제네시스 브랜드의 EQ900에도 4WD 시스템이 채용되면서 이제는 세단형 승용차에 네바퀴 굴림방식이 더 이상 특별하지 않게 됐다. 세단형 승용차에 4WD 시스템을 채용한 것은 아우디의 콰"/> 제네시스 브랜드의 EQ900에도 4WD 시스템이 채용되면서 이제는 세단형 승용차에 네바퀴 굴림방식이 더 이상 특별하지 않게 됐다. 세단형 승용차에 4WD 시스템을 채용한 것은 아우디의 콰"/> 승용차용 네바퀴 굴림방식의 A to Z > 스페셜이슈 | 글로벌오토뉴스

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승용차용 네바퀴 굴림방식의 A to Z

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2016-08-24 14:56:27

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제네시스 브랜드의 EQ900에도 4WD 시스템이 채용되면서 이제는 세단형 승용차에 네바퀴 굴림방식이 더 이상 특별하지 않게 됐다. 세단형 승용차에 4WD 시스템을 채용한 것은 아우디의 콰트로가 그 시작이다. 험로 주파를 위한 장비로 오랜 시간 인식되어 왔던 4WD가 21세기 들어 프리미엄 브랜드들의 일취월장이 가시화되면서 많은 브랜드들이 앞다투어 채용하기 시작했다. 오늘날의 4WD는 미끄러운 노면과 고속주행시의 안정성을 높이기 위한 것으로 자리잡았다. 현대차 그룹의 제네시스 브랜드에 마그나 스티어제의 시스템이 채용되면서 국내 소비자들도 관심이 높아지고 있다. 네바퀴 굴림방식의 기본적인 내용들을 살펴 본다. 

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오늘날 4WD 시스템이 험로 주파용으로 사용되고 있는 모델은 많지 않다. 랜드로버 디스커버리와 지프 랭글러, 토요타 랜드크루저로 대표되는 오프로더를 제외하면 거의 모든 경우가 온로드 주행을 상정하고 있다. 더불어 SUV의 수요가 증가하면서 4WD 시스템도 그만큼 많이 사용되게 되었다. 물론 오늘날의 SUV와 크로스오버에 채용되는 네바퀴 굴림방식은 온로드에서의 주행성을 위한 장비로 인식되고 있다. 토요타의 4세대 프리우스에도 4WD 시스템이 채용되면서 세그먼트와 장르를 구분하지 않고 그 사용 폭이 확대되고 있다. 

네바퀴 굴림방식은 타이어의 접리력을 적절히 사용해 구동력을 노면에 확실히 전달해 준다. 그 구동력을 상황에 따라 네 바퀴에 분산하는 것이 특징이다. 노면이 미끄럽거나 구동력 전달이 어려울 때 공회전하는 바퀴의 구동력을 다른 쪽으로 옮겨 주는 것이 요체다. 

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4WD는 크게 풀 타임과 파트 타임식으로 나뉜다. 오늘날 승용차에 주로 사용되는 풀 타임 4WD는 앞뒤 바퀴에 토크를 배분하는 기구에 차동장치인 디퍼렌셜 기어를 설치해 상시 4륜으로 주행할 수 있도록 한 것을 말한다. 코너링시 구동륜 좌우의 안쪽 바퀴의 회전차를 흡수해 부드러운 주행을 실현하기 위해 디퍼렌셜 기어를 갖추고 있다. 이 기구를 앞뒤 바퀴의 회전차를 흡수하는 기구에도 사용하는 것이 센터 디퍼렌셜이다. 앞뒤 바퀴를 직결하면 노면의 마찰계수(μ 뮤)가 높은 건조한 포장도로에서는 스터어링 휠을 크게 꺾으면 브레이크가 걸리는 것 같은 현상이 생긴다. 

그래서 풀 타임 4WD는 앞뒤의 회전 차를 흡수하는 센터 디퍼렌셜을 갖추는 것이 일반적이다. 예를 들어 뒷바퀴 굴림방식차의 4WD에서는 변속기의 뒤쪽 끝에 트랜스퍼를 설계해 앞 디퍼렌셜로 구동력을 배분한다. 트랜스퍼 내부에는 센터 디퍼렌셜이 있다. 

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풀 타임 4WD는 그 구조에 따라 기계식과 전동식으로 나뉜다. 기어만을 사용하는 것을 기계식이라고 한다. 다만 여기에서는 엔진의 구동을 4륜에 배분하는 기구는 모두 기계식으로 분류했다. 전동식은 엔진의 구동력을 4륜에 전달하는 것이 아니라 엔진이 앞바퀴, 모터가 뒷바퀴라고 하는 구동력이 완전히 분리되어 있다. 하이브리드 전기차와 배터리 전기차 등에 채용되는 것으로 나중에 별도로 설명한다. 

기계식 풀 타임 4WD는 센터 디퍼렌셜의 차이로 네 종류가 있다. 기계식, 토센식, 비스커스 커플링식, 다판 클러치식이 그것이다. 기계식은 기어의 조합에 의해 앞뒤바퀴에 구동력을 배분한다. 기계식 풀타임 4WD라고 하면 통상은 이 방식을 말한다. 베벨 기어를 조합시킨 것과 유성치차를 이용한 것이 있다. 변속기에서의 구동력을 트랜스퍼에 의해 앞뒤 바퀴에 배분하는데 앞뒤의 디퍼렌셜 기어로 기어비를 미세하게 바꿈으로써 앞뒤의 토크 배분을 설정할 수 있다. 

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통상은 네 바퀴에 구동력을 배분함으로써 높은 안전성, 주파성을 실현하는데 FF와 FR 디퍼렌셜 기어와 마찬가지로 한쪽의 구동륜이 공전하면 차체 전체에서 구동력을 잃고 많다. 그것을 방지하기 위해 차동을 제한하는 LSD(Limited Slip Differential)과 디퍼렌셜 록 기구를 갖춘 것도 있다. 

두 번째로 토센식은 치차기구만으로 차동 제한이 가능한 것이다. 변속기에서의 구동력은 하우징에 전달되고 통상시에는 앞뒤바퀴에 구동력이 균등하게 전달된다. 하지만 조타시 등 앞뒤 타이어의 회전수가 달라지면 내부에 있는 엘레멘트 기어가 회전해 타이어 회전수의 차이를 흡수한다.

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엘레먼트 기어의 구조는 복잡하다. 예를 들면 웜 기어와 평 치차를 조합시킨 것이 있다. 앞뒤바퀴에 회전수가 크게 차이가 나면 엘레먼트 기어도 빨리 회전하는데 치면 저항이 커짐으로써 일정 이상의 회전수로 되는 것을 막는다. 이에 따라 차동 제한이 생겨 트랙션 성능을 높여주는 구조다. 

기어의 조합에는 몇 가지 종류가 있다. 길이가 다른 피니언 기어를 조합시키는 것은 피니언 기어를 축 방향으로 지지하지 않고 비틀림 응력을 이용해 치차의 치합 저항을 증감한다. 유성 치차 기구를 이용한 것은 기어비에 따라 앞뒤에 다른 토크 배분을 실현 가능하다. 센터 디퍼렌셜 록 기구를 설계해 주 구동력에 토센식 LSD를 조합함으로써 주파성을 높이는 4WD도 있다. 

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세 번째의 비스커스 커플링식. 특징은 치차를 사용하지 않고 풀 타임 4WD를 실현한다는 점이다. 비스커스 커플링은 유체 클러치의 일종이다. 서로 다르게 겹쳐진 디스크를 내장한 하우징 안을 고점도의 액체로 체운 것이다. 통상은 주 구동축에만 구동력을 전달해 앞뒤 타이어에 회전차가 생길 때 다른 한쪽의 구동축에 구동력을 전달한다. 

비스커스 커플링식은 구조가 간단해 소형차에 많이 채용된다. 중량 증가를 억제함과 동시에 복잡한 제어도 필요없는 이점이 있기 때문이다. 이 방식은 겨울철 눈에 많이 내리는 지역에서 효용성이 높다. 단점은 주 구동축이 공전해도 또 한쪽의 구동축에 구동력이 전달되기 때문에 일순간의 반응 지연이 나타난다는 것이다. 그런데 일반 도로를 통상 주행하는 상태에서는 실용상 문제가 없다. 

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네 번째로 다판 클러치식은 트랜스퍼에서 분배된 구동력을 다판 클러치의 제한에 의해 구조적인 구동 축에 전달해 토크를 변화시키는 것이다. 다판 클러치의 대표적인 예는 전자제어식 오일 펌프로 작동하는 할덱스 커플링이 있다. 우리는 지금까지 이것`을 전자제어식으로 분류해왔다. 

다판 클러치식은 언뜻 비스커스 커플링식과 비슷해 보인다. 하지만 비스커스 커플링식이 주 구동축이 미끄러지는 만큼 또 한쪽의 구동축에 구동력을 전달하는데 비해 이 방식은 다판 클러치를 유압과 전동으로 제어하기 때문에 앞뒤 토크 배분을 자유로이 설정할 수 있다. 보조적 구동축에도 상시 구동력을 전달한다. 

같은 구조인 채로 제어 패러미터를 변화시킴으로써 핸들링 성능 등을 자유로이 조정 가능하다. 이때문에 현재 가장 세련된 기계식 풀 타임 4WD의 방식으로 고급차를 중심으로 채용이 늘고 있다. 

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다판 클러치식의 풀 타임 4WD를 유압, 또는 전동에 의해 제어해 앞뒤 전달 토크제어에 이용함으로써 엔진의 탑재위치와 베이스로 되는 레이아웃에 관계 없는 자유로운 섀시 특성을 갖추는 것이 가능해 진다. 특히 앞바퀴 굴림방식차의 4WD에서도 뒷바퀴 굴림방식적인 섀시의 특성을 가지는 것이 가능한 것이다. 주 구동륜을 앞뒤 어디에 설정할지 토크 배분의 특성 등의 튜닝에 따라 섀시 특성을 크게 바꾼다. 현대 제네시스에 처음 마그나 스티어제 4WD 시스템을 채용했을  때 이런 특성을 보였었다. 

실제로는 엔진의 탑재위치 등 중량 배분에도 영향을 받는데 앞뒤 타이어에의 토크 배분 비율이 높으면 앞바퀴 굴림방식차에 가까운 직진안정성 우선의 섀시로 된다. 뒷바퀴 타이어에의 토크 배분이 높으면 앞바퀴 타이어는 코너링 포스에 그립을 보다 많이 사용하기 때문에 핸들링 성능이 향상한다고 하는 것이다. 

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다판 클러치를 완전히 체결하면 기본적으로는 앞뒤로 50 : 50의 토크 배분으로 된다. 또한 기어 등에 따라 전후로 차이를 주는 경우도 있다. 하지만 주 구동륜측은 변속기와 기어에 의한 결합을 하고 있어 항상 구동토크의 공급을 받고 있다. 

임의로 또는 자동적으로 전후의 토크 배분이 변화된 경우 주 구동축에의 구동력은 항상 안정되어 있다. 이에 따라 구동 토크의 변동에 의한 핸들링 특성의 변화는 적고 타이어의 그립이 상실된 상태에서도 높은 안정성과 조종성을 실현하기 쉬운 것이다. 

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다판 클러치는 차동 제한장치도 겸하는데 전후륜 축에는 각각 디퍼렌셜 기어가 있기 때문에 한쪽 바퀴가 공전하는 상태로 되면 남은 구동륜은 구동력을 잃고 많다. 그것을 방지하면서 높은 주파성을 유지하기 위해 마찰계수가 낮은 도로에서의 주행시 공회전하는 차륜에만 브레이크를 걸어 다른 세 바퀴에 구동력을 분배하는 ECB(전자제어 브레이크)를 탑재해 차동 제한하는 차도 늘고 있다. 

또 풀 타임 4WD의 높은 안정성과 직진성만이 아니라 코너링시에도 보다 적극적으로 활용하기 위해 토크 벡터링을 도입하는 예도 늘고 있다. 전후 토크 배분을 항상 최적으로 제어해 눈길과 미끄러지기 쉬운 노면에서도 안정적인 주행을 실현한다.  

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시스템으로서는 센터 디퍼렌셜을 갖지 않고 트랜스퍼에서 리어 디퍼렌셜(엄밀히는 차동 기구는 아니다)까지 구동력을 그대로 전달해 뒷바퀴 차축상의 좌우에 각각 다판 클러치를 설계하고 있다. 이에 따라 뒷바퀴 좌우의 구동력을 조정해 센터 디퍼렌셜과 리어 디퍼렌셜의 기능을 일체화했다. 

더욱 적극적으로 토크 배분을 제어함으로써 코너링시의 선회성능을 높이는 토크 벡터링으로서도 기능하고 있어 험로 주행시에는 디퍼렌셜 록으로서도 작동한다. 토크 벡터링과 LSD의 기능은 비슷하지만 엔지니어의 성향에 따라 채용하고 있는 것이 오늘날의 추세다.  
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