지난 포스팅에서 우리는 디퍼런셜(Differential)에 대한 기본적인 내용을 살펴봤다. 하지만 일반적인 디퍼런셜과는 다르게, F1 차량과 같은 고성능 차량에는 다른 형태의 디퍼런셜이 필요하다고 언급했다.
이번 포스팅에서는 조금 더 특별한 형태의 디퍼런셜인 리미티드 슬립 디퍼런셜(Limited Slip Differential, LSD)에 대해 살펴보려고 한다.
오픈 디퍼런셜(Open Differential)의 문제
오픈 디퍼런셜(Open Differential)
우리가 지난 포스팅에서 다뤘던 디퍼런셜은 오픈 디퍼런셜(Open Differential)이다. 오픈 디퍼런셜은 어떻게 보면 참으로 간단하면서도 심플한 구조다. 그저 바퀴의 저항에 잘 반응하면서 여기에 기계적으로도 잘 반응하면 된다.
코너를 엄청난 속도로 빠져나가는 고성능의 F1 차량
하지만 F1과 같은 고성능 차량에서 문제는 각 바퀴의 그립이 그냥 다른 것도 아닌 굉장히 다르다는 것이다. 오픈 디퍼런셜이 서로 굉장히 다른 두 바퀴의 그립을 맞춰주기는 하지만, 문제는 너무나도 과하게 맞춰준다(overcorrect)는 것이다.
문제 #1 : 한쪽 바퀴만 미끄러운 경우
상황을 만들기 위해, 예를 들어 어떤 F1 차량이 엔진 블로우(Engine Blow)로 인해 트랙 노면 한쪽에 기름을 쏟았고, 이로 인해 트랙 우측이 미끄러워졌다고 해보자.
휠을 통해 차량의 동력을 전달하는 과정에서, 왼쪽 타이어가 오른쪽 타이어에 비해 트랙션이 더 높다. 이는 왼쪽 타이어가 오른쪽 타이어보다 더 높은 저항을 갖는다는 것을 의미한다.
그립을 잃고 순식간에 슬립해버리는 F1 차량
이런 경우에는 대부분의 차량의 동력이 우측으로 전달되어 버린다. 왜냐하면 우측이 트랙션이 더 적으므로 더 쉽게 회전하기 때문이다. 한쪽으로 동력이 쏠린다는 것인 결국 슬립(slip)한다는 의미 즉, 휠 스핀(Wheel Spin)이 발생한다는 의미이다.
모든 모터스포츠 경기에서 그렇듯, 포뮬러원에서 휠 스핀은 치명적이다.
엔진 블로우(Engine Blow)? 정확한 명칭은 Engine Blow-by 또는 Blown Engine이다. 차량의 연료(실제로는 공기와 연료의 혼합물(mixture)이다.)나 내연 가스가 엔진내부피스톤과실린더벽사이의공간으로새어나와크랭크케이스로흘러들어가는현상을 지칭한다.
무엇보다도 주목해야 할 부분은 정작 차량이 앞으로 나아가려면 기름이 묻지 않은 좌측 바퀴에 동력이 전달되어야 하는데, 정작 좌측 바퀴에는 동력이 하나도 전달되지 않게 된다는 점이다.
이로 인해 차량은 교착상태에 빠져버리게 된다. (bog down...) 이러한 경우에는 오히려 두 리어 액슬(Rear Axle)이 락 업되어 있는 것이 효과적일 수 있다. 왜냐하면 한쪽 타이어가 미끄러워도 양 액슬에 전달되는 동력은 동일하기에 왼쪽 타이어가 회전할 수 있고, 이 동력으로 그립을 이용하여 차량을 앞으로 나아가게 할 수 있기 때문이다.
우리가 엔진 블로우를 예시로 들어서, "그래 봤자 엔진 블로우가 얼마나 나겠어?"라고 생각할 수 있지만, 이러한 엔진 블로우뿐만 아니라 비로 인한 물에 의한 위험도 존재한다.
경기를 보다 보면 치열한 자리싸움으로 잠깐 차량의 한쪽 바퀴가 포뮬러원 트랙의 각종 런오프 에어리어의자갈(Gravel)이나 잔디(Grass)에 걸치는 경우가 있다. 이러한 경우도 트랙션의 차이로 오픈 디퍼런셜은 큰 문제를 야기한다.
위 영상의 러셀과 보타스의 사고처럼 젖은 잔디를 밟아 순식간에 슬립이 발생해 휠 스핀이 날 수도 있다.
문제 #2 : 고속 코너에서 하중 이동
고속으로 코너를 도는 경우 안쪽 바퀴가 들린다.
차량이 고속 코너를 돈다고 해보자. 고속 코너를 도는 경우 차량의 하중이 바깥쪽으로 실리게 된다. 쏠린 하중으로 안쪽 타이어에서 트랙션 손실(Traction Loss)이 발생하고, 바깥쪽 바퀴의 경우 더 많은 트랙션이 발생하게 된다.
극단적으로 코너를 돌면서 차량의 안쪽이 들린다고 생각해보면 되는데, 이는 오일이나 물, 또는 잔디를 밟는 것과 동일한 효과를 낸다.
결국 차량의 대부분의 동력이 트랙션이 없는 안쪽 타이어로 전달되게 된다.
리미티드 슬립 디퍼런셜(LSD)의 등장
위와 같은 문제로 F1 차량을 비롯한 고성능 차량은 리미티드 슬립 디퍼런셜(Limited-Slip Differential, 이하 LSD) 형태의 디퍼런셜을 취한다.
LSD는 디퍼런셜의 약간 수정된 버전인데, 디퍼런셜이 스스로 Fully-open Differential과 Fully-locked Differential 사이에서 그 정도를 조절하는 형태이다.
만약 한쪽 타이어에서 트랙션 로스가 발생하면, LSD 그 바퀴에 전달되는 힘을 다른 쪽 바퀴로 전달해줄 수 있다. 마치 락 업 디퍼런셜처럼 말이다. 이러한 방식을 택하면 차량의 슬립을 어느 정도 방지해줄 수 있어 스핀을 면할 수 있다.
미끄러운 타이어 쪽의 액슬을 그립이 있는 타이어 쪽의 액슬로 연결함으로써 너무 많은 동력이 미끄러운 액슬로 가지 않도록 할 수 있다. 차량의 동력을 각 액슬로 적절하게 분배할 수 있는 것이다.
LSD의 구조 파헤치기
그렇다면 이러한 LSD는 어떻게 구현할까? 말은 쉽지 좀처럼 잘 상상이 되지 않는다.
LSD를 구현하기 위한 방법에는 한 가지만 있는 것은 아니고, 여러 가지 방법이 있다. 기계적인 방식을 취하는 Mechanical Reactive System을 사용할 수도 있다. 하지만 포뮬러원의 경우 전자 유압 시스템(Electronic Hydraulic System)을 이용한다.
F1 차량을 살펴보다 보면 유압식 시스템(Hydraulic System)이 많은 것 같기는 하다. 아무쪼록 '전자(Electronic)'과 '유압(Hydraulic)'으로 나누어 구조를 살펴보자.
LSD에서 전자(Electronic)의 의미
먼저 LSD에서 전자(Electronic)의 의미를 보자.
엔진 맵핑(Engine Mapping)의 예시. 이와 같이 디퍼런셜도 미리 맵핑해둔 후 상황에 따라 조절되게 할 수 있다.
온-보드(On-board) 컴퓨터는 마치 ECU의 엔진 맵핑과 같이 미리 프로그램되어 있거나 맵핑되어있다. 이는 여러 변수들에 반응하게끔 되어있다.
예를 들어, 얼마나 드라이버가 쓰로틀(Throttle) 페달을 세게 밟는가, 또는 어떤 휠이 더 많은 저항을 겪고 있는가, 어떤 휠이 미끄러운가 등에 반응하게끔 되어 있다. 이러한 변수들로 디퍼런셜을 Open 할지 Lock-up 할지 결정한다.
이를 통해 앞서 말한 대로 한쪽 휠로 과한 동력이 전달되지 않도록 하는 것이다. 이러한 전자 맵핑은 차량의 상태에 즉각적으로 잘 반응해야 하고 드라이버를 위해 최선을 다해줘야 한다.
LSD는 전자적인 시스템과 더불어 유압 시스템을 통해 이루어지는데, 유압 시스템은 각 액슬과 스파이더 기어 사이에 작용하는 마찰을 바꾸기 위해 아주 미세하고 정확한 유체 압력의 변화를 주는 시스템이다.
포뮬러원 차량의 스티어링 휠을 보거나 F1 게임을 하면 디퍼런셜을 조정하는 기능이 있다.
이런 디퍼런셜 조정 기능은 드라이버가 디퍼런셜을 조정할 때 얼마나 디퍼런셜이 공격적으로 반응할지를 정하는 것이다.
만약 디퍼런셜을 맥시멈 락킹(Maximum Locking)으로 설정한다면, 양쪽 리어 액슬을 완전히 락 업(Fully Lock-up) 시켜 하나의 액슬처럼 되게끔 한다. 반대로 미니멈 락킹(Minimum Locking)으로 설정한다면, 양쪽 리어 액슬은 완전히 오픈되어(Fully Open) 오픈 디퍼런셜처럼 동작하게 된다.
LSD의 활용
자 그럼 이런 LSD를 어떻게 활용할 수 있는지 보자.
코너를 통과할 때를 생각해보자. 최초 코너 진입 후 차량이 턴-인(Turn-in)할 때 디퍼런셜은 오픈된다. 이때 트랙을 따라 양 쪽 바퀴가 자유롭게 회전한다. 턴-인(Turn-in)을 마친 후 드라이버가 가속 페달을 밟아 휠에 동력을 가하는 경우, 디퍼런셜은 락 업(Lock up)된다. 하중을 고려해서, 차량이 앞으로 치고 나갈 수 있도록 차의 동력을 양쪽 바퀴에 적당하게 분배해야 하기 때문이다.
이런 식으로 디퍼런셜의 오픈-락업 정도를 조절하면 코너를 빠져나올 때 좋은 가속으로 빠져나올 수 있다.
앞서 언급한 스티어링 휠의 디퍼런셜 조정 기능이 있는 스티어링 휠을 보면, 팀마다 각기 다르지만 디퍼런셜 엔트리(Differential Entry)와 디퍼런셜 엑싯(Differential Exit)이 있다. 이것이 바로 앞서 설명한 코너 진입과 진출 시 디퍼런셜의 민감도를 조절하는 것이다.
모나코 서킷에서 코너마다 노브를 조절하는 마이클 슈마허(Michael Schumacher)
실제로 전 독일 출신의 F1 드라이버 마이클 슈마허(Michael Schumacher)는 코너마다 디퍼런셜을 아주 미세하게 조절하는 것에 굉장히 능했다고 한다.
하지만 드라이버는 여러 종류 또는 여러 상태의 타이어를 사용한다. 상황에 따라 소프트 타이어를 사용할 수도, 하드 타이어를 사용할 수도 있다. 또한 이미 마모된 타이어를 사용할 수도 있다.
뿐만 아니라 온도, 먼지, 타이어 러버 등에 따라 트랙 상태가 매번 달라진다. 비가 오면 트랙의 노면이 젖는 것처럼 말이다.
이에 따라 드라이버는 디퍼런셜의 민감도를 조절하고 싶을 것이다. 소프트 타이어의 경우 하드에 비해 그립이 높으므로, 느슨한 디퍼런셜이 필요하다. 반대로 하드 타이어의 경우 그립이 낮으므로 다소 락 업 되어있는 디퍼런셜이 필요하다.
하지만 변수가 너무나도 많기에, 드라이버는 주말 동안 차량을 운행하면서 어느 정도의 디퍼런셜이 필요한지 잘 파악해야 한다. 이것이 드라이버의 숙명!
이번 포스팅에서는 디퍼런셜의 탄생부터 시작해서, 기본적인 형태의 디퍼런셜인 오픈 디퍼런셜 그리고 포뮬러원 차량의 디퍼런셜인 LSD까지 살펴봤다. 코너마다 디퍼런셜을 조정한다는 사실에서 새삼 포뮬러원 드라이버가 대단함을 느꼈다.
다음 포스팅에서는 현재는 금지되어 있는 서스펜션인 FRIC(Front-Rear InterConnected) 서스펜션에 대해 다뤄볼 예정이다.
