자동차 4륜구동 시스템 원리, 험로를 정복하는 동력 배분의 비밀
자동차 4륜구동 시스템은 엔진이나 전기모터의 힘을 네 바퀴에 나눠 전달하는 기술입니다.
일반 도로에서는 앞바퀴나 뒷바퀴 두 개만 움직여도 주행에 큰 문제가 없습니다.
하지만 진흙과 모래, 눈길, 바위가 많은 길에서는 이야기가 달라집니다.
한쪽 바퀴가 미끄러지거나 공중에 뜨면 두 바퀴만 굴리는 자동차는 앞으로 나아가기 어려워집니다.
4륜구동 자동차는 접지력이 남아 있는 다른 바퀴로 힘을 보내 탈출 가능성을 높입니다.
그렇다고 네 바퀴가 항상 같은 힘과 같은 속도로 회전하는 것은 아닙니다.
포장도로에서는 좌우 바퀴뿐 아니라 앞뒤 바퀴도 서로 다른 속도로 돌아야 합니다.
이 차이를 조절하지 못하면 타이어와 구동계에 부담이 쌓입니다.
자동차 4륜구동 시스템의 성능은 단순히 네 바퀴를 굴리는 데서 결정되지 않습니다.
트랜스퍼 케이스와 디퍼렌셜, 전자식 클러치, 브레이크 제어장치가 상황에 맞춰 동력을 어떻게 나누느냐가 더 중요합니다.
자동차 4륜구동 시스템의 기본 구조부터 AWD와 4WD의 차이, 디퍼렌셜 잠금장치와 험로 주행방법까지 쉽게 알아보겠습니다.
1. 자동차 4륜구동 시스템은 네 바퀴에 힘을 어떻게 전달할까
자동차의 엔진이나 전기모터에서 만들어진 회전력은 변속기를 통과해 바퀴로 전달됩니다.
전륜구동 자동차는 주로 앞바퀴에 힘을 보냅니다.
후륜구동 자동차는 프로펠러 샤프트를 통해 뒷바퀴에 힘을 전달합니다.
4륜구동 자동차는 앞차축과 뒤차축 모두에 동력을 보낼 수 있어야 합니다.
전통적인 4WD 차량에는 트랜스퍼 케이스가 사용됩니다.
트랜스퍼 케이스는 변속기에서 나온 힘을 앞쪽과 뒤쪽 구동축으로 나눠 보내는 장치입니다.
험로 주행을 목적으로 만든 차량에는 고속과 저속을 선택할 수 있는 2단 트랜스퍼 케이스가 사용되기도 합니다.
일반 주행에서는 4H 또는 고속 4륜구동을 사용합니다.
바위와 깊은 진흙, 가파른 오르막에서는 4L 또는 저속 4륜구동을 사용할 수 있습니다.
4L은 자동차의 최고속도를 높이는 장치가 아닙니다.
기어비를 크게 낮춰 바퀴가 천천히 돌면서 더 큰 구동력을 낼 수 있도록 만드는 장치입니다.
운전자는 가속페달을 조금만 밟으면서도 바위를 넘거나 가파른 비탈을 천천히 오를 수 있습니다.
지프의 공식 설명에서도 저속 4륜구동은 바퀴의 회전속도를 낮추고 험로에 필요한 힘과 제어력을 제공하는 기능으로 안내됩니다.
상시 4륜구동이나 AWD 차량은 전자식 다판 클러치 또는 센터 디퍼렌셜을 사용할 수 있습니다.
센서가 바퀴 회전속도와 조향각, 가속페달 위치, 차체 움직임을 계속 확인합니다.
앞바퀴가 미끄러지기 시작하면 뒤쪽으로 보내는 힘을 늘립니다.
코너를 빠르게 통과할 때는 주행안정성을 높이도록 앞뒤 동력 비율을 조절하기도 합니다.
최근 시스템은 바퀴가 실제로 미끄러진 뒤에만 반응하지 않습니다.
운전자의 가속 요구와 조향 상태를 분석해 미끄러짐이 발생하기 전에 구동력을 준비하는 방식도 사용합니다.
자동차 4륜구동 시스템은 엔진 힘을 단순하게 네 등분하는 기술이 아닙니다.
노면과 주행 상태에 맞춰 사용할 수 있는 접지력을 찾아 힘을 보내는 기술에 가깝습니다.
사진 출처: Pexels, Wallace Silva
2. AWD와 4WD, 상시 4륜과 파트타임 4륜의 차이
AWD와 4WD는 모두 네 바퀴에 동력을 전달할 수 있습니다.
두 명칭을 명확하게 구분하는 하나의 세계 공통기준이 있는 것은 아닙니다.
자동차 제조사에 따라 이름과 작동방식이 달라질 수 있습니다.
일반적으로 AWD는 운전자가 별도로 조작하지 않아도 시스템이 앞뒤 동력을 자동으로 배분하는 방식을 말합니다.
포장도로와 빗길, 눈길에서 주행안정성을 높이는 데 초점을 둡니다.
승용차와 크로스오버 SUV에 많이 사용됩니다.
평소에는 앞바퀴 위주로 달리다가 필요한 순간에 뒷바퀴로 힘을 보내는 온디맨드 AWD가 대표적입니다.
앞바퀴만 사용할 때는 구동계의 저항을 줄여 연료 소비를 낮추기 좋습니다.
가속하거나 바퀴가 미끄러질 때 전자식 클러치를 연결해 뒷바퀴로 동력을 전달합니다.
상시 AWD는 평소에도 앞뒤 바퀴에 일정한 힘을 보냅니다.
센터 디퍼렌셜이나 클러치가 주행 상태에 따라 배분 비율을 바꿉니다.
스바루는 AWD가 앞뒤 및 좌우 디퍼렌셜을 통해 각 바퀴에 서로 다른 양의 동력을 전달할 수 있다고 설명합니다.
아우디의 일부 콰트로 시스템은 기계식 셀프록킹 센터 디퍼렌셜을 사용합니다.
해당 구조는 정상 주행에서 앞차축과 뒤차축에 40대 60의 비율로 동력을 배분하고 상황에 따라 비율을 바꿉니다.
4WD라는 명칭은 트럭과 정통 SUV처럼 험로 성능을 강조한 차량에서 많이 사용됩니다.
파트타임 4WD 차량은 평상시 포장도로에서 두 바퀴만 굴립니다.
눈길이나 진흙길에 들어갔을 때 운전자가 4륜구동을 선택합니다.
2H는 고속 2륜구동을 뜻합니다.
4H는 눈길이나 비포장도로에서 사용하는 고속 4륜구동입니다.
4L은 큰 힘과 정밀한 제어가 필요한 험로에서 사용하는 저속 4륜구동입니다.
파트타임 4WD는 4륜구동을 선택하면 앞뒤 구동축이 강하게 연결되는 경우가 많습니다.
눈이나 진흙처럼 바퀴가 조금씩 미끄러질 수 있는 노면에서는 강한 견인력을 냅니다.
그러나 접지력이 높은 마른 포장도로에서 계속 사용하면 문제가 생길 수 있습니다.
자동차가 회전할 때 앞바퀴와 뒷바퀴가 이동하는 거리는 서로 다릅니다.
앞뒤 회전 차이를 흡수할 센터 디퍼렌셜이 없으면 구동계에 비틀림이 쌓입니다.
이를 드라이브라인 바인딩 또는 구동계 감김 현상이라고 합니다.
핸들이 무거워지거나 타이어가 끌리는 느낌이 생길 수 있습니다.
트랜스퍼 케이스와 구동축에도 불필요한 부담이 가해집니다.
따라서 자동차의 4륜구동 방식과 사용 가능한 노면을 취급설명서에서 먼저 확인해야 합니다.
상시 4륜구동은 마른 포장도로에서도 계속 사용할 수 있습니다.
파트타임 4륜구동은 필요한 노면에서 운전자가 선택해 사용하는 방식입니다.
사진 출처: Pexels, Haziq Farooqi
3. 디퍼렌셜과 잠금장치가 험로 탈출력을 결정한다
자동차가 코너를 돌면 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 더 긴 거리를 이동합니다.
좌우 바퀴를 하나의 축으로 완전히 묶으면 두 바퀴가 같은 속도로 돌아야 합니다.
이 상태에서는 회전할 때 한쪽 타이어가 끌리거나 미끄러집니다.
디퍼렌셜은 좌우 바퀴가 서로 다른 속도로 회전하도록 허용하면서 동력을 전달합니다.
포장도로에서는 반드시 필요한 장치입니다.
하지만 일반적인 오픈 디퍼렌셜은 험로에서 약점을 드러냅니다.
한쪽 바퀴가 진흙에 빠지거나 공중에 뜨면 저항이 작은 바퀴가 빠르게 헛돌 수 있습니다.
접지력이 남은 반대쪽 바퀴에는 자동차를 밀어낼 만큼 충분한 힘이 전달되지 않습니다.
엔진 출력이 강해도 자동차가 제자리에서 움직이지 못하는 이유입니다.
이를 해결하기 위한 장치가 차동제한장치인 LSD입니다.
LSD는 좌우 바퀴의 회전 차이가 지나치게 커지면 내부 클러치나 기어를 이용해 회전 차이를 제한합니다.
미끄러지는 바퀴에만 힘이 몰리지 않도록 하고 접지력이 남은 바퀴에도 동력을 전달합니다.
더 강력한 장치는 디퍼렌셜 록입니다.
디퍼렌셜 록을 작동하면 좌우 바퀴가 거의 같은 속도로 회전하도록 묶을 수 있습니다.
바위 때문에 한쪽 바퀴가 공중에 떠도 지면에 닿아 있는 반대편 바퀴가 자동차를 밀어낼 수 있습니다.
험로 전용 자동차에는 앞뒤 디퍼렌셜 잠금장치가 모두 들어가기도 합니다.
센터 디퍼렌셜 잠금장치는 앞차축과 뒤차축의 회전 차이를 제한합니다.
앞바퀴가 모두 미끄러지더라도 뒤쪽에 접지력이 남아 있다면 후륜으로 힘을 전달할 수 있습니다.
잠금장치는 험로에서 강력하지만 모든 도로에서 계속 사용하는 기능은 아닙니다.
마른 포장도로에서 앞뒤 또는 좌우 디퍼렌셜을 완전히 잠그면 회전할 때 구동계와 타이어에 큰 부담이 생깁니다.
험로를 빠져나온 뒤에는 잠금장치가 해제됐는지 확인해야 합니다.
최근 자동차는 기계식 잠금장치가 없어도 브레이크를 이용해 비슷한 효과를 냅니다.
한쪽 바퀴가 빠르게 헛돌면 제어장치가 해당 바퀴에 브레이크를 걸어줍니다.
디퍼렌셜의 특성상 반대쪽 바퀴에도 힘이 전달되면서 자동차가 움직일 수 있습니다.
이를 브레이크 기반의 전자식 차동제한 기능이라고 볼 수 있습니다.
토크 벡터링은 한 단계 더 적극적인 동력 배분 기술입니다.
단순히 헛도는 바퀴를 막는 것을 넘어 코너 바깥쪽 바퀴에 더 많은 힘을 보내 자동차의 회전과 안정성을 돕습니다.
아우디는 스포츠 디퍼렌셜이 뒷바퀴 사이의 구동력을 능동적으로 배분한다고 설명합니다.
자동차 4륜구동 시스템에서 가장 중요한 것은 총출력이 아닙니다.
접지력이 남아 있는 바퀴까지 실제로 얼마만큼의 힘을 보낼 수 있느냐가 중요합니다.
사진 출처: Pexels, Janusz Walczak
4. 진흙과 모래, 눈길에서 4륜구동을 제대로 사용하는 방법
4륜구동 자동차를 타면 어떤 험로든 통과할 수 있다고 생각하기 쉽습니다.
실제로는 타이어와 지상고, 접근각, 운전방법이 함께 갖춰져야 합니다.
4륜구동은 가속할 때 사용할 수 있는 접지력을 늘려줍니다.
하지만 제동거리를 자동으로 줄여주는 장치는 아닙니다.
네 바퀴로 힘을 전달하는 자동차도 브레이크를 밟을 때는 타이어와 노면 사이의 마찰력에 의존합니다.
눈길에서는 4륜구동 여부보다 겨울용 타이어가 더 직접적인 차이를 만들 수 있습니다.
진흙길에서는 갑자기 가속페달을 깊게 밟지 않는 것이 좋습니다.
바퀴가 빠르게 헛돌면 타이어가 진흙을 더 깊게 파고들 수 있습니다.
가능하면 일정하고 부드러운 힘을 유지해야 합니다.
깊은 진흙에 들어가기 전에는 주행 모드와 4륜구동 설정을 미리 선택하는 편이 좋습니다.
자동차가 완전히 빠진 뒤 급하게 시스템을 바꾸는 것보다 접지력을 잃기 전에 준비하는 것이 낫습니다.
모래에서는 어느 정도의 관성이 필요합니다.
속도를 지나치게 낮추면 모래의 저항을 이기지 못하고 멈출 수 있습니다.
반대로 핸들을 급하게 돌거나 가속페달을 거칠게 밟으면 타이어가 모래를 파고듭니다.
부드러운 조향과 일정한 속도를 유지하는 것이 중요합니다.
타이어 공기압을 낮춰 접지면을 넓히는 방법도 사용되지만 차량과 타이어에 맞는 안전 범위에서 해야 합니다.
험로를 빠져나온 뒤에는 적정 공기압으로 복원해야 합니다.
바위가 많은 길에서는 빠른 속도보다 천천히 움직이는 능력이 중요합니다.
4L을 사용하면 바퀴의 회전속도를 낮추고 구동력을 크게 만들 수 있습니다.
가속페달을 세게 밟지 않아도 장애물을 넘을 수 있어 차량 하부와 타이어에 가해지는 충격을 줄이기 좋습니다.
바위 위에서는 어느 바퀴가 어디로 지나가는지 확인해야 합니다.
지상고가 높아도 디퍼렌셜 하우징이나 배기장치가 돌에 걸릴 수 있습니다.
눈길에서는 가속과 조향, 제동을 모두 부드럽게 해야 합니다.
4륜구동 시스템이 출발을 쉽게 만들어주면 노면이 생각보다 안전하다고 착각하기 쉽습니다.
속도가 높아진 상태에서 제동하면 4륜구동 자동차도 그대로 미끄러질 수 있습니다.
내리막에서는 낮은 기어와 내리막길 주행제어장치를 활용할 수 있습니다.
차량별 작동 속도와 사용방법이 다르므로 취급설명서를 확인해야 합니다.
물길을 건널 때는 차량의 허용 도강 깊이를 먼저 알아야 합니다.
물이 깊으면 엔진 흡기구로 물이 들어가 심각한 손상이 발생할 수 있습니다.
바닥 상태와 물의 흐름을 알 수 없는 곳에는 무리하게 진입하지 않는 것이 안전합니다.
4륜구동은 물리 법칙을 없애주는 기술이 아닙니다.
노면이 제공하는 접지력을 네 바퀴 사이에서 더 효율적으로 사용하는 기술입니다.
타이어가 노면을 붙잡지 못하면 아무리 정교한 동력 배분장치도 힘을 제대로 사용할 수 없습니다.
험로 주행을 계획한다면 타이어 상태와 공기압, 견인고리 위치를 먼저 확인해야 합니다.
삽과 견인줄, 공기압 측정기 같은 기본 장비도 준비하는 것이 좋습니다.
혼자 통과하기 어려운 험로라면 여러 차량이 함께 이동하는 편이 안전합니다.
자동차 4륜구동 시스템을 제대로 이해하면 불필요한 급가속을 줄이고 차량의 능력을 더 안전하게 사용할 수 있습니다.
험로를 정복하는 핵심은 강한 엔진만이 아닙니다.
접지력을 잃지 않는 타이어와 정확한 동력 배분, 운전자의 침착한 조작이 함께 필요합니다.
사진 출처: Pexels, Chris Clark
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