사륜구동의 모든 것: 역사, 기술, 그리고 AWD 시스템의 작동 원리

이 글은 원래 단순한 기술 가이드로 출발했다 — 이를테면 “사륜구동에 대해 늘 알고 싶었지만 누구에게 물어봐야 할지 몰랐던 모든 것” 같은 것이었다. 오픈 디퍼렌셜이 비스코 커플러나 Haldex 유닛과 어떻게 다른지, 자동 잠금 디퍼렌셜이 실제로 무슨 일을 하는지, 그리고 그것이 왜 중요한지를 설명하는 것이 계획이었다. 그러나 역사를 깊이 파고들수록 이야기는 점점 더 놀라워졌다. 상시 사륜구동을 갖춘 최초의 승용차는 100년도 더 전에 네덜란드에서 만들어졌다. 그리고 1935년, 어느 미국 사륜구동 레이싱 카는 놀랍게도 세계사의 흐름을 바꿀 뻔했다.

애초에 승용차에 사륜구동이 왜 필요할까? 21세기에는 그 답이 명백해 보인다. 더 나은 접지력, 미끄러운 노면에서 줄어든 휠스핀, 가속 시 더 안정된 자세. 구동되는 바퀴 넷이 둘보다 나은 것은 당연하다. 그런데도 업계가 이를 실행에 옮기는 데는 놀라울 만큼 오랜 시간이 걸렸다. 어느 자동차 역사가에게 물어보든 대중 시장용 자동차의 사륜구동 시대는 1980년 Audi Quattro와 함께, 그리고 1966년 영국 슈퍼카 Jensen FF와 1972년 Subaru Leone 4WD라는 몇몇 드문 선구자와 함께 시작되었다고 말할 것이다. 진짜 전문가라면 초기 사륜구동 Subaru가 상시 사륜구동이 전혀 아니었다는 점을 덧붙일 것이다. 그것들은 파트타임이었다. 그리고 바로 그 구분이 이야기의 전부임이 드러난다.

파트타임 4WD: 임시방편의 해결책

한쪽 차축을 일부 시간에만 구동하는 방식은 타협이며, 도로용 자동차에는 결코 우아한 방식이 아니다. “파트타임 4WD”라는 용어는 SUV와 오프로드 트럭의 세계에서 나왔다. 이 구조에서는 한쪽 차축이 상시 구동되고 다른 쪽은 필요할 때 강체로 직결된다 — 그러나 그 강체 직결은 비포장 도로에서만 사용할 수 있다. 포장도로에서는 시스템을 완전히 분리해야 한다.

강체 직결이 포장도로에서 실패하는 이유

• 자동차가 회전할 때 앞바퀴는 뒷바퀴보다 더 긴 호를 그리며, 따라서 더 빠르게 회전해야 한다.
• 강체로 직결된 사륜구동 시스템에서는 앞바퀴의 접지력이 줄어드는 반면 뒤쪽의 토크는 증가한다.
• 경우에 따라 앞바퀴는 구동력이 아니라 제동력을 만들어낼 수 있다 — 저항을 더하고 조향을 더 어렵게 만든다.
• 진흙이나 눈처럼 무른 노면에서는 이를 감당할 수 있지만, 포장도로에서는 심각한 구동계 바인딩과 핸들링 문제를 일으킨다.

코너를 지날 때 모든 바퀴는 저마다의 호를 따라가며 저마다의 속도로 돌아야 한다. 상시 사륜구동에 세 개의 디퍼렌셜이 필요한 이유가 바로 이것이다. 각 차축의 좌우 바퀴 사이에 두 개, 그리고 차축들 사이에 하나가 있어, 앞뒤가 서로 독립적으로 회전할 수 있게 한다.

파트타임 자동차들: GAZ-61에서 Subaru Leone까지

이 모든 것에도 불구하고 강체로 직결된 사륜구동은 몇몇 도로용 자동차에까지 이르렀지만, 그 성격은 오프로드 트럭에 더 가까웠다. 소련에서는 6기통 엔진과 파트타임 앞차축을 갖춘 사륜구동 세단 GAZ-61 “Emka”가 이미 1938년에 소량 생산에 들어갔다. 전쟁이 끝난 뒤 같은 아이디어가 오프로드형 GAZ-M72 “Pobeda”와 Moskvitch-410에도 나타났다. 1972년 Subaru Leone 4WD는 정확히 같은 논리를 따랐다. 거친 노면을 위해 만들어졌고, 전륜구동 Subaru들보다 차고가 높았으며, 운전자가 손으로 연결하는 뒤차축을 갖췄다.

Subaru Leone 4WD Station Wagon(1972–1979)은 전륜구동 플랫폼을 사륜구동으로 개조한 차량으로, 수동으로 연결하는 뒤차축을 갖췄다. 주요 제원은 다음과 같다:

• 엔진 선택: 1.4리터(72마력) 또는 1.6리터(80마력)
• 차체 형식: 스테이션 왜건, 세단, 픽업트럭
• 후륜 구동 연결: 수동변속기 차량에서는 수동, 자동변속기 차량에서는 다판 마찰 클러치를 통한 자동
• 이 파트타임 방식은 1989년까지 모든 사륜구동 Subaru에 이어졌다

파트타임 구동의 핵심 문제는 대부분의 자동차가 생애 대부분을 보내는 포장도로에서 쓸모가 없다는 점이다 — 그러면서도 자동차는 트랜스퍼 케이스, 두 번째 드라이브샤프트, 그리고 추가 차축 어셈블리 전체의 무게를 어디를 가든 지고 다닌다. 파트타임 시스템을 풀타임으로 바꾸는 데에는 정확히 부품 하나가 더 필요하다. 바로 트랜스퍼 케이스 안의 센터 디퍼렌셜이다.

풀타임 사륜구동: 작동 원리와 그것이 중요한 이유

세 개의 디퍼렌셜, 하나의 원리

센터 디퍼렌셜은 상시 사륜구동의 핵심이다. 두 개의 좌우 디퍼렌셜은 코너를 지날 때 각 차축의 좌우 바퀴가 서로 다른 속도로 돌 수 있게 한다. 센터 디퍼렌셜은 앞차축과 뒤차축 사이에서 같은 역할을 한다. 세 가지를 모두 갖춘 자동차는 구동계를 바인딩시키거나 핸들링을 무디게 하지 않고도 어떤 노면에서든 상시 사륜구동으로 달릴 수 있다.

이론상으로는 충분히 간단하다 — 그러나 1980년대 초까지 업계는 도로용 자동차에 풀타임 사륜구동이 불필요하다고 여겼다. 마른 포장도로에서 두 번째 바퀴 한 쌍과 거기에 연결된 모든 것을 돌리는 일은 소음과 연료 소비만 늘릴 뿐이라는 것이 통념이었다.

What the Quattro Proved

Audi Quattro가 그 사고방식을 완전히 바꿔놓았다. 엔진 토크를 언제나 네 바퀴 전체에 분산함으로써, 풀타임 시스템은:

• 코너에서 횡력을 감당하는 데 쓸 수 있는 접지력 여유를 더 크게 남긴다
• 코너 중간에서 가속하거나 제동할 때 안정성을 크게 향상시킨다
• 스로틀 조작으로 유발되는 급작스러운 오버스티어나 언더스티어의 위험을 줄인다

1980년대 후반의 Audi 80 Quattro는 이 구조가 얼마나 정교해졌는지를 보여준다. Quattro의 구조는 경쟁 관계인 Ferguson Formula 변속기보다 더 콤팩트하다. 1984년부터 Audi는 Torsen 자동 잠금 디퍼렌셜을 장착했다 — 바퀴 속도 차이가 아니라 각 출력축의 토크에 반응하는 순수 기계식 장치다. 비스코 커플러와 달리 Torsen은 구동 시에만 잠기고 제동 시에는 절대 잠기지 않아, ABS와 완전히 호환되며 감속 중에도 더 안정적이다.

Range Rover(1970)와 러시아의 Lada Niva(1976)가 센터 디퍼렌셜을 갖춘 최초의 양산 차량으로 일반적으로 인정된다는 점은 짚어둘 만하다 — 그러나 둘 다 확실한 오프로더다. Audi Quattro의 주장은 특별히 승용차 가운데 최초라는 것이다.

초기 사륜구동 레이싱 카: Spyker에서 Bugatti까지

레이싱 카 설계자들은 Quattro 시대 이전에 풀타임 사륜구동을 탐구했을까? 단연코 그렇다 — 그리고 그 이야기는 대부분의 사람이 예상하는 것보다 훨씬 더 거슬러 올라간다.

Porsche’s Four-Wheel-Drive Experiments

페르디난트 포르쉐(Ferdinand Porsche)의 전후 첫 프로젝트는 사륜구동 레이싱 카였다. 미드십에 1.5리터 12기통 엔진을 얹은 Cisitalia 360이다. 다만 그 전륜구동은 파트타임이었다 — 운전자는 직선 구간에서 이를 연결했다가 코너에 들어가기 전 다시 후륜구동으로 전환했다.

실제로 포르쉐는 그보다 훨씬 이전에 사륜구동 차량을 만든 적이 있었다. 네 개의 개별 휠 모터를 갖춘 전기차로, 1900년까지 거슬러 올라간다.

The Spyker 60 HP, 1902

자동차 역사가들에게 진짜 충격은 네덜란드 제조사 Spyker가 1902년에 만든 레이싱 카다. 브레이크조차 뒷바퀴에만 장착되던 시절에, 이 차는 센터 디퍼렌셜을 포함한 진정한 풀타임 사륜구동을 갖추고 있었다.

Spyker는 1880년 Spijker 형제가 마차 제작사로 설립했다. 그들의 첫 자동차는 1900년에 등장했고, 2년 뒤 벨기에 설계자 조제프 발랑탱 라비올레트(Joseph Valentin Laviolette)와 함께 사륜구동 Spyker 60 HP 레이싱 카(1902–1907)를 만들었다. 그 제원은 당시로서는 놀라운 것이었다:

• 세 개의 디퍼렌셜 — 센터 디퍼렌셜과 좌우 디퍼렌셜 두 개
• 세 개의 개별 제동 기구 — 뒷바퀴에 두 개, 앞쪽 드라이브샤프트에 하나
• 개념적으로 이후 수십 년간 필적할 것이 없던 사륜구동 시스템

그러니 풀타임 사륜구동 개념은 이미 한 세기를 훌쩍 넘겼다. 사륜구동 Spyker는 많이 만들어지지 않았다 — 엄청나게 비쌌고 경기에서 큰 성과를 거두지도 못했다. 1930년대 초에 더 야심 찬 두 프로젝트가 뒤따랐다.

Bugatti Tipo 53 and Miller FWD

Bugatti Tipo 53은 Fiat의 엔지니어 안토니오 피케토(Antonio Pichetto)에서 시작되었는데, 그는 1930년 에토레 부가티(Ettore Bugatti)에게 이 아이디어를 제안했다. 1932년에 세 대가 완성되었고, 각각 다음을 갖췄다:

• 300마력 슈퍼차저 직렬 8기통 엔진
• 세 개의 디퍼렌셜을 갖춘 풀타임 사륜구동
• 별도로 장착된 기어박스와 통합된 트랜스퍼 케이스 및 센터 디퍼렌셜
• 차량 왼쪽에 배치된 양쪽 차축용 드라이브샤프트
• 가로 배치 스프링을 사용한 독립식 프런트 서스펜션 — Bugatti로서는 이례적이었다

Tipo 53은 자갈 코너에서 동시대의 후륜구동 자동차들을 앞질렀지만, 조향은 끔찍하게 무거웠다. 앞쪽 드라이브샤프트에 등속 조인트가 아니라 일반 카르단 조인트를 썼기 때문이다. 세 대는 1935년까지 경기에 출전했다.

Miller FWD가 탄생한 데에는, 미국 설계자 해리 밀러(Harry Miller)가 오로지 분해하기 위해 사들인 전륜구동 Bugatti를 연구한 것이 한몫했다. 자신이 발견한 것에서 영감을 받은 밀러는 FWD 트럭 회사의 후원을 받아 자신만의 사륜구동 섀시를 개발했다. 사륜구동 Miller 중 한 대는 1934년 인디애나폴리스 500에서 선두를 달리다가 기계적 결함으로 9위까지 밀려났다.

A Near Miss at AVUS, 1935

이 자동차들은 또한 자동차 역사상 가장 기묘한 “만약에” 순간 중 하나와도 얽혀 있다. 1935년 베를린 AVUS 트랙에서 열린 경주에서, 3위를 달리던 사륜구동 Miller의 직렬 8기통 엔진이 파국적으로 파손되며 파편을 관중석 쪽으로 날려 보냈다. 그날 관중석에는 아돌프 히틀러가 있었다. 작은 파편 하나라도 그에게 닿았더라면, 제2차 세계대전의 — 그리고 세계사의 — 흐름은 완전히 달라졌을지도 모른다.

Ferguson Formula: 모든 것을 바꾼 AWD 시스템

오픈 센터 디퍼렌셜의 문제

다음 장을 따라가려면 오픈 센터 디퍼렌셜의 근본적인 한계로 되돌아가 보는 것이 도움이 된다. 오픈 디퍼렌셜은 한쪽 차축이 자유롭게 헛도는 동안 다른 쪽에는 토크를 전혀 전달하지 않는다. 뒷바퀴가 접지력을 완전히 잃으면, 뒤가 헛도는 동안 앞은 멈춰 있을 수 있다 — 그리고 디퍼렌셜은 이를 막기 위해 아무 일도 하지 않는다.

SUV 세계의 해답은 포지티브 록(강제 잠금)이었다. 운전자가 디퍼렌셜 기어를 강체로 잠그는 기구를 작동시켜, 차동 구동을 단단한 직결로 바꾸는 것이다. 초기 Range Rover가 이를 사용했고, Lada Niva와 수십 종의 다른 오프로더도 마찬가지였다 — 1984년까지 운전자가 손으로 센터 디퍼렌셜을 잠가야 했던 1세대 Audi Quattro도 그러했다. 그러나 수동 잠금은 또 다른 타협이다. 단단한 노면에서는 풀어줘야 하고, 미끄러운 도로에서 바퀴가 예기치 않게 헛돌기 시작하면 아무런 도움도 주지 못한다.

롤트, 딕슨 그리고 해리 퍼거슨

최초의 자동 잠금 센터 디퍼렌셜은 영국의 레이싱 드라이버이자 엔지니어인 토니 롤트(Tony Rolt)의 작품이었다. 그는 전쟁 전 친구이자 동료 레이서인 프레드 딕슨(Fred Dixon)과 함께 Rolt/Dixon Developments 공방을 운영했고, 전쟁 후 두 사람은 상시 사륜구동이 무엇을 해낼 수 있을지에 매료되었다. 그들은 “Crab”이라 불리는 실험용 사륜구동 테스트베드를 만들었고, 1950년 성공한 트랙터 제조업자 해리 퍼거슨(Harry Ferguson)과 손잡고 Harry Ferguson Research를 설립했다.

퍼거슨이 원한 것은 레이싱 카가 아니었다. 그는 진정으로 안전한 도로용 자동차를 원했다. 가속 시 바퀴가 헛돌지도, 제동 시 잠기지도 않는 자동차를. 롤트와 딕슨은 이를 무에서부터 설계하기 시작했다 — 차체, 변속기, 파워트레인까지 모두 — 과거 Aston Martin에 몸담았던 노련한 설계자 클로드 힐(Claude Hill)을 수석 엔지니어로 두고서. 실험용 Ferguson R4 세단은 6년간의 작업 끝에 완성되었고, 그 제원은 1956년으로서는 놀라운 것이었다:

• 자동 잠금 센터 디퍼렌셜을 갖춘 상시 사륜구동
• A flat-four engine
• 네 바퀴 모두에 디스크 브레이크
• 항공 기술에서 응용한 Dunlop MaxaRet 전기기계식 잠김 방지 제동 시스템

Ferguson Formula 트랜스퍼 케이스의 내부

Ferguson Formula 변속기의 심장은 트랜스퍼 케이스 안에 있는 기발한 자동 잠금 기구였다. 디퍼렌셜 외에도 이 유닛에는 추가 기어 세트, 두 개의 볼 오버러닝 클러치, 두 벌의 마찰 디스크 팩이 들어 있었다. 정상 주행 시 이 요소들은 조용히 공회전했다. 그러나 한쪽 차축의 바퀴가 미끄러지기 시작하는 순간 — 출력축 속도에 차이가 생기면서 — 클러치 하나가 맞물려, 마찰 팩을 디퍼렌셜 기어에 밀착시키며 그 자리에서 차동 구동을 단단한 직결로 바꿨다.

두 번째 프로토타입인 1962년 Ferguson R5 에스테이트는 한층 더 뛰어났다. Autocar의 시험 담당자들은 이 차가 거의 불가능해 보이는 속도에서 접지 한계에 도달했다고 언급했다. 그럼에도 어느 제조사도 Ferguson을 양산에 올리려 하지 않았다. 복잡성과 비용이 지나쳤다.

The Jensen FF Goes on Sale

1962년 토니 롤트는 Jensen Cars 경영진을 설득해, 곧 출시될 CV8 쿠페와 그 300마력 Chrysler V8에 Ferguson Formula 변속기를 적용하도록 했다. 3년 뒤 실험용 사륜구동 Jensen CV8 FF가 달리고 있었다.

1966년 Jensen Interceptor가 CV8을 대체했고, 표준 후륜구동 쿠페와 함께 Jensen은 “Formula Ferguson”을 뜻하는 눈에 띄지 않는 “FF” 배지를 단 사륜구동 버전을 내놓았다. Jensen FF는 자동 잠금 센터 디퍼렌셜과 ABS를 결합한 세계 최초의 양산차가 되었다. 주요 제원은 다음과 같다:

• 325마력을 내는 6.3리터 Chrysler V8 빅블록 엔진
• 3단 TorqueFlite 자동변속기 또는 4단 수동변속기
• 비대칭 토크 배분: 뒤차축에 63%, 앞차축에 37% — 후륜구동의 핸들링 특성을 유지하기 위해
• 단일 채널 Dunlop MaxaRet ABS
• 랙 앤 피니언 파워 스티어링과 사방 디스크 브레이크
• 최고 속도 212 km/h, 0–100 km/h 가속 7.7초, 공차 중량 약 1,800 kg
• 1968년 영국 가격: 약 £6,000 — 가장 저렴한 Rolls-Royce와 비슷한 수준
• Total production: 318 cars (1966–1971)

그 시대의 모든 자동차 저널리스트가 Jensen FF의 안정성과, 그들이 “젖은 아스팔트에서 거의 무제한에 가까운 접지력 여유”라고 표현한 것을 칭찬했다. 해리 퍼거슨은 이 차를 보지 못했다. 그는 1960년에 세상을 떠났다.

Ferguson Formula가 중요했던 이유

왜 Ferguson Formula에 이렇게 오래 지면을 할애할까? Harry Ferguson Research가 사륜구동을 오프로드 접지력에 대한 해답이 아니라 무엇보다 능동 안전의 도구로 다룬, 전 세계 어디에도 없던 최초의 조직이었기 때문이다.

비대칭 토크 배분은 대칭형 시스템을 괴롭히는 예측 불가능성에 맞선 의도적인 선택이었다. 후륜구동 자동차에 미끄러운 코너에서 스로틀을 과하게 넣으면 예측 가능하게 오버스티어가 난다. 전륜구동 자동차에서 같은 짓을 하면 예측 가능하게 언더스티어가 난다. 대칭형 사륜구동 자동차에서 그렇게 하면, 그 결과는 어느 차축이 하필 접지력이 더 나쁜지에 달려 있다 — 이는 모호하고 위험하다. 토크를 뒤쪽으로 치우치게 함으로써, Ferguson Formula는 대부분의 조건에서 Jensen FF에 후륜구동에 가까운 거동을 부여했다.

비스코 커플러의 발명

Ferguson 기구에는 한 가지 실질적인 한계가 있었다. 그 오버러닝 클러치는 켜짐-꺼짐의 이진적 방식으로 작동했다. 오픈 디퍼렌셜에서 완전 잠금으로의 도약은 순간적이었고, 이는 맞물리는 순간 그 자체로 모호함을 만들어낼 수 있었다. 필요했던 것은 잠금의 정도를 매끄럽게 조절할 수 있는 기구였다.

1960년대 후반 토니 롤트와, 훗날 Tyrrell 포뮬러 1 자동차의 수석 설계자가 되는 데릭 가드너(Derek Gardner)는 점성 팬 구동에 쓰이는 실리콘 오일로 실험하기 시작했다. 그 결과가 비스코 커플러였다. 실리콘 오일로 채워진 원통형 하우징에, 각 출력축에 연결된 마찰 디스크 팩이 번갈아 들어 있는 구조다.

How a Visco-Coupler Works

• 모든 바퀴가 비슷한 속도로 도는 정상 조건에서는, 디스크 팩이 서로 거의 상대 운동을 하지 않아 커플러가 디퍼렌셜에 아무런 영향을 미치지 않는다.
• 한쪽 차축이 미끄러지기 시작하면 그 출력축이 더 빠르게 돌아, 디스크 팩이 서로 상대적으로 회전하며 실리콘 오일을 전단시킨다.
• 이 전단 작용은 커플러 내부의 온도와 압력을 높여, 오일의 점도를 극적으로 끌어올린다.
• 이 점도 상승은 디스크들이 서로 끌리게 만들어, 더 빠르게 도는 축을 점진적으로 제동하며 디퍼렌셜을 부분적으로 또는 완전히 잠근다.

FF Developments와 AMC Eagle

비스코 커플러의 특허를 취득한 토니 롤트는 사륜구동 변속기를 상업적으로 판매하기 위해 1971년 FF Developments(FFD)를 설립했다. 초기 작업은 화려하지 않았다. 영국 산림청을 위한 사륜구동 Bedford 밴, 한 무리의 Ford Zephyr FF 경찰차, 베를린 주재 영국 군사사절단을 위한 Opel Senator 4×4 세단.

FFD의 가장 중요한 양산 작업은 AMC Eagle(1979–1988)의 변속기였다 — AMC Concord 세단을 차고를 높여 만든 사륜구동 버전으로, 더 큰 타이어를 끼우고 75 mm 차체 리프트를 적용했다. Eagle은 센터 디퍼렌셜을 비스코 커플러로 잠근, 세계 어디에서도 처음인 양산차였다. 고성능차가 아니라 온건한 오프로더로 구상되었지만, 그 변속기 구조는 지금껏 만들어진 가장 유명한 고속 사륜구동차들 — 초기 Subaru Impreza WRX와 Mitsubishi Lancer Evolution 등 — 의 직계 조상이다.

자동 잠금 디퍼렌셜: Torsen에서 전자 제어까지

Audi’s Packaging Trick

Audi Quattro가 1981년 — AMC Eagle보다 2년 뒤 — 양산에 들어갔을 때, 그것은 수동 포지티브 록을 갖춘 통상적인 오픈 센터 디퍼렌셜을 사용했다. Audi 해법의 우아함은 패키징에 있었다. 세로로 배치된 엔진이 뒤차축을 곧바로 향했고, 센터 디퍼렌셜은 곧장 기어박스 안으로 들어갔다. 세컨더리 샤프트를 속이 빈 형태로 만들어 앞쪽 드라이브샤프트를 그 안으로 통과시킨 것이다. 페르디난트 피에히(Ferdinand Piëch)의 팀은 앞뒤 사이에 대칭형 50:50 배분을 선택했다.

The Torsen Differential

1984년 마침내 Audi 실내에서 수동 잠금 레버가 사라지고, 그 자리를 Torsen — TORque SENsing(토크 감지) — 자동 잠금 디퍼렌셜이 대신했다. 그 장점은 나열할 만하다:

• 완전히 기계식이다 — 전자장치, 오일, 운전자 조작이 전혀 필요 없다
• 속도 차이가 아니라 출력축의 토크 변화에 반응하며, 이는 실제로 휠스핀이 시작되기 전에 대응할 수 있음을 뜻한다
• 비스코 커플러와 달리 구동 시에만 잠기고 제동 시에는 잠기지 않아, ABS와 완전히 호환된다
• 잠김과 풀림이 매끄럽고 연속적이며, 이진적 전환이 없다

고속 차량에서 스스로를 입증한 Torsen은 승용차 같은 핸들링을 좇는 SUV 엔지니어들에게 채택되었다. 오늘날 Range Rover, Volkswagen Touareg, Porsche Cayenne, Toyota Land Cruiser Prado에 쓰인다.

그룹 B와 랠리 군비 경쟁

1980년대에 Quattro의 랠리 지배는 사륜구동 군비 경쟁에 불을 붙였다. 몇 시즌 만에 이 사륜구동 랠리 카들이 모두 등장했고, 각각 자동 잠금 디퍼렌셜에 FFD의 비스코 커플러 기술을 사용했다:

• Peugeot 205 T16
• Austin Metro 6R4
• Lancia Delta S4
• Ford RS200

토니의 아들 스튜어트 롤트(Stuart Rolt)는 그 시절 랠리 팀들과 FFD의 관계를 관리했다.

1990년대 초 러시아의 AZLK 공장도 Moskvitch 2141의 사륜구동 랠리 버전을 원하며 FFD를 찾아왔다. Ford RS200과 같은 3-디퍼렌셜 구조를 바탕으로 만든 이 실험차는 극한 조건에서 놀라울 만큼 예측 가능하게 거동했다. 시험을 통해 지금도 유효한 원리가 드러났다. 각 비스코 커플러의 잠금 강성을 개별적으로 조정하면 자동차의 밸런스가 그에 따라 움직인다는 것이다.

• 뒤쪽 좌우 디퍼렌셜을 더 단단하게 → 오버스티어 경향 증가
• 앞쪽 또는 센터 디퍼렌셜을 더 단단하게 → 언더스티어와 안정성 증가

Electronic Control Arrives

바로 그 조율 가능성 때문에 현대의 WRC 차량은 세 개의 디퍼렌셜 모두에 수동적인 비스코 커플러가 아니라 전자 제어식 다판 클러치 팩을 사용한다. 유압 액추에이터와 탑재 컴퓨터가 각 디퍼렌셜의 잠금을 실시간으로 조절한다 — 코너 진입 시 클러치를 풀어 차가 자유롭게 회전하도록 하고, 운전자가 직선으로 가속해 나갈 때 이를 점진적으로 조여 언더스티어 없이 최대 접지력을 얻는다.

두 제조사가 도로용 자동차에서 전자 제어식 디퍼렌셜을 개척했다:

• Mercedes-Benz 4Matic(1986, W124 E-Class): 세 개의 전자 제어식 클러치가 조건에 따라 순차적으로 앞차축을 연결하고, 이어 센터 디퍼렌셜을 잠그고, 그다음 뒤 디퍼렌셜을 잠갔다. 이 시스템은 효과적이었지만 지나치게 복잡했고, 무른 노면에서는 전자장치 탓에 앞바퀴가 눈에 띄게 연결되었다 끊어졌다 할 수 있었다.
• Porsche 959(1986): 운전자가 선택할 수 있는 네 가지 모드에 걸쳐 작동하는 두 개의 전자 제어식 클러치. 959의 시스템은 더 정교했고 고성능 용도에 더 적합했다.

디퍼렌셜의 대체: Haldex와 단순화된 AWD 시스템

The Visco-Coupler on Its Own

랠리 엔지니어들이 자동 잠금 디퍼렌셜을 갈 수 있는 데까지 밀어붙이는 동안, 일반 승용차 설계자들은 반대 방향으로 갔다 — 센터 디퍼렌셜을 아예 없애고 그 자리에 비스코 커플러를 놓은 것이다. 1985년 Volkswagen Golf II Syncro가 이를 실행한 최초의 유럽 승용차였고, 그 변속기는 1969년 FFD를 인수한 GKN의 엔지니어들이 개발했다.

대량 생산에서는 이 단순화가 성과를 냈다:

• 사륜구동 모델은 대부분의 부품을 표준 전륜구동 버전과 공유하여, 제조 비용과 복잡성을 줄였다
• 정상 조건에서 이 자동차는 전륜구동차와 똑같이 주행했다
• 앞바퀴가 미끄러지면, 비스코 커플러는 약 0.2초 이내에 토크의 최대 70%를 뒤로 전달할 수 있었다

그러나 이 지연은 핸들링상의 약점을 만들었다. 전륜구동차처럼 거동하며 앞머리가 바깥으로 밀리던 자동차가, 커플러가 맞물리는 순간 급작스럽게 뒤로 치우친 거동으로 바뀌어 운전자를 당황하게 할 수 있었다. 일본 제조사들은 커플러를 더 다는 것을 포함해 여러 해법을 시도했다. 1988년 Nissan Sunny/Pulsar는 세 개를 사용했는데, 하나는 후륜 구동을 연결하고 나머지 둘은 각 좌우 디퍼렌셜을 잠그는 것이었다. Mazda Concerto 4WD는 한 걸음 더 나아가, 센터 디퍼렌셜과 뒤쪽 좌우 디퍼렌셜을 모두 비스코 커플러로 대체했다.

The Haldex Clutch

다음 단계는 비스코 커플러를 전자 제어식 유압 다판 클러치로 대체했다 — 훨씬 빠르고, 훨씬 정밀하게 제어할 수 있었다. 가장 잘 알려진 예가 Haldex 커플링으로, Volkswagen Golf IV와 그 플랫폼 형제 모델들에서 비스코 커플러를 이어받았다. 작동 방식은 다음과 같다:

• 페이스 캠이 앞뒤 축 사이의 회전 속도 차이를 감지한다
• 캠 표면을 타고 도는 롤러가 링 실린더 안의 피스톤을 밀어, 유압 오일을 펌핑한다
• 오일 압력이 다판 클러치 팩을 압축하여, 뒤차축으로 토크를 전달한다
• 차량 전자장치가 제어하는 솔레노이드 밸브가 어느 지점에서든 압력을 해제할 수 있다 — 무단계로 가변적인 토크 배분을 가능하게 한다

오늘날 판매되는 대부분의 사륜구동차와 크로스오버는 이 전자 제어식 클러치의 어떤 버전을 사용한다. Volkswagen 그룹 차의 Haldex든, Honda의 VTM-4든, BMW의 xDrive든 말이다. 현대의 클러치는 맞물림 지연이 일상 주행에서 감지되지 않을 만큼 빠르게 작동하며, 이제 하드웨어보다 캘리브레이션이 더 중요하다. Golf 4Motion과 Audi A3 Quattro는 기계적으로 동일한 변속기를 쓰지만, 다른 소프트웨어가 Volkswagen에는 대칭 배분을 주는 반면 Audi는 더 익숙한 전륜구동 특성을 위해 토크의 60%를 앞으로 보낸다.

오늘날의 AWD 기술: 어느 시스템이 최고인가?

수동으로 연결하는 두 번째 차축을 갖춘 파트타임 시스템은 다행히도 승용차에서 자취를 감췄다. 남은 것은 각기 장점을 지닌 세 계열로 나뉜다:

• 자동 잠금 센터 디퍼렌셜을 갖춘 풀타임 AWD(Subaru의 비스코 커플러, Audi A4/A6/A8 Quattro와 Volkswagen Phaeton의 Torsen 기계식, 또는 Mitsubishi Lancer Evo의 전자 제어식 클러치): 가장 정교하고 만족스러운 시스템으로, 제대로 캘리브레이션하면 도로와 트랙 모두에서 핸들링을 진정으로 향상시킬 수 있다.
• 오픈 센터 디퍼렌셜을 갖춘 풀타임 AWD(Mercedes-Benz 4Matic 등): 자동 잠금의 부재를 보완하기 위해 미끄럼 방지 전자장치에 의존한다. 도로에서는 효과적이지만, 기계적으로는 덜 선제적이다.
• 제어식 클러치를 통한 파트타임 후륜 구동(Volvo, Saab, 그리고 여러 Volkswagen 그룹 크로스오버의 Haldex): 현대 크로스오버에서 가장 흔한 구조로 — 비용 효율적이고, 가볍고, 더 빨라진 전자장치 덕에 점점 더 유능해지고 있다.

토크 벡터링, 그리고 그다음에 오는 것

진보한 사륜구동에서 지배적인 흐름은 토크 벡터링이다. 단지 차축 사이에 토크를 나누는 것이 아니라, 한 차축의 좌우 바퀴 사이에서 능동적으로 토크를 변화시키는 것이다. Mitsubishi Lancer Evolution X가 그 정점이다 — 그 S-AWC 시스템은 전자 제어식 센터 디퍼렌셜(ACD)을, 한쪽 뒷바퀴에서 다른 쪽으로 토크를 옮길 수 있는 Active Yaw Control(AYC) 리어 디퍼렌셜과 결합한다. 추가 기어 세트가, 바퀴가 이미 헛돌고 나서 반응하는 대신, 접지력을 잃기 전에 선제적으로 밸런스를 이동시킨다.

실제로 현대 시스템 간의 현실적 차이는 제어 전자장치가 발전하면서 계속 좁혀지고 있다. 잘 캘리브레이션된 Haldex 크로스오버는 이제, 한 세대 전이라면 기계식 Torsen이 칭송받았을 만한 안정성을 제공한다. 그것이 흐름의 방향이다 — 그리고 그 종착점은, 기계식 구동계가 전혀 없이 저마다 자기 토크를 조절하는 네 개의 개별 휠 모터를 갖춘 전기차일 가능성이 크다. 이로써 이야기는 1900년 페르디난트 포르쉐의 전기 사륜구동차로 깔끔하게 되돌아온다.

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