사륜구동(AWD) 원리와 미끄러운 노면에서 빛나는 장점 총정리

자동차 관련 블로그나 영상을 보면 빠지지 않고 나오는 단골 주제 중 하나가 바로 사륜구동에 대한 것입니다. 이번 글에서는 사륜구동의 원리와 사륜구동 자동차가 미끄러운 노면에서 어떤 장점을 갖는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.

사륜 구동차의 탑뷰

ESC - 전자식 주행 안정화 제어

사륜구동 방식의 장점을 이해하려면 먼저 ESP라고도 불리는 ESC 전자식 주행 안정화 제어 시스템을 어느 정도 알고 있어야 합니다. ESC는 각 바퀴의 회전 속도를 비롯해 조향각, 차량의 회전 움직임 등의 주행 데이터를 실시간으로 감지하고 분석합니다.

그 결과에 따라 각 바퀴의 제동력과 엔진 또는 모터의 구동력을 조절하여 차량이 운전자가 의도한 진행 방향을 유지하도록 돕는 안전장치입니다.

어댑티브 서스펜션이 탑재된 일부 프리미엄 차량에서는 주행 상황에 따라 차고와 감쇠력 등을 조절하여 주행 안정성을 높이기도 하지만, 이는 ESC의 기본적인 제어 기능과는 별개의 시스템입니다.

ABS - 잠금방지 브레이크 시스템

여기서 ABS는 잠금방지 브레이크 시스템으로, 브레이크를 작동할 때 바퀴가 잠기면서 미끄러지는 것을 방지하기 위해 매우 짧은 시간 동안 제동 유압을 반복적으로 조절하는 장치이며 ESC의 기능을 보완합니다.

4개의 유압 피스톤으로 구성된 고정식 캘리퍼 브레이크입니다. 캘리퍼와 디스크 로터 그리고 브레이크 패드를 확인할 수 있습니다. ABS 장치는 바퀴가 잠기려는 상황을 감지하면 브레이크 유압을 매우 빠르게 낮추고 높이는 과정을 반복하여 바퀴가 완전히 잠기는 것을 방지합니다.

TCS 트랙션 제어 시스템

TCS 트랙션 제어 시스템은 주행 중 특정 구동 바퀴의 회전 속도가 다른 바퀴에 비해 지나치게 높아지면 휠 스핀이 발생하는 것으로 판단하고 해당 바퀴의 구동력을 줄입니다. 필요에 따라 엔진이나 모터의 출력을 낮추거나 미끄러지는 바퀴에 제동력을 가하여 구동력을 조절합니다.

그러면 미끄러지는 바퀴의 회전이 줄어들면서 노면 접지력을 회복할 수 있으며, 오픈 디퍼렌셜에서는 제동력을 이용해 반대쪽 구동 바퀴에 상대적으로 더 많은 구동력이 전달되도록 만들 수도 있습니다. 미끄러운 노면에서 출발할 때에도 동일한 원리로 작동합니다.

차동 기어 & LSD

코너 주행 시 좌우 바퀴의 회전 속도 차이를 허용하여 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 더 긴 거리를 이동할 수 있도록 해주는 차동 기어는 원활한 선회에 필수적이지만, 오픈 디퍼렌셜에서는 한쪽 바퀴의 접지력이 크게 떨어질 경우 구동력이 제한되는 단점이 있습니다.

LSD 차동 제한 장치는 이러한 문제를 보완하여 좌우 바퀴의 회전 속도 차이를 제한하고, 접지력이 상대적으로 좋은 바퀴에도 구동력이 전달될 수 있도록 합니다. LSD 장치는 고성능 스포츠카나 오프로드 차량 등에 사용되어 가속 시 구동력 확보와 주행 성능을 향상시키는 데 도움을 줍니다.

구동 방식에 따른 엔진 배치와 기어

자동차의 구동 방식은 크게 전륜구동, 후륜구동, 사륜구동으로 나눌 수 있습니다.

전륜구동 차량에서는 일반적으로 엔진의 크랭크축과 앞차축이 평행한 가로배치 방식이 많이 사용되며, 일부 차량에서는 크랭크축이 앞차축과 수직인 세로배치 방식도 사용됩니다.

엔진배치와 기어

후륜구동과 일부 사륜구동 차량에서는 프로펠러 샤프트를 이용해 동력을 전달하기 위해 일반적으로 세로배치 방식을 사용합니다.

좌우 바퀴의 회전 속도 차이를 허용하는 차동 기어는 구동축에 장착되며, 사륜구동 차량에는 앞뒤로 구동력을 전달하기 위한 중앙 디퍼렌셜이나 다판 클러치 등의 장치가 사용될 수 있습니다.

전륜 구동

전륜구동차는 앞바퀴에만 구동력이 전달되며, 오픈 디퍼렌셜에서는 좌우 바퀴에 전달되는 구동력이 기본적으로 비슷하게 유지됩니다. 회전력 없이 굴러가는 뒷바퀴는 구동력이 전달되지 않기 때문에 가속 시 앞바퀴와 같은 방식으로 휠 스핀이 발생하지 않습니다.

한쪽 또는 양쪽 바퀴가 미끄러운 노면을 지나더라도 적절한 속도로 주행한다면 차량의 구동 자체에는 큰 문제가 없을 수 있지만, 제동이나 조향 상황에서는 네 바퀴 모두의 접지력이 중요합니다.

구동 바퀴 중 한쪽이 미끄러운 노면에서 헛돌면 TCS가 작동하여 해당 바퀴의 구동력을 줄이거나 제동하고, 오픈 디퍼렌셜에서는 이를 통해 반대쪽 바퀴에 상대적으로 더 많은 구동력이 전달되도록 할 수 있습니다.

하지만 양쪽 앞바퀴 모두의 접지력이 크게 떨어지면 TCS나 ESC만으로 충분한 구동력을 확보하기 어려운 상황이 됩니다.

전륜/후륜 토크의 배분

후륜 구동

후륜구동차는 변속기에서 프로펠러 샤프트를 통해 뒷바퀴에 구동력이 전달되며, 오픈 디퍼렌셜에서는 좌우 뒷바퀴에 전달되는 구동력이 기본적으로 비슷하게 유지됩니다.

구동력이 전달되지 않는 앞바퀴는 가속 시 뒷바퀴와 같은 방식으로 휠 스핀이 발생하지 않지만, 제동이나 조향 상황에서는 앞뒤 바퀴 모두의 접지력이 중요합니다.

구동 바퀴 중 한쪽이 미끄러운 노면에서 헛돌면 TCS가 작동하여 해당 바퀴의 구동력을 줄이고 제동력을 가할 수 있으며, 이를 통해 반대쪽 바퀴에 상대적으로 더 많은 구동력이 전달되도록 할 수 있습니다.

전륜구동과 마찬가지로 양쪽 뒷바퀴의 접지력이 크게 떨어지면 TCS나 ESC만으로 충분한 구동력을 확보하기 어려운 상황이 됩니다.

사륜 구동

사륜 토크

사륜구동차는 앞뒤 네 바퀴에 모두 구동력을 전달하여 두 개의 구동축이 노면에 구동력을 전달할 수 있도록 합니다. 앞뒤 구동력의 배분 방식은 중앙 디퍼렌셜이나 다판 클러치 등 구동 시스템의 구조에 따라 달라집니다.

사륜구동에서도 전륜구동이나 후륜구동과 마찬가지로 특정 구동 바퀴의 접지력이 떨어지면 TCS 등의 제어 시스템이 해당 바퀴의 구동력을 줄이거나 제동하여 다른 바퀴에서 구동력을 확보하도록 도와줍니다.

사륜구동 시스템에 따라 앞바퀴의 접지력이 떨어지는 상황에서는 뒷바퀴로 더 많은 구동력을 전달하고, 반대로 뒷바퀴의 접지력이 떨어지는 상황에서는 앞바퀴로 더 많은 구동력을 전달할 수 있습니다.

다만 이러한 앞뒤 구동력 배분 방식과 범위는 차량의 사륜구동 시스템에 따라 크게 다르며, 모든 사륜구동 차량이 동일하게 작동하는 것은 아닙니다.

일부 차량은 전자식 클러치 등을 이용해 앞뒤 구동력 배분을 능동적으로 변경하고, 일부 시스템은 평상시 특정 축에 더 많은 구동력을 전달하도록 설정되어 있습니다.

4개의 바퀴에 구동력을 전달하는 사륜구동은 특히 미끄러운 노면에서 출발하거나 가속할 때 구동력을 확보하는 데 유리합니다.

전륜구동이나 후륜구동은 구동력을 전달할 수 있는 바퀴가 두 개뿐인 반면, 사륜구동은 네 바퀴의 접지력을 모두 활용할 수 있기 때문에 한쪽 축의 접지력이 떨어지는 상황에서도 가속력을 유지하는 데 유리합니다.

사륜구동의 이러한 장점은 미끄러운 노면에서 출발하거나 경사면을 오를 때 더욱 뚜렷하게 나타납니다.

ESC Off의 필요성

일부 사륜구동 차량에는 오프로드 주행이나 험로 탈출을 위한 별도의 주행 모드가 있으며, 주행 조건에 따라 트랙션 제어의 개입 정도를 줄이거나 ESC의 일부 기능을 제한하기도 합니다.

이는 험로에서 바퀴가 어느 정도 회전해야 탈출할 수 있는 상황에서는 휠 스핀을 즉시 억제하는 트랙션 제어가 오히려 탈출을 방해할 수 있기 때문입니다.

따라서 매우 미끄러운 눈길이나 진흙길에서 차량이 빠져 탈출하기 어려운 경우에는 차량 제조사가 안내하는 방법에 따라 ESC 또는 트랙션 제어 기능을 일시적으로 제한하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

하지만 일반적인 주행에서 ESC 기능을 임의로 끄는 것은 차량의 자세 제어 기능을 제한할 수 있으므로 위험할 수 있으며, 특히 눈길이나 빙판길에서는 가능한 한 ESC를 정상적으로 작동시키는 것이 안전합니다.