코너를 돌 때 차바퀴는 OOO가 없으면 헛돈다!?
(feat. 뒷바퀴에 숨겨진 기술)
<차동 기어>
by 엔너드 EngNerd
#코너링 #차동기어 #기어 #공학 #과학 #기술 #과학기술
지난 글에서 자동차가 코너를 돌 때 발생하는 문제점과 이를 해결해 주는 기술을 탐구했습니다. 좌우 앞바퀴가 같은 각도로 회전한다면 회전축이 서로 동일하지 않아 다른 경로로 회전하는 문제가 발생하고, 이를 해결하기 위해 앞바퀴에 애커먼 조향장치(ackedrmann steering geometry)를 적용했죠. 애커먼 조향장치는 자동차의 네 바퀴가 항상 동일한 회전축을 가지며 코너를 돌 수 있게 해 줍니다. 지난 글의 내용이 궁금하신 분들은 하단의 링크를 통해 확인해 주세요.
자동차가 코너를 돌 때 바퀴의 회전 속도
하지만 같은 회전축을 가진다고 해도 아직 문제가 남아 있습니다. 바로 바퀴가 도는 회전 속도입니다.
엔진 동력에 의해 동일한 회전축으로 회전하는 바퀴 모습. [출처: Tec-Science, 1]같은 회전축을 가진 네 바퀴가 원운동을 하려면 모두 같은 각속도(angular velocity)로 회전해야 합니다. 이 각속도는 바퀴가 앞으로 이동하는 속도에 회전 반경을 곱하여 계산되는데요. 그렇다면 다른 회전반경을 가진 바퀴들은 서로 다른 속도를 가진다는 뜻이 됩니다.
회전반경에 따라 서로 다른 각속도로 회전하는 바퀴 모습. 회전반경이 작은 우측 바퀴가 더 느리게 회전하며, 다른 속도 때문에 가운데 축이 비틀리는 것을 볼 수 있다. [1]문제는 자동차의 동력 원리입니다. 일반적인 후륜 자동차는 차 앞에 있는 엔진에서 차의 뒷바퀴까지 기어로 연결되어 동력을 전달합니다. 이때 뒷바퀴가 같은 축(shaft)으로 연결되어 있다면 같은 회전수로 바퀴가 돌 것이고, 이는 같은 속도를 가진다는 뜻입니다. 뒷바퀴의 좌우 바퀴가 같은 속도를 가진다면 각속도는 다를 것이기 때문에 위에서 설명했던 원운동에 문제가 발생하게 되죠. 어느 한 바퀴는 바닥과 마찰을 일으키며 제대로 회전하지 못하고 헛돌거나 미끄러질(slip) 수 있습니다.
따라서 뒷바퀴가 엔진에서 동력을 전달받음과 동시에 좌우 바퀴가 다른 속도로 회전할 수 있어야 합니다. 이를 위한 장치가 바로 차동기어입니다.
차동 기어, Differential gear
뒷바퀴에 연결된 차동 기어. [출처: 2]차동장치는 위 그림처럼 뒷바퀴를 연결하는 축(shaft) 가운데에 설치된 기어입니다. 상당히 복잡해 보이는 구조인데요. 저 기어들이 어떻게 작동되는지 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.
Step 1. 바퀴가 각각 회전할 수 있도록 축을 분리한다.
먼저 앞서 설명한 이유로 좌우 뒷바퀴가 다른 각속도로 회전하기 위해서는 서로 독립적으로 움직여야 합니다. 따라서 서로 다른 축을 가져야 하죠. 위의 왼쪽 영상처럼 분리된 축에 튀어나온 핀(pin; 초록색 및 빨간색)을 손잡이가 달린 막대(파란색)으로 같이 돌리면 좌우 바퀴는 같은 속도로 회전합니다. 마치 같은 회전축을 가진 것처럼요. 단, 한쪽 바퀴에 저항이 걸려서 회전 속도가 달라지면 축을 밀어주는 막대가 틀어집니다. 위의 오른쪽 영상과 같이 일정 이상으로 회전하면 더 이상 핀을 돌리기 어려울 정도로 막대가 틀어지는 걸 볼 수 있죠.
Step 2. 바퀴 회전축의 핀과 막대의 개수를 추가한다.
이를 해결하기 위해 위의 영상처럼 바퀴 회전축에 핀을 촘촘히 박고 이를 밀어주는 막대도 선풍기처럼 늘려줍니다. 그러면 위의 오른쪽 영상처럼 좌우 바퀴를 같이 돌리는 건 기본적으로 가능하겠죠.
이때 중요한 것은 위의 영상처럼 한쪽 바퀴에 저항이 걸려도 서로 다른 속도로 회전시킬 수 있다는 것입니다. 위의 영상처럼 손으로 막대를 밀더라도 왼쪽 바퀴는 빠르게, 오른쪽 바퀴는 느리게 움직입니다. 같은 동력을 전달했음에도 좌우 바퀴가 서로 다른 속도로 회전하는 것, 바로 우리가 코너링을 할 때 필요했던 그 기능입니다. 이제 이 구조물을 튼튼하고 효율적이고 정교하게 바꿔주면 좋겠죠.
Step 3. 핀과 막대를 기어로 대체한다.
기계에서 동력을 전달해 주는 부품으로 기어(gear)를 많이 사용합니다. 기어와 기어가 맞물리면 에너지 손실을 최소화하면서도 효과적으로 동력을 전달해 줍니다. 따라서 위의 영상처럼 기존의 핀과 막대를 기어로 바꿔줍니다. 그래도 기능적으로는 동일한 역할을 합니다.
또한, 실제 자동차는 엔진에서 회전하는 동력을 만들어 내는데, 동력이 바퀴까지 전달되려면 아래 영상과 같이 차 앞의 엔진으로부터 회전하는 기어 및 축(노란색)과 이에 수직하게 회전하는 기어(ring gear; 주황색)가 필요합니다*. 주황색 기어가 기존의 손 역할을 대신하여 바퀴를 회전시키고, 주황색 기어를 회전시켜주는 것이 노란색 기어 및 축입니다.
이처럼 기어로 된 구조물도 앞서 살펴본 것과 같은 역할을 합니다. 즉, 엔진으로 동력을 전달하더라도 왼쪽 바퀴는 빠르게, 오른쪽 바퀴는 느리게 움직입니다 (아래 영상 참조).
마지막으로 주황색 기어와 바퀴 회전축 사이에 동력을 전달해 주는 기어가 하나라서 비대칭인 게 불편하게 느껴진다면 실제로 그렇습니다. 실제로 주황색 기어에 굽힘응력(bending stress)이 발생하기 때문에 이를 보완하기 위해 마주 보는 곳에 기어를 하나 더 추가합니다 (아래 영상 참조). 이 역시 기능적으로는 이전과 동일합니다.
위 영상처럼 같은 엔진 동력으로 좌우 바퀴가 서로 다른 속도로 회전하도록 돕는 장치, 원리는 간단한데 뭔가 복잡하게 생긴 이 장치가 바로 차동 기어입니다.
* 기어의 두 축이 서로 수직인 경우, 회전하는 방향을 직각으로 바꿔줄 수 있습니다. 이러한 역할을 하는 기어를 베벨 기어(bevel gear)라 합니다.
차동 제한 장치, LSD
한편, 차동 기어의 역할이 어떤 상황에서는 단점이 되기도 합니다. 예를 들어 지금처럼 겨울철 빙판길에서는 한쪽 바퀴만 미끄러질 수 있는데, 차동 기어 때문에 마찰력이 있는 바퀴보다 미끄러워서 마찰이 적은 바퀴로 동력을 많이 전달해 차가 앞으로 나가지 못할 수 있습니다. 이처럼 양쪽 바퀴의 접지력이 달라 문제가 생길 경우에는 차동 제한 장치(Limited slip differential; LSD)를 사용하여 접지력이 좋은 바퀴로 동력을 전달할 수 있습니다 [3].
자동차가 코너링을 돌 때 이렇게 많은 고려 사항이 필요하다는 것이 새삼 놀랍지 않나요? 언뜻 보기엔 별거 아닌 동작이지만 4개의 바퀴로 움직인다는 것은 상당히 고도의 기술이 필요하게 됩니다. 만일 전기차가 각 바퀴당 하나씩 모터를 가지고 주행한다면 어떨까요? 앞서 소개한 문제들은 동일할 테지만 또 다른 방법으로 문제를 극복해 나갈 것입니다. 자동차 주행을 위한 기술 개발은 앞으로도 계속될 것 같네요. - EngNerd
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P.S. 해당 글에서 Tec-Science에서 발췌한 영상 자료들은 저작권자의 동의를 구하고 사용한 것임을 밝힙니다. 사용을 허락해 주신 Andy께 감사드립니다.
참고자료 & 그림 및 영상 출처
1. How does a differential gear work? | Tec-Science: https://www.tec-science.com/mechanical-power-transmission/planetary-gear/how-does-a-differential-gear-work/#Why_does_a_car_need_a_differential_gear
2. VanGelder, K. (2017). Fundamentals of automotive technology: principles and practice. Jones & Bartlett Learning.
3. 현대자동차 i30 N의 고성능 기술 | 현대자동차 : https://news.hmgjournal.com/Tech/?p=153243
콘텐츠 기획에 참고한 자료
- Around The Corner - How Differential Steering Works (1937) | US Auto Industry: https://youtu.be/yYAw79386WI
- 김진솔 | 이웃집과학자 | 1편: http://www.astronomer.rocks/news/articleView.html?idxno=85525; 2편: http://www.astronomer.rocks/news/articleView.html?idxno=85529
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