이 글은 원래 단순한 기술 안내서로 시작되었습니다. “사륜구동에 대해 알고 싶었지만 누구에게 물어봐야 할지 몰랐던 모든 것”과 같은 형식이었죠. 오픈 디퍼렌셜이 비스코 커플러 또는 할덱스 방식의 유닛과 어떻게 다른지, 자동 잠금 디퍼렌셜이 실제로 무엇을 하는지, 그리고 왜 이것이 중요한지를 다룰 계획이었습니다. 그러나 역사를 더 깊이 파고들수록 놀라움이 커졌습니다. 알고 보니 상시 사륜구동을 갖춘 최초의 승용차는 100여 년 전 네덜란드에서 만들어졌습니다. 그리고 1935년에는 미국산 사륜구동 레이싱카 한 대가 세계 역사의 흐름을 바꿀 뻔한 놀라운 순간과 맞닥뜨렸습니다.
승용차에 사륜구동이 왜 필요할까요? 21세기의 관점에서 그 답은 명백해 보입니다. 더 나은 견인력, 미끄러운 노면에서 휠스핀 감소, 그리고 가속 시 향상된 핸들링이 그 이유입니다. 네 바퀴를 굴리는 것이 두 바퀴보다 단순히 더 낫습니다. 그러나 인류는 이 기본적인 사실을 실천에 옮기기까지 놀랍도록 긴 시간이 걸렸습니다. 어떤 자동차 역사가에게 물어봐도 대중 시장 승용차의 사륜구동 시대는 1980년 아우디 콰트로와 함께 시작되었다고 말할 것입니다. 또한 1966년 영국의 슈퍼카 젠슨 FF와 1972년 스바루 레오네 4WD 같은 희귀한 선구자들을 언급할 수도 있습니다. 그러나 진정한 전문가라면 초기의 사륜구동 스바루들이 사실 상시 AWD 시스템이 전혀 아니었으며 파트타임 방식이었다고 즉시 지적할 것입니다. 그리고 곧 설명하겠지만, 그 차이는 매우 중요합니다.
파트타임 4WD: 임시방편적 해결책
한쪽 차축만 파트타임으로 구동하는 방식은 타협적인 해결책이며, 승용차에 있어 그다지 우아한 방법이 아닙니다. “파트타임 4WD”라는 용어는 SUV와 오프로드 트럭의 세계에서 유래했습니다. 이 구성에서는 한 차축이 상시 구동되고, 다른 차축은 필요 시 강제로 연결됩니다. 그러나 이 강제 연결은 오프로드에서만 사용할 수 있습니다. 포장도로에서는 파트타임 시스템을 완전히 해제해야 합니다. 그 이유는 다음과 같습니다:
- 자동차가 코너를 돌 때 앞바퀴는 뒷바퀴보다 더 긴 호를 그리며 이동하므로 더 빨리 회전해야 합니다.
- 차축이 강제로 연결된 사륜구동 시스템에서는 앞바퀴의 견인력이 줄어들고 뒷바퀴의 토크가 증가합니다.
- 경우에 따라 앞바퀴가 구동력이 아닌 제동력을 발생시켜 저항이 증가하고 조향이 더 어려워질 수 있습니다.
- 진흙이나 눈 같은 느슨한 노면에서는 이 현상이 견딜 만하지만, 아스팔트 위에서는 심각한 드라이브트레인 바인딩과 핸들링 문제를 일으킵니다.
자동차가 코너를 돌 때 모든 바퀴는 각자의 호를 따라 이동하며 각기 다른 속도로 회전해야 합니다. 이것이 바로 상시 사륜구동 시스템에 세 개의 디퍼렌셜이 필요한 이유입니다. 각 차축에 하나씩 있는 두 개의 차축 간 디퍼렌셜과, 두 구동 차축이 서로 독립적으로 회전할 수 있게 해주는 하나의 차축 간 디퍼렌셜이 그것입니다.
이러한 단점에도 불구하고 강제 연결 사륜구동은 일부 도로 주행 차량에 적용되기도 했지만, 이들은 오프로드 트럭에 더 가까운 성격이었습니다. 예를 들어 소련에서는 6기통 엔진과 파트타임 전륜 차축을 갖춘 사륜구동 세단인 GAZ-61 “옘카”가 이미 1938년에 소규모 생산에 돌입했습니다. 전후에는 비슷한 드라이브트레인이 GAZ-M72 “포베다” 오프로드 파생형과 모스크비치-410에 등장했습니다. 1972년형 스바루 레오네 4WD도 같은 논리를 따랐습니다. 오프로드 사용을 위해 만들어져 표준 전륜구동 스바루보다 지상고가 높았으며, 수동으로 연결하는 후륜 차축을 갖추고 있었습니다.
스바루 레오네 4WD 스테이션 왜건(1972–1979)은 전륜구동 플랫폼을 기반으로 한 사륜구동 개조 버전으로, 수동 연결 방식의 후륜 차축을 갖추고 있었습니다. 주요 사양은 다음과 같습니다:
- 엔진 옵션: 1.4리터(72마력) 또는 1.6리터(80마력)
- 차체 형태: 스테이션 왜건, 세단, 픽업트럭
- 후륜 구동 연결: 수동변속기 차량은 수동 방식, 자동변속기 차량은 다판 마찰 클러치를 통한 자동 방식
- 이 파트타임 구성은 1989년까지 모든 사륜구동 스바루에 계속 적용되었습니다
파트타임 사륜구동의 핵심적인 문제는 대부분의 차량이 실제로 주행하는 포장도로에서는 무용지물이라는 점입니다. 그럼에도 불구하고 차량은 항상 트랜스퍼 케이스, 두 번째 구동축, 그리고 보조 차축 어셈블리의 추가적인 무게를 짊어져야 합니다. 그러나 파트타임 시스템을 풀타임으로 전환하는 데는 단 하나의 부품만 추가하면 됩니다. 바로 트랜스퍼 케이스 내의 차축 간 디퍼렌셜입니다.
상시 사륜구동: 작동 원리와 그 중요성
차축 간 디퍼렌셜은 상시 사륜구동의 핵심입니다. 각 차축에 하나씩 있는 두 개의 차륜 간 디퍼렌셜은 각 차축의 좌우 바퀴가 코너에서 서로 다른 속도로 회전할 수 있게 해줍니다. 차축 간 디퍼렌셜은 전륜 차축과 후륜 차축 사이에서 동일한 역할을 합니다. 세 가지 디퍼렌셜을 모두 갖춘 차량은 드라이브트레인 바인딩이나 핸들링 손실 없이 어떤 노면에서도 상시 사륜구동으로 주행할 수 있습니다.
이론적으로는 단순하지만, 1980년대 초까지 자동차 업계 주류는 도로 주행용 차량에 상시 AWD가 불필요하다고 여겼습니다. 당시의 통념은 건조한 아스팔트 위에서 두 번째 바퀴 쌍과 관련 드라이브트레인 부품들을 지속적으로 회전시키면 소음이 늘고 연료가 낭비된다는 것이었습니다. 아우디 콰트로는 그러한 고정관념을 영구적으로 바꿔놓았습니다. 상시 AWD 시스템은 엔진 토크를 네 바퀴 전체에 항상 분배함으로써 다음과 같은 이점을 제공합니다:
- 코너에서 횡력을 처리할 수 있는 더 큰 그립 여유를 확보합니다
- 코너 중간에서 가속하거나 제동할 때 안정성이 크게 향상됩니다
- 스로틀 조작으로 인한 갑작스러운 오버스티어나 언더스티어 발생 위험을 줄입니다
1980년대 후반의 아우디 80 콰트로는 이 레이아웃이 얼마나 완성도 높게 발전했는지를 잘 보여줍니다. 콰트로 아키텍처는 경쟁 상대인 퍼거슨 포뮬러 트랜스미션보다 더 컴팩트합니다. 1984년부터 아우디는 토르센 자동 잠금 디퍼렌셜을 도입했습니다. 이 장치는 순수한 기계식으로, 바퀴 속도 차이가 아닌 각 출력축의 토크 변화에 반응합니다. 비스코 커플러 기반의 디퍼렌셜 잠금장치와 달리 토르센은 제동 시가 아닌 견인 시에만 잠기기 때문에 ABS 시스템과 완전히 호환되며 감속 시 안정성을 향상시킵니다.
레인지 로버(1970)와 러시아의 라다 니바(1976)는 일반적으로 차축 간 디퍼렌셜을 갖춘 최초의 대량 생산 차량으로 여겨지지만, 두 모델 모두 오프로드 차량 범주에 확실히 속합니다. 아우디 콰트로는 승용차 부문에서의 선구자 타이틀을 보유하고 있습니다.
초기 사륜구동 레이싱카: 스파이커에서 부가티까지
콰트로 시대 이전에도 레이싱카 설계자들이 상시 사륜구동을 탐구했을까요? 대답은 분명히 ‘그렇다’입니다. 그리고 그 이야기는 대부분의 사람들이 예상하는 것보다 훨씬 더 거슬러 올라갑니다.
페르디난트 포르쉐의 첫 번째 전후 프로젝트는 사륜구동 레이싱카였습니다. 미드십 레이아웃에 1.5리터 12기통 엔진을 탑재한 치시탈리아 360이었죠. 그러나 전륜 구동은 파트타임 방식이었습니다. 운전자가 직선 구간에서만 전륜 구동을 연결하고 코너 전에는 후륜구동으로 전환하는 방식이었습니다.
그러나 포르쉐는 훨씬 이전에도 사륜구동 차량을 만든 바 있습니다. 1900년으로 거슬러 올라가는 네 개의 개별 휠 모터를 갖춘 전기차가 그것입니다. 그러나 자동차 역사가들에게 진정한 충격을 주는 것은 네덜란드 제조업체 스파이커가 1902년에 제작한 레이싱카입니다. 당시에는 심지어 브레이크조차 뒷바퀴에만 장착되어 있던 시절, 이 차는 차축 간 디퍼렌셜까지 완비된 진정한 상시 사륜구동을 갖추고 있었습니다.
스파이커 사는 1880년 스파이커 형제들이 마차 제조업체로 창립했습니다. 첫 번째 자동차는 1900년에 등장했으며, 2년 후 벨기에 출신 설계자 조제프 발랑탱 라비올레트와 협력하여 사륜구동 스파이커 60 HP 레이싱카(1902–1907)를 제작했습니다. 당시로서는 놀랍도록 앞선 사양을 갖추고 있었습니다:
- 세 개의 디퍼렌셜 — 차축 간 디퍼렌셜과 두 개의 차륜 간 디퍼렌셜
- 세 가지 별도 제동 메커니즘 — 뒷바퀴에 두 개, 전륜 구동축에 하나
- 수십 년 동안 개념적으로 필적할 수 없었던 사륜구동 시스템
따라서 상시 사륜구동 개념은 이미 한 세기를 훌쩍 넘겼습니다. 사륜구동 스파이커는 많이 만들어지지 않았으며, 엄청난 비용에도 불구하고 레이싱에서 두드러진 성과를 거두지 못했습니다. 1930년대 초에는 부가티 티포 53과 밀러 FWD라는 두 가지 더 야심 찬 AWD 레이싱 프로젝트가 등장했습니다.
부가티 티포 53 프로젝트는 피아트 엔지니어 안토니오 피케토가 1930년 에토레 부가티에게 아이디어를 제안하면서 시작되었습니다. 세 대의 완성차가 1932년에 제작되었으며, 각각 다음과 같은 사양을 갖추었습니다:
- 300마력 수퍼차저 직렬 8기통 엔진
- 세 개의 디퍼렌셜을 갖춘 상시 사륜구동
- 별도 장착된 변속기와 통합된 트랜스퍼 케이스 및 차축 간 디퍼렌셜
- 차체 왼쪽에 배치된 전후 차축용 구동축
- 횡방향 스프링을 사용한 독립 전륜 서스펜션 — 부가티로서는 이례적인 구성
자갈 코너에서 당시의 후륜구동 차량들을 능가했음에도 불구하고, 티포 53은 전륜 구동축에 등속 조인트 대신 표준 카르단 조인트를 사용한 탓에 조향력이 과도하게 컸습니다. 세 대의 차량은 1935년까지 경기에 참가했습니다.
밀러 FWD는 미국 설계자 해리 밀러가 분해 목적으로 구입한 전륜구동 부가티를 연구한 것이 계기가 되었습니다. 부가티의 접근 방식에 영감을 받은 밀러는 FWD 트럭 회사의 후원을 받아 자체적인 사륜구동 섀시를 개발했습니다. 사륜구동 밀러 중 한 대는 1934년 인디애나폴리스 500 레이스에서 선두를 달리다 기계 결함으로 9위로 퇴장했습니다.
이 자동차들은 자동차 역사상 가장 기묘한 “만약에”의 순간과도 연결되어 있습니다. 1935년 베를린의 아부스 경기장에서 열린 레이스에서 사륜구동 밀러 한 대가 3위로 달리던 중 직렬 8기통 엔진이 폭발적으로 고장을 일으켜 파편이 관중석 쪽으로 날아갔습니다. 그날 관중석에는 아돌프 히틀러가 자리하고 있었습니다. 만약 작은 파편 하나라도 그에게 닿았다면, 제2차 세계대전과 세계 역사의 흐름이 전혀 달라졌을지도 모릅니다.
퍼거슨 포뮬러: 모든 것을 바꾼 AWD 시스템
사륜구동 역사의 다음 핵심 장을 이해하려면, 오픈 차축 간 디퍼렌셜의 근본적인 한계를 다시 살펴볼 필요가 있습니다. 오픈 디퍼렌셜은 한쪽 차축이 자유롭게 회전하는 동안 다른 쪽은 토크를 전혀 받지 못하게 합니다. 뒷바퀴가 완전히 그립을 잃으면 앞바퀴는 멈춰 있는 동안 뒷바퀴만 공회전합니다. 디퍼렌셜은 이를 막을 방법이 없습니다.
SUV를 위해 개발된 해결책은 강제 잠금이었습니다. 운전자가 수동으로 메커니즘을 작동시켜 디퍼렌셜 기어를 강제로 잠가 차동 구동을 고체 연결로 전환하는 것입니다. 이 방식은 초기 레인지 로버, 라다 니바, 그리고 1984년 이전까지 운전자가 수동으로 센터 디퍼렌셜을 잠가야 했던 1세대 아우디 콰트로를 포함한 많은 오프로드 차량에서 사용되었습니다. 그러나 수동 잠금은 또 다른 타협책입니다. 포장도로에서는 반드시 해제해야 하며, 미끄러운 도로에서 예기치 않게 휠스핀이 시작되더라도 아무런 보호 기능을 제공하지 않습니다.
최초의 자동 자동 잠금 차축 간 디퍼렌셜은 영국의 레이싱 드라이버이자 엔지니어인 토니 롤트의 작품입니다. 그는 친구이자 동료 레이서인 프레드 딕슨과 함께 전쟁 전에 롤트/딕슨 개발 워크숍을 운영했습니다. 전후에 두 사람은 상시 사륜구동의 가능성에 매료되었습니다. “크랩”이라 불리는 실험적인 사륜구동 테스트 차량을 제작한 후, 1950년에 성공적인 트랙터 제조업체 해리 퍼거슨과 힘을 합쳐 해리 퍼거슨 리서치를 설립했습니다.
퍼거슨의 비전은 레이싱카가 아닌 진정으로 안전한 도로용 차량이었습니다. 가속 시 바퀴가 공회전하지 않고, 제동 시 잠기지 않는 차량 말입니다. 롤트와 딕슨은 차체, 트랜스미션, 파워트레인을 포함한 모든 것을 처음부터 설계하기로 결심했습니다. 전직 애스턴 마틴 출신의 베테랑 설계자 클로드 힐을 수석 엔지니어로 영입한 후, 6년간의 개발 끝에 실험적인 퍼거슨 R4 세단이 완성되었습니다. 1956년 기준으로 그 사양은 놀라운 수준이었습니다:
- 자동 잠금 차축 간 디퍼렌셜을 갖춘 상시 사륜구동
- 수평 대향 4기통 엔진
- 네 바퀴 모두 디스크 브레이크
- 항공에서 응용한 던롭 맥사렛 전기기계식 잠금 방지 제동 시스템
퍼거슨 포뮬러 트랜스미션의 핵심은 트랜스퍼 케이스 내부의 독창적인 자동 잠금 메커니즘이었습니다. 디퍼렌셜 외에도 이 유닛에는 추가 기어 세트, 두 개의 볼 오버런닝 클러치, 그리고 두 패키지의 마찰 디스크가 포함되어 있었습니다. 정상 조건에서는 이 요소들이 조용히 공회전했습니다. 그러나 한쪽 차축의 바퀴가 미끄러지기 시작하여 출력축 속도에 차이가 생기면 클러치 중 하나가 작동하여 마찰 팩을 디퍼렌셜 기어에 압착하고, 차동 구동을 즉시 고체 연결로 전환했습니다.
두 번째 프로토타입인 1962년형 퍼거슨 R5 에스테이트는 더욱 뛰어난 성능을 발휘했습니다. 오토카 잡지의 테스터들은 거의 불가능해 보이는 속도에서 접지 한계에 도달한다고 기록했습니다. 그럼에도 불구하고 어떤 제조업체도 퍼거슨을 양산하기로 동의하지 않았습니다. 복잡성과 비용이 너무 높았기 때문입니다. 그러나 1962년 토니 롤트는 젠슨 카스의 경영진을 설득하여 300마력 크라이슬러 V8 엔진을 사용하는 차기 CV8 쿠페에 퍼거슨 포뮬러 트랜스미션을 적용하게 했습니다. 3년 후 실험적인 사륜구동 젠슨 CV8 FF가 완성되었습니다.
1966년 젠슨 인터셉터가 CV8를 대체했습니다. 표준 후륜구동 쿠페와 함께, 젠슨은 눈에 잘 띄지 않는 “FF” 배지를 단 사륜구동 파생형도 출시했습니다. 젠슨 FF는 세계 최초로 자동 잠금 차축 간 디퍼렌셜과 ABS를 결합한 양산차가 되었습니다. “FF”는 “포뮬러 퍼거슨”의 약자였습니다. 주요 사양은 다음과 같습니다:
- 325마력을 내는 6.3리터 크라이슬러 V8 빅블록 엔진
- 3단 토크플라이트 자동변속기 또는 4단 수동변속기
- 비대칭 토크 배분: 후륜 63%, 전륜 37% — 후륜구동 핸들링 특성 유지를 위한 설계
- 단채널 던롭 맥사렛 ABS
- 랙 앤 피니언 파워 스티어링 및 전륜 디스크 브레이크
- 최고 속도 212km/h; 0–100km/h 가속 7.7초; 공차 중량 약 1,800kg
- 1968년 영국 판매 가격: 약 £6,000 — 가장 저렴한 롤스로이스와 비슷한 수준
- 총 생산 대수: 318대 (1966–1971)
당대의 모든 자동차 전문 기자들은 젠슨 FF의 탁월한 안정성과 그들이 “젖은 아스팔트에서 거의 무한한 견인력 여유”라고 표현한 특성을 극찬했습니다. 비극적이게도 해리 퍼거슨 본인은 젠슨 FF를 결코 보지 못했습니다. 그는 1960년에 세상을 떠났습니다.
왜 퍼거슨 포뮬러에 이렇게 많은 지면을 할애하는 걸까요? 해리 퍼거슨 리서치는 세계 어디에서도 최초로 사륜구동을 단순한 오프로드 견인력 문제의 해결책이 아닌 능동적 안전의 도구로 다룬 조직이었기 때문입니다. 비대칭 토크 배분은 대칭형 AWD 시스템에서 나타나는 예측 불가능성을 피하기 위한 의도적인 선택이었습니다. 후륜구동 차량은 미끄러운 코너에서 스로틀을 너무 많이 열면 예측 가능한 오버스티어가 발생합니다. 전륜구동 차량에서는 예측 가능한 언더스티어가 나타납니다. 대칭형 AWD 차량에서는 어떤 차축의 그립이 더 나쁜지에 따라 반응이 달라지는데, 이는 모호하고 위험할 수 있습니다. 토크를 후륜에 편중시킴으로써 퍼거슨 포뮬러는 대부분의 상황에서 젠슨 FF에 예측하기 쉬운 후륜구동과 유사한 핸들링을 부여했습니다.
비스코 커플러의 발명
퍼거슨 포뮬러의 자동 잠금 메커니즘에는 한 가지 중요한 한계가 있었습니다. 오버런닝 클러치가 완전 열림과 완전 잠금 사이의 이진법적 방식으로 작동했다는 점입니다. 오픈 디퍼렌셜에서 완전 잠금으로의 전환이 순간적으로 이루어져 맞물리는 순간 핸들링의 모호함을 유발할 수 있었습니다. 필요한 것은 디퍼렌셜 잠금 정도를 부드럽고 점진적으로 변화시킬 수 있는 메커니즘이었습니다.
1960년대 후반, 토니 롤트와 나중에 티렐 포뮬러 1 자동차의 수석 설계자가 된 데렉 가드너는 점성식 팬 구동 커플링에 사용되는 실리콘 유체를 실험하기 시작했습니다. 그 결과물이 비스코 커플러입니다. 실리콘 유체가 채워진 원통형 하우징 안에 각 출력축에 연결된 마찰 디스크 팩이 교대로 배치된 구조입니다.
작동 원리는 다음과 같습니다:
- 정상 조건에서 모든 바퀴가 비슷한 속도로 회전할 때, 디스크 팩은 서로 거의 상대적으로 움직이지 않으며 커플러는 디퍼렌셜에 아무런 영향을 미치지 않습니다.
- 한쪽 차축이 미끄러지기 시작하면 출력축이 더 빨리 회전하면서 디스크 팩이 서로 상대적으로 회전하며 실리콘 유체를 전단시킵니다.
- 이 전단 현상이 커플러 내부의 온도와 압력을 높여 유체의 점성을 급격히 증가시킵니다.
- 점성 증가로 인해 디스크들이 서로 끌어당기며 더 빠르게 회전하는 축을 점진적으로 제동하고 디퍼렌셜을 부분적 또는 완전히 잠근 상태로 만듭니다.
비스코 커플러의 특허를 취득한 후, 토니 롤트는 1971년 FF 디벨롭먼츠(FFD)를 설립하여 사륜구동 트랜스미션을 상업적으로 공급하기 시작했습니다. 초기 프로젝트에는 영국 임업 서비스용 사륜구동 베드퍼드 밴, 포드 제피어 FF 경찰차 배치, 그리고 베를린 주재 영국 군사 임무를 위한 오펠 세네이터 4×4 세단이 포함되었습니다.
FFD의 가장 중요한 양산 성과는 AMC 이글(1979–1988)의 트랜스미션이었습니다. AMC 컨코드 세단을 기반으로 더 큰 타이어와 75mm 차체 리프트를 적용한 높이 올린 사륜구동 버전입니다. AMC 이글은 비스코 커플러로 잠기는 차축 간 디퍼렌셜을 최초로 사용한 양산차였습니다. 순한 오프로더 개념으로 제작되었지만, 그 트랜스미션 아키텍처는 이후 수바루 임프레자 WRX와 미쓰비시 랜서 에볼루션 초기 세대를 포함한 가장 유명한 고성능 AWD 차량들의 직접적인 조상이 되었습니다.
자동 잠금 디퍼렌셜: 토르센에서 전자 제어까지
아우디 콰트로가 AMC 이글 데뷔 2년 후인 1981년에 양산을 시작했을 때, 수동 잠금 방식의 일반 오픈 차축 간 디퍼렌셜을 사용하고 있었습니다. 아우디 솔루션의 우아함은 패키징에 있었습니다. 세로로 장착된 엔진이 후륜 차축을 향해 직접 뻗어 있었고, 차축 간 디퍼렌셜이 변속기에 직접 통합되어 있었습니다. 변속기의 보조 축은 중공으로 만들어져 전륜 구동축이 그 안을 통과하도록 설계되었습니다. 페르디난트 피에히의 팀은 전후 대칭적인 50:50 토크 배분을 선택했습니다.
1984년에는 마침내 아우디 실내에서 수동 디퍼렌셜 잠금 레버가 사라지고, 토르센(TORque SENsing, 토크 감응형) 자동 잠금 디퍼렌셜이 그 자리를 대신했습니다. 토르센은 다음과 같은 핵심적인 장점을 제공합니다:
- 완전한 기계식 장치로 전자 장비, 유체, 운전자 조작이 전혀 필요하지 않습니다
- 속도 차이가 아닌 출력축의 토크 변화에 반응하므로 실제 휠스핀이 시작되기 전에 대응할 수 있습니다
- 비스코 커플러와 달리 제동 시가 아닌 견인 시에만 잠기므로 ABS와 완전히 호환됩니다
- 잠금과 해제가 부드럽고 연속적으로 이루어져 이진법적 전환이 없습니다
고성능 차량에서 핸들링과 안정성을 향상시키는 토르센의 입증된 능력은 나중에 자동차와 유사한 역동성을 추구하는 SUV 엔지니어들의 관심을 끌었습니다. 오늘날 토르센은 레인지 로버, 폭스바겐 투아렉, 포르쉐 카이엔, 토요타 랜드크루저 프라도를 포함한 차량의 트랜스미션에 사용되고 있습니다.
1980년대, 아우디 콰트로의 랠리 지배는 그룹 B 경쟁자들 사이에서 사륜구동 군비 경쟁을 촉발했습니다. 몇 시즌 안에 다음과 같은 사륜구동 랠리카들이 등장했으며, 모두 자동 잠금 디퍼렌셜에 FFD 비스코 커플러 기술을 사용했습니다:
- 푸조 205 T16
- 오스틴 메트로 6R4
- 란치아 델타 S4
- 포드 RS200
토니의 아들 스튜어트 롤트는 이 시기에 FFD와 랠리 팀들 사이의 관계를 관리했습니다.
1990년대 초, 러시아의 AZLK 공장도 모스크비치 2141의 사륜구동 랠리 버전을 개발하기 위해 FFD에 눈을 돌렸습니다. 포드 RS200와 동일한 3 디퍼렌셜 레이아웃을 사용한 실험적인 사륜구동 모스크비치는 극한 조건에서 놀랍도록 예측 가능한 핸들링을 달성했습니다. 테스트를 통해 중요한 원리가 밝혀졌습니다. 각 비스코 커플러의 잠금 강성을 개별적으로 조정함으로써 엔지니어들은 차량의 핸들링 균형을 폭넓게 조율할 수 있었습니다:
- 후륜 차축 간 디퍼렌셜을 더 단단하게 → 오버스티어 경향 증가
- 전륜 또는 차축 간 디퍼렌셜을 더 단단하게 → 언더스티어 및 안정성 증가
이 조율 가능성이 현대 WRC 랠리카들이 세 개의 디퍼렌셜 모두에서 수동식 비스코 커플러 대신 전자 제어 다판 클러치 팩을 사용하는 이유입니다. 유압 액추에이터와 탑재 컴퓨터는 각 디퍼렌셜의 잠금 정도를 실시간으로 변화시킬 수 있습니다. 코너 진입 시에는 클러치를 해제하여 차가 자유롭게 회전할 수 있게 하고, 운전자가 직선 구간으로 가속할 때는 클러치를 점진적으로 조여 언더스티어를 피하면서 최대 견인력을 확보합니다.
두 제조업체가 도로용 차량에 전자 제어 디퍼렌셜을 선도적으로 도입했습니다:
- 메르세데스-벤츠 4매틱(1986, W124 E클래스): 세 개의 전자 제어 클러치가 조건에 따라 순차적으로 전륜 차축을 연결하고, 차축 간 디퍼렌셜을 잠그고, 후륜 디퍼렌셜을 잠갔습니다. 효과적이었지만 지나치게 복잡했으며, 전자 장치가 느슨한 노면에서 전륜이 눈에 띄게 연결되고 해제되는 현상을 일으킬 수 있었습니다.
- 포르쉐 959(1986): 네 가지 운전자 선택 모드에 걸쳐 작동하는 두 개의 전자 제어 클러치. 959의 시스템은 더 정교했으며 고성능 사용에 더 적합했습니다.
디퍼렌셜의 대체: 할덱스와 단순화된 AWD 시스템
랠리 엔지니어들이 자동 잠금 디퍼렌셜을 한계까지 밀어붙이는 동안, 일반 승용차 설계자들은 반대 방향으로 나아갔습니다. 차축 간 디퍼렌셜을 완전히 제거하고 비스코 커플러 단독으로 대체한 것입니다. 1985년 폭스바겐 골프 II 싱크로가 이 방식을 채택한 최초의 유럽 승용차였습니다. 이 트랜스미션은 1969년 FFD를 인수한 GKN의 엔지니어들이 개발했습니다.
단순화된 비스코 커플러 레이아웃은 대량 생산에 분명한 이점을 제공했습니다:
- 사륜구동 모델이 표준 전륜구동 버전과 대부분의 부품을 공유하여 제조 비용과 복잡성을 줄였습니다
- 정상 조건에서는 전륜구동 차량과 동일하게 주행했습니다
- 전륜이 미끄러지면 비스코 커플러가 약 0.2초 내에 최대 70%의 토크를 후륜으로 전달할 수 있었습니다
그러나 이 지연 방식의 구동 전달은 핸들링상의 약점을 만들어냈습니다. 처음에는 전륜구동 차량처럼 거동하던 차가(앞쪽이 밀리는 경향) 비스코 커플러가 작동하면 갑자기 후륜 편향 거동으로 전환될 수 있어 운전자를 당황하게 했습니다. 일본 제조업체들은 여러 가지 해결책을 모색했는데, 여러 개의 비스코 커플러를 장착하는 방법도 그 중 하나였습니다. 1988년 닛산 써니/펄사 같은 일부 모델은 세 개를 사용했습니다. 후륜 구동을 연결하는 것 하나, 각 차축 간 디퍼렌셜을 잠그는 것 하나씩이었습니다. 마쓰다 콘체르토 4WD는 한 걸음 더 나아가 차축 간 디퍼렌셜과 후륜 차축 간 디퍼렌셜 모두를 비스코 커플러로 대체했습니다.
다음 진화 단계는 비스코 커플러를 전자 제어 유압식 다판 클러치로 대체한 것이었습니다. 훨씬 빠르고 정밀하게 제어할 수 있는 장치입니다. 폭스바겐 골프 IV와 같은 플랫폼 형제 차량들에서 비스코 커플러를 대체한 할덱스 커플링이 이 기술의 가장 잘 알려진 예입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다:
- 페이스 캠이 전후 축 사이의 회전 속도 차이를 감지합니다
- 캠 표면을 따라 움직이는 롤러가 링 실린더 내의 피스톤을 밀어 유압 유체를 펌핑합니다
- 유체 압력이 다판 클러치 팩을 압착하여 후륜 차축으로 토크를 전달합니다
- 차량 전자 장치로 제어되는 솔레노이드 밸브가 어느 시점에서든 압력을 해제할 수 있어 무한히 가변적인 토크 배분이 가능합니다
오늘날 대부분의 AWD 승용차와 크로스오버는 이 전자 제어 클러치 아키텍처의 변형을 사용합니다. 폭스바겐 그룹 차량의 할덱스, 혼다의 VTM-4, 또는 BMW의 xDrive가 그 예입니다. 현대 클러치 시스템의 속도는 맞물림 지연을 일반 주행에서는 인지할 수 없는 수준으로 줄였습니다. 이제는 제어 소프트웨어 튜닝이 하드웨어 자체보다 더 중요합니다. 골프 4모션과 아우디 A3 콰트로는 기계적으로 동일한 트랜스미션을 사용하지만, 다른 소프트웨어로 인해 폭스바겐은 대칭적인 토크 배분을 나타내는 반면, 아우디의 설정은 보다 친숙한 전륜구동 특성을 위해 토크의 60%를 앞으로 보냅니다.
오늘날의 AWD 기술: 어떤 시스템이 가장 좋을까?
수동으로 두 번째 차축을 연결하는 파트타임 사륜구동 시스템은 다행히 승용차에서 자취를 감췄습니다. 남아 있는 아키텍처들은 각각 장점을 지니고 있습니다:
- 자동 잠금 차축 간 디퍼렌셜을 갖춘 상시 AWD (스바루와 같은 비스코 커플러, 아우디 A4/A6/A8 콰트로 및 폭스바겐 페이톤과 같은 토르센 기계식, 또는 미쓰비시 랜서 에보와 같은 전자 제어 클러치): 가장 정교하고 만족스러운 시스템으로, 올바르게 조율되었을 때 도로와 트랙 모두에서 핸들링을 진정으로 향상시킬 수 있습니다.
- 오픈 차축 간 디퍼렌셜을 갖춘 상시 AWD (메르세데스-벤츠 4매틱과 같은): 자동 잠금 기능 부재를 보완하기 위해 미끄럼 방지 전자 장치에 의존합니다. 도로 주행에는 효과적이지만 기계적으로는 덜 능동적입니다.
- 제어 클러치를 통한 파트타임 후륜 구동 (볼보, 사브, 다양한 폭스바겐 그룹 크로스오버의 할덱스): 현대 크로스오버에서 가장 일반적인 레이아웃으로, 빠른 전자 장치 덕분에 비용 효율적이고 가볍고 점점 더 유능해지고 있습니다.
고급 AWD의 지배적인 트렌드는 토크 벡터링입니다. 전후 차축 간에 토크를 분배하는 것뿐만 아니라, 차축 위의 좌우 바퀴 사이에서도 적극적으로 토크를 변화시키는 것입니다. 미쓰비시 랜서 에볼루션 X가 최첨단을 보여줍니다. S-AWC 시스템은 전자 제어 센터 디퍼렌셜(ACD)과 후륜 바퀴 사이에서 독립적으로 토크를 전달할 수 있는 능동 요 제어(AYC) 후륜 디퍼렌셜을 결합하고 있습니다. 추가 기어 세트는 이미 그립이 손실된 후에 반응적으로 작동하는 것이 아니라, 손실되기 전에 미리 토크 균형을 조정할 수 있습니다.
실용적인 측면에서, 제어 전자 장치가 더욱 정교해짐에 따라 현대 AWD 시스템들 사이의 실제 핸들링 차이는 계속해서 좁혀지고 있습니다. 크로스오버에 잘 조율된 할덱스 기반 시스템은 한 세대 전의 기계식 토르센 디퍼렌셜에서는 놀라울 것처럼 보였을 수준의 안정성을 제공할 수 있습니다. 궁극적으로 기술이 향하는 방향은 바로 그것입니다. 그리고 그 종착점은 기계식 드라이브트레인 없이 각 바퀴에 정밀하게 제어된 토크를 전달하는 네 개의 개별 휠 모터를 갖춘 전기차가 될지도 모릅니다.
이 글은 번역본입니다. 원문은 여기서 읽으실 수 있습니다: https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4f54.html
게시 11월 04, 2021 • 읽기까지 11m 소요
