사륜구동/4WD/AWD

캠핑가는데 재미를 붙이면서 사륜구동 차량의 필요성을 느끼게 되었습니다.  이전에 타던 볼보 XC90 전륜구동 suv를 사륜구동 차량으로 바꾸게 되면서 리서치한 내용들을 정리해 봅니다.  자동차 회사 마케팅에 써있는 awd/4wd 등등이 다 같은 시스템이 아니라는 점..  이 세계에도 역시 명품이 존재하고 치열한 팬보이 격전이 벌어지고 있다는 걸 알게 되었습니다.  (애플 대 삼성처럼 도요타 대 랜드로버.. 이런게..)   혹시 사륜 차량 구매를 하시는 분들에게 도움이 될까 정리해 보았습니다.

1. 디퍼렌샬(Differential)의 이해

사륜구동에 대해 알아보기 전에 꼭 알아야 할 자동차의 부품이 디퍼렌샬(differential)이라는 장치입니다.

후륜기반 자동차 뒤 차축 부분을 보면 수박통 크기의 둥그런 철제 부품이 눈에 익숙하실 겁니다. 이 장치를 디퍼렌샬이라고 하는데 이는 좌우 양쪽의 바퀴가 코너를 돌 때 타이어가 미끄러지지 않도록 서로 다른 속도로 돌 수 있게 해주는 장치입니다. 코너를 돌 때 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 더 많은 거리를 이동해야 하기 때문에 바깥쪽 바퀴는 더 많이 회전해야(안/바깥이 서로 다른 속도로 회전해야) 부드럽게 주행이 가능합니다. 이 속도 차를 가능하게 해 주는 장치가 디퍼렌샬입니다. 이게 없이 코너를 돌면 바깥쪽 바퀴가 텅텅 튀면서 점프하게 됩니다.

How a differential work?  https://www.youtube.com/watch?v=SOgoejxzF8c

How differential steering work? https://www.youtube.com/watch?v=yYAw79386WI

이런 기본적인 디프렌샬을 오픈 디퍼렌샬이라고 합니다.  양쪽 바퀴가 서로 독립적으로 돌 수 있습니다. 그런데, 오픈 디퍼렌샬은 좌우 바퀴가 서로 다른 속도로 돌 수 있게하는 장점이 있는 반면, 한쪽 바퀴가 접지력을 상실하고 헛돌 경우에는 엔진의 힘이 모두 헛도는 바퀴쪽으로 빠져나가고 반대쪽 바퀴(접지력이 있는 쪽 바퀴)에는 힘이 전혀 안들어가는 단점이 있습니다.

즉, 오픈 디퍼렌샬을 가지고 있는 전륜구동이나 후륜구동 차량은 두 바퀴 중 한쪽만 슬립이 일어나도 차가 움직일 수 없다는 얘깁니다.

2. 전륜과 후륜에 동시에 힘을: 사륜구동(4WD 혹은 AWD)

만약 엔진의 힘이 전륜 후륜 모두 전달되고 있다면 후륜의 바퀴 하나가 접지력을 상실하더라도 전륜의 접지력을 이용해 차를 앞으로 전진시킬 수 있습니다.  사륜구동/4wd/awd는 모두 이렇게 앞과 뒤에 토크(힘)을 사륜구동 차량들은 엔진의 힘을 앞과 뒤로 동시에 보내는 방법에 따라 다음과 같이 크게 분류할 수 있습니다. 4wd와 awd(all-wheel-drive)의 구분은 의미가 없다고 보시면 됩니다. 차 바퀴가 다섯 개 짜리가 아닌이상 4wd는 차의 모든 바퀴(all wheel)이니까요. 마케팅/브랜딩적인 구분일 뿐입니다.

• 파트 타임 방식(part time) - 일반적으로 4WD로 표기합니다.

• 풀타임 방식(full time) - 일반적으로 AWD로 표기합니다.

• 온 디맨드 방식(on-demand) - 4WD, AWD, 등등.. 제 멋대로 표기합니다.

2-1. 파트 타임 4WD

오래된 방식이지만 험로위주의 주행을 위해서는 검증된 방식입니다.

일반 도로에서는 후륜에만 힘이 전달되지만 눈/비가 오는 길이나 흙길 등지에서는 4H(4wd High)로 바꾸어주면 엔진의 힘이 트랜스퍼 케이스(transfer case)를 통해 전륜에 50% 후륜에 50% 균등하게 힘을 전달합니다.  이 트랜스퍼 케이스는 디퍼렌샬이 아니기 때문에 앞뒤 바퀴가 다른 속도로 돌지 못합니다. 그래서 고속주행시에는 이륜구동으로 바꿔주어야 합니다.  

대부분의 파트 타임 방식 트랜스퍼 케이스에는 로우 레인지(low range) 기어박스가 내장되어 있어서 4L(4wd low)로 기어를 바꾸면 엔진의 힘이 감속기어를 통해 차축으로 전달되기 때문에 저속에서 높은 토크를 낼 수 있습니다.(즉, 액셀레이터를 밟아서 rpm이 올라가도 차의 속도가 빠르지 않습니다.)  지속되는 급경사나 심한 험로(바윗돌들 넘는 락 크롤링rock crawling상황)에서 사용됩니다.

로우 레인지(Low Range): 자전거의 경우 12단 기어라고 하면 보통 뒷바퀴에 6단 기어가 있고 페달쪽 기어에 2개의 기어가 있어서 그 조합을 12단이라고 합니다. (페달쪽 기어 1 x 뒷바퀴 6단) + (기어2 x 뒷바퀴 6단) 이와 마찬가지로 차량의 기본 트랜스미션이 6단이라고 할 때, 로우 레인지 기어박스는 마치 자전거의 페달 앞 2단과 같은 개념입니다. 대신 동력원이 트랜스미션을 거쳐나온 뒤에 위치합니다. 기어나 체인 셋업을 통해 동력축의 회전수를 증폭시켜서 저속에서 느린 속도로 높은 토크를 전달할 수 있게 합니다. 로우 레인지 기어는 경사를 올라갈 때 뿐 아니라 내려갈 때 큰 활약을 합니다. 로우 레인지 1단은 브레이크를 밟지 않아도 속도가 아주 느리기 때문에 오랫동안 계속되는 내리막길에서 브레이크를 밟지 않고 안전한 속도를 유지하면서 갈 수 있게 해 줍니다. 브레이크를 계속 밟게되면 열이 올라가서 성능이 점점 더 떨어진다고 하네요.

파트 타임 4WD의 대표 차량들

• 짚 랭글러, 토요타 4 러너(SR5와 Trail), 기아 모하비, 미쯔비시 파제로(갤로퍼), 니산 패트롤 등

2-2. 풀 타임 4WD/AWD

고속에서 사륜구동을 사용할 수 없는 파트 타임 방식과 달리 풀타임 사륜방식은 트랜스퍼 케이스 대신 센터 디퍼렌샬(center differential)을 사용해서 앞과 뒤 차축에 힘이 전달되지만 서로 다른 속도로 돌 수 있도록 합니다.  다른 속도로 돌 수 있다는 것은 오픈 디퍼렌샬임을 의미하고 고속에서도 사륜에 힘을 전달하여 달릴 수 있지만, 만일 앞바퀴가 헛돌면 힘이 다 앞으로 빠지고 뒤로 전달되지 않게 됩니다. 험로 주행시 힘을 강제로 균등히 분배할 수 있도록 센서에 의한 자동전자식 혹은 수동식으로 센터 디퍼렌샬 락(lock) 을 해서 앞이든 뒤든 접지력을 상실했을 때 다른 차축이 힘을 받을 수 있도록 하거나 차동제한장치(Limited Slip Differential, LSD)을 센터 디프렌샬로 사용하기도 합니다.

- 센터 LSD의 종류

• 기어(베벨/크라운)를 이용한 LSD: 기어 비율에 따라 접지력이 있는 바퀴에 힘을 몰아줌.  토센(Torsen: 토크 센싱을 줄여만든 상표명) 디프렌샬이 대표적, 보통 "기계식" awd라고 부름. (아우디, 랜드크루저, 4러너 리미티드, VW 투아렉, 랜드로버 디스커버리 4, 레인지 로버..)

• 비스커스 커플링(Viscous coupling): 전륜과 후륜이 실리콘 오일로 연결되어 있어서 한쪽 차축이 빠르게 돌면 오일의 온도가 올라가 점도가 올라가고 반대쪽 차축으로 힘이 전달되는 방식, 스바루의 수동 트랜스미션 차량들에 쓰이고 때로는 앞이나 뒤 차축의 슬립 제한 디퍼렌샬(Limited Slip Differential)에 사용되기도 합니다.(스바루 수동 트랜스미션 차량들)

• 클러치 팩 커플링: 전자 센서에 의해 자동으로, 혹은 운전자가 스위치를 통해 클러치 팩을 붙여서 전후 축이 함께 돌도록 하는 장치.(구형 폭스바겐 싱크로, 스바루 자동 트랜스미션 차량들, 할덱스 시스템..)

- 풀타임 AWD 대표차량들

• 아우디 콰트로(a3/q3/tt 제외), 스바루 대칭 awd, 아큐라 sh-awd(수퍼핸들링 awd), BMW x-drive, VW Touareg(VW 세로엔진)

- 풀타임 AWD + 로우 레인지 장착 차량들

• 도요다 랜드크루저, 4러너 리미티드, 랜드로버 디스커버리4, 레인지 로버, 미쯔비시 파제로2 등등

2-3. 온 디맨드 AWD

대부분의 전륜기반 awd 차량들에 쓰이는 시스템입니다..  엔진에서 후륜으로 연결되는 차축 사이에 전자식/유압식으로 제어되는 멀티 클러치 팩(multi-clutch pack)이 들어있어 전륜에 슬립이 감지되면 바로 클러치들을 붙여서 후륜으로 힘이 전달되게 하는 방식을 말합니다.  즉 평소에는 후륜에는 힘이 전혀 없는 전륜구동이다가 슬립감지시에만 사륜에 힘이 전달되는 방식입니다. 연비절감의 장점이 있습니다만, 일단 트랙션을 잃은 다음에야 후륜에 힘이 들어가기 때문에(몇백분의 일초 만에 바로 동력이 전달된다고는 합니다.) 오프로드에서는 그렇게 유용하지 못하다고 합니다. 험로주행보다는 빗길이나 눈길에서 일시적으로 접지력을 잃었을 때 후륜으로 보조해주는 용도라고 보면 됩니다.

- 대표적 온 디맨드 AWD 차량들

• 혼다 리얼타임 awd(cr-v, pilot)

• 도요다 라브4, 하이랜더

• 할덱스(haldex) 시스템 장착 차량: 볼보, 사브, 아우디 s3/a3/q3/tt, 부가티 베이런, 폭스바겐 티구안/골프R(VW 가로엔진), 랜드로버 프리랜더 (할덱스 최근 버젼은 슬립감지시 뿐 아니라 차량 출발시, 저속 주행시에도 자동으로 사륜에 힘을 전달해 준다고 합니다.)

• 현대 산타페의 다이나맥스 시스템(평소에는 슬립 감지식이다가, 수동으로 클러치팩을 잠궈서 앞뒤에 50:50 힘을 보낼 수 있음)

3. 전후 뿐 아니라 좌우도 큰 문제: 후륜 락킹 디프렌샬(rear locking differential)

지금까지는 사륜구동에서 전륜과 후륜사이의 힘 전달을 중심의 얘기였습니다.  그런데 만약 센터 디프렌샬은 잠겨져서 앞 뒤로 힘이 균등하게 가는데 왼쪽 앞바퀴와 오른쪽 뒷바퀴가 접지력을 동시에 잃었다면(험로에서 자주 발생하는 대각선 스핀) 어떻게 될까요?  앞서 디프렌샬에서 설명한 것 처럼, 토크는 가장 빠져나가기 쉬운쪽, 즉 접지력을 잃은 곳으로 다 흘러나가게 되어 있습니다.  그래서 대각선 스핀시에는 접지력있는 바퀴에는 힘이 전혀 전달되지 않아 차가 앞으로 나갈 수가 없지요.  이런 상황을 위해 오프로드 전용 차량에는 락킹 디프렌샬(혹은 디프렌샬 락커) 기능이 있습니다.  

대각선 스핀이 발생할 수 있는 지점에서 운전자가 앞이나 뒤의 디프렌샬을 기계적으로 잠궈서 두 바퀴가 항상 같은 속도로 돌아가게 하면 한쪽 바퀴가 공중에 떠 있더라도 나머지 바퀴에는 최소 25%의 토크가 전달되기 때문에 차량을 앞으로 나가게 할 수 있습니다.

- 기계식 락킹 디프렌샬을 장착한 차량들(대부분 뒤쪽에만 장착되어 있음 rear LSD)

• 짚 랭글러 루비콘, 니산 패트롤, 도요다 랜드크루저 80FZJ, 멜세데스 벤츠 G 바겐(전/후/센터 다 잠글 수 있음)

3-1. 리미티드 슬립 디프렌샬 혹은 LSD(Limited Slip Differential)

락킹 디프렌샬처럼 완전히 좌우 축을 잠궈버리지는 못하지만 디프렌샬에 비스커스 커플링이나 클러치 팩을 이용해 한쪽 바퀴가 빠르게 회전하면 그 힘이 반대쪽 바퀴에도 전달되게 하는 장치로 보통 후륜에 장착됩니다.  위에서 언급한 비스커스 방식이 있고 토센처럼 기어를 이용한 기계식, 전자식 클러치 팩을 이용한 방식등이 있습니다.

- LSD 및 E-LSD장착 차량들

• 랜드로버 디스커버리4, 짚 그랜드 체로키, 아큐라 sh-awd, 니산 GT-R 등

3-3. 브레이크 트랙션 컨트롤

슬립이 감지되는 바퀴에 장착된 abs 브레이크가 적절한 간격으로 바퀴를 감속시켜 토크가 반대쪽 바퀴로 흘러들어가도록 하는 방식입니다. 일반 차량에 안전장치로 장착된 트랙션 컨트롤(vdc나 esc등으로 불림)과 같은 원리이지만 안전장치로 셋업된 경우는 헛도는 바퀴에 브레이크를 적용하면서 엔진 파워도 줄이기 때문에 오프로드에서는 사용하기 어렵습니다. 그래서 험로주행시에는 vdc(vehicle dynamics control)이나 esc(electronic stability control)등의 버튼을 꺼주는 것이 엔진 출력을 최대로 사용하는데 유리합니다.

- 대표적 차량들

• 스바루 x-mode, 도요다 a-trac 등(브레이크로 헛도는 바퀴는 잡아주지만 엔진 출력은 건드리지 않음)

이정도로 정리를 마칩니다. 리서치를 마친 후 저의 선택은 스바루의 아웃백 3.6이었습니다. 온 디맨드 방식이 아닌 풀타임 사륜구동 차량의 범위가 그렇게 많지 않더군요. 일반 도로에서의 안락한 운전과 소프트한 험로 주행을 만족시키는 차량을 제 예산내에서 찾다보니 스바루가 거의 유일했습니다. 현재 1년 정도 몰았는데 만족하고 있습니다.