안녕하세요~! 린드우디입니다~^^

"아우디 기계식 토센 콰트로의 동작 원리 (2부)"에 이어 3부로 이어지겠습니다~!

https://damoang.net/car/108986

https://damoang.net/car/109022

1부, 2부를 아직 못 보셨다면 위 링크로 먼저 봐주시면 감사하겠습니다~!

6. 토센 타입 A의 치명적인 단점

비대칭 토센 타입 B를 얘기하려면 토센 타입 A의 치명적인 단점을 먼저 얘기해야 합니다.

빠른 반응성, 뛰어난 내구성 등 많은 장점이 있는 토센 타입 A의 치명적인 단점은 뭘까요?

사실 정확하게 얘기하면 토센의 단점이라기보다는 LSD의 딜레마라고 볼 수도 있습니다.

Limited Slip Differential(LSD)는 어떤 딜레마를 가지고 있는 걸까요?

일단 자동차가 코너링을 할 때 어떤 특성을 가지고 있는지 다시 한번 복습해 보겠습니다.

위 그림처럼 자동차는 코너링을 할 때 네 바퀴가 각각 서로 다른 동심원을 그리며 주행합니다.

그 말은 즉 네 바퀴의 회전수가 모두 다 다르다는 뜻이죠.

그래서 각 바퀴의 회전수 차이를 허용하기 위해 공학자들이 오픈 디퍼렌셜을 개발했지만

특정 상황에서는 접지력이 낮은 바퀴로 토크가 허비되어 오히려 독이 되는 상황이 발생했습니다.

그걸 해결하기 위해 공학자들은 접지력이 낮은 바퀴로 토크가 허비되는 걸 막기 위해서

Limited Slip Differential(LSD)를 만들었습니다만 LSD도 치명적인 단점을 가지고 있었습니다.

만약 차량 후륜에 LSD가 달려있고 코너링 중간에 LSD가 너무 강하게 동작한다고 가정을 해보면

내륜과 외륜의 회전수 차이가 허용되지 않아 차량은 직진성을 띄고 언더스티어를 발생시킵니다.

즉, 코너를 빠르게 돌기 위해 만든 LSD 때문에 오히려 코너에서 언더가 발생해 코너링이 느려지게 되는 것이죠!

그렇다면 전륜과 후륜을 묶어주는 센터 디퍼렌셜은 어떨까요?

역시나 마찬가지로 코너링 중간에 토센 센터 LSD가 너무 강하게 동작을 해버리면

전륜과 후륜의 회전수 차이가 허용되지 않아 차량은 직진성을 띄고 언더스티어를 발생시킵니다.

실제로 1986년부터 2007년까지 생산된 기계식 콰트로 아우디들이 언더스티어가 굉장히 심한데요.

단순히 무게배분 때문에만 언더가 생기는 게 아니라 이런 토센 타입 A의 단점이 같이 작용합니다.

자... 그러면 이제 또 똑똑한 공학자들이 등장을 해야겠죠?

LSD가 발생시키는 언더스티어로 인한 역효과를 해결하기 위해 공학자들이 다양한 LSD를 개발합니다.

대표적으로 클러치 타입의 기계식 LSD를 한번 말씀드려볼까 하는데요.

스포츠 주행을 즐겨 하시는 분들은 1way, 1.5way, 2way LSD라는 단어를 꽤 많이 접하셨을 겁니다

위 그림과 같이 클러치 타입 기계식 LSD에 핀이 밀어내는 캠 형상에 따라 다양한 타입의 LSD를 만들어냅니다.

1way는 가속(Throttle on)할 때만 양축을 강하게 묶고 감속(Overrun)할 때는 양축을 묶지 않습니다.

1.5way는 가속(Throttle on)할 때는 양축을 강하게 묶고 감속(Overrun)할 때는 양축을 약하게 묶습니다.

2way는 가속(Throttle on)할 때도 양축을 강하게 묶고 감속(Overrun)할 때도 양축을 강하게 묶습니다.

1way의 경우 "가속할 때 -> 즉 코너를 탈출할 때"는 LSD가 강하게 작동해서 "빠르게 코너 탈출"을 하고

"감속할 때 -> 즉 코너를 진입할 때"는 불필요하게 차동 제한을 하지 않아 "언더스티어를 최소화" 합니다.

1.5way의 경우 "가속할 때 -> 즉 코너를 탈출할 때"는 LSD가 강하게 작동해서 "빠르게 코너 탈출"을 하고

"감속할 때 -> 즉 코너를 진입할 때"는 약간의 차동 제한을 통해 "코너 진입 시 자세 안정화"에 도움을 줍니다.

2way의 경우 "가속할 때 -> 즉 코너를 탈출할 때"나 "감속할 때 -> 즉 코너를 진입할 때"나

항상 LSD가 강하게 작동해서 리어를 계속 미끄러뜨려야 하는 드리프트 머신에 유용합니다.

토센도 마찬가지로 이런 방식으로 새롭게 진화를 합니다. 바로 "토센 타입 B"입니다.

"토센 타입 A"와 "토센 타입 B"의 큰 차이점을 정리해보면 아래 그림과 같습니다.

"토센 타입 B"는 교차된 헬리컬이 아닌 "평행 헬리컬"을 사용하며 강한 마찰력을 위해 "마찰재"가 추가로 들어갑니다.

그림만 봐도 토센 A와 토센 B는 아예 다른 토센이라고 봐도 될 정도입니다.

그리고 아우디는 비대칭 토크 배분이 가능한 "비대칭 토센 타입 B"를 2008년부터 적용하기 시작했습니다.

2008년부터 출시된 B8 A4, C7 A6등 차량에 적용되면서 아우디의 주행 성능이 굉장히 개선되었습니다.

7. 비대칭 토센 타입 B의 가속(Under throttle), 감속(Overrun)

위 그림과 같이 비대칭 토센 타입 B의 내부 구조도를 잘 보시면

토센 타입 A에는 없던 부품이 보이는데요. 바로 "마찰재(Friction plates)"입니다.

잘 보시면 "가속용 마찰재(Friction plate under throttle)"와 "감속용 마찰재(Friction plate in overrun)"가

따로 세팅되어 있는 걸 보실 수가 있습니다.

제가 헬리컬 기어에 토크가 작용해 회전하기 시작하면 축 방향으로 추력(Thrust)이 발생한다고 말씀드렸죠?

그리고 잘 보시면 헬리컬 기어의 축 방향으로 마찰재가 있는 걸 보실 수가 있습니다. 

뭔가 대충 느낌이 오시죠~?

그리고 헬리컬 기어의 매우 독특한 특성이 하나 더 있는데요.

바로 어떤 헬리컬 기어가 구동하는 역할을 하느냐에 따라 헬리컬 기어가 발생시키는 추력의 방향이 바뀝니다.

이 특성을 이용하면 "가속할 때(Under throttle)와 감속할 때(Overrun)를 구별해서 추력을 발생"시킬 수 있죠!

악셀을 밟아 가속을 할 때는 변속기 출력과 직결된 디퍼렌셜 하우징과 유성기어들이 "구동 기어"이며

전륜/후륜과 직결된 사이드 기어들은 "피동 기어"입니다.

따라서 축에 작용하는 추력(Thrust)는 "가속/악셀 전개 마찰재"를 향해 마찰합니다.

"가속/악셀 전개 마찰재"는 강한 잠금 토크를 위해 마찰력이 높은 재질로 세팅했습니다.

타력 주행하거나 브레이크를 밟아 감속할 땐 전륜/후륜과 직결된 사이드 기어들이 "구동 기어"이며

디퍼렌셜 하우징과 유성 기어들은"피동 기어"입니다. (엔진 브레이크를 생각하시면 이해가 쉽습니다)

따라서 축에 작용하는 추력(Thrust)는 "감속/타력 주행 마찰재"를 향해 마찰합니다.

"감속/타력 주행 마찰재"는 약한 잠금 토크를 위해 마찰력이 낮은 재질로 세팅했습니다.

가속과 감속 시 차동 제한의 잠금 토크를 다르게 설정 가능한 덕분에 

2008년부터 이 토센을 장착한 B8 A4와 C7 A6차량의 언더스티어 현상이 매우 적어졌습니다.

그럼에도 기계식 사륜은 감속할 때 미세한 잠금 토크 때문에 전자식 사륜 대비 언더스티어가 좀 있는 편입니다.

BMW xDrive나 전자식 콰트로 울트라 같은 전자식 사륜들은 코너 진입 시 사륜 클러치를 아예 풀어 버리니까요.

코너 진입 언더스티어 문제만큼은 전자식 사륜들이 확실히 더 뛰어난 게 사실입니다~

하지만 아우디가 진입 언더를 안고서라도 계속 기계식을 고집하는 이유는 분명히 있습니다!

8. 비대칭 토센 타입 B의 기본 토크 배분

비대칭 토센의 기본 토크 배분의 원리를 알아보기 전에 전자식 사륜들이 기본 토크 배분을 한번 알아보겠습니다.

가장 대표적인 전자식 상시사륜인 BMW xDrive를 먼저 알아볼까요?

위 그림과 같이 변속기로부터 나온 출력을 후륜이 일단 기본적으로 100% 다 받습니다.

그리고 TC에서 습식 클러치를 체결을 하는 강도를 조절해 전륜으로 전달되는 토크 비율을 제어합니다.

BMW xDrive의 기본 토크 배분인 전륜 40 : 후륜 60을 달성하기 위해서는 클러치가 계속 마찰하고 있어야 합니다.

그만큼 TC에서 클러치 마찰로 인한 열 발생, 오일의 변성 등 여러 가지 발생하죠. (아우디 전자식 콰트로도 마찬가지!)

그럼 기계식 상시사륜인 비대칭 토센 타입 B는 어떻게 기본 토크 배분 전륜 40 : 후륜 60을 만드는 걸까요?

위 그림을 잘 보시면 "전륜 사이드 기어"와 "후륜 사이드 기어"의 직경이 서로 다른 걸 알 수 있습니다.

오호라... 뭔가 느낌이 오시나요?

위 그림을 보시면 회전 중심 축으로부터 "후륜 사이드 기어"와 "전륜 사이드 기어"의 직경 비율이 6 : 4가 됩니다.

디퍼렌셜 하우징이 각 사이드 기어를 동일한 힘으로 잡아 돌려도 후륜 쪽으로 더 큰 토크가 작용하는 것이죠.

지렛대로 표현하면 위 그림과 같습니다. 서로 다른 길이의 지렛대를 같은 힘으로 동시에 누르는 거죠.

이런 원리 덕분에 클러치를 사용하지 않고 "기본 토크 배분"을 후륜 60 : 전륜 40으로 배분 가능합니다.

그리고 기본적으로 비대칭으로 토크 배분을 하다 보니 전륜과 후륜의 접지력 차이 발생 시 

전륜과 후륜으로 토크 배분을 할 때도 후륜으로 더 많은 토크 배분도 할 수 있게 되었습니다.

덕분에 비대칭 토센 타입 B의 경우 후륜에 최대 85%까지, 전륜에 최대 70%까지 토크 전달이 가능해져서

Rrear bias(후륜 편향)의 특성 덕분에 전륜 쪽 부담이 줄어들어 코너 탈출 시에도 언더 현상이 줄어들게 되었습니다.

다만, 여전히 존재하는 무게배분의 불리함(앞55, 뒤45), 그리고 전륜 서스펜션의 소극적인 마이너스 캠버 등

개선된 비대칭 토센 타입 B를 적용했음에도 여전히 경쟁 모델 대비 언더스티어 성향을 보였습니다.

그래서 아우디는 "비대칭 토센 타입 B"를 장착한 고성능 S, RS모델의 후륜에

능동형 토크 벡터링 "스포츠 디퍼렌셜"을 조합 시켜 경쟁 모델과 대등한 퍼포먼스를 보여주게 됩니다.

그리고 2019년을 기준으로 아우디는 한번 더 토센을 업그레이드 시킵니다.

바로 "비대칭 토센 타입 C"입니다.

9. 비대칭 토센 타입 C로의 진화

"비대칭 토센 타입 C"의 경우 기존의 "사이드 헬리컬 기어"를 "인터널 헬리컬 기어"형태로 바꾸어

토센 타입 B와 동일한 성능을 가졌으면서 훨씬 더 컴팩트한 구조를 가질 수 있게 되었습니다.

타입 B 대비 더 컴팩트해진 타입 C 구조 덕분에 디퍼렌셜의 질량 자체가 줄어들었고

줄어든 관성 모멘텀 만큼 구동 손실도 줄어들게 되었죠.

"비대칭 토센 타입 C"도 "비대칭 토센 타입 B"와 마찬가지로 

지렛대의 원리를 이용해 기본 토크 배분 "후륜 60 : 전륜 40"을 구현하고 있습니다.

https://youtu.be/ZByUeI72Pik

참고로 "비대칭 토센 타입 C"의 경우 현행 아우디 S4부터 현행 RS6 퍼포먼스, 그리고 람보르기니 우루스까지

2025년 현재까지도 정말 다양한 모델에 널리 사용되고 있는 토센입니다.

다만 40년 넘게 사용되던 기계식 토센 콰트로도 앞으로는 전자식의 길을 가게 될 것 같은데요.

네 바퀴에 항상 구동력을 전달하기 때문에 연비가 안 좋고 개발 난이도가 어려워 전자식으로 넘어가는 추세입니다.

특히 최근에 출시한 풀체인지 S5모델이 S5로는 최초로 전자식을 채택함으로서 기계식의 단종이 현실이 되었습니다.

개인적으로 기계식 토센 콰트로의 느낌을 정말 좋아하는 아우디 매니아로서 너무나 아쉬운 부분입니다.

10. 아우디는 상시사륜이 기본

아우디는 콰트로가 아니면 아우디가 아니라는 말이 있듯이 아우디의 모든 시스템은 상시사륜에 맞춰져 있습니다.

실제로 전륜 모델과 콰트로의 주행 성능 차이는 다른 차라고 봐도 될 정도로 차이가 꽤 많이 납니다.

그만큼 사륜구동에 진심인 아우디답게 40년 넘게 기계식 상시사륜을 고집하고

그 시스템을 넣기 위해 무게배분을 희생하며 사륜 베이스 플랫폼을 개발한 아우디의 고집이 참 대단합니다.

이렇게 토센의 동작 원리에 대해 그동안  깨달았던 내용들을 한번 싹 정리해 보았습니다~

재밌게 봐주셔서 감사합니다~!!^^