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굽이진 커브길을 안정적으로 깔끔하게 통과하고 신나게 드리프트를 하는 자동차, 모래사막이나 눈밭을 미끄럼 없이 달리고 핸들링에 의해 정확히 방향을 잡는 걸 보면 관련 기술에 대한 궁금증이 생기게 됩니다. 

일반적으로 자동차를 주행하다 보면 바퀴마다 적용되는 노면 상태의 차이 또는 코너링으로 인해 좌우 바퀴의 회전차가 발생하게 되는데, 이런 문제를 해결하기 위해 자동차에는 디퍼런셜(Differential)이라는 장치가 존재하는데요.

이 디퍼런셜의 가장 기본적인 역할이라고 하면 토크 분해와 좌우 바퀴의 속도 차이를 허용하도록 하는 것이라 할 수 있겠습니다. 자동차에는 다양한 종류의 디퍼런셜이 존재하지만 대표적으로 두 가지로 분류할 수 있는데요.

가장 일반적으로 사용되는(일반 차량) 오픈 디퍼런셜(Open Differential)과 고성능 차량에 주로 적용되는 LSD(Limited Slip Differential)이 있습니다. 오늘 이 시간에는 고성능 차량의 운동성능을 가능하게 만드는 자동차 기술, LSD에 대해 알아보겠습니다.

LSD(Limited Slip Differential, 차동제한장치)는 차동장치(Differential Gear 또는 디퍼런셜)의 기능을 일정 부분 제한하는 장치입니다. 차동장치는 좌우 바퀴 회전수를 다르게 해주는데 코너를 돌 때나 회전을 할 때 또 좌우 바퀴가 닿는 노면의 상태가 다를 때 유용합니다. 

만약 차동장치가 없을 경우 핸들링을 할 때마다 좌우 바퀴가 미끄러지고 마모되며 회전반경의 바깥쪽으로 밀리고 진동, 자세/조향 불안을 겪게 됩니다.  

좌우 바퀴가 하나의 축으로 연결되어 있다면 좌우 바퀴 회전이 달라질 때마다 축이 비틀리는 압력을 받게 됩니다. 이 축을 둘로 나눠 톱니(사이드 기어)를 만들어주고 여기에 헛도는 톱니(피니언 기어)를 연결해 주면 비틀리는 압력을 이 헛도는 기어가 회전하면서 없애줄 수 있으며 이것이 바로 차동장치입니다.

차동장치는 좌우 바퀴가 노면으로부터 받는 압력차(비틀림 압력)가 클수록 디퍼런셜 기어가 더 빨리 돌며 이를 해소합니다. 하지만 이런 원리 때문에 좌우 바퀴 회전수가 극단적으로 벌어지면 한쪽 바퀴는 전혀 움직이지 않게 되며 웅덩이에 한쪽 바퀴만 빠지는 경우가 좋은 예가 될 것입니다.

이외에도 구동력의 손실, 차가 중심을 잃었을 때 운전자의 컨트롤이 먹히질 않고 회전하는 등 다양한 단점이 발생합니다. 또 드리프트를 할 땐 차동장치가 독과 같습니다.

LSD는 앞서 말씀드린 차동장치의 단점을 보완하기 위해 개발되었으며 양 바퀴에 전달되는 구동력의 차이를 필요에 따라 해소합니다. 토크 감응형, 회전차 감응형, 전자제어식 이렇게 3종으로 크게 구분할 수 있고 토센(Torsen)식, 헬리컬(Helical)식, 메케디컬록(Mechanical Lock)식 등도 볼 수 있습니다.

토크 감응형 다판(multi plate)식 LSD는 기계(Mechanical)식 LSD라고도 하고 구동축에 가해지는 토크에 의해 동작하는 데 엑셀을 밟아 운전자가 조작할 수 있는 1way LSD, 가속페달 상관없이 작동하는 2way LSD, 2way 식보다 압력을 줄인 1.5way LSD로 세분됩니다. 

클러치 기능을 하는 판이 부착되었다 해서 다판클러치방식이라고도 하는데요. 토크가 전달되면 판이 서로 밀착되고 그 마찰에 의해 좌우 바퀴 차축이 연결되며 스프링의 형성 압력과 클러치판의 수, 크기가 차동 제한 정도를 결정합니다.

다판식 LSD의 최대 장점은 차동장치의 제한 능력이 확실하다는 것입니다. 험로를 진입하는 차량이나 대형 화물차 및 다이내믹한 운전성능을 요구하는 후륜구동 스포츠카 등에 적합하다고 볼 수 있겠습니다. 다만 단점이라면 효과가 확실해 전륜구동 차량에 장착할 경우 조향 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 것입니다.

코너 회전 시 차가 밖으로 밀리는 언더스티어(Under Steer)가 날 확률이 매우 높기 때문에 다판식 LSD 같은 경우 맞춤 윤활유 사용과 정기적인 점검을 통하여 해당 장치의 소음과 마모도에 대한 신경을 써주어야 합니다.

회전차 감응형을 대표하는 비스커스 커플링(Viscous Coupling) LSD는 밀폐된 케이스 안에 점성이 강한 유체가 들어가 있는 것이 특징입니다. 이 안에는 여러 개의 디스크가 회전하고 있으며 만일 좌우바퀴의 회전차가 발생하면 점성 강한 유체와 디스크가 마찰을 일으켜 차동제한이 됩니다. 일반 승용차와 RV, AWD(All Wheel Drive) 차량에 두루 쓰입니다.

비스커스 커플링 LSD는 험로 탈출에 유리하고 작동할 때 충격이나 소음이 작다는 장점이 있습니다. 구조 설계가 간단하고 유체의 충전량을 조절해 차량의 특성에 맞게 차동제한을 할 수도 있습니다. 단 반응속도는 기계식 LSD에 비해 늦고 온도에 따라 유체의 점도 변화도 발생할 수 있다는 건 단점이라 할 수 있겠습니다.

전자제어식 LSD는 기계식 LSD나 회전차 감응식 LSD에 정밀한 측정과 연산이 가능한 전자 장치와 자동제어를 위한 소프트웨어가 결합되어 발전하고 있는데요. 

운전자의 취향이나 필요에 맞게 운전성능을 모드별로 선택할 수 있다는 것은 최대 장점이며 많은 차량에 이미 장착되어 쓰이고 있는 만큼 그 종류는 상당히 다양합니다. 전자제어식은 승용차는 물론 스포츠카에도 장착할 수 있고 ABS와의 호환성도 우수합니다. 

LSD는 TCS(Traction Control System)나 ESP(Electronic Stability Program, DSC, ESC), ABS(Anti-lock Brake System) 등 미끄럼 방지와 차체자세제어기술, 전륜과 후륜 또는 좌우 바퀴에 별도의 구동력을 넣어주는 기술과는 차별화됩니다. 얌전하고 안정적인 주행은 물론 운전자가 원할 땐 언제든 미끄러지고 언더/오버스티어까지 즐길 수 있는 기술이 LSD이기 때문입니다.   

무엇보다 잘 달리고, 잘 멈추고 그리고 도로 진행 방향에 따라 잘 도는 것이 아닐까 생각됩니다. 그중에서도 특히 선회 성능은 운전의 재미뿐만 아니라 안전이라는 측면에서 모두 중요한 사항이라고 할 수 있겠습니다.

자동차 제조사들이 구현해 오는 과정은 절대 쉽지 않았을 것이며 수많은 기어의 조합은 이러한 물리적 제약을 이겨 온 역사를 증명하는 부품일 것입니다. 디퍼런셜 기어와 LSD는 어쩌면 그러한 기계적 기술의 최고점에 해당하는 아주 특별한 기술이겠습니다. 앞으로 어떻게 더 개선될지 기대가 됩니다.