자동차 관련 블로그나 영상을 보면 빠지지 않고 나오는 단골 주제 중에 하나가 바로 사륜구동에 대한 것입니다.
이 번 글에서는 사륜 구동의 원리와 왜 사륜 구동 자동차가 안전한지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
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ESC - 전자식 주행 안정화 제어
사륜구동 방식의 장점을 이해하려면 먼저 ESP라고도 불리는 ESC 전자식 주행 안정화 제어 시스템을 어느 정도 알고 있어야 합니다.
ESC는 휠의 회전 속도를 실시간으로 감지하고 주행 데이터를 함께 분석한 결과를 활용합니다.
그 결과에 따라 ABS와 TCS 시스템을 작동하여 불안정한 주행 환경에서도 차량이 균형을 잃지 않도록 엔진 출력, 토크, 속도를 조절하는 안전장치입니다.
어댑티브 서스펜션이 탑재된 프리미엄 차량에서는 주행 안정성을 위해 차고와 감쇠력까지 정밀하게 조정합니다.
ABS - 잠금방지 브레이크 시스템
여기서 ABS는 잠금방지 브레이크 시스템으로 브레이크를 작동할 때 바퀴가 잠기면서 미끄러지지 않도록 매우 짧은 시간 내에 여러 번 제동 하는 장치이며 ESC 기능을 보완합니다.
4개의 유압 피스톤으로 구성된 고정식 캘리퍼 브레이크입니다. 캘리퍼와 디스크 로터 그리고 브레이크 패드를 확인할 수 있습니다.
ABS 장치는 초당 수십 번 이상 제동되도록 브레이크 유압을 매우 빠르게 변화시켜서 바퀴가 회전하지 못하고 잠겨서 미끄러지는 것을 방지합니다.
TCS 트랙션 제어 시스템
TCS 트랙션 제어 시스템은 주행 중에 특정 바퀴의 회전 속도가 갑자기 높아지면 헛도는 것으로 판단하고 감속하여 토크를 낮춥니다.
구동 바퀴 전체가 해당될 때에는 엔진 출력을 낮추고 한쪽 구동 바퀴일 경우에는 그 바퀴만 제동하고 감속합니다.
그러면 트랙션 즉 노면 접지력을 회복하여 헛돌지 않게 되는데 이때 차동 기어에 의해 토크가 감소했던 반대쪽 바퀴에 다시 토크가 증가하게 됩니다.
미끄러운 노면에서 출발할 때에도 동일하게 작동합니다.
차동 기어 & LSD
코너 주행 시 안쪽 바퀴 보다 바깥쪽 바퀴에 더 많은 토크를 할당하여 안전하게 곡선 궤도를 주행할 수 있도록 해주는 차동 기어는 헛도는 바퀴에 토크가 집중되는 단점이 있습니다.
LSD 차동 제한 장치는 이러한 문제를 보완하여 미끄러지는 바퀴의 토크를 줄이고 접지력이 좋은 반대쪽 바퀴에 토크를 증가시킵니다.
LSD 장치는 고성능 스포츠카나 오프로드 차량에 탑재되어 코너링과 험로 주행 능력을 더욱 향상합니다.
구동 방식에 따른 엔진 배치와 기어
자동차의 구동 방식은 크게 전륜 구동, 후륜 구동, 사륜 구동으로 나눌 수 있습니다.
전륜 구동은 엔진의 크랭크 축과 전륜축이 평행하고 변속기가 엔진 옆에 장착되는 가로배치 방식과 크랭크 축이 전륜축에 수직이고 변속기가 엔진의 뒤쪽에 장착되는 세로배치 방식이 있습니다.
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| 구동 방식에 따른 엔진 배치와 기어 |
후륜과 사륜 구동에서는 프로펠러 샤프트 연결을 위해 세로배치 방식을 사용합니다.
좌우 바퀴에 토크 차이를 주는 차동 기어는 구동축에 장착되는데 사륜 구동은 특별히 앞뒤로도 토크 분배를 할 수 있도록 중앙 차동 기어 장치가 포함됩니다.
전륜 구동
전륜 구동차는 앞바퀴에만 회전력 토크가 100% 공급되고 양쪽 바퀴에 각각 50%의 매우 큰 토크가 분배됩니다.
회전력 없이 끌려가는 뒷바퀴는 토크가 실리는 앞쪽 구동 바퀴에 비해 상대적으로 잘 미끄러지지 않으므로
한쪽 또는 양쪽이 모두 미끄러운 노면을 지나더라도 급제동이나 급회전만 아니라면 크게 문제 될 것이 없습니다.
토크가 큰 앞쪽 구동 바퀴의 한쪽이 미끄러운 노면을 지나면 헛돌게 되는데 이때 ESC가 빠르게 작동하여 토크를 줄이면서 노면 접지력을 회복하고 반대쪽 바퀴의 토크를 증가시킵니다.
하지만 양쪽 앞바퀴 또는 모든 바퀴가 미끄러운 곳을 지날 때에는 ESC로 대응하기 어려운 상황이 됩니다.
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| 전륜/후륜 구동차의 토크 분배 |
후륜 구동
후륜 구동차는 변속기에 연결된 프로펠러 샤프트에 의해 뒷바퀴에만 회전력 토크가 100% 공급되고 양쪽에 각각 50%의 큰 토크가 분배됩니다.
후륜 구동에서 밀려가는 앞바퀴도 뒤쪽 구동 바퀴에 비해 상대적으로 잘 미끄러지지 않으므로 한쪽 또는 양쪽이 모두 미끄러운 노면을 지날 때 급제동이나 급회전만 아니라면 크게 문제 될 것이 없습니다.
그러나 토크가 실리는 뒤쪽 구동 바퀴의 한쪽이 미끄러운 노면에서 헛돌면 바로 ESC가 작동하여 토크를 줄이고 반대쪽 토크를 높이면서 노면 접지력을 유지할 수 있습니다.
전륜 구동과 유사하게 양쪽 뒷바퀴나 모든 바퀴가 미끄러운 곳을 지날 때에는 ESC 기능에 한계가 발생합니다.
사륜 구동
사륜 구동차는 중앙 차동 기어에 의해 앞바퀴와 뒷바퀴에 각각 50%의 회전력 토크가 공급되어 각 바퀴에는 25%의 비교적 작은 토크가 분배됩니다.
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| 사륜구동 자동차의 토크 분배 |
사륜 구동에서도 전륜 구동이나 후륜 구동과 동일하게 앞뒤 바퀴 중 어느 한쪽이 노면에서 미끄러진다면 그 바퀴에 할당되는 토크를 줄여서 감속하고 반대쪽 바퀴의 토크를 높여 줍니다.
하지만 사륜 구동은 앞쪽 두 바퀴가 동시에 노면에서 미끄러질 때에도 중앙 차동 기어가 작동하여 앞바퀴의 토크를 줄이고 뒷바퀴에 더 많은 토크를 분배하여 노면 접지력과 주행 안정성을 유지합니다.
반대로 뒤쪽 바퀴가 동시에 미끄러지는 경우에는 뒷바퀴의 토크를 줄이고 앞바퀴에 더 많은 토크를 분배하여 접지력과 주행 안정성을 유지합니다.
모두 전륜 구동이나 후륜 구동에서는 불가능한 기능이며 차량 모델이나 주행 조건에 따라 앞뒤 바퀴의 토크를 0에서 100%까지 변경하거나 앞뒤 토크 비율을 40 : 60으로 유지할 수도 있습니다.
4개의 바퀴가 모두 미끄러운 노면을 지나는 경우에도 사륜 구동차는 각 바퀴에 25%의 작은 토크가 분배되므로 급하게 조향을 변경하지 않는다면 미끄러질 가능성이 상대적으로 낮습니다.
앞이나 뒤쪽에만 50%의 높은 토크가 할당되는 전륜이나 후륜 구동차보다 강한 접지력이 4개의 바퀴에 고르게 유지되기 때문입니다.
사륜 구동의 이러한 장점은 미끄러운 노면에서 출발하거나 경사면을 오를 때에 더욱 극명하게 나타납니다.
ESC Off의 필요성
대부분의 사륜 구동차는 오프 로드 주행 전용 드라이브 모드가 있는데 이를 선택하면 ESC가 자동으로 꺼집니다.
이것은 헛도는 바퀴의 토크를 줄이는 ESC 기능이 험로를 저속 주행하거나 탈출할 때 회전 동력을 줄이기 때문에 오히려 방해가 될 수 있기 때문입니다.
따라서 매우 미끄러운 눈길이나 빙판길에서 정지 후 출발할 때에도 ESC를 끄고 천천히 가속하는 것이 좋습니다.
하지만 일반적인 주행에서 ESC 기능을 끄는 것은 안전에 큰 문제가 발생할 수 있어서 매우 위험하므로 유의해야 합니다.
