Differential (차동 장치)

Differential(차동장치)는 엔진으로부터 power를 받는 동안 drive wheel이 각각 다른 rpm으로 회전할 수 있도록 만들어주는 장치이다.

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Differential은 위 사진과 같은 구조를 가짐으로써 양쪽 바퀴의 회전을 독립적으로 만들어준다. 해당 원리에 대해서 차례로 알아보자.

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첫번째로, main shaft에 연결된 pinion gear가 회전하면서 ring gear를 돌리게 된다.

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Spider gear는 위 사진과 같이 ring gear에 연결되어 있다. 이 기어는 ring gear를 따라서, 그리고 자신의 축을 기준으로 회전할 수 있다.

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양 바퀴에 연결된 두 개의 side gear가 spider gear에 연결되어 있다.

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차량이 직선 방향으로 움직일 때는 spider gear는 ring gear와 함께 회전하지만, 자신의 축을 기준으로 회전하지는 않는다. 따라서 두 개의 side gear가 같은 속도로 회전하게 된다.

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우회전을 하는 상황을 살펴보면 spider gear가 ring gear와 함께 회전하면서 자신의 축을 기준으로도 회전하게 된다. 이 경우 위에서 바라보는 것 기준으로 반 시계 방향으로 회전하게 된다.

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이에 따라 왼쪽의 side gear는 spider gear의 rotaion + spin의 속도로 회전하게 되고, 오른쪽의 side gear는 rotation - spin의 속도로 회전하게 된다. 따라서 왼쪽의 바퀴가 더 빠른 속도로 돌게 되고, 우회전이 가능해진다.

좌회전의 경우에는 spider gear의 회전 방향이 반대 (시계방향)이 된다.

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일반적으로 더욱 많은 load를 carry 하기 위해서 두 개의 spider gear가 사용되는데, 각각의 spider gear는 반대 방향으로 회전한다.

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Differential은 두 가지의 추가적인 기능이 있는데, 그 중에 첫번째는 위 사진과 같이 speed reduction이다. pinion gear와 ring gear 사이의 high gear ratio에 의해서 회전 speed는 감소하고, torque는 커지게 된다.

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두번째 기능은 위 사진처럼 power flow의 방향을 90도 만큼 돌리는 것이다.

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위에서 살펴본 differential은 open differential이라고 불리는데, 이러한 형태는 하나의 문제점이 있다. 위 사진처럼 한 쪽이 미끄러운 상황일 때, differential이 대부분의 power를 미끄러운 쪽의 바퀴로 보내게 되고, 차량이 움직이지 못하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 limited slip differential이 고안되었다.

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출처: https://www.youtube.com/watch?v=nC6fsNXdcMQ&list=WL&index=1&t=9s