differential gear ratios (최종 감속비)

Differential Gear(차동장치)

 Differential Gear Ratios(최종 감속비)는 차동장치라는 곳에서 발생하게 되는데요 아래 그림을 참고하시기 바랍니다. 간단히 이렇게 설명드리도록 하겠습니다. 엔진 안에 실린더(4기통은 4개, 6기통은 6개)속 피스톤이 열심히 펌프질을 하면 엔진 안에 크랭크 축이 빠르게 회전합니다. 그럼 그 회전력이 변속기로 전달되는데요 맨 처음 만나는 것은 클러치입니다. 클러치가 크랭크 축에 잘 물려 있어야 구동력이 변속기로 전달됩니다. 물론 클러치를 때면 구동력 변속기로 전달이 안되죠... 변속기로 전달된 구동력은 변속 과정을 거쳐 추친축(propeller shaft)로 전달됩니다. 그리고 그 구동력은 다시 차동장치를 만나 액슬축(axle shaft)으로 전달되어 최종적으로 바퀴를 돌리게 됩니다. 물론 이 과정은 뒷바퀴굴림 방식의 경우를 설명드린 것입니다. 

위의 그림에서 추진축과 액슬축이 만나는 부분에 차동장치(differential gear)가 달려있습니다. 저 부분에서 추진축의 회전력이 액슬축의 회전력으로 전달이 되는데요 이 때 1:1로 전달되는 것이 아니라 자동차마다 정해진 비율에 의해 구동력이 전달됩니다. 바로 이 비율이 Differential Gear Ratios(최종 감속비) 입니다!

W204 C220 CDI로 예를 들어보면...

Mercedes-Benz 의 C220 CDI W204로 예를 들어보겠습니다. 이 모델은 OM651 엔진과 7G-Tronic Plus 변속기를 장착하고 공차중량이 1735kg 이며 최종 감속비는 2.47 입니다. OM651엔진과 7G-Tronic 변속기에 관한 자세한 정보는 "Mercedes-Benz OM651"와 "7G-Tronic and 7G-Tronic Plus"를 참고하세요. 7G-Tronic Plus 변속기는 7단으로 각 단의 비율은 4.38/2.86/1.92/1.37/1.00/0.82/0.73 입니다. 

우선 변속기 비율부터 보겠습니다. 앞 서 엔진의 피스톤이 펌프질을 하면 크랭크 축이 돈다고 했는데요 그 구동력은 바로 변속기로 전달됩니다. 이 때 변속기가 1단이라면 4.38:1로 변속이 되지요. 이 의미는 크랭크 축(엔진)이 4.38번 회전해야 변속기에 연결된 추진축(propeller shaft)가 1회전 한다는 의미입니다. 만약 7단이라면 0.73:1이죠. 그럼 엔진이 0.73회전을 해야 추진축이 1회전하게 됩니다. 

이제 여기에 최종 감속비를 더해보도록 하겠습니다. 변속기가 1단일 경우 크랭크 축이 몇번 회전해야 바퀴가 한 번 돌까요? 계산은 간단합니다. 변속기 비를 최종 감속기 비율로 곱하면 됩니다. 그럼 4.38 X 2.47 = 10.8186 이 나옵니다. 즉 크랭크 축이 10번 정도 돌아야 바퀴가 1번 돕니다. 이번에는 7단일 경우입니다. 0.73 X 2.47 = 1.8031 이 나오는데요 크랭크 축이 1.8번 돌면 바퀴가 1번 도는 것이네요. 

자동차가 멈춰있는 상태에서 속도를 내려면 힘(토크)가 필요합니다. 변속기 1단의 경우 크랭크 10회전 = 바퀴 1회전이기 때문에 바퀴에 걸리는 토크가 좋습니다. 그래서 차가 움직이기 시작하는 것이죠. 반대로 높은 속도를 내기 위해서는 엔진이 도는 만큼 바퀴가 돌아줘야 합니다. 이 때는 큰 토크가 필요없기 때문에 7단으로 주행을 하게 되어 크랭크 1.8회전 = 바퀴 1회전이 되는 것이죠. 

differential gear ratios (최종 감속비)란? 

위에서는 최종 감속비는 동일한데 변속기 비율이 1단에서 7단으로 달라지는 경우를 보았는데요 이번에는 같은 1단인데 최종 감속비가 달라지는 경우를 따져보겠습니다. 만약 최종 감속비가 4.1 이라는 자동차에 위와 동일한 7G-Tronic Plus를 장착하면 1단의 경우는 4.38 X 4.5 = 18.81 이고 7단의 경우는 0.73 X 2.47 = 3.285 입니다. 즉 1단에서는 크랭크축이 18번 돌아야 바퀴가 1번 돌아가니까 힘이 훨씬 쎄겠지만 느릴것이고 7단에서도 크랭크축이 3.2바퀴 돌아야 바퀴가 1회전하니 최고속도도 높게 안나올겁니다. 하지만 힘은 역시 있겠죠. 

그럼 정리해보도록 하겠습니다. 최종 감속비가 작거나 혹은 크다는 건 어떤 의미일까요? 최종 감속비가 작으면 크랭크축이 조금만 돌아도 바퀴가 1회전 할 수 있습니다. 반대로 최종 감속비가 커지면 크랭크 축이 많이 돌아야 바퀴가 1회전 하겠죠. 다시 말하면 최종감속비가 작으면 힘(토크)은 부족하지만 최고속도를 높일 수 있습니다. 반면 최종 감속비가 커지면 상대적으로 바퀴에 큰 힘(토크)를 실어줄 수 있지만 최고속도도 높지 않습니다. 

엔진 RPM과의 관계

일반적으로 디젤 엔진의 최고 RPM이 5000RPM정도이며 가솔린 엔진은 7000RPM정도 입니다. 물론 고성능의 엔진은 최고 RPM이 더 높습니다. 최고 RPM이 높다는 건 한마디로 좋은 겁니다. 왜냐하면 그만큼 최고속도가 높아지기 때문입니다. 계산해볼께요. 

위의 7G-Tronic Plus 변속기의 7단으로 달리고 최종감속비가 2.47로 동일한 디젤차와 가솔린차를 비교해 보면, 

1) 최고RPM 5000으로 달리는 디젤엔진 차의 바퀴가 가장 빨리 도는 속도는 = 5000 / (0.73 X 2.47) = 1522RPM입니다. 

2) 최고RPM 7000으로 달리는 가솔린엔진 차의 바퀴가 가장 빨리 도는 속도는 = 7000 / (0.73 X 2.47) = 2130RPM 입니다. 

당연히 바퀴가 빨리 돌아야 최고속도가 높아지기 때문에 가솔린 엔진의 차량이 최고RPM으로 달리면 더 고속으로 주행이 가능한 것이죠. 하지만 현실적으로는 좀 복잡한데요 앞 서 말한 것처럼 일단 가솔린 엔진은 토크가 상대적으로 작아 최종 감속비가 디젤차보다 커지게 되고 고속에서 타이어 슬립, 클러치 슬립 등 각종 슬립이 RPM이 올라갈수록 빈번하게 발생하기 때문입니다. 이쯤 되면 타이어가 왜 달리기용 자동차에게 중요한지 아시겠죠? 

최종 감속비 결정 요소

최종감속비는 공자충량,마력,토크,변속기 성능에 큰 영향을 받습니다. 자동차 메이커들은 이 4 요소들을 충분히 고려해서 최종 감속비를 결정하게 됩니다. 

Reference

http://www.mercedes-benz.co.kr/content/korea/mpc/mpc_korea_website/krng/home_mpc/passengercars/home/new_cars/models/c-class/_w204/facts/Technical_data.html

http://jwkang7.wo.to/pds03/310.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Differential_(mechanical_device)

http://wiki.answers.com/Q/How_do_different_Differential_gear_ratios_affect_top_speed

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