자동차의 구동력을 각각 컨트롤하는 토크 벡터링 기술



 제가 엔진쪽이다 보니 샤시쪽 다이나믹에 조금 약한 면이 있습니다


 최근 댓글에서 ZF가 변속기가 아닌 구동계쪽에도 상당한 기술을 가지고 있다는 답이 달려 깜짝 놀란 적이 있는데요. 그 와중에 토크 벡터링이라는 기술을 접하게 되었습니다


 자동차의 네 바퀴에 다른 토크를 배분하여 주행성을 향상시키는 시스템이었지요. 기술의 개념 자체는 꽤나 오래되어 예전부터 있어 왔습니다. 디퍼렌셜 기어의 발전형 LSD (Limited Slip Differential)이바로 그것인데요. 이를 좀 더 복잡화, 전문화 시킨 방식이 바로 토크 벡터링입니다.

 



발전을 거듭하는 샤시 컨트롤 기술 - 토크 벡터링1

출처 : www.autospeed.com




먼저 디퍼렌셜  기어의 설명이 필요할 것 같군요.

 

 디퍼렌셜 기어, 한자 용어로 차동기어라 불리는 장치는 바퀴의 좌 우 회전수를 조절해 주는 역할을 담당합니다. 차가 회전을 하게 되면서 안쪽, 바깥쪽 바퀴는 각각 다른 동심원을 그리게 되는데, 회전 반경의 안쪽에 있는 바퀴가 바깥쪽에 있는 바퀴보다 덜 돌게 됩니다


 만약 양쪽 바퀴가 단일 축으로 연결된다면 이동거리가 같아질 테니 회전이 자연스럽지 않겠지요? 이를 해결해주는 장치가 바로 디퍼렌셜 기어입니다. 양쪽 바퀴의 속도를 다르게 만들어 주어 이동거리를 다르게 해 줍니다.

 







 또 다른 문제점. 축이 하나로 연결된 바퀴의 경우 등속 선회시 문제가 발생합니다


 차가 급회전을 하면 차가 선회 바깥쪽으로 차가 쏠리는 롤링현상이 발생합니다. 반경 안쪽의 바퀴는 거의 공중에 뜨고, 바깥쪽의 바퀴에 하중이 집중됩니다. 때문에 안쪽 바퀴는 힘을 전혀 내지 못한 채 바깥쪽을 바퀴의 힘 만으로 차가 달리게 되지요. 100인 엔진의 토크를 바깥쪽 바퀴에 50만 쓰게 되는 현상이 발생 합니다








 반밖에 못쓰다니 아깝지요? 그래서 디퍼렌셜 기어가 달립니다. 양쪽 바퀴의 토크를 배분해 주어 하중에 거의 없는 안쪽에는 20만큼, 바깥쪽에는 80만큼 따로 따로 작용하게 해 줍니다.

 



발전을 거듭하는 샤시 컨트롤 기술 - 토크 벡터링2

출처 : www.cnet.com




* 매우 헷갈리는 내용이 있습니다. 인터넷 자료들을 찾아보면 디퍼렌셜 기어가 회전수를 분배하는지, 동력을 분배하는지, 토크를 분배하는지 용어가 애매하게 되어있는 경우가 많습니다


 전통적인 디퍼렌셜 기어는 회전수를 분배하는 것이 맞습니다. 따라서 속도변화가 없는 등속도 회전 운동에서 일반 디퍼렌셜 기어는 토크 분배를 하지 못합니다


T(토크) = F() X r (동심원 거리) = I (관성모멘트) X a (각가속도


 하지만 실제 상황에서는 운동마찰력을 이겨내기 위한 힘 = 꾸준한 각가속도가 필요합니다. 때문에 결국 디퍼렌셜 기어는 속도와 토크 모두를 분해해 주는 장치가 됩니다


혹시 오류 있으면 지적 부탁드려요.

 



이제 벡터 스티어링으로 돌아가 보지요.

 

 LSD를 포함한 디퍼렌셜 기어는 모두 기계식입니다. 한쪽 바퀴에 부하가 걸리면 내부의 유성기어를 통해 기계적으로 토크가 분배되게 되어있습니다. 때문에 섬세한 제어가 불가능 합니다


 예를 들어 조금만 토크가 낮았더라면 잘 돌아나갈 수 있는 상황에서 기계식은 그런거 없습니다. 무조건 내부의 기어에 의해 고정적으로 분배 합니다. 하지만 토크 백터링은 이를 전자제어를 통해 조금 더 유리하게 인위적으로 분해하게 됩니다. 그것도 바퀴 네개를 각각 다르게 컨트롤 하지요


백터라는 단어는 방향에 크기를 포함하는 물리 용어인데, 모든 바퀴가 각각 다른 방향을 향하고 있으므로 토크를 모두 다르게 조절한다. 라는 의미로 사용 됨을 알 수 있습니다.

 

그냥 쉽게 네 발통을 다 다른 속도로 돌린다고 보시면 됩니다. 코너에서 좀 더 잘 빠져나기기 위해서요.

 




발전을 거듭하는 샤시 컨트롤 기술 - 토크 벡터링3

출처 : www.rimac-automobili.com




 원리는 한줄로 표현 된다 하더라도 문제는 어떻게얼마나입니다. 어떻게 각각의 바퀴를 다르게 돌릴 것이며, 다르게 돌리더라도 얼마나 다르게 돌려야 하는지에 따라 차량의 성능이 결정되기 때문입니다.

 

 배분되는 토크를 조절하는 방법은 클러치를 활용한 방식과 브레이크를 이용한 감속 방식이 있습니다. 가장 많이 사용되는 다판 클러치식은 디퍼렌셜 기어 내에 클러치를 달아 필요에 따라 동력의 크기를 조절합니다. 적당히 감았다 풀었다 하면서 양쪽의 토크를 조절하지요


 BMW의 다이내믹 퍼포먼스 컨트롤(DPC)이 대표적입니다.

 



https://www.youtube.com/watch?v=kVLmigf-mSg

 


또 다른 방식인 감속방식은 폭스바겐에서 애용되고 있습니다


 XDS라 불리우는 이 시스템은 브레이크가 독립적으로 작동해 각각의 바퀴에 다른 제동력을 배분해 줍니다. 덕분에 모든 바퀴는 별개의 토크를 가지게 되지요.

 



https://www.youtube.com/watch?v=ZSkwYwgd3ZI




 완성차의 이 시스템들은 사실 부품업체의 컨트롤 기술에서 부터 출발했지요. ZF의 백터 브라이브, 리카르도의 크로스 액슬 토크 벡터링(Cross-axle Torque Vectoring)은 모두 이름만 다를 뿐 위에 서술된 BMWDPC와 같은 메커니즘을 가지고 있습니다. 다양한 자체 컨트롤러와 로직을 활용하여 상황에서의 토크 분배를 한다는 점만 다를 뿐입니다.

 



발전을 거듭하는 샤시 컨트롤 기술 - 토크 벡터링4

출처 : www.motorade.net



 엔진의 회전수와 입력 받아 각 바퀴의 회전수를 비교하거나, 중력 가속도 센서를 이용하여 차량의 가감속 상태를 측정 하고, 요우 레이트 센서를 활용하여 차의 전반적인 상태를 읽어 들이는데요 


 이 데이터를 바탕으로 얼마나 빨리, 어느 양만큼 토크를 배분할 것인지 하드웨어에 피드백을 주는 로직은, 기계장치 만큼이나 공을 들여야 하는 중요한 요소가 됩니다




발전을 거듭하는 샤시 컨트롤 기술 - 토크 벡터링5

출처 : www.popularmechanics.com



 순간적인 판단을 하는 머리, 판단이 즉각 반응으로 나타날 수 있는 몸. 어느 쪽이든 모두 시스템 완성도를 위해 빠지지 않아야 하지요. 기계와 전자 분야 모두 제어가 능숙해야만 뛰어들 수 있는 진입장벽이 높은 기술 입니다. 우리나라 업체들이 아직 미숙한 분야이기도 하지요.

 




발전을 거듭하는 샤시 컨트롤 기술 - 토크 벡터링6

출처: www.at.ford.com




내연기관을 사용하든, 전기 모터를 사용하든 결국은 자동차 입니다. 거동을 제어한다는 토크 백터링이야 말로 앞으로 계속 발전되어 나갈 자동차 기술이 아닌가 합니다.




위저드아이언

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Posted by 위저드아이언 wizard_IRON

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  1. 토크벡터의 강자는....
    일전에 말씀 드렸던 할덱스와 보그워너도 떡 허니 한자리 차지하고 있능걸루....
    요회사들은 파트타임4륜구동에서 출발해(그니까 평상시엔 전륜 또는후륜으로 주행하다 등판가속 코너링 무엇 보담도 빗길 혹은 눈길 주행 같은 구동륜의 무저항 상태가 혹은 저저항상태가 되면 구동되지 않았던 바꾸에 구동력을배분해 주는것 에서 출발한 개념 인 것이라
    볼수 있습니다요....
    그래서 트랙션 컨트롤과 밀접한 관계가 있고 트랙션컨트롤은 abs 쪽과 센서를같이 써먹기 때문에 당근 연관이 되고 트랙션과 브레이킹은 공히 써스펜션과 밀접한 연관이 있어 상호간에 피드백을 하게 되고 이렇게 되면 토크제어를 하기위해 엔진 밋숑등 구동계와도 피드백을 해야.......



    대표적인 기능이 뽀르쉐의 다이니믹샤시 컨트롤.... 이라고 보여지내요....

    2015.07.05 11:49 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 안 그래도 저번에 두 회사를 언급하셔서 관심가지고 천천히 찾아보고 있습니다. 의외로 보그워너는 파워트레인에도 발담구고 있어서 익숙한 회사였는데, 샤시까지 실력이 대단하다고 하셔서 새삼 놀라고 있었거든요. -_-;;;

      2015.07.05 22:12 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
    • 폴쉐는 보그워너우ㅏ는 상관이 엄꾸요...
      닛산의 아테사구동계가 보그워너랑 밀접한걸로 알고 있습니다....
      폴쉐는 ...
      ...





      맨인블랙 5편에서 밝혀 지겠지만....
      폴쉐박사는 외계인 인걸루....

      2015.07.05 22:38 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
    • 굵은악마님, 맨인블랙 4도 아니고 5까지 기다려야 되는거에요? ㅋㅋㅋ

      2015.07.06 07:39 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  2. 아!!!맞다... 조향각센서두 한 손 거드능걸루.....

    2015.07.05 12:01 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  3. 전기차에서 각 바퀴의 구동을 개별 전기 모터가 하게 된다면 복잡한 기계적 메커니즘이 과감하게 생략되어 버릴 수도 있을 것 같습니다. 물론 제어 로직이야 여전히 복잡하고 섬세한 영역으로 남아있게 되겠지만요. 일종의 토크 컨버터가 바퀴마다 들어가게 된다면 오히려 더 복잡해지려나요?

    2015.07.07 17:08 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 구동력의 배분을 기계식 메커니즘 -> 모터 컨트롤로 바꾼다는 말씀이시죠? 물론 제어 방식은 완전히 다르지만, 토크를 어떤 상황에서 얼마나 분배해야 하는 지에 대한 노하우는 전기차로 넘어 가더라도 크게 달라질 것 같지 않습니다. ^^;;;

      2015.07.07 22:57 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  4. 예. 그렇습니다. 저도 방대한 데이터의 축적과 시행착오를 거쳐서 얻어지는 그런 노하우는 기계적 메커니즘이 어떻고를 넘어서는 영역이라 오랜 경험을 가진 전문업체를 후발주자가 따라가기가 쉽지 않을 거라 생각합니다.

    2015.07.08 14:50 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  5. bmw850ci

    방사형엔진 영상도 그렇고 동영상 들이 기가막히네요!! 격세지감ㅜ

    2015.07.10 02:34 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  6. bmw850ci

    제가 메일 하나 보냈습니다. 확인 부탁드립니다.

    2015.07.11 03:03 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]