메이커별로 진화하는 승용 4WD 시스템 가이드

4WD가 전성시대를 맞고 있다. 이제 대부분의 메이커가 승용차용 4WD 시스템을 갖추고 있으며 기술도 점점 발전하고 있는 추세이다. 승용 4WD는 종류도 다양하지만 메이커에 따라서 세팅도 다르다. 각사의 주요 4WD 시스템을 알아보자.

4WD는 SUV는 물론 승용차 전반에도 널리 사용되고 있다. 오프로더에만 적용된다는 이미지는 사라진지 오래됐다. 승용형 4WD는 아우디가 선구자로 2000년대 들어 폭발적인 증가세를 보이고 있다. 적용 차종도 다양해 경차부터 최고급 세단까지 다양한 클래스로 확대되고 있다.

4WD의 최대 강점은 각 바퀴에 엔진의 토크를 전달할 수 있는 것과 상황에 맞게 구동력을 배분할 수 있다는 점이다. 4WD의 채용으로 인해 늘어나는 무게는 단점으로 꼽힌다. 그리고 항상 모든 바퀴에 동력을 전달하는 시스템은 2WD 보다 연비에 불리하지만 최근에는 기술의 발전으로 극복해 나가고 있다.

4WD는 크게 기계식과 전자식으로 나뉘지만 점유율은 전자식이 대단히 높다. 두 방식간의 성능 차이도 상당히 좁혀진 상태이다. 그리고 요즘 트렌드는 리어 액슬 좌우의 토크를 적극적으로 배분해 핸들링 성능을 높이는 것이다.

아우디
아우디의 콰트로는 토센 디퍼렌셜을 사용하고 있다. 다른 시스템과 차별화 되는 아우디만의 특색이라고 할 수 있다. 아우디의 콰트로 중에서는 할덱스의 전자식도 있지만 보통은 기계식 LSD를 사용하는 토센을 의미한다. 토센은 미국의 글리슨이 개발한 방식으로 한 쌍의 웜 기어를 이용해 즉각적인 반응을 자랑한다. 토센은 ‘토크 센싱’을 뜻한다.

콰트로는 리어와 센터에 토센 디퍼렌셜을 사용하고 있다. 다른 시스템 보다 비싸지만 성능이 우수하고 영구적으로 네 바퀴를 굴릴 수 있다는 장점이 있다. 일반 콰트로의 평상 시 토크 배분은 50:50이며 상황에 따른 웜 기어의 피치에 따라 배분의 비율이 달라진다. 비용의 문제 때문에 토르센 방식을 사용하는 메이커는 아우디가 거의 유일하다. 최근에 나온 콰트로는 평상시 토크 배분을 40:60으로 설정해 언더스티어를 줄이고 있다.

그리고 최근에는 세로배치 엔진을 위한 크라운 기어 디퍼렌셜과 토크 벡터링 기술까지 추가됐다. 새 콰트로는 RS 5에 첫 선을 보였으며 차후 다른 아우디까지 적용될 예정이다. 새 콰트로에는 왕관처럼 생긴 2개의 크라운 기어가 앞뒤 차축을 구동한다. 일반적인 주행 상황에서 앞뒤 토크 배분은 40:60, 특정 상황에서는 토크의 85%를 리어 액슬에 집중할 수 있다. 토크 벡터링의 채용에 따라 언더스티어 또는 오버스티어가 대폭적으로 줄어들었다.


BMW
BMW는 x드라이브로 불리는 4WD 시스템을 X 시리즈를 물론 3, 5, 7시리즈에도 적용하고 있다. x드라이브 이전에는 1980년대 3, 5시리즈에 한정적으로 4WD 시스템만 쓰였을 뿐이지만 지금은 적극적으로 채용하는 모습을 보이고 있다.

x드라이브는 2003년 X3부터 쓰이기 시작했고 이전의 고정된 토크 배분 대신 다판 습식 클러치를 이용해 앞뒤에 적극적인 배분이 가능하다. ABS와 DSC가 휠 슬립을 감지하면 x드라이브 시스템은 적극적으로 토크를 배분해 자세를 바로 잡는다. 앞뒤 액슬에 40:60으로 토크를 배분하고 DSC와 통합돼 주행 안정성을 높여준다. x드라이브는 리어 액슬에 최대 80%의 토크를 집중할 수 있다. X1의 경우 내부 저항을 줄여 연료 소모를 줄이는데도 성공했다.

혼다
어큐라 RL에 첫 선을 보인 혼다의 SH-AWD(Super Handling All Wheel Drive)는 근래에 나온 시스템 중 가장 주목을 받고 있으며 구조 또한 독특하다. SH-AWD는 센터 디퍼렌셜이나 차동 제한 장치도 없고 대부분의 관련 부품이 리어 액슬에 위치해 있다. 가속 페달 뒤에 위치한 전자석 다판 클러치는 하나의 클러치가 리어 휠 하나씩을 책임진다. 만약 오른쪽 클러치가 이어질 경우 좌측 리어 휠로 더 많은 토크를 보내는 방식이다. 이는 미쓰비시가 랜서 에볼루션에 적용하고 있는 AYC(Active Yaw Control)와 같은 원리이다. 두 개의 클러치가 동시에 이어지면 리어 액슬에 토크를 더 보낸다.

SH-AWD는 평상시 앞바퀴에 토크의 70%를 보내고 가속 혹은 감속 시에는 리어 액슬로 토크의 70%를 보낸다. 그리고 회전 시에는 언더스티어 또는 오버스티어를 없애기 위해 리어 액슬의 좌우 휠에 토크를 배분한다. 극단적인 상황일 경우 리어 액슬의 한 쪽 휠에 엔진 출력의 70%를 전달할 수 있고 그 반대쪽은 0%, 프런트 액슬은 30%가 된다. SH-AWD는 대단히 뛰어난 성능을 인정받고 있지만 무겁고 코스트가 비싸다는 단점이 있다.


할덱스
할덱스의 4세대 AWD는 사브 터보 X와 9-3 에어로 XWD에 가장 먼저 탑재됐다. 할덱스 버전 4.0으로 불리는 4세대 AWD의 핵심은 PTU(Power Take-Off Unit)와 LSC(Limited Slip Coupling), eLSD(Electronic Limited Slip Differential)이다. 프런트 액슬에 위치한 PTU는 엔진에서 나오는 힘을 리어 액슬에 보내는 역할을 한다. 이 PTU는 GKN 드라이브 라인이 제공했지만 할덱스의 주문에 따라 앞바퀴굴림 베이스에 맞게 디자인되었다.

PTU에서 보내지는 힘은 프로펠러샤프트를 거쳐 RDM(Rear Drive Module)으로 전해진다. RDM은 TTD(Torque Transfer Device), eLSD와 통합되고 모두 습식 다판 클러치를 사용한다. 사브는 RDM을 위해 리어의 서브 프레임과 서스펜션 지오메트리, 휠 허브 등을 새로 만들었다. 드라이브샤프트와 맞물리는 LSC는 리어 액슬 앞에 위치한다. LSC의 역할은 앞뒤 액슬에 적절한 토크를 배분하는 것. 리어 액슬의 eLSD는 좌우 휠에 토크를 배분하고 LSC와 유압 라인으로 연결되어 있다.

이전의 할덱스 AWD에도 LSC와 LSD는 있었다. 하지만 LSC의 성능이 크게 개선된 것이 다르다. 4세대 시스템 LSC는 여전히 유압에 따라 토크의 양을 조절한다. 구형에서 가장 큰 불만은 이 유압에 따른 반응 시간이 느리다는 것이었다. 초기부터 LSC 버전 3.0까지는 펌프를 이용해 유압을 만들고 그에 맞춰 토크를 리어 액슬에 보냈다. 즉 휠 슬립이 감지되면 체크 밸브와 펌프를 이용해 임의 유압을 만들었고 용량의 제한도 있었다.

하지만 버전 4.0은 LSC 내에 있는 유압 펌프를 없애 반응 시간을 월등히 높였고 이 때문에 전체 사이즈도 작아졌다. 그 대신 알맞게 압력을 조절해 주는 완충 장치를 더했다. 이는 밸브의 열림 상태를 유지해주어 보다 빠른 반응을 유도한다. 리어 액슬에 토크가 필요할 경우 밸브는 닫히고 유압은 이미 충분한 상태이다.

할덱스는 버전 4.0의 LSD를 기계식에서 전자식으로 바꿨다. eLSD 역시 LSC와 동일한 방식이다. 압력 조절 밸브는 서로 다른 클러치 팩의 유압을 조절하며 휠 슬립을 기다릴 필요 없이 리어 디퍼렌셜을 잠근다. 이 기능은 LSC에 포함되어 있으며 휠 스피드, 회전수, 요 값, 스로틀 포지션, 스티어링 휠의 앵글, ABS, 트랙션 컨트롤 등 다양한 차량의 정보를 끊임없이 모니터 한다.

할덱스 버전 4.0은 100%의 토크를 한 쪽 액슬에 집중할 수 있다. 그리고 크루징 시에는 리어 액슬에 5~10%의 힘만을 보내 연비를 높이고 과격한 코너링에서는 토크의 40%를 리어의 양쪽 휠에 보내 더 많은 그립을 확보한다. 토크의 비율 역시 횡가속 g의 정도에 따라 달라져 오버스티어 또는 언더스티어를 없애준다.

메르세데스
메르세데스는 4매틱으로 불리는 4WD 시스템을 SUV와 승용차까지 적용하고 있다. 승용차에는 W124부터 적용된바 있으며 오스트리아의 마그나스티어와 공동 개발한 기술이다. 4매틱은 전자식으로 조절되는 트랙션 컨트롤 시스템 4ETS(Electronic Traction System)를 사용하고 하나 이상의 바퀴가 미끄러질 경우 자동으로 차륜 제동을 걸어 그립이 있는 쪽으로 힘의 양을 늘린다.

평상시의 앞뒤 토크 배분은 모델에 따라 40:60 또는 45:55이다. 4ETS는 센서에서 보내는 휠 속도와 각도, 회전 운동과 측면 가속 등에 관한 정보를 바탕으로 토크 배분을 결정하고 저속에서는 바퀴 3개를 각기 제동할 수 있다. 4매틱은 리어 액슬에 토크의 100%를 전달할 수 있고 프런트에는 최대 35%를 보낼 수 있다.

닛산
닛산은 승용차를 위해 ATTESA(Advanced Total Traction Engineering System for All-Terrain)를 개발했다. ATTESA는 ETS(Electronic Torque Split) 프로로 발전했고 R35 GT-R에서는 더욱 성능이 높아졌다. 닛산은 R33부터 기존의 센터 디퍼렌셜을 대신해 다판 클러치를 스카이라인 GT-R에 적용했다. ATTESA ETS 프로의 가장 큰 특징은 평상시에는 뒷바퀴굴림이라는 것이다. 앞바퀴는 필요할 때에만 토크가 전달된다. 즉 기본적으로는 뒷바퀴굴림이지만 필요할 때만 앞바퀴가 보조하는 방식이다. 거기다 프로는 LSD를 통해 뒷바퀴의 좌우 휠도 토크를 배분할 수 있게 된다.

이 때문에 스카이라인 GT-R의 성능이 더욱 돋보이게 되고 운전 재미를 살릴 수가 있다. 앞에 엔진을 얹은 스포츠카에는 가장 이상적인 4WD라고 할 수 있다. ATTESA E-TS 프로 역시 횡가속도와 터보의 부스트, 스로틀 포지션, ABS에서 보내오는 각 휠의 개별적인 스피드 등의 정보를 종합적으로 분석해 토크를 배분한다. 컴퓨터는 이 정보를 바탕으로 자동차의 코너링 정도와 타이어 그립을 분석한다. 단점으로는 코스트가 많이 들고 무게가 늘어난다는 점이다.

신형 GT-R의 ATTESA ETS는 두 개의 드라이드샤프트를 사용하는 독특한 구조를 갖고 있다. 하나의 드라이브샤프트는 엔진에서 나오는 힘을 트랜스액슬로 전달하고 다른 하나는 트랜스액슬의 힘을 앞바퀴로 보낸다. 독립된 트랜스액슬은 변속기와 트랜스퍼케이스, 디퍼렌셜을 하나로 묶었고, R34까지의 ATTESA와 다른 점은 구형이 기계적인 피드백에 의존한 것과 달리 유압으로 작동되는 클러치와 센서들의 역할이 커졌다는 점이다. 여기에는 요 피드백 센서와 슬립 앵글 등의 정보까지 추가된다. 앞뒤 토크 배분은 2:98에서 50:50 사이이다. 즉 필요에 따라 엔진 출력의 98%를 리어 액슬에 집중할 수 있다.

포르쉐
포르쉐의 4WD 시스템은 959까지 거슬러 올라간다. 959의 시스템은 평상시의 토크 배분을 40:60으로 나누고 필요할 때는 토크의 80%를 리어 액슬에 집중할 수 있다. 토크 배분은 휠 스피드는 물론 스로틀 포지션과 스티어링 앵글, 횡가속도, 터보의 부스트까지 종합적으로 분석해 결정된다. 일반 4WD가 타이어의 슬립만을 감지해 토크를 결정하는 것과는 한 수 위의 시스템이었다.

911 터보의 시스템은 비스커스 커플링에서 다판 클러치로 바뀌면서 반응이 더욱 빨라졌다. 997 터보에 적용된 PTM(Porsche Traction Management)은 순간적으로 토크 배분을 결정해 언더스티어와 오버스티어를 효과적으로 바로 잡는다.


스바루
스바루는 시메트리컬 AWD를 사용하고 있다. 시메트리컬 AWD는 수평대향 엔진의 힘을 네 바퀴 모두에 골고루 전달하는 게 핵심이다. 이로 인해 각 바퀴의 트랙션을 최대화 할 수 있다는 스바루의 설명이다. 파워트레인이 중심에서 있어 정확한 좌우 대칭을 실현한 것도 장점으로 꼽힌다.

수평대향 방식은 일반 엔진에 비해 무게 중심이 낮은 게 장점이다. 이로 인해 파워 유닛의 중심이 낮아져 보다 안정적인 핸들링 성능이 가능하다. 시메트리컬 AWD는 프로펠러 샤프트를 중심으로 파워트레인의 좌우 대칭으로 배치돼 있다. 이로 인해 무게 중심이 낮고 좌우의 중량 밸런스까지 좋아진다. 운전자의 조향 느낌이 좋은 것과 승차감의 향상도 도모할 수 있는 건 물론이다. 거기다 변속기가 휠베이스 안쪽에 위치해 일반적인 앞바퀴굴림 보다 밸런스가 좋다.

스바루의 AWD는 슬립이 발생했을 때 제어하는 스탠바이 식이 아니라 슬립이 일어나지 않게끔 항상 네 바퀴에 토크를 배분하는 풀 타임 방식이다. 전자제어 커플링 방식은 2WD에서 변경될 때 회전의 차이가 발생하고 반응 시간이 늦은 단점이 있다. 구조도 간단해 변속기의 후방에 트랜스터, 프로펠러 샤프트를 일직선으로 배치해 경량화까지 일궈내고 있다. 이로 인해 다른 2WD와 비교 할 때도 대등한 연비를 구현하고 있다.

엔진에서 발생하는 토크는 변속기를 통해 적절한 크기로 변경되고 트랜스퍼로 전달된다. 이 트랜스퍼는 1971년 이후 40년 가까이 진화를 거듭해 오고 있다. 그리고 스바루의 시메트리컬 AWD는 각 차량에 맞게 성격이 다른 4가지의 AWD 시스템이 채용되고 있다.

전자제어 AWD 시스템은 복합 유성 기어를 사용한 센터 디퍼렌셜에 다판 클러치의 LSD를 조합했다. 앞뒤의 토크 배분은 45:55로 배분되며 가변 토크 배분 전자 제어 AWD는 1991년 알시오네 SVX부터 채용되기 시작했다. 센터 디퍼렌셜은 슬립이 시작된 리어 액슬에만 토크를 전달하고 차동 장치는 핸들링 성능을 더욱 높여준다. 이 시스템은 가속 페달의 개도와 엔진 회전수, 차량 속도, 가속, 등판 등의 주행 상태를 파악해 지능적으로 토크를 배분한다.

ATS(Active Torque Sprit)는 모든 주행 상황에서 AWD의 장점을 극대화할 수 있는 기술이다. 기존의 MP-T(Multi 플레이트 트랜스퍼)에 전자 제어를 추가한 스바루만의 기술이다. 현재는 레거시 2.5i, 엑시가(GT제외), 임프레자, 포레스터(AT)에 채용돼 있다. MP-T는 다판 클러치를 이용한 스바루의 독자적인 시스템으로 클러치를 어느 정도 눌러주는가에 리어 액슬의 토크 배분을 조절할 수 있다. 그리고 DCCD라는 기능을 추가해 운전자가 취향에 맞는 모드를 선택할 수 있다.

폭스바겐
폭스바겐은 앞바퀴굴림에 맞는 할덱스 시스템을 채용해 오고 있다. 1998년부터 비스커스 커플링 방식의 싱크로를 대신해 나타난 4모션은 아우디 TT와 골프 4모션에 가장 먼저 쓰였고 다판 클러치를 사용하는 디퍼렌셜 기어를 사용하고 있다. 4모션의 다판 클러치는 스웨덴의 할덱스가, 소프트웨어는 오스트리아의 마그나스티어가 개발을 맡았다. 4모션은 오직 가로배치 엔진에만 쓰이고 있다. 할덱스 시스템은 소형차에도 적용 가능하게 작고 구조가 간단하며 코스트가 저렴한 것이 장점이다.

폭스바겐 시스템은 가로배치 엔진일 경우 할덱스, 세로배치에는 아우디처럼 토센 디퍼렌셜을 사용하고 있다. 최신 모델에는 할덱스의 4세대 시스템이 탑재되고 있다. 페이톤에 쓰이는 토센은 평상시 50:50으로 토크를 배분하며 필요에 따라 80%의 힘을 한쪽 액슬에 보낼 수 있다.

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