자동차가 굽은 도로를 돌 때 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴가 움직이는 거리는 달라집니다. 이걸 해결하기 위해 일련의 장치가 필요한데요. 그게 바로 '차동기어'입니다.

 

이게 뭔지 이제부터 자세히 소개해드릴 건데요. 기계 장치가 맞물려 돌아가는 영상, 왠지 보고 있으면 기분 좋아지는 움짤 좋아하시는 분들 위한 취향저격 콘텐츠 준비했습니다. 과학·공학 마니아들을 위한 전격 코너 '덕후는 디테일에 있다' 지금 바로 시작할게요!

 

차동기어가 뭔데?

 

차동기어의 사진입니다. 이렇게 생겼습니다. 멋지고 튼튼하고 견고한 기어처럼 보입니다. 구체적으로 어떻게 작동하는지 관련 영상을 토대로 움직이는 참고 사진, 즉 '움짤'을 첨부해 설명드릴게요.

 

영상은 1937년 GM사가 발주하고 'The Jam Handy Organization'이 제작한 <Around The Corner (1937) How Differential Steering Works>을 골라봤는데요. 기술이 고도화된 요즘과 달리, 과거에는 이러한 기어 제작 기술 자체가 생소했겠죠. 영상을 접하는 사람들이 더 쉽게 이해할 수 있도록 애쓴 흔적을 영상 곳곳에서 찾아볼 수 있는데요. 

 

3D모델링이 아닌 실물로 찍은 영상이라 현장감도 있고, 성우의 목소리도 멋드러진 이 영상을 토대로 '차동기어'를 설명해드리죠. 먼저 풀 영상을 보실 분들은 여기를 클릭하세요.

 

코너 돌 때 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴의 이동 거리가 차이나?

 

차동기어를 이해하려면 우선 코너를 돌 때 달라지는 오른쪽과 왼쪽 바퀴 이동한 거리를 이해해야 합니다. 다음 그림을 보실까요?

 

코너 구간에서 맨 바깥쪽 오토바이와 안쪽 오토바이가 움직인 거리는 분명 다릅니다. 한 눈에 봐도 거리 차이가 꽤 납니다. 다음 그림을 보면 더 명확합니다.

 

이동 거리가 거의 5배 차이 나는데요. 4륜 자동차를 떠올려 볼까요? 자동차 양 바퀴를 단단한 축으로 고정해서 돌린다면 분명히 문제가 생깁니다. 안쪽 바퀴가 헛돌게 될테니까요. 다음 그림처럼 말입니다.

 

안쪽 바퀴는 바깥쪽 바퀴가 움직인 만큼 움직이지 않습니다. 일정 수준 헛돌지요. 바퀴의 속도는 바깥쪽과 같은데, 진행 속도는 그보다 훨씬 느리기 때문에 헛돌게 되는 겁니다.

 

회전은 하는데 앞으로 가지를 못하니 타이어가 다 닳겠네요! 그렇다면 '두 바퀴 모두 동력을 받게'하면서도 '양 바퀴에 속도 차이'를 줘야 합니다. 그래서 도입한 게 '차동기어'라는군요.

 

차동기어의 원리

 

보고 있으면 부드러운 움직임 덕분인지 기분이 좋아지는 장면입니다. 어떤 원리인지 보이시나요? '왼쪽 큰 톱니와 오른쪽 작은 톱니 속도가 다르네?'라고 생각을 하신 분이 계시다면 존경합니다.

 

이제 차근차근 살펴봅시다. 영상에서는 두 바퀴와 막대기로 깔끔하게 설명해주는데요.

 

양 바퀴를 연결하는 축이 분리돼 있군요. 오른쪽 바퀴 따로, 왼쪽 바퀴 따로 움직일 수 있겠습니다.

 

바퀴 양 축을 연결하는 막대를 위와 같이 설치했습니다. 이 막대를 손잡이처럼 잡고 돌리면 바퀴가 돌아가겠죠. 양 바퀴를 같은 속도로 돌릴 수 있습니다. 이제 코너를 돌 수 있는 걸까요? 아직 아닙니다. 한쪽 바퀴를 잡으면 반대쪽도 같이 멈추거든요.

 

 

왼쪽 바퀴를 손으로 잡았더니 가운데 연결 막대도 멈춰버립니다. 그렇다면 가운데 막대를 회전하게 해보면 어떨까요?

 

그 다음에 돌리면 이렇게 됩니다.
 

한쪽 바퀴를 잡아도 가운데 막대가 회전하면서 다른 쪽에 동력을 몰아주는 장면입니다. 이제 뭔가 될 것 같습니다만 저것보다 조금만 더 밀면 더 이상 바퀴를 제어할 수 없게 됩니다.

 

양쪽 바퀴 간 회전 격차가 벌어지니 가운데 회전 연결 막대가 제 구실을 하지 못합니다. 반바퀴도 못 돌고 멈추게 생겼는데요. 이렇게 둘 수는 없죠! 어떡해야 할까요?

 

막대를 추가했다 

 

회전하는 가운데 막대에 다른 막대를 추가했습니다. 서로 교차하는 십자가가 모양이 됐는데요.

 

양쪽 바퀴 축에 연결된 막대도 십자 모양으로 막대를 추가했습니다. 이걸 가운데 회전 십자 막대와 연결했어요.

 

이렇게 만드니 한쪽이 멈춘 상태에서도 반대쪽에 지속적인 동력을 제공할 수 있습니다. 이제 뭔가 되기 시작하네요. 유레카!

 

만약 양쪽 다 걸리는 게 없다면 어떻게 되냐고요? 양쪽 바퀴는 같은 속도로 돈답니다.

 

이제 실마리가 잡히기 시작했습니다. 그런데 막대 사이사이에 틈이 있다보니 중간중간 바퀴가 헛도는 일이 생겨요. 동력이 비효율적으로 전달될 수 밖에 없는데요.

 

그래서 막대를 더 추가했습니다.

 

이제 뭔가 될 것 같아요. 차동기어의 원리가 서서히 잡히시나요? 이런 장치를 가운데 두면 양쪽 바퀴를 다른 속도로 굴릴 수 있겠네요.

 

그런데, 아직 자동차에서 쓰기엔 뭔가 어색합니다. 처음에 봤던 모두에 소개해드린 차동기어와 생김새 차이가 큰데요. 자동차 안에 막대기가 들어가 있을 것 같지도 않고, 손으로 잡고 돌릴 수도 없을 겁니다.

 

이 막대들이 결국 기어의 홈처럼 변모하게 되는데요. 그 과정, 그리고 엔진과 이 차동기어가 어떻게 연결돼 작동하는지 [덕후는 디테일에 있다] '車 차동기어' 2편을 기대해주세요!