안녕하세요~! 린드우디입니다~^^

"아우디 기계식 토센 콰트로의 동작 원리 (1부)"에 이어 2부로 이어지겠습니다~!

https://damoang.net/car/108986

1부를 아직 못 보셨다면 위 링크로 먼저 봐주시면 감사하겠습니다~!

4. 토센 디퍼렌셜의 동작 원리에 대해 잘못 알려진 정보

일단 토센의 동작 원리를 설명하기 전에 반드시 짚고 넘어야 가야 할 부분이 있습니다.

인터넷이나 유튜브에 토센의 동작 원리라고 설명하는 것들 대부분 잘못된 내용이라는 점입니다.

특히 가장 대표적으로 잘못된 영상이 바로 위 영상인데 조회 수가 무려 900만이 넘는 틀린 영상입니다.

저 영상 하나 때문에 정말 많은 사람들이 토센의 동작 원리를 잘못 알고 있습니다.

저 영상에서는 토센에 사용된 기어가 "웜 기어(Worm gear)"와 "웜 휠(Worm wheel)"이라고 나오는데...

실제로 토센에 사용된 기어는 웜 기어가 아니라 "크로스드 헬리컬 기어(Crossed helical gear)"입니다.

여기서 잠깐 헬리컬 기어(Helical gear)의 종류에 대해 잠깐 짚고 넘어가겠습니다.

기어 이빨이 대각선으로 비스듬하게 나 있는 기어를 보통 "헬리컬 기어(Helical gear)"라고 부릅니다.

그리고 기어 이빨과 회전축 사이에 기울어져 있는 각을 "헬릭스 각(Helix angle)"이라고 부릅니다.

그리고 "헬릭스 각(Helix angle)"얼마나 크고 작냐에 따라 헬리컬 기어도 위와 같이 종류가 나뉩니다.

"헬릭스 각이 45도"를 이루며 두 개의 기어가 서로 "교차"된 형태를 "크로스드 헬리컬 기어"

"헬릭스 각이 10도"를 이루며 두 개의 기어가 서로 "평행"된 형태를 "헬리컬 기어"

"헬릭스 각이 90도"를 넘으며 두 개의 기어가 서로 "교차"된 형태를 "웜 기어"

참고로 웜 기어는 매우 독특한 특성을 가지고 있는데요.

웜 기어는 웜 휠을 돌릴 수 있지만, 웜 휠은 웜 기어를 돌릴 수 없습니다.

이걸 "웜 기어"의 "자가 잠금 효과(Self-locking effect)"라고 부릅니다.

바로 위에서 설명했던 웜 기어의 동작 원리를 설명하는 그 영상에도 이 내용이 나오는데요.

영상 제작자에겐 정말 미안한 얘기지만... 정말 완벽하게 틀린 내용입니다.

실제로 저런 구조로 토센을 만든다면 토센은 항상 잠겨 있는 Locked Differential이라 불러야 합니다.

토센은 명확하게 Limited Slip Differential(LSD) 이며 차동을 느슨하게 제한하는 장치입니다.

그렇다면 도대체 토센의 진짜 동작 원리는 과연 무엇일까요? 이제 설명드리겠습니다.

5. 토센의 진짜 동작 원리

위 사진은 "일반적인 크로스드 헬리컬 기어"와 "토센의 크로스드 헬리컬 기어"를 비교한 사진인데요.

토센의 경우 두 기어의 헬릭스 각이 정말 미세하게 다르다는 것을 알 수 있습니다.

이렇게 헬릭스 각이 서로 다른 기어가 맞물려 회전을 하면 정말 신기한 현상이 생기는데요.

"기어 A가 기어 B를 회전 시킬 수도 있고 기어 B가 기어 A를 회전 시킬 수도 있지만 회전 자체에 저항이 생깁니다."

위 그림과 같이 토센 디퍼렌셜에는 헬릭스각이 서로 다른 기어들이 맞물려 있습니다.

1. 전륜과 연결된 전륜 사이드 기어 A(45도)

2. 전륜 사이드 기어 A(45도)와 연결된 전륜 유성 기어 B(44도)

3. 전륜 유성 기어 B(44도)와 연결된 후륜 유성 기어 B(44도)

4. 후륜 유성 기어 B(44도)와 연결된 후륜 사이드 기어 A(45도)

5. 후륜과 연결된 후륜 사이드 기어 A(45도)

전륜과 후륜의 접지력 차이가 발생하면 각 기어들이 회전하기 시작하고

내부 기어들 중에서 기어 B(44도)가 기어 A(45도)를 회전 시킬 때 발생하는 저항이 차동 제한을 하게 됩니다.

사실 웜 기어도 헬릭스 각 차이를 이용한 방식이라 웜 기어와 비슷해 보이지만

웜 기어는 한쪽 방향으로만 input이 되는 완전 잠금 방식이고 토센은 완전 잠금이 아니라는 큰 차이점이 있죠.

그리고 또 한 가지 차동 저항을 발생시키는 원리가 하나 더 숨어 있습니다!

바로 헬리컬 기어의 추력(Thrust)을 이용한 축 방향의 힘(Axial force)입니다.

위 그림과 같이 헬리컬 기어가 서로 맞물려 회전할 때 축 방향으로 밀어내는 힘이 작용합니다.

토센 디퍼렌셜은 이 밀어내는 힘을 이용해 더 강한 차동 제한을 할 수 있게 되는데요.

위 사진과 같이 전륜이 슬립하면 헬리컬 기어들이 회전하면서 후륜 쪽 사이드 헬리컬 기어의 추력을 만들어 내고

사이드 헬리컬 기어가 디퍼렌셜 하우징 벽과 마찰하면서 차동 제한을 하게 됩니다.

이렇게 토센 디퍼렌셜은 "헬릭스 각 차이" + "헬리컬 기어 추력" 두 가지 원리를 이용해 동작하게 되며

"클러치를 사용하지 않고도 순전히 기어만 사용해서 차동 제한 장치(LSD)가 구현되는 것입니다!"

기어 간의 마찰을 이용해 동작하기 때문에 정말 미세한 접지력 차이 만으로도 빠르게 차동 제한을 하게 되며

반응도 빠르고 대응 토크도 높을뿐더러 내구성도 좋기 때문에 기계식 사륜의 토크 분배 장치로 많이 사용되었습니다.

아우디는 기존에 세로배치 전륜구동인 아우디 80 쿠페 차량을 개조해서 최초의 콰트로 차량을 만들어 냅니다.

물론 처음부터 토센을 적용한 건 아니고 실제 토센이 들어간 건 1986년에 출시한 아우디 80 콰트로 차량입니다.

참고로 토센 디퍼렌셜을 사륜구동에 적용하기 위해서는 전륜과 후륜이 매우 강하게 직결되어 있어야 합니다.

그래서 아우디는 40년 넘게 후륜과 전륜이 모두 변속기와 직결된 프론트 헤비 레이아웃을 유지하고 있습니다.

"사륜구동을 위해 무게배분을 포기한다!!" 사륜에 진심인 아우디 ㄷㄷㄷ

위와 같은 형태의 토센 디퍼렌셜은 아우디의 기계식 콰트로 차량에 장착되면서 많은 사랑을 받습니다.

하지만... 위 사진에 나온 토센은 1986년부터 2007년까지만 장착되었습니다.

1986년부터 사용된 가장 기본형 토센(토센 타입 A)에는 아주 치명적인 단점이 존재하기 때문인데요.

이 단점 때문에 아우디는 토센 타입 A를 버리고 2008년부터 비대칭 토센 타입 B로 갈아타게 됩니다!

비대칭 토센 타입 B에 대한 이야기는 3부에서 계속됩니다~