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XE 레이아웃 카메론 XE LAYOUT CAMERON XE1.8.3

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사륜구동 (AWD) 시스템의 분류
사륜구동 차량, 특히 FWD 기반인 CUV의, 성장에 따라, 업계 내에서 몇 가지 다른 제품/ 기술명이 사용되어, 차량 구입자들의 혼선을 일으키고 있다. 대부분의 이런 용어들은 자동차회사 마케팅 부서에서 만들어 낸다. 이런 혼선을 정리하기 위하여, SAE (Society of Automotive Engineers) AWD 표준 위원회는, 다양한 사륜구동 시스템에 대해, 범용으로 사용할 수 있는 정의를 만들었다 (Standard J1952). 그 결과, 세 가지로 구별되는 하위 시스템 (sub-system)이 정리되었다: 파트 타임 방식 (Part-Time), 풀타임 방식 (Full-Time, 상시사륜) 그리고 온 디맨드 (On-Demand) 방식. 각각의 방식은 뚜렷한 특징을 가지고 있으며, 이어서 설명이 될 것이다. 이 세 가지 방식 일부나 전부를 조합인 방식도 있을 수 있다. 예를 들면, 어떤 시스템은 네 가지 모드를 가지고 있다: 2H, 4H, A4WD 그리고 4L. 이 네 가지 모두 운전자가 선택할 수 있다. 따라서, 시스템이 활용되는 방식은 운전자가 어떤 모드를 선택했느냐에 따라 달라진다.

 

파트타임 사륜구동 (Part-time)

파트타임 사륜구동은 보통 몇 가지 다른 작동 범위 (High, Low Range 및 중립)와 모드 (이륜구동과 사륜구동)를 가지고 있고, 일반적으로 트럭/ SUV에 적용된다. 운전자는 2H (이륜구동), 4H (사륜구동 고속: 이륜구동과 같은 기어비), 4L (사륜구동 저단: 트랜스퍼 케이스에서 추가로 감속) 그리고 중립 (Neutral) 중 하나를 선택할 수 있다.건조한 포장도로에서 주행할 때 보통 2H를 사용한다. 2H에서는 하나의 차축 (즉, 2 개의 바퀴, 이륜구동)만이 구동된다. 빙판이나 눈이 덮인 길 또는 상대적으로 평탄한 오프로드 지형을 주행할 때 등, 추가적인 추진력이 필요할 때, 4H가 사용된다. 4H에서는 양쪽 차축이 기계적으로 연결되어 구동된다. (즉, 사륜이 구동된다.)
4L에서는 저단 기어 세트 (Low Range Gear Set)을 통해 양쪽 차축에 추가적인 토크가 주어진다. 이 추가 토크는 보통 2:1에서 4:1의 범위에 있다. 4L은 가파른 경사로를 오르거나 도랑, 큰 자갈, 개천 등 거친 지형을 통과해야 할 때 사용된다. 중립 (N)은 차량이 견인될 때만 사용된다.
파트타임 사륜구동 차량의 경우에는, 운전자가 수동으로 모드와 기어비 (High & Low)를 선택한다. 이는 플로어에 설치된 변속 레버를 조작한다거나 계기판 쪽의 스위치/ 버튼을 이용하여 선택할 수 있다. 어떤 차량에서는 두 가지를 조합하기도 한다.
파트타임 사륜구동 차량에서는 ≪ 크로우 홉 (crow hop: 타이어가 끌리며 가끔 튀는 현상) ≫이라 불리는 위험하고 구동계 파손이 일어나기 쉬운 현상이 일어날 수 있다. 파트타임 사륜구동 차량을 건조한 포장노면 위에서 운전하는 경우에, 4L/ 4H 어느 쪽이든, 사륜구동 상태로 운전하지 않도록 해야 한다. 왜냐 하면, 선회 시, 앞뒤 바퀴가 다른 속도로 회전하는 것을 막기 위해 앞뒤 바퀴가 동시에 잠기는 경향을 보이기 때문이다. 선회 시, 그림 4.1에 보이는 것처럼, 회전반경의 차이로 인해 앞 뒤 바퀴가 다른 속도로 회전한다.
 

주차장에서와 같이 저속으로 선회하는 경우에, 앞뒤 추친축 (Propeller Shaft)이 다른 속도로 회전함으로 인해 구동계를 비틀게 되고, 이 토크 역전 (Torque reversal) 때문에 타이어가 질질 끌리게 된다. 타이어가 잠겼다 풀렸다 반복되기 때문에 구동계에 토크가 쌓였다 풀렸다 반복되며, 결과적으로 차량은 움찔거리며 (앞뒤 좌우 방향 모두) 깨끗하지 못한 거동을 보이게 된다. 까마귀가 튀는 모양 같아, ≪ crow hop ≫이라 부르는 이 동작은 차량 구동계를 손상시킬 수 있다.

 

상시사륜구동 (Full-time AWD)
상시사륜구동 차량의 경우에는, 사륜구동 시스템이 항상 연결되어 정해진 토크를 앞뒤 차축으로 전달한다. 시스템에 저단 기어나 앞뒤 차축을 묶는 기구가 없는 경우에, 운전자는, 험한 오프로드 운행에서도, 아무 것도 할 필요는 것이 일반적이다.

이 상시사륜구동의 뚜렷한 특징은 차축 사이의 차동기어장치 (Center Differential)의 존재이며, 이 장치로 인해 앞뒤 차축이 다른 속도로 무리 없이 회전할 수 있게 된다. 이 장치는, 파트타임 사륜구동 차량이 건조노면 (고 마찰 계수) 상에서 4H나 4L 모드로 주행할 때 발생하는 토크의 비틀림과 그 결과인 ≪ 크로우 홉 ≫ 현상을 없앤다. 차축 간 차동기어장치는 앞뒤 차축의 회전차를 흡수할 수 있는 기어로 구성된 장치이다.
센터 디퍼런셜은 앞뒤 차축의 회전차를 흡수하지만, 거기에는 커다란 단점이 있다 ? 이 장치는 출력이 마찰이 적은 쪽이 움직이도록, 전달된다. 예를 들어, 센터 디퍼런셜이 장착된 상시사륜구동 차량의 양쪽 앞 바퀴가 빙판 (저마찰) 위에 있고, 양쪽 뒷바퀴가 포장노면에 있을 경우, 모든 출력은 저항이 작은 쪽으로, 이 경우에는 앞쪽, 전달되어, 바퀴는 미끄러지며 헛돌게 되며, 차량은 움직이지 못한다. 이런 바람직하지 못한 상황은 기계적으로 센터 디퍼런셜을 잠금으로써, 파트타임 사륜구동 차량과 같은 조건을 만들어, 해결할 수 있다. 이 해결책은 오프로드를 주행하는 차량에게는 잘 들어맞지만, 이상적인 온로드 주행과는 상당한 괴리가 있다.
상시사륜구동 시스템을 더욱 소비자에게 친숙하게, 그리고 운전자가 어떤 모드가 운전 조건에 가장 적절한지를 판단할 필요가 없도록, 자동차회사들은 토크제어 장치를 적용하고 있다. 이런 토크제어 시스템은, 디퍼런셜 안에서, 토크를 감지하거나 속도차를 감지하는 패시브 (Passive) 시스템부터 컴퓨터 제어 (Controller)에 의해 전자적으로 클러치를 작동시키는 시스템까지 광범위하게 개발되어 있다. 수동적으로 디퍼런셜을 잠그는 (Locking) 장치보다 용량이 크지는 않지만, 이 시스템들이, 제한된 오프로드 운행을 고려하거나 극악한 오프로드를 운행하지 않는 사람들 (soft off-roaders)에게 더 적절하다. 이런 자동 시스템에 운전자가 선택할 수 있는 토크제어 장치를 조합한 시스템이 장착되기도 한다. 더 최근에는, 각 바퀴의 미끄러짐 (Slip)을 제어하여 추진력을 조절하는 (Traction Management), ABS 기술을 응용한 시스템도 볼 수 있다. 8장 AWD 토크 제어 장치 (Torque Management Devices) 및 11장 차량의 운동 (Vehicle Dynamics)에서 이런 다양한 토크제어 기술에 대해서 더 상세하게 다루기로 하겠다.
 

온 디맨드 사륜구동 (On-Demand AWD)
온 디맨드 사륜구동 차량은 기본적으로 이륜구동으로 작동된다. 필요할 때에만 (또는 On-Demand) 사륜구동이 작동된다. 예를 들어, 뒷바퀴굴림 기반 사륜구동 차량의 양쪽 뒷바퀴가 미끄러운 표면 위에 있고, 앞 바퀴가 아스탈트 같은 고 마찰면 위에 있을 때, 뒷바퀴가 헛돌게 되고, 뒷바퀴 출력이 계속 올라다가, 미리 정해진 조건 (바퀴 슬립량, 조타각 등)에 도달했을 때, 출력이 앞 바퀴로 전달된다. 마찬가지로, 앞바퀴굴림 기반 사륜구동 차량의 경우에는 2차 구동축인 뒷바퀴로, 필요할 때 출력이 전달된다. 일부 온 디맨드 시스템은 선제 대응을 하기도 한다. 즉, 토크제어 장치가, 바퀴가 헛돌거나 (Wheel Slip), 불안정한 차량의 상태를 운전자가 느끼기 전에 토크를 2차 축으로 전달한다. 이런 선제 작동은, 악셀 페달을 밟는 정도 (Throtlle Angle/ Position), 차량 속도, 조타각 (Steering Wheel Angle) 등등 여러 가지 입력을 받아, 장치를 작동하도록, 컴퓨터 제어에 의해 이루어진다.
액티브 토크제어 커플링 장치는, 구동계의 토크로 인한 비틀림이 발생하지 않도록, 클러치가 빠르게 붙었다 떨어지는 온 디맨드 시스템을 사용한다. 연비가 뛰어나면서도 우수한 핸들링과 안정성을 제공하기 위해, 이런 액티브 시스템에 전자 자세 제어장치 (ESP: Electronic Stability Program)를 통합할 수 있으며, GM 캐딜락 CTS (RWD/ AWD)와 현대자동차의 싼타페 (FWD/ AWD) 등이 이에 해당한다.
 

사륜구동 시스템의 조합 (Combination AWD)

포드 익스피디션 (Ford Expedition) 같은 일부 차량에는 여러 시스템의 특징을 조합한 시스템이 장착되기도 한다. 익스피디션에는 파트타임과 온 디맨드 시스템을 모두 갖춘 보그워너 트랜스퍼 케이스가 장착된다. (44-16은 포드 익스피디션 및 링컨 내비게이터에 장착된다.) 작동 모드는 2H, A4AWD, 4H, 4L로 나뉘어 있다.


구체적인 4륜 시스템
전형적인 파트타임 트랜스퍼 케이스의 구성부품을 보여준다. 4장에서 언급했던 것처럼, 이런 형식 트랜스퍼 케이스의 작동 모드는 2H (Two High), 4H (Four High) 및 4L (Four Low)로 되어 있다. 중립이 있는 일부 시스템도 있다.
2H 모드는 건조한 포장도로에서 사용된다. 이 경우, 출력은 뒷차축으로만 전달되고, 차량을 움직이는 최대효율이 나온다. 2H 모드에서는 보통 보조 차축 (Auxiliary Axle = Secondary Axle)의 연결을 차단하는 장치가 작동하여, 앞 차축과 그에 연결된 부품의 불필요한 회전을 막아, 연비 향상과 소음 진동 저감을 도모한다. (연결/ 차단 장치에 대해서는 9장 구동계 연결 장치 (Driveline Disconnect Systems)에서 설명할 것이다.) 2H 모드에서는 앞뒤 차축이 서로 묶여 있지 않기 때문에, 다른 속도로 회전할 수 있다. 따라서, 주차장에서도, 앞에서 설명한 바인딩 (Binding: 차를 움직이지 못하게 묶으려는 현상)이나 크로우 홉 현상이 일어나지 않는다.
2H 모드에서의 전형적인 파트타임 트랜스퍼 케이스 (포드 F-150에 사용되는 보그워너 모델 44-19)를 보여준다. 출력은 변속기에서 나와 직접 뒤쪽 구동계 (추진축 및 차축)로 전달된다. 입력축 (Input Shaft)과 뒤 출력축 (Rear Output Shaft)은 슬라이딩 도그 클러치 (Reduction Hub)로 연결되어 있다. 4H 또는 4L과 관련된, 앞 바퀴를 구동시키는 대부분의 부품은 최대 연비를 위해 연결이 끊어져 있다.
4H 모드에서는, 앞뒤 구동계 (추진축과 차축)가 같은 속도로 회전하도록, (여러 가지 형태의) 도그 클러치를 통해 기계적으로 연결된다. 4H의 경우, 트랜스퍼 케이스 내에서의 기어 감속은 없다. 각각의 추진축에 걸리는 토크는 도로나 표면 상태에 따라 결정되지만, 앞뒤 추진축은 동일한 속도로 회전한다.


그림 5.4에, 4H 상태인 전형적인 파트타임 트랜스퍼 케이스 (보그워너 모델 44-19)를 보여주고 있다. 입력축 (Input Shaft)과 뒤 출력축 (Rear Output Shaft)은 슬라이딩 도그 클러치 (Reduction Hub)로 연결되어 있다. 뒤 출력축과 위쪽 스프라켓 (Upper Sprocket)은 록업 칼라 (Lock-up Collar)로 연결된다. 변속기에서 나온 토크는 트랜스퍼 케이스 입력축을 돌리고, 이어서 후 출력축과 위쪽 스프라켓이 돌게 된다. 앞 출력축 (Front Output Shaft)은, 위쪽 스프라켓과 아래쪽 스프라켓 (Lower Sprocket)을 연결하는, 체인으로 구동된다.

 
4L 작동은 앞뒤 차축이 묶인다는 점에서는 4H와 유사하다. 그러나 4L에서는 입력 토크를 증대하여 출력을 내보내기 위한 기어 감속이 있다. 증대된 토크는, 깊은 모래나 진흙 또는 가파른 언덕길 등판 등 최대 추진력이 필요한 상황을 도와준다. 추가 기어 감속은 엔진 브레이크 (역자 주: 감속 시에는, 구동계가 엔진을 돌리게 되어, 차를 감속시키는 결과가 되며, 이런 현상을 엔진 브레이크라 부른다) 능력도 증가시켜, 가파른 내리막 길에서, 운전자가 브레이크 페달을 밟지 않고, 가속 페달을 이용하여 (즉, 가속 페달에서 발을 떼어) 차속을 조절할 수 있다.
전형적인 파트타임 트랜스퍼 케이스 (보그워너 모델 44-19)의 4L 상태가 그림 5.5에 그려져 있다. 드그 클러치 (Reduction Hub)가 뒤쪽으로 움직여 뒤 출력축과 위성기어 캐리어 (Planetary Carrier)를 연결한다. 뒤 출력축과 위쪽 스프라켓은 록업 칼라에 의해 연결되어 있다. 변속기에서 나온 출력은, (입력축과 선 기어는 스플라인으로 연결되어 있으므로), 트랜스퍼 케이스의 입력축과 위성기어 장치의 선 기어 (Planetary Sun Gear)를 돌린다. 선 기어를 돌리면, 위성기어 캐리어가 같은 방향으로 돌게 되지만, 위성기어 장치의 링 기어 (Planetary Ring Gear)가 케이스에 고정되어 있으므로, 낮아진 속도로 돌게 된다. (주: 위성기어 장치의 작동 원리는 7장에서 다룰 예정이다.) 뒤 출력축은 도그 클러치 (Reduction Hub)로 위성기어 캐리어와 묶여 있고, 위쪽 스프라켓은 록업 칼라에 의해 뒤 출력축과 묶여 있으므로, 뒤 출력축과 위쪽 스프라켓 또한 이 감속된 속도로 돌게 된다. 앞 출력축 (Front Output Shaft)은, 위쪽 스프라켓과 아래쪽 스프라켓 (Lower Sprocket)을 연결하는, 체인으로 구동된다.

 
중립 (Neutral)에서는, 트랜스퍼 케이스와 변속기가 끊어져 있다. 중립으로 되어 있을 경우에, 차량의 추진축 (Propeller Shaft)을 제거하지 않고도, 차량을 견인할 수 있다. 견인 시, 회전하는 트랜스퍼 케이스 부품에 적절한 윤활이 되도록 시스템을 설계하여야 한다. 일반적으로 트랜스퍼 케이스에는, 주 출력축 (Main Shaft = 뒤 출력축 (Rear Output Shaft))의 회전을 이용한 용적식 윤활 시스템 (Positive Displacement Lubrication System)이 장착되어 있다.


그림 5.6에, 중립 상태인 전형적인 파트타임 트랜스퍼 케이스 (보그워너 모델 44-19)를 보여주고 있다. 도그 클러치 (Reduction Hub)는 입력축이나 위성기어 캐리어 어느 쪽에도 연결되지 않는 위치에 놓이게 된다. 변속기에서 나오는 출력은, 주 출력축 (= 뒤 출력축)뿐 아니라, 트랜스퍼 케이스 내의 다른 회전 부품, 구동계와 끊어지게 된다.


일부 파트타임 사륜구동 시스템은 주행 중에 이륜구동에서 사륜구동으로 전환이 가능하다. 이 기능은 보통 ≪ shift-on-the-fly ≫라고 부르며, 줄여서 SOF라고 부르기도 한다. (역자주: 이 용어는 비행기 관련 용어에서 나온 것으로 짐작되며, 의미는 fly중에 shift한다 정도가 됩니다.) SOF 시스템에는, 앞 출력축 (Front Output Shaft)과 뒤 출력축 (Rear Output Shaft)의 속도를 일치시켜 위쪽 스프라켓 (Upper Sprocket)과 주 출력축 (Main Shaft = Rear Output Shaft)를 묶는 도그 클러치나 칼라 (Collar)가 부드럽게 연결되도록 하는, 동기화 기구 (Syncronizing Device)가 들어있다. 기계적인 콘 형식 싱크로나이저 (Cone-type Synchronizer: 수동변속기에 사용되는 것과 유사함)와 전자기 클러치 (보그워너 트랜스퍼 케이스에 사용되고 있다) 등 다양한 동기화 기구가 사용된다.


트랜스퍼 케이스에는 콘 형식이 가장 널리 사용되고 있다. 대부분의 수동변속기 싱크로나이저는 싱글 콘 형식이다. 그러나, 트랜스퍼 케이스에서 사륜구동 고속 (4H)에서 사륜구동 저속 (4L)으로 전환(큰 속도차와 변속기 이너셔)하거나, 고속에서 이륜구동을 사륜구동으로 전환할 때처럼 동기화에 많은 토크가 필요할 경우에는, 더블 콘이나 트리플 콘 싱크로나이저 (또는 대구경 싱글 콘 싱크로나이저)가 필요하다. 중간 링 (Intermediate Ring)을 사용하면, 마찰면 수가 늘어나고, 마찰력, 마찰 토크가 증가하고 열이 방출되는 결과를 얻는다.
변속 슬리브 (Shift Sleeve), 싱크로나이저 허브 (Hub), 스트럿 (Strut), 블로커 링 (Blocker Ring)과 기어 콘 (Gear Cone) 등, 더블 콘 싱크로나이저 주요 구성부품이 그림 5.7에 보여진다.

 
변속 완료 시점에, 끝부분이 지붕 모양의 각도로 가공된 슬리브 안쪽 스플라인 (Internal Spline)과 구동하는 기어의 드라이브 독 (Dog Ring 또는 Drive Gear)이 맞물리게 되어 있다. 슬리브 외곽에는, 슬리브를 축 방향으로 움직이는 변속 포크 (Shift Fork)가 걸리는 홈이 있다. 슬리브 안쪽 이빨이 빠진 부분 (Notches)은 1차 동기화 (Pre-synchronization)를 행하는 부품 (Strut과 스프링)의 위치를 잡아준다.


허브 (Hub)의 안쪽 스플라인 (Internal Spline)에는 주 출력축 (Main Shaft)의 바깥쪽 스플라인 (External Spline)과 결합되고, 슬리브는 그 위를 축 방향으로 움직이게 되어 있다. 허브 끝에 원주에 있는 3 개의 노치에는 블로커 링 (Blocker Ring)의 각각의 돌출부 (Lug)가 끼워져 같이 회전하게 한다. 허브에는, 1차 동기화를 하는 부품을 걸기 위해, 3 개의 축 방향 홈이 있다.


블로커 링에는 예전부터 특수 황동이나 황동합금이 사용되어 왔다. 최근에는 스틸이나 소결합금으로 제작된 링에 유기질 또는 무기질 마찰재를 접착한다. 블로커 링 안쪽은 콘 형상을 하고 있지만, 바깥쪽에는, 슬리브의 홈에 끼워지는, 지붕 모양의 이빨과 돌출부 (Lug)가 만들어져 있다. 콘의 안쪽 면은 드라이브 기어 (Drive Gear)의 바깥쪽 콘 형상과 접촉하게 되어 있다. 블로커 링의 표면에는 원주 방향 및 길이 방향으로 홈이 파져, 콘 접촉면의 오일을 빠르게 빠져나가도록 한다. 윤활유가 빨리 빠져나갈수록 마찰 토크가 빨리 증가하여, 슬립 시간을 단축시키고, 그 결과, 온도 상승을 늦춘다.


지름 방향으로 움직이는 3 개의 스트럿 (Struts)은 허브의 둘레에 놓이며 변속 슬리브 (Shift Sleeve)의 안쪽 멈춤 노치 (Detent Notch) 3곳에 스프링으로 눌려진다.
마지막 부품인 싱크로나이저 콘 (Synchronizer Cone)은 드라이브 기어 (Drive Gear)의 일부로 가공되거나, 철판으로 따로 만들어져 드라이브 기어 (Drive Gear)에 용접된다. 콘 바깥 둘레에는, 변속 완료 시점에 슬리브의 안쪽 이빨들과 맞물리는, 지붕 형태의 결합 이빨 (Clutching Teeth)이 가공되어 있다. 수동변속기의 경우에, 드라이브 기어 (Drive Gear)는 롤러 베어링이나 니들 베어링을 사이에 두고 주축 (Mainshaft)에 조립되어 있다. 트랜스퍼 케이스의 경우에는, 드라이브 기어 (Drive Gear)가 위쪽 스프라켓과 일체화되어 있다.


변속 중에는, 변속 포크 (Shift Fork)가 슬리브를 축 방향으로 밀어 블로커 링쪽으로 보낸다. 슬리브 안쪽 멈춤 노치 (Detent Notch)의 모따기한 면 때문에, 스트럿 (Strut)은 변속 허브 (Shift Hub)의 중심축으로 눌린다. 스트럿은 블로커 링을 드라이브 기어의 콘 쪽 축 방향으로 밀게 된다. 이 작동에 의해, 블로커 링이 살짝 회전하게 만드는 (허브 홈 폭으로 제한된다) 마찰 토크가 발생한다. 슬리브 상의 모따기한 이빨들이 블로커 링의 이빨과 닿아 슬리브의 조기 축 방향 움직임을 막는다. 변속 포크의 축 방향 힘이 증가하여 발생하는 마찰 토크가 허브와 드라이브 기어 (또는 스프라켓)의 속도를 올리게 되어, 동기화가 이루어진다. 속도가 같으면, 마찰 토크가 없어진다. 변속하려는 힘이 계속 블로커 링 이빨에 작용하므로, 슬리브가, 슬리브의 이빨을 블로커 링 틈으로 미끄러져 들어가, 블로커 링과 드라이브 기어를 돌리게 되고, 드라이브 기어의 결합 이빨 (Clutching Teeth)과 맞물리면서 변속 과정이 완료된다. 멀티 콘 싱크로나이저의 작동원리는, 메인 콘 중간에 있는 컵과 콘을 제외하고는, 싱글 콘과 유사하다.


보그워너 전자기식 싱크로나이저 (BorgWarner Electromagnetic Synchronizer)

파트타임 사륜구동 차량이, 도로주행 시, 2H에서 4H로 변속을 하기 위해 보그워너에서는 전자기식 싱크로나이저를 사용한다. 주변을 회전하는 로터 (Rotor) 또는 코일 하우징 (Coil Housing)을 가진 고정된 자기 코일 (stationary Magnetic Coil)과 로터 앞에 있는 아마츄어 (Armature)로 구성된 전자기식 싱크로나이저를 보여주고 있다.
 
자기 코일 (Magnetic Coil)은 고리 형상의 철제 하우징 (Steel Housing) 안에 절연된 구리 선이 감겨져 있다. 전류가 구리 선을 통과할 때, 자성을 띄게 되어 축 방향 인력을 발생시킨다.
로터는 자기 코일의 3면 (고정된 면을 제외한 안쪽과 바깥쪽, 앞면)을 감싸며, 작은 틈새를 두고 회전하는 부품이다. 코일이 자성을 띄면, 로터는 플럭스 서킷 (Flux Circuit)의 일부가 된다 (즉, 자성을 띄게 된다). 이 부품은 보통 주축 (Main Shaft = Rear Output Shaft)에 조립된다. 아마츄어 (Armature)는 보통 칼라 (Collar)를 통하여 위쪽 스프라켓 (Upper Sprocket)에 붙는 반듯한 판이다.
앞 차축의 동기화가 필요하면, 전자 제어 장치 (ECU: Electronic Control Unit)는 마그네틱 코일에 차에서 유효한 최대 전압 (12V에서 16V) 의 전류를 흘리게 한다. 변속 모터가 아마츄어 (Armature)를 로터에 닿거나 충분히 접근하도록 움직인다. 로터와 아마츄어가 닿으면, 플럭스 서킷이 만들어진다. 자기 에너지는 코일에서 로터를 통하여 아마츄어 (Armature), 그리고 코일로 다시 흘러온다. 이 흐름이 아마츄어 (Armature)와 로터를 서로 당기게 한다.


로터와 아마츄어 (Armature)를 당기는 힘과 속도 차이 때문에 마찰 토크가 아마츄어 (Armature)로 전달되며, 마찬가지로 위쪽 스프라켓으로 전달된다. 위쪽 스프라켓은 그 회전력을 체인을 통해 아래쪽 스프라켓 (Lower Sprocket), 앞쪽 출력축 (Front Output Shaft)으로 전달한다. 앞 구동축 (Front Driveshaft)과 앞 차축 (Front Axle)은 트랜스퍼 케이스의 앞 출력축 (Front Output Shaft)에 연결되어 있으므로, 로터와 동일한 회전속도로 회전하게 되고, 결과적으로 앞쪽 구동계 (Front Driveline)는 뒤쪽 구동계 (Rear Driveline)와 같은 속도로 회전하게 된다. 코일에 흐르는 전류는, 동기화 이후 정해진 시간이 지나거나, 앞뒤 구동계의 속도 센서 (Speed Sensor)의 입력에 따라 끊어진다.
 

상시 사륜구동 (Full-time AWD)
일반적인 상시 사류구동 (Full-time AWD) 시스템은 항상 연결되어 출력을 네 바퀴로 전달한다. 출력 전달은 축간 (Inter-Axle) 혹은 중간 (Center) 차동기어 (Differential)를 통해 이루어진다. 상시 사륜구동 시스템은 앞뒤 차축에 고정된 토크를 배분한다. 예를 들어, 보그워너 44-84 트랜스퍼 케이스가 적용된 험머 (Hummer)의 H2는 전후 차축 토크 배분이 40:60이며, 이 의미는 입력 토크의 40%는 앞으로, 60%는 뒤 차축으로 각각 배분된다는 것이다.


대부분의 상시 사륜구동 시스템에는 유성기어 (epicyclic 또는 planetary) 형식이 센터 디퍼런셜로 사용되지만, 베벨 기어 형식의 것도 일부 사용되고 있다.

전형적인 오픈 디퍼런셜 (Open Differential = Center Differential)이 들어있는 1단 상시 사륜구동 트랜스퍼 케이스를 보여주고 있다. (보그워너 44-79, 캐딜락 CTS에 사용) 이 센터 디퍼런셜은 링 기어 없이 두 개의 선 기어를 사용하는 트랜스퍼 케이스의 사례이다. 변속기로부터의 출력은 위성 기어 캐리어로 전달된다. 그리고, 뒤쪽으로 출력을 내보내는 하나의 선 기어와, 앞쪽 구동 스프라켓 (Upper Sprocket), 체인 그리고 피동 스프라켓 (Lower Sprocket)을 통해, 앞쪽으로 출력을 내보내는 다른 선 기어로, 전달된다.
최대 추진력을 얻기 위해 센더 디퍼런셜을 통한 토크는 각 타이어가 최대 추진력을 얻을 수 있는 배분이 되도록 조절되어야 한다. 토크 조절은, 능동적 (Active)이든 피동적 (Passive)이든, 토크를 나누는 기구나 브레이크를 이용한 추진력 제어 시스템 (TCS: Traction Control System)을 통하여 이루어진다. 피동적 형식 (Passive Type)부터 전자 제어 방식까지 다양한 토크 제어 기구가, 센터 디퍼런셜과 함께 사용되고 있다. 이런 여러 가지 기술은 8장에서 상세하게 다루기로 하겠다.

 

온 디맨드 사륜구동 (On-Demand AWD)
온 디맨드 트랜스퍼 케이스는 뒤 차축 (또는 1차 구동축 (Primary Axle))으로 직접 연결되어 있고, 앞 차축 (또는 2차 구동축 (Secondary Axle))으로는 필요할 때에만 토크를 분배한다. 여러 가지 다양한 사륜구동 시스템 중에서, 온 디맨드 시스템이 ABS나 TCS 시스템과 가장 잘 조화를 이룬다. 온 디맨드 사륜구동 시스템의 경우에는, 2차 구동축으로 분배되는 토크는, 일반적으로 트랜스퍼 케이스 내에 있는 습식 클러치 (Wet Clutch)인, 토크 제어 장치에 의해 조정된다. 토크는, 미끄러운 노면이거나 건조한 포장도로 위에서, 차량의 핸들링 향상을 위하여 2차 구동축 (Secondary Axle)에 전달되기도 한다. 토크 제어 기구는 아주 짧은 시간에 붙었다 떨어지기 때문에, 온 디맨드 트랜스퍼 케이스가 장착된 차량은, 파트타임 사륜구동의 4H나 4L에서와 같은 토크 비틀림 없이, 건조한 포장도로를 주행할 수 있다.


그림 5.11에 전형적인 온 디맨드 트랜스퍼 케이스의 오토 모드를 보여준다. (보그워너 44-12, 포드 익스플로러에 사용) 오토 모드가 선택되면, 전자기 클러치가 전후 구동계를 동기화시키기 위해 붙게 된다. 이때, 클러치는 최소한의 힘 (최소 전류 (minimum current level)가 인가되므로, 클러치가 붙는 힘도 최소임)으로 붙어 있는데, 이는 이어지는 토크 증가에 맞추어 작동할 수 있도록 하기 위함이며, 대략 30에서 60 Nm 정도의 토크를 앞쪽으로 보낸다. 이 토크 수준은 아주 낮아, 급격한 선회에서도 TCB (Tight Corner Binding: 사륜구동 상태에서 주차장 등에서 급하게 선회할 때, 마치 브레이크가 걸린 듯이 차가 멈칫거리는 현상) 현상이 발생하지 않는다. 그리고, 제어 시스템은 전후 출력축의 속도 차이를 감시하며, 뒷바퀴가 헛돌게 되면 (전후 출력축 속도 차이로 감지), 앞쪽의 토크 출력을 높인다.전달되는 토크는 차량의 운전 상황에 따라 결정된다. 바퀴가 헛돌지 않게 되면, 앞쪽으로 나가는 토크는 예비하는 수준으로 낮아진다.

 

FWD 기반 AWD 차량에서의 PTU (PTUs for FWD/ AWD Vehicles)

PTU (Power Transfer Unit)란 용어는 FWD 차량을 AWD 차량으로 변경하기 위해 추가되는 기어 박스를 의미한다. PTU와 트랜스퍼 케이스의 가장 큰 차이점은, PTU에는 90 도로 연결되는 기어가 있다는 점이다. 트랜스퍼 케이스는 길이 방향 (north-south)으로 놓이는 변속기에 조립되지만, PTU는 엔진이 좌우로 놓이는 (east-west) 트랜스 액슬에 설치되기 때문에, 직각으로 연결되는 기어가 필요해진다. PTU가 1차 구동축 (또는 구동 바퀴)에서 2차 (또는 보조) 구동축으로 출력을 전달한다는 점에서는, 트랜스퍼 케이스와 비슷하다. PTU는, 엔진이 좌우 방향으로 놓이는 전형적인 FWD 기반 사륜구동 (AWD) 시스템에 가장 많이 적용된다. 이 장에서는 FWD 기반 AWD 차량에 쓰이는 PTU에 초점을 맞추도록 하겠다. 그렇지만, 엔진이 뒤에 놓이는 AWD 차량에 사용되어 출력을 앞 차축 (보조 구동축 또는 2차 구동축)으로 전달하는 경우도 있다

상시 사륜구동 및 온 디맨드 사륜구동 등, PTU를 사용하는 두 가지 형식의 사륜구동 시스템이 존재한다. 이 장에서는 온 디맨드 사륜구동에서 사용되는 PTU를 주로 다루기로 하겠다. 상시 사륜구동 시스템에서 사용되는 PTU에 대해서는 이 장 끝부분에서 다루기로 하겠다.

PTU의 1차 축은 일반적으로 변속기의 출력 축에 놓이고, 스플라인으로 트랜스 액슬 디퍼런셜 하우징 (Trans-Axle Differential Housing)에 조립된다. 그림 6.2에 일반적인 PTU 팩키징 (역자 주: 공간적인 배치를 의미하며, 업계에서 많이 쓰이는 용어이므로, 굳이 번역하지는 않았음)을 보여주고 있다.

 
구동 축 (Drive Shaft 또는 Halfshaft)을 연결하는 연결축 (Linkshaft)은 PTU의 1차 축 (Primary Shaft)을 통과하여 지나간다. 따라서, PTU의 1차축 (Primary Shaft)은 중공축이 적용된다. 이 점이 PTU 패키징의 가장 어려운 점이다. 연결축 (Linkshaft)은, 앞 바퀴를 구동하는 토크나 듀티 사이클 (역자 주: 업계에서 많이 쓰이는 용어로, 적절한 번역이 없습니다. 하중 조건이 변화하는 사이클 정도로 이해하시길.)에 견딜 수 있도록, 충분한 직경을 확보해야 한다. PTU 크기 설정의 다른 전형적인 제약조건은 엔진 블록과 오일 팬의 패키징이다. 연결축 (Linkshaft)가 지나가는 공간과 엔진 블록/ 오일 팬과의 간격 등, PTU의 내외부 경계는 1차축 (Primary Shaft) 설정에 까다롭게 설정되어 있다.
직각으로 연결하는 데는, 스파이러럴 베벨 기어와 하이포이드 기어의 두 가지 방식이 사용되고 있다. 

이 두 가지 방식의 중요한 차이점은, 하이포이드 기어세트에는 오프셋이 있다는 것이다. 이 오프셋은 그림 6.4에 보여주고 있고, 피니언 기어의 중심과 링 기어의 중심간 거리이다

 

하이포이드 기어에서의 오프셋 적용으로, 기어 시스템의 접촉율 (Contact Ratio)을 높여, 소음 진동을 줄이고, 더 큰 토크 전달 용량을 확보할 수 있다. 또한 오프셋으로 인해, 링 기어/ 피니언 기어의 미끄러짐이 커진다. 이 미끄러짐 때문에, 적절한 윤활이 되지 않으면, 열, 압력 및 과도한 마모가 발생한다. 이 마모를 방지하기 위해 기어 오일에 극압첨가제 (Extreme Pressure Addictives)가 첨가되는 것이다. 이 미끄러짐을 이용하여, 제조 공정에서 랩핑 (Lapping)을 실시한다. 랩핑은 서로 물리는 기어들의 접촉면에, 연마액 (Abrasive Fluid)을 흘려 넣으면서, 적절한 접촉 패턴이 만들어질 때까지, 하중을 주어 돌린다. 피니언의 오프셋은 대략 링 기어 직경의 15%에서 20% 정도이다.
AWD 하중 조건 (Duty Cycle)을 만족하는 PTU의 수직 기어세트를 넣을만한 적절한 공간이 없을 경우, 필요한 곳에서 떨어져 설치할 수 있도록, 하나 또는 그 이상의 평행 기어세트를 집어넣는 경우도 있다. 이러한 기어 세트의 추가로 인하여, 싱글 스테이지 (하이포이드 기어세트만 있음)가 2 또는 3 스테이지 PTU로 변경된다. 그림 6.5는 추가적인 평행축의 기어세트가 들어있는 3 스테이지 PTU를 보여주고 있다.

 

두 번째나 세 번째 기어세트를 추가하면, 하이포이드 기어의 패키징 유연성을 확보하는 것뿐 아니라, 하이포이드 기어세트에 걸리는 토크를 줄여줄 수도 있다. 이는, 평행축의 기어 조합이 속도를 올려주고 토크를 줄여주는 조합일 경우에 해당하는 이야기이다. 이런 기어 조합은 바람직하지는 않지만, 특수한 패키지 환경에서는 필요해진다. 패키지를 향상하고 토크를 최적화하기 위한 이런 다단계 기어 스테이지의 추가는 기어 물림 손실, 베어링 및 씰 회전 손실, 윤활유 교반으로 인한 손실, 그리고 PTU 효율을 전반적으로 떨어뜨리고 NVH (역자 주: Noise, Vibration and Harshness의 약자로, 소음진동으로 이해하면 되겠습니다.)을 악화시키는 중량 증가 등의 결과를 초래한다.
다른 주요한 PTU의 패키징은 스티어링 랙 (Steering Rack), 배기관 (Exhaust), 바닥판 (Floor Panel) 그리고 엔진이 올라가는 크로스 멤버 (Cross Member) 등과의 간극도 고려되어야 한다. 이런 모든 조건 때문에, PTU의 출력축을 설정하기가 복잡해진다. PTU 위치 결정시 고려해야 할 다른 주요한 문제로는 PTU가 보통 설치되는 실린더 블록 뒤에는 공기 흐름이 최소화된다는 점이다. 하이포이드 기어의 미끄러짐과 다른 손실로 인하여 발생되는 열은 윤활유와 하우징을 통하여 발산되어야 한다. 일부 극단적인 경우에, 냉매를 이용하여 냉각을 시도하는 경우도 있다. 대부분의 PTU는 강제로 냉각시키지는 않지만 (비용과 패키지 문제 때문에 고려되지 않는 것이기는 하지만), 그렇기 때문에 설계, 개발하는 과정에서 이렇게 발생되는 열을 방출하도록 하는 것이 결코 쉽지는 않다.
PTU와 다른 기어박스를 차별화하는 다른 중요한 사항에는, 뒤 차축 윤활유과 유사하지만 극압첨가제가 들어간 윤활유를 사용한다는 점, 변속기 윤활유와 PTU 윤활유가 섞이지 않도록, 중공 입력축 (Hollow Input Shaft)과 연결축 (Linkshaft) 사이에 축간 밀봉 (Shaft-to-shaft Seal)이 되어있다는 점 등이다.

 

상시 사륜구동용 PTU
PTU에 들어있는 상시 토크 분배 시스템 (Torque Biasing System)의 실례이다. 센터 디퍼런셜은 PTU 내에 있고, 프런트 디퍼런셜은 트랜스 액슬에 들어있다. 이 장치에는 센터 디퍼런셜과 평행으로 유체 분배 기구가 조립되어 있다.

 

PTU와 PTO
PTO (Power Take-Off)는 차량의 악세서리를 구동하는 보조 기어박스를 말한다. 이런 악세서리의 예로서는 덤프트럭 적재함을 들어올리는 유압펌프나 견인트럭의 윈치를 움직이는 펌프 등이 있다. (역자 주: 과거에 농촌형 트럭으로 판매되었던 세레스라는 트럭에 PTO가 장착되어 있어, 양수기 등을 돌리는데, 사용되었습니다.) 이 PTO가 연결되었을 때, 일반적으로 차량은 정지 상태이고, PTU를 통해서 악세서리를 구동하기 위해 엔진은 돌고 있다.


[출처] 사륜구동 (AWD) 차량 이야기) | 작성자 꿈꾸는나그네

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