방식은 4WD(4-wheel drive) 또는 AWD(all-wheel drive)라고 한다.

4WD와 AWD의 차이점
네바퀴굴림 방식은 4WD와 AWD가 있다. 4WD는 일반적으로 FR 방식 구동계의 트랜스미션 뒤에 트랜스퍼 케이스(transfer case)를 달아 앞차축과 뒤차축으로 구동력을 나누고, 저속에서 높은 토크를 전달하도록 만든 저속 기어가 함께 있는 방식을 말한다. 트랜스퍼 케이스 내부의 기어를 조절해 앞바퀴로 전달되는 구동력을 끊거나 이을 수 있는 방식의 4WD를 파트타임(part-time) 4WD, 항상 앞뒤 차축에 모두 구동력이 전달되는 방식의 4WD를 풀타임(full-time) 4WD라고 한다. AWD는 일반적으로 FF 방식 구동계의 차에서 저속 기어 없이 트랜스액슬에 달린 다판 클러치 등을 통해 앞뒤로 구동력을 나누는 방식을 말한다. 그러나 FR 방식 구동계를 바탕으로 한 풀타임 4WD 중에도 저속 기어가 없는 것들이 있고 구조와 방식이 복잡해지면서 최근에는 거의 혼용되고 있다.

디퍼렌셜•differential
디퍼렌셜(differential)은 디퍼렌셜 기어(differential gear)의 줄임말로, 하나의 축으로 전달된 회전력을 좌우 두 개의 축으로 나눠주는 역할과 함께 좌우 축에 걸리는 부하에 따라 회전수를 다르게 조절하는 역할을 한다. 한자로는 차동장치(差動裝置)라고 한다. FF 방식 구동계에는 트랜스액슬과 디퍼렌셜이 붙어 있고, FR방식 구동계에는 좌우 뒤차축 사이에 최종감속 기어와 일체형으로 자리한다. 네바퀴굴림방식 구동계에는 좌우 앞차축 사이에도 디퍼렌셜이 놓인다.

차동제한 디퍼렌셜•LSD, Limited Slip Differential
차동제한 디퍼렌셜은 영어 표현인 ‘Limited Slip Differential’의 머릿글자를 따 흔히 LSD라고 한다. 디퍼렌셜은 하나의 입력축을 통해 전달된 구동력을 좌우 두 개의 출력축으로 나누어 전달하면서, 한쪽 바퀴에 부하가 걸려 회전이 느려지면 다른 쪽 바퀴의 회전을 빠르게 하는 장치다. 그런데 LSD는 이런 디퍼렌셜 기어의 좌우 출력축 회전속도에 차이가 어느 정도 이상 넘지 않도록 제한하는 역할을 한다.

LSD는 한쪽 바퀴가 접지력을 잃었을 때 위력을 발휘한다. 일반 디퍼렌셜은 접지력을 잃은 바퀴가 헛돌아 회전속도가 빨라지면 반대쪽 바퀴에는 구동력이 거의 줄어들고, 상황에 따라서는 구동력이 전혀 전달되지 않기도 한다. LSD는 이런 상황에서 반대 바퀴에도 구동력을 일부 전달함으로써, 적어도 두 바퀴 중 하나에 접지력이 살아있다면 차가 움직일 수 있다.
어떤 방식으로 회전수차를 제한하느냐에 따라 크게 기어 또는 마찰 클러치를 쓰는 기계식(mechanical)과 오일의 점성을 이용한 비스커스(viscous) 방식으로 나뉜다.

기계식 LSD는 구조에 따라 기어 방식과 클러치 방식으로 나뉜다. 기어 방식의 기계식 LSD로는 토크를 감지하기 위해 플래니터리(행성) 기어를 쓰는 토센(Torsen) LSD가 대표적이며 클러치 방식보다 마모가 적어 내구성이 뛰어나고, 작동이 빠르며 정확한 장점이 있다. 그러나 기계식 클러치는 출력축이 헛도는 것을 제한하는 동작이 매우 빨라 작동되는 순간 충격이 생길 수 있고, 좌우 출력축으로의 토크배분 특성이 완벽하지 못한 단점이 있다.

이 때문에 최근에는 기계식보다 정비하기 편하고 동작이 매끄러운 비스커스 방식이 많이 쓰인다. 비스커스 방식은 실리콘을 원료로 하는 점성이 높은 오일을 양쪽 축 사이에 가득 채운 것으로, 한쪽 축의 회전속도가 빨라지면 오일의 점성 때문에 반대쪽 축으로도 회전력이 전달된다. 동력전달 측면에서 보면 오일이 출력의 일부를 흡수하기 때문에 기계식보다 효율은 떨어지지만, 구조가 비교적 간단하고 동작이 부드러워 충격이 적은 것이 장점이다. 대신 주기적으로 오일을 교환해야 한다.
LSD는 바퀴가 미끄러지기 쉬운 환경을 달리는 SUV에 주로 쓰이지만, 일부 고성능 스포츠카에도 채용하고 있다. 빠른 속도로 코너링을 할 때 강한 원심력으로 롤링이 생기며 안쪽 바퀴의 접지력이 떨어지게 되는데, 이를 보완하기 위해 LSD를 쓰는 것이다. 최근에는 센서로 바퀴가 헛도는 것을 감지하고 브레이크 작동을 제어해 LSD와 같은 역할을 하는 전자제어방식도 많이 쓰인다.

트랜스퍼 케이스•transfer case
트랜스퍼 케이스는 네바퀴굴림 구동계에 쓰이는 것으로, 구동력을 앞뒤 바퀴로 나누는 역할을 한다. 대부분 변속기와 연결되어 있고 프로펠러샤프트로 앞뒤 디퍼렌셜에 동력을 전달한다. 차의 특성과 구동계 배치에 따라 다르기는 하지만, 가장 일반적인 형태는 뒷바퀴굴림 장치의 변속기 출력축에 기어 또는 체인을 연결해 앞쪽 디퍼렌셜과 이어진 프로펠러샤프트로 동력을 전달한다.

차의 용도에 따라 트랜스퍼 케이스에는 여러 기능이 더해진다. 가장 기본적인 것은 앞쪽과 뒤쪽 프로펠러샤프트에 항상 구동력이 전달되는 상시(풀타임) 네바퀴굴림 장치다. 여기에 앞쪽 디퍼렌셜과 이어진 프로펠러샤프트 쪽에 동력을 잇고 끊을 수 있는 장치를 달면 파트타임 네바퀴굴림 장치가 된다. 이 장치에서 앞쪽 프로펠러샤프트로 전달되는 동력을 끊으면 앞바퀴굴림 또는 뒷바퀴굴림 방식과 같아진다.

또한 험한 길을 달려야 하는 차에는 저속 기어가 더해지기도 한다. 저속 기어는 출력축에 입력축보다 톱니수가 많은 기어를 연결시키는 것으로, 출력축의 회전수가 낮아지는 대신 토크가 높아져 험한 노면에서도 쉽게 빠져 나올 수 있게 해준다. 앞쪽 프로펠러샤프트로 전달되는 동력을 잇고 끊는 장치나 저속 기어는 차의 특성에 따라 선택적으로 달리는데, 과거에는 별도의 레버를 이용해 수동으로 조작하는 장치들이 많았으나 최근에는 스위치를 이용해 전기적으로 조작이 이루어지도록 한 것이 많다. 이런 장치들은 대부분 험로를 달려야 하는 SUV나 트럭에서 볼 수 있고, 승용차에는 거의 쓰이지 않는다.

프로펠러샤프트와 드라이브샤프트 propeller shaft & drive shaft
프로펠러샤프트(propeller shaft)는 FR 방식에서 트랜스미션과 디퍼렌셜 기어를 연결해 구동력을 전달하는 축이다. 드라이브샤프트(drive shaft)는 FF 방식에서 트랜스액슬의 최종감속 기어와 바퀴를, FR 또는 4WD 방식에서 디퍼렌셜과 바퀴를 연결해 구동력을 전달하는 축을 말한다.

유니버설 조인트/등속 조인트 universal joint/constant velocity joint
유니버설 조인트(universal joint)는 맞물린 두 개의 축이 일직선상에 있지 않고 각을 이루어 움직일 수 있도록 하는 이음새를 뜻한다. 기본적인 구조는 두 개의 경첩이 90도 각도로 겹쳐져 있는 것과 비슷하다. 대부분 축의 맞물리는 부분에 U자 모양의 구조(요크, yoke)를 덧붙이고, 양쪽 요크를 십자 모양의 축(크로스, cross)에 90도 각도로 엇갈리게 끼운 구조로 되어 있다. 유니버설 조인트는 물린 두 개의 축이 서로 일정 각도로 꺾인 채 회전해도 동력이 전달된다는 것이 장점이지만, 두 축 사이의 각도가 커질수록 저항과 진동이 커지는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위해 개발된 것이 등속 조인트다. 등속 조인트는 영어 표현인 ‘constant velocity joint’의 머릿글자를 따 CV 조인트라고도 한다. 등속 조인트의 역할은 유니버설 조인트와 같지만, 두 축 사이에 회전속도의 차이가 없도록 축이 맞물리는 부분의 구조를 바꾼 것이다. 등속 조인트에서는 유니버설 조인트의 요크와 크로스의 역할을 돔(dome)과 볼(ball)이 대신한다. 입력축의 끝부분에는 반구 모양의 돔이 달려 있고, 돔과 출력축 사이에 여러 개의 볼이 자리잡고 있다. 출력축 중심이 입력축 중심과 엇갈리더라도 출력축 끝에 물린 볼이 입력축의 회전속도를 유지해준다.
자동차에서는 프로펠러샤프트와 드라이브샤프트 등 변속기에서 바퀴 사이를 잇는 축에 흔히 쓰인다.

비스커스 커플링•viscous coupling
비스커스 커플링(viscous coupling)은 네바퀴굴림(AWD) 구동계에 많이 쓰이는 장치다. 기본적으로 입력축과 연결된 밀폐된 케이스 안에 점도가 높은 액체를 가득 채우고, 그 안에 구멍이 뚫린 여러 개의 얇은 원판을 배치한다. 원판은 하나 걸러 하나씩 케이스와 출력축에 연결되어 있다. 입력축과 출력축의 회전수에 차이가 생기면 원판 사이를 메우고 있는 액체의 점성으로 인해 토크가 전달된다. LSD와 비슷한 역할을 하지만, 입력축과 출력축의 회전중심이 일직선상에 있다는 점이 다르다.
발전된 형태의 비스커스 커플링으로는 스웨덴 할덱스(Haldex)사가 개발한 할덱스 리미티드 슬립 커플링(LSC)이 있다. 이 장치는 클러치 방식의 기계식 LSD와 비스커스 커플링의 특성을 합친 것으로, 다판 클러치를 쓴다는 점은 비스커스 커플링과 비슷하지만 축 또는 바퀴의 회전을 센서로 감지해 회전차가 생겼을 때에 전자제어 밸브로 작동되는 유압 펌프를 이용해 클러치를 강제로 연결시킨다는 점이 다르다. 기계식 LSD보다 구조가 간단하고 크기가 작으면서도 비교적 작동이 빠르고 동력 손실이 적을 뿐만 아니라, ABS나 ESP 등 전자제어 주행안정장치와 함께 쓰기에 편리해 최근 앞바퀴굴림 바탕의 AWD차에 많이 쓰이고 있다.    

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폭스바겐 골프 4모션의 구동계를 보여주는 투시도. 엔진과 바퀴 사이를 잇는 변속기, 차축, 디퍼렌셜 등이 있다앞 엔진 앞바퀴굴림(FF)은 프로펠러 샤프트가 없다미드십 리어 드라이브(MR) 레이아웃의 포르쉐 카이맨리어 엔진 리어 드라이브(RR)의 전통을 유지해 온 포르쉐 911유니크한 트랜스 액슬 방식 4WD 시스템을 사용하는 닛산 GT-R의 구동계디퍼렌셜의 분해도. 기어를 조합해 부하에 따라 좌우로 나뉜 두 축의 회전수가 다르게 조절된다차동제한 디퍼렌셜(LSD)의 일종인 토센 디퍼렌셜유니버설 조인트의 개념도. U자 모양의 구조가 크로스에 90도 각도로 엇갈리게 끼워져 각도로 엇갈리게 끼워져 있다뒷바퀴굴림 구동계의 변속기에 연결된 트랜스퍼 케이스다토요타 매트릭스의 뒤 디퍼렌셜 부분. 빨간 원이 쳐진 부분이 비스커스 커플링이다