디퍼런셜 기어(Differential Gear)[전기차 디퍼런셜기어, 디퍼런셜 기어 개념]

1. 배경 및 역사

 디퍼런셜 기어는 자동차의 구동 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 기계적 장치로, 특히 곡선 주행 시 바퀴 간의 속도 차이를 해결하는 데 사용됩니다. 디퍼런셜 기어의 개발은 자동차 기술 발전의 중요한 단계 중 하나로, 초기 자동차들은 직선 주행 시에는 문제가 없었지만, 곡선 주행 시 양쪽 바퀴의 회전 속도 차이를 적절히 처리하지 못해 타이어 마모나 주행 불안정성을 유발하였습니다.

 

 이를 해결하기 위해 디퍼런셜 기어가 개발되었습니다. 디퍼런셜 기어는 두 바퀴 사이의 속도 차이를 자동으로 조정하여 곡선 주행 시에도 양쪽 바퀴가 각각 다른 속도로 회전할 수 있도록 해줍니다. 이 기술은 1827년에 헨리 론드가 처음 개발하였으며, 이후 자동차와 다양한 산업 분야에서 널리 사용되기 시작했습니다.

2. 작동 원리 및 이론적 설명

디퍼런셜 기어의 기본 원리는 두 바퀴가 동일한 축에 연결되어 있지만 서로 다른 속도로 회전할 수 있도록 하는 것입니다. 이를 통해 차량이 코너를 돌 때 바깥쪽 바퀴는 더 빠르게, 안쪽 바퀴는 더 느리게 회전할 수 있습니다.

 

2.1 디퍼런셜 기어의 구성 요소

 

 

디퍼런셜 기어 시스템은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다:

• 드라이브 샤프트(Drive Shaft): 엔진의 동력을 디퍼런셜 기어로 전달하는 축
• 피니언 기어(Pinion Gear): 드라이브 샤프트와 연결되어 디퍼런셜 기어 박스 내의 링 기어(Ring Gear)를 회전
• 링 기어(Ring Gear): 피니언 기어에 의해 회전되며, 디퍼런셜 케이스(Differential Case)에 연결
• 스파이더 기어(Spider Gear): 케이스 안에 위치하며, 두 개의 축과 연결된 사이드 기어(Side Gear)와 맞물려 회전
• 사이드 기어(Side Gear): 차량의 바퀴와 연결된 축에 위치하며, 스파이더 기어에 의해 회전 속도가 조정

2.2 디퍼런셜 기어의 수학적 모델링

디퍼런셜 기어의 동작은 기본적으로 각 기어의 회전 운동과 관련된 운동 방정식으로 설명될 수 있습니다. 두 바퀴의 회전 속도 ω1​과 ω2 사이의 관계는 다음과 같이 정의할 수 있습니다:

 

여기서 ωdrive는 드라이브 샤프트의 회전 속도입니다. 이 방정식은 디퍼런셜 기어가 양쪽 바퀴의 평균 속도를 유지하도록 설계되었음을 보여줍니다. 두 바퀴가 동일한 속도로 회전할 경우(직선 주행), ω1=ω2​이므로 드라이브 샤프트의 속도는 두 바퀴의 속도와 동일합니다. 그러나 코너링 시에는 ω1​과 ω2가 다르게 나타나며, 이때 디퍼런셜 기어는 이러한 속도 차이를 보상합니다.

디퍼런셜 기어의 동작은 기어비와도 밀접한 관련이 있습니다. 기어비는 입력(드라이브 샤프트)의 회전수와 출력(바퀴)의 회전수 사이의 비율로 정의되며, 이를 통해 각 바퀴의 최종 회전 속도를 결정합니다.

3. 디퍼런셜 기어의 기능 및 출시 이유

디퍼런셜 기어는 자동차의 주행 성능을 크게 향상하는 역할을 합니다. 특히 곡선 주행 시 바퀴 간의 속도 차이를 자연스럽게 보상하여 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• 타이어 마모 감소: 양쪽 바퀴가 각기 다른 속도로 회전할 수 있어 타이어의 불균형 마모를 방지합니다.
• 안정적인 주행: 곡선 주행 시 차량이 한쪽으로 쏠리거나 미끄러지는 것을 방지하여 안정적인 주행을 보장합니다.
• 구동력 효율성: 엔진의 출력을 효율적으로 바퀴에 전달하여 연비 향상과 더불어 차량 성능을 최적화합니다.

4. 전통적인 내연기관 차량에서의 디퍼런셜 기어 활용

전통적인 내연기관 차량에서 디퍼런셜 기어는 주로 후륜 구동(RWD) 및 전륜 구동(FWD) 차량의 구동축에 위치합니다. 후륜 구동 차량에서는 리어 액슬에 위치하며, 전륜 구동 차량에서는 프런트 액슬에 위치합니다. 네 바퀴 모두에 동력을 전달하는 4륜 구동 차량에서는 앞, 뒤 모두에 디퍼런셜 기어가 사용됩니다.

또한, 특정한 상황(예: 험로 주행, 고속 코너링 등)에서는 디퍼런셜 기어의 기능을 제한하는 리미티드 슬립 디퍼런셜(Limited Slip Differential, LSD)이나 전자 제어식 디퍼런셜이 사용되기도 합니다. 이들은 디퍼런셜 기어의 기본적인 기능에 더해, 특정 바퀴에 더 많은 구동력을 제공하여 더 나은 트랙션(traction)을 보장합니다.

5. 전기차에서의 디퍼런셜 기어 활용

전기차에서는 구동 시스템이 전통적인 내연기관 차량과 다르기 때문에 디퍼런셜 기어의 역할도 달라집니다. 전기차는 보통 전기 모터로 직접 바퀴를 구동하며, 각 바퀴에 별도의 전기 모터가 장착된 차량에서는 디퍼런셜 기어가 필요 없을 수 있습니다. 이러한 시스템에서는 각 모터가 개별적으로 제어되며, 전자 제어 시스템이 각 바퀴의 속도를 조절하여 디퍼런셜 기어의 역할을 대신합니다.

그러나 단일 전기 모터가 두 바퀴를 동시에 구동하는 전기차의 경우에는 디퍼런셜 기어가 여전히 필요합니다. 이 경우 디퍼런셜 기어는 모터의 출력을 양쪽 바퀴에 적절히 분배하고, 곡선 주행 시 바퀴 간의 속도 차이를 조정하는 역할을 합니

전기차(Electric Vehicle, EV)는 기존의 내연기관 차량과는 다른 동력 전달 시스템을 갖추고 있습니다. 이로 인해 디퍼런셜 기어의 역할과 필요성도 내연기관 차량과는 다소 다릅니다. 전기차에서 디퍼런셜 기어의 활용을 분석하기 위해, 전기차의 기본적인 구동 방식과 디퍼런셜 기어의 필요성, 그리고 현대 전기차에서 디퍼런셜 기어의 사용 방식을 살펴보겠습니다.

1. 전기차의 구동 방식

전기차는 주로 다음의 두 가지 구동 방식을 채택합니다:

• 단일 모터 구동 방식(Single Motor Drive): 하나의 전기 모터가 차량의 모든 바퀴를 구동하는 방식입니다. 대부분의 경우 이 모터는 차량의 전륜 또는 후륜을 구동하며, 모터의 출력은 디퍼런셜 기어를 통해 바퀴에 전달됩니다.
• 듀얼 모터 구동 방식(Dual Motor Drive): 두 개의 전기 모터가 각각 앞바퀴와 뒷바퀴를 구동하거나, 한쪽 바퀴씩 독립적으로 구동하는 방식입니다. 이 경우 바퀴 간의 속도 차이를 모터 자체의 제어를 통해 해결할 수 있습니다.

2. 디퍼런셜 기어의 필요성

전기차에서 디퍼런셜 기어의 필요성은 구동 방식에 따라 달라집니다.

• 단일 모터 구동 방식: 이 방식에서는 하나의 모터가 양쪽 바퀴를 동시에 구동하기 때문에, 곡선 주행 시 바퀴 간의 속도 차이를 보상하기 위해 디퍼런셜 기어가 여전히 필요합니다. 이때 디퍼런셜 기어는 내연기관 차량과 유사한 역할을 합니다. 즉, 바깥쪽 바퀴가 더 빠르게 회전하고, 안쪽 바퀴는 더 느리게 회전할 수 있도록 속도를 분배하는 역할을 합니다.
• 듀얼 모터 구동 방식: 듀얼 모터 구동 방식에서는 각 모터가 독립적으로 바퀴를 구동합니다. 이 경우 각 바퀴의 속도는 전자 제어 시스템에 의해 조정되므로 전통적인 디퍼런셜 기어가 필요하지 않을 수 있습니다. 대신, 각 모터의 회전 속도를 전자적으로 조절하여 바퀴 간의 속도 차이를 해결합니다.

3. 현대 전기차에서 디퍼런셜 기어의 사용 방식

현대 전기차에서는 다양한 구동 시스템이 사용되고 있으며, 디퍼런셜 기어의 사용 여부와 방식도 이에 따라 달라집니다.

• 전통적 디퍼런셜 기어의 사용: 일부 전기차는 여전히 전통적인 디퍼런셜 기어를 사용합니다. 특히 단일 모터 구동 방식을 채택한 차량에서 디퍼런셜 기어는 필수적인 요소로, 내연기관 차량에서와 동일하게 작동합니다. 이 시스템은 주로 저비용, 단순 구조를 추구하는 전기차에서 사용됩니다.
• 전자 제어식 디퍼런셜(Electronic Differential): 듀얼 모터나 각 바퀴에 모터를 배치한 전기차에서는 전자 제어식 디퍼런셜이 일반적으로 사용됩니다. 이 시스템에서는 물리적인 기어 대신 소프트웨어를 통해 각 바퀴의 회전 속도를 조절합니다. 전자 제어식 디퍼런셜은 높은 정밀도를 자랑하며, 물리적 기어의 마찰이나 내구성 문제를 피할 수 있는 장점이 있습니다.
• 토크 벡터링 시스템(Torque Vectoring): 전기차의 듀얼 모터 또는 각 바퀴에 모터가 설치된 경우, 토크 벡터링 시스템이 적용될 수 있습니다. 이 시스템은 각 바퀴에 전달되는 토크(회전력)를 개별적으로 제어하여 주행 성능을 최적화합니다. 디퍼런셜 기어의 기능을 대체하며, 곡선 주행 시 안정성과 성능을 극대화합니다.