차동 기어 (differential gear)

자동차 엔진의 출력은 원운동을 하는 하나의 축이라고 정의할 수 있다. 반면에 대부분의 자동차에서는 최소한 2개의 바퀴가 회전을 해야한다. (4륜구동의 경우는 4바퀴 모두.)

따라서, 하나의 원운동을 2개의 원운동으로 바꿔주는 기어가 필요하게 되는데, 여기서 하나의 조건이 필요하다. 자동차의 좌우 타이어의 회전속도가 다를 수도 있다는 점이다.

자동차가 회전을 하는 경우 좌우 바퀴의 회전속도는 다르다. 예를 들어 좌회전을 하는 경우 회전 방향의 바깥쪽에 위치하는 오른쪽 타이어는 더 많은 거리를 움직여야 하므로 더 빠르게 회전을 해야 한다.

즉, 문제를 요약하자면, 하나의 원운동 (엔진의 출력)을 2개의 원운동을 변환하되 상황에 맞추어서 더 빠르게 움직여야 하는 쪽에 더 빠른 속도를 제공하는 방법이 필효하다는 것이다.

그런데, 이 어려워보이는 문제를 기어 몇개만 이용해서 간단하게 해결할수 있는 장치가 있으니, 이것이 바로 차동 기어 (differential gear)라는 장치이다. 

실제 설명은 1:50초 부분부터 시작.

말로 설명하기는 무척 어렵지만, 실제 원리는 동영상을 보면 아주 간단하다. 한쪽 타이어가 부하가 많이 걸리면, 그 만큼 반대쪽 타이어의 회전 속도가 더 빨라지도록 만든 장치이다. 예를 들어, 좌회전을 하는 자동차의 경우 왼쪽 타이어가 부하가 많이 걸리게 되어, 결과적으로 오른쪽 타이어의 회전 속도가 빨라지게 되는 것이다. 이것은 양쪽 타이어에 걸리는 부하가 동일해지는 평형 상태를 만들어주게 되므로, 자동차는 좌우타이어에 균등한 마찰력을 유지하면서 회전이 가능해진다.

하지만, 이러한 차동 기어는 모든 상황의 문제를 해결해주는 완벽한 장치는 아닌데, 노면의 상태가 좌우 타이어에 서로 균일하지 않은 경우에는 오히려 문제를 악화 시킬 수도 있다. 예를 들어, 왼쪽 바퀴는 마른 땅위에 있지만, 오른쪽 바퀴는 눈 또는 빙판위에 올라가서 계속 헛바퀴를 돌고 있는 경우를 생각해보자. 이 상태에서 자동차를 전진 시킬 수 있는 거은 왼쪽 바퀴 뿐이지만, 차동 기어 때문에 엔진의 출력은 고스란이 오른쪽 바퀴로 전달이 된다. (양쪽 바퀴중에 부하가 적은 쪽으로 엔진 출력이 더 많이 사용이 되므로) 따라서 결과적으로 엔진의 출력은 왼쪽 바퀴로 전달이 되지 않으므로 자동차는 전진을 못하게 된다.

이와 비슷한 상황으로 자동차가 급격한 움직임에서 한쪽 타이어가 슬립하는 경우, 엔진의 힘이 슬립하는 쪽으로 더 많이 전달이 되서, 결과적으로 타이어의 슬립을 더 악화시키는 문제도 발생을 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 추가적인 장치가 요구되는데, 차동기어 잠금장치 (LD) 또는 자세제어 장치와 같은 것들이 나중에 개발되어 최신 자동차들은 대부분 둘 중 한가지를 차동기어에 추가하여 탑재하는 추세이다.

차동기어의 문제점과 그것을 차동기어 잠금장치로 (LD) 해결을 한 차이점을 보여주는 영상.