F1을 좋아하는 사람들이라면 여러 드라이버들의 인터뷰(interview)로부터 또는 F1 경기 해설로부터 디퍼런셜 기어(Differential Gear) 또는 디퍼런셜(Differential)이라는 단어를 많이 들어봤을 것이다.
디퍼런셜(Differential)은 차량의 핸들링과 더불어 차량 성능에 큰 영향을 미친다. 그러나 아마 나를 포함한 몇몇 사람들은 디퍼런셜(Differential)의 정확한 역할에 대해서 잘 알지 못할 것이고, 더불어 디퍼런셜(Differential)이 왜 중요한지 알기 어려울 수 있다. 디퍼런셜(Differential)의 대략적인 기능은 알더라도, 포뮬러원 머신의 디퍼런셜에 대해서는 잘 알지 못할 수도 있다. 포뮬러원 차량은 일반 상용차와는 다른 특별한 것이 있기 때문이다.
이번 포스팅에서는 디퍼런셜(Differential)에 대한 기본적인 내용과 더불어, 특히 포뮬러원 머신의 디퍼런셜(Differential)에 대해 다뤄보려고 한다.
디퍼런셜(Differential)의 사전적 의미
먼저 디퍼런셜(Differential)이라는 단어의 사전적 의미는 '차이' 또는 '격차'다. 사전적 의미로 미루어 보았을 때, 디퍼런셜 기어는 차량 내부 어딘가에서 발생하는 차이나 격차(?)를 처리해주는 녀석이라고 생각할 수 있을 것 같다.
디퍼런셜 기어를 한국어로 표현하면 차동(差動) 기어 또는 차동장치라고 한다.
짚고 넘어가야 할 차량 부품 명칭
디퍼런셜의 구성은 위 그림과 같다. 실제로는 매우 복잡하지만 설명을 위해 단순한 그림을 첨부했다.
드라이브샤프트(Driveshaft)로부터 나오는 회전력 즉, 토크(Torque)가 뒷바퀴의 회전력으로 전달될 수 있도록 하는 기어들의 집합체라고 보면 된다.
각 부품에 대한 설명과 디퍼런셜에 대한 내용은 아래에서 자세히 다뤄질 예정이다. 일단은 아래의 용어만 익혀두도록 하자.
- 드라이브샤프트(Driveshaft)
- 피니언 기어(Pinion Gear)
- 링 기어(Ring Gear)
- 스파이더 기어(Spider Gear) = 새틀라이트 기어(Satelite Gear)
- 액슬 기어(Axle Gear) = 사이드 기어(Side Gear)
- 리어 액슬(Rear Axle)
자 이제부터 디퍼런셜의 구조와 함께 디퍼런셜의 역할에 대해 차근차근 살펴보기로 하자. 락 업 디퍼런셜(Lock Up Differential) 구조부터 시작하여 오픈 디퍼런셜(Open Differential) 구조까지 설명되며, 이와 함께 디퍼런셜의 역할에 대해 살펴볼 것이다.
락 업 디퍼런셜 (Lock Up Differential)
디퍼런셜의 첫 번째 역할은 드라이브샤프트(Driveshaft)의 회전력 즉, 토크(Torque)를 90도 회전시켜 리어 액슬(Rear Axle)로 전달하는 역할을 한다.
* 토크(Torque)가 궁금하다면?
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위 그림을 보면 알 수 있듯, 드라이버샤프트(Drivershaft)의 끝에는 피니언 기어(Pinion Gear)가 있다. 이는 링 기어(Ring Gear)라는 녀석과 맞물려 있다. 이러한 구조에서 우리는 피니언 기어의 회전축을 링 기어의 회전축으로 전환시킬 수 있다.
두 개의 뒷바퀴가 하나의 리어 액슬 양 끝에 있고, 이 사이에 링 기어가 위치해 리어 액슬과 연결되어 있다면, 링 기어로 전환된 회전력에 의해 리어 액슬이 회전하게 된다. 즉, 좌측 바퀴와 우측 바퀴가 서로 동일한 회전을 하게 된다. 양쪽 바퀴가 서로 잠겨있다는 의미에서 이러한 구조를 락 업(Lock Up) 구조라고 부르기로 하자. 이러한 락 업 구조에서는 좌측 바퀴가 한 바퀴 회전할 때, 우측 바퀴 또한 동일한 양만큼 회전한다.
아무쪼록 엔진으로부터 나온 동력을 이용해서 뒷바퀴를 회전시켰다. 꽤나 괜찮은 구조이다.
락 업 구조에서 차량의 동력 전달 순서는 아래와 같다.
[락 업 구조의 동력 전달 순서]
드라이브샤프트 → 피니언 기어 → 링 기어 → 리어 액슬
락 업(Lock Up) 구조의 문제점
허나 이러한 락 업(Lock Up) 구조에는 문제가 있다. (두둥!)
이러한 구조는 직선 구간에서는 괜찮다. 그러나 포뮬러원을 포함한 대부분의 모터스포츠는 단순히 직선으로만 가지 않는다. (드래그 레이스는 제외...)
차량이 코너를 돌아나간다고 해보자. 위 그림과 같이 코너를 돌아나갈 때 코너의 바깥쪽에 위치한 타이어는 코너의 안 쪽에 위치한 타이어보다 더 많이 회전해야 한다. 즉, 바깥쪽 타이어가 안 쪽 타이어보다 같은 시간동안 더 빠른 속력으로 회전해야 한다.
양 쪽 바퀴가 서로 잠겨있는 락 업(Lock Up) 구조에서는 하중을 많이 받는 바깥 쪽 타이어가 리어 액슬(Read Axle)의 회전을 지배하므로(dominate), 안쪽 바퀴는 바깥쪽 바퀴와 같은 속도에 맞춰 회전한다. 양쪽 바퀴가 서로 잠겨있으므로 어쩔 도리가 없다.
안쪽 바퀴는 불필요하게 필요 이상의 속도로 회전한다. 이로 인해 트랙에 타이어 러버만 남기면서 불필요한 타이어 마모를 일으킴과 동시에 전체적인 차량 시스템에서 굉장히 비효율적이다. 불필요한 것은 나쁜 것이고, 이러한 나쁜 요소들은 결국 차량의 속도만 느리게 만든다.
우리는 양쪽 바퀴를 독립적으로 동작시킬 수 있는 새로운 구조가 필요하다.
오픈 디퍼런셜(Open Differential) 구조
스파이더 기어(Spider Gear)의 등장
이 타이밍에 디퍼런셜의 두번째 역할이 등장한다. 왼쪽 액슬과 오른쪽 액슬이 필요 시에 서로 다른 속도로 회전하게 만드는 역할이 바로 그것이다!
이를 위해 과감히 락 업(Lock Up) 구조를 버리고 새로운 구조를 도입해야 한다. 새로운 구조에 필요한 부품의 이름이 바로 스파이더 기어(Spider Gear)이다.
스파이더 기어의 생김새는 위와 같다. 위에서 봤을 때 그 모양이 거미와도 같다(?)는 이유에서 붙여진 이름으로 사람들은 추측하고 있다.
자 이제 우리는 락 업 구조에서 사용하던 리어 액슬(Rear Axle)을 두개로 나눌 것이다. 두개의 리어 액슬의 끝에는 액슬 기어(Axle Gear)가 있고, 이 사이에 스파이더 기어(Spider Gear)가 위치하게 된다. 이러한 구조로 스파이더 기어는 양쪽 액슬과 서로 상호작용한다.
여기서 중요한 것은 스파이더 기어는 링 기어에 붙어있는 기어다. 이말인즉슨, 링 기어가 회전할 때 스파이더 기어도 함께 회전한다.
앞서 말한대로 스파이더 기어는 양쪽 액슬 기어 사이에 위치해 양 액슬 기어와 맞물려 있고, 이렇게 맞물려있기 때문에 링 기어에 부착되어있는 스파이더 기어가 두 개의 리어 액슬을 회전시킬 수 있다. 이전 락 업 구조에서 링 기어가 회전할 때 락업 되어있던 리어 액슬이 회전했던 때와 동일하다.
정리하면 리어 액슬 직접적으로 회전시키는 녀석이 링 기어(Ring Gear)에서 스파이더 기어(Spider Gear)로 변경되었다. 더 이상 링 기어가 직접적으로 리어 액슬을 회전시키지 않는다는 것이다.
이로 인해 오픈 디퍼런셜 구조에서 차량의 동력 전달 순서는 아래와 같이 되었다.
[오픈 디퍼런셜 구조의 동력 전달 순서]
드라이브샤프트 → 피니언 기어 → 링 기어 → 스파이더 기어 → 액슬 기어 → 리어 액슬
스파이더 기어(Spider Gear)의 역할
스파이더 기어의 역할을 정리하면 아래와 같다.
1. 링 기어와 리어 액슬 사이의 동력 전달을 담당
2. 양쪽 리어 액슬이 서로 다른 속도로 회전하는 것을 허용
오픈 디퍼런셜(Open Differential) 구조
직선 구간에서는 스파이더 기어는 회전하지 않는다. 따라서 양쪽 액슬 기어를 통해 리어 액슬을 동일하게 회전시킨다. 이전과 그냥 동일하다고 생각하면 되며, 단순히 차량의 동력을 뒷바퀴로 전달한다고 생각하면 된다.
하지만 코너 구간에서는 다르다. 만약 차량이 우회전 한다고 가정해보면, 스파이더 기어는 자신의 축을 기준으로 반시계방향으로 회전하게 된다.
스파이더 기어 스스로의 축을 기준으로 돌 수 있는 구조이므로 이제 스파이더 기어는 회전력을 두 가지 방식으로 각 리어 액슬에게 전달한다.
락 업 구조에서 뒷바퀴는 바깥쪽 타이어를 기준으로 돈다고 언급했다. 여기서의 문제는 안쪽 바퀴가 바깥쪽 바퀴와 락 업 되어있기 때문에 안쪽 바퀴가 바깥쪽 바퀴에 맞추어 돌아 마모가 생기는 것이었다.
하지만 이제는 상황이 달라졌다. 안쪽 바퀴에 자유가 생겼다. 바깥쪽 타이어가 빨리 돌더라도, 안쪽은 바깥쪽이랑 분리되어 있기 때문에 더이상 같은 속도로 돌지 않는다. 중간에 스파이더 기어가 있기 때문에 양쪽 바퀴의 속도가 다르더라도 스파이더 기어가 자신의 기어 축으로 회전함으로써 둘의 회전속도 차이가 있더라도 여전히 링 기어의 동력을 리어 액슬로 전달할 수 있는 것이다.
스파이더 기어는 스스로 회전한다?!
아니다! 여기서 조금 헷갈릴 수 있는 부분이 스파이더 기어가 어떻게 회전하게 되느냐이다. 스파이더 기어는 스스로 회전하는 것이 아니라, 양쪽 바퀴에 서로 다른 동력이 가해지는 경우에 회전한다. 예를 들어, 코너링하는 경우 바깥쪽의 바퀴가 더 빠른 속도로 회전하는 경우나, 한쪽 바퀴의 트랙션이 반대쪽 바퀴에 비해 현저히 낮아 더 많은 동력이 가해지는 경우가 여기에 해당된다.
우리는 드디어 디퍼런셜의 정의를 알았다! 위와 같이 바깥쪽 타이어와 안쪽 타이어의 회전 속도의 차이를 처리해주기 때문에 디퍼런셜이라는 명칭이 붙은 것이다!
오픈 디퍼런셜에도 문제점이..?
이는 일반적인 차량에는 충분히 좋은 해결책이다. 하지만 포뮬러원 차량과 같은 고성능 차량에는 여전히 문제가 있다.
다음 포스팅에서는 포뮬러원 머신과 같은 고성능 차량에 필요한 디퍼런셜 시스템인 LSD(Limited Slip Differential) 에 대해 알아보자.