아우디는 1980년 제네바 모터쇼에서 ‘Ur-콰트로(Ur-quattro)’를 통해 콰트로 기술을 처음 공개했다. 1986년에는 1세대의 수동 잠금식 센터 디퍼렌셜을 가변적으로 토크를 분배하는 방식의 토센 디퍼렌셜(Torsen differential)로 대체했다. 2005년에는 동력과 토크를 비대칭으로 능동적으로 분배하는 유성 기어를 도입했다. 이어 개발된 자가 잠금식 센터 디퍼렌셜은 트랙션과 다이내믹한 주행성능의 기준이 되었다. 

최근 아우디는 경량화 기술인 ‘아우디 울트라(Audi Ultra)’ 기술을 적용해 콰트로의 트랙션 및 다이내믹한 주행성능을 유지하면서 효율성을 더욱 높였다. 최초의 적용 모델은 2016년 1월 공개된 아우디 A4 올로드 콰트로(allroad quattro)였다.

콰트로의 존재

AWD(All-Wheel Drive) 자동차 하면 지프가 유명하다. 그러나 승용차의 선구적 존재는 1980년에 등장한 아우디 콰트로다. 아우디는 1980년 세계 최초로 승용차에 ‘콰트로(quattro)’라 불리는 아우디만의 기계식 풀타임 AWD 기술을 개발해 적용했다. 이후 37년간 바디 타입, 엔진, 그리고 구동 시스템이 각기 다른 100여 가지 차종에 콰트로를 탑재하고 있다. 

현재 아우디는 A4, A6, A8 세단을 비롯해 S4, S6, S8 등 고성능 스포츠 세단, A5, S5, RS 5, A7, S7 등 쿠페, Q3, Q5, Q7 등 SUV, TT, TTS, R8 등 스포츠카에 이르는 모든 라인업에 걸쳐 가장 많은 AWD 모델을 제공한다. 
 

2015년 기준 전 세계 아우디 고객의 44%가 콰트로 장착 모델을 선택했다. 판매대수로는 아우디 Q5가 262,000대로 가장 많았다. 특히 미국, 캐나다, 러시아, 중동 시장에서 콰트로 모델의 인기가 높았으며 독일에서만 122,048대가 판매됐다. 

한국에서도 아우디는 2016년 8월 한국수입자동차협회(KAIDA) 기준, 콰트로 차량 누적 판매대수 101,162대를 기록해 국내 수입차 브랜드 최초 AWD 차량 판매 10만 대를 돌파했다. 이는 2004년 아우디 코리아 설립 이래 전체 아우디 차량 누적 판매대수의 66.4%에 해당한다. 
 

아우디 콰트로 시스템은 네 바퀴 모두를 상시, 기계적으로 완벽히 제어한다. 콰트로 드라이브 라인의 중심 요소는 내부 가속 차동장치(inter-axle differential)다. 이 장치는 앞뒤 로테이션의 속력 차이를 보정해주고, 도로의 상태에 맞게 자동적으로 동력을 분배한다. 기술적으로 정제된 아우디 콰트로는 건조한 도로에서의 코너링, 젖은 노면에서의 주행, 높은 지형을 오를 때도 구동력을 극대화하면서 네 바퀴 모두에 엔진의 힘을 최적으로 배분하여 능동적인 안전성을 제공한다.

또한 콰트로는 평상시 전, 후륜에 대한 엔진 파워를 40:60으로 분배하여 후륜 기반의 다이내믹함과 함께 사륜의 안정적인 드라이빙을 즐기게 해준다. 운전 상황에 따라 전, 후륜에 대한 토크 분배를 최대 70%의 동력을 전륜에, 후륜에는 최대 85%의 동력을 분배함으로써 역동적인 주행을 가능하게 한다.

효율의 시대

아우디 콰트로는 기계식 풀타임 AWD 시스템이다. 그러나 강력한 배출규제, 연비의 시대를 맞아 더욱 강력해졌다.
아우디의 새로운 콰트로 울트라 시스템은 마그나 인터내셔널의 플랙스4(Flex4™) AWD 기술을 기반으로 한다. 플랙스4는 마그나와 아우디가 공동 개발한 수직 구성의 엔진과 듀얼 클러치 또는 수동 변속기를 탑재한 차량에 적합하다. 플랙스4 AWD 디스커넥트 시스템의 핵심은 PTU(Power take-off unit)로, 대부분의 주행 상황에서는 2륜구동(2WD)으로 주행하다가 슬립(slip) 이벤트가 예상될 때만 AWD로 전환할 수 있다.

따라서 토크 손실을 없애고 효율을 높인다. 또 리어 드라이브 모듈에서도 새로운 커플링 위치와 AWD 제어 및 샤프트 디스커넥트 기능으로 커플링 무게와 회전 저항, 커플링 토크를 낮춘다. 샤프트의 회전을 끊음으로써 구동 손실을 크게 줄여, 기존 AWD 성능을 훼손하지 않으면서 높은 효율로 차량의 상품성은 물론 연비 개선에도 기여한다. 

울트라 기술이 적용된 콰트로의 개발 목표는 트랙션과 드라이빙 다이내믹스와 관련해 영구적인 시스템과의 차이점이 없으면서 효율성을 위해 최적화된 AWD 시스템을 만드는 것이었다. 따라서 이 시스템은 연료 소비, CO₂ 배출량에 대한 클래스 벤치마킹을 설정해야 했고, 특히 일상적인 상황에서 그래야 했다. 테스트는 잉골슈타트 지역의 일반적인 교통상황에서 이루어졌다.

테스트 차량의 연비는 기존 AWD보다 100 km당 평균 0.3리터 개선되는 것으로 확인됐다. 언뜻 보기에는 이러한 요구사항이 조정 가능하지 않은 것으로 보였지만, 새로 개발된 AWD 부품과 정교한 운영 전략의 조화를 통해 아우디 개발자들은 목표를 달성할 수 있었다.

드라이빙 전략

AWD 시스템의 지능적인 제어는 포괄적인 센서 어레이와 수집한 드라이빙 다이내믹스, 도로 상태, 운전자 행동 데이터에 대한 지속적인 분석을 통해 예측 가능한 방식으로 작동한다. 결과적으로 콰트로 AWD는 필요할 때마다 항상 준비가 돼 있는 시스템이 되었다. 휠 슬립 위험이 없는 저 부하에서는 일반적인 동작을 해 전륜(front-wheel) 주행의 모든 장점을 활용한다. 

AWD는 AWD가 필요하지 않을 때에 항상 비활성화될 뿐만 아니라, 영구 AWD로도 사용할 수 있어 전륜 주행과 영구 AWD 간 잠재적인 연료 소모 차이를 크게 줄인다. 

동력 전달 계통에 최적의 기계적 효율성이 탑재된 콰트로 울트라 시스템은 주행 면에서도 운전자에게 놀라운 성능을 제공한다. 특히 운전 상황과 도로의 상태에 따라 토크를 자동으로 분배하는데, 예를 들면 도로가 미끄럽거나 다이내믹한 커브 상황이라면 즉시 후륜에 동력을 전달해 주행의 안정감을 높여줄 뿐만 아니라 안전성도 확보한다. 

기존 AWD 시스템이 트랙션이 감소하더라도 리어에 동력을 전달하지 못했지만, 콰트로 울트라는 상황에 맞게 0.5초 내로 동력을 전달한다. 다시 말해 시스템이 트랙션 증가에 대한 대응의 필요를 사전에 인지해 자동으로 앞바퀴 굴림에서 AWD 모드로 전환해 주는 것이다. 

AWD의 전략은 운전자가 필요로 하기 전에 활성화된다. 모든 활성화 및 비활성화는 매우 차별화된 전략을 따른다. 콰트로 전자장치는 여러 다른 제어장치와 네트워크로 연결돼 매 10 ms마다 시스템은 조향각, 마찰계수, 횡방향 및 종방향 가속도, 엔진 토크와 같은 다양한 센서 데이터를 수집하고 분석한다. AWD의 활성화는 3단계 전략, 즉 능동(proactive), 자동완성(predictive), 사후 대응 전략을 따른다.
 

능동 단계에서는 자동차의 네트워크 시스템에서 제공하는 데이터에 초점을 맞춘다. 제어장치는 이 데이터를 사용해, 예를 들어 고속 코너링 중에 안쪽 전방 타이어가 그립(grip) 한계에 도달할 시점을 계산한다. 계산은 대략 0.5초 이내에 완료된다. 휠이 정해진 한계 값 이내로 그립 한계에 접근하면 AWD 시스템이 활성화된다. 

자동완성의 활성화와 더불어, 콰트로 제어장치는 운전자의 운전 스타일, ESC의 상태, 운전자 선택 모드, 트레일러 검출 시스템에 맞춘다. 실제로는 거의 일어나지 않는 사후 대응의 활성화는 시스템이, 예를 들어 휠이 건조한 아스팔트에서 얼음판으로 진입할 때처럼 마찰계수의 급격한 변화에 반응한다. 
 

콰트로 AWD는 당연히 여름보다 마찰계수가 낮은 겨울에 더 자주 활성화된다. 또 AWD에 대한 요구는 일반적으로 일정한 속도로 빠르게 주행할 때보다 가속 단계가 낮은 저속에서 더 높다. 따라서 콰트로 AWD의 사용은 특히 고속도로에서 더 낮다. 그러나 도로가 직선이고 속도가 일정한 경우에는 전륜 주행으로 눈 덮인 도로를 안전하게 주행할 수 있다. 다른 한편으로, 차가 구불구불한 도로에서 다이내믹하게 주행하는 경우엔 AWD는 항상 활성상태로 유지된다.
 

프론트와 리어 액슬 사이의 최적의 동력 분배는 시스템이 작동 중일 때 지속적으로 계산된다. 제어 전략은 ESC 데이터, 주변 조건, 주행 상황 및 운전자의 의지를 고려한다. 동력은 이러한 요소의 함수로서 항상 두 액슬 사이에 최적으로 분배될 수 있다. 

아우디 드라이브 셀렉트(drive select)를 사용해 콰트로 드라이브를 연결함으로써 운전자는 자신의 요구사항에 맞게 AWD 특성을 조정할 수 있다. 드라이브 셀렉트의 자동 모드는 가능한 최고의 트랙션과 균형 잡힌 드라이빙 다이내믹스를 제공한다. 다이내믹 모드에서는 동력이 리어 액슬에 더 빨리 전달돼 마찰계수가 낮은 주행 동력을 향상시킨다. 휠 선택식 토크 제어(ESC의 소프트웨어 기능)는 안쪽 휠을 최소한으로 제동함으로써 필요에 따라 핸들링을 부드럽게 한다.

두 개의 클러치

향상된 효율은 드라이브트레인의 두 클러치에 의해 가능해졌다. 시스템이 전륜 구동으로 바뀌면, 프론트 클러치(변속기 테이크오프 시 다판 클러치)가 프로펠러 샤프트(propshaft)를 분리한다. 리어 액슬 디퍼렌셜에 있는 통합 디커플러도 열려서 드라이브트레인의 뒷부분에서 드래그 손실의 주요 원인을 차단한다. 동시에 새로운 기술임에도 불구하고 콰트로 드라이브트레인은 이전 시스템보다 거의 4 kg(8.8 lb) 더 가벼워 연료 소모 저감 및 핸들링 향상에 기여한다. 
 

AWD 클러치는 변속기 후단에 위치한다. 콰트로 제어장치에 통합된 전기모터는 다판 클러치를 작동시키는 스핀들 드라이브에 동력을 공급한다. 모델에 따라, 클러치는 오일 배스(oil bath)에서 회전하는 5 또는 7쌍의 플레이트 패키지로 구성된다. 마찰 링(friction ring)은 쌍으로 서로 뒤에 배열된다. 첫 번째는 클러치 바스켓과 영구적으로 맞물려 있으며, 클러치 바스켓은 입력 샤프트(input shaft)와 함께 회전한다. 다음 링은 출력 샤프트와 리어 액슬 디퍼렌셜을 맞물리게 한다. 플레이트가 함께 맞물리면 AWD 시스템이 활성화된다. 플레이트의 접촉 압력은 액슬 사이에서 가변적으로, 또 동적으로 구동 토크를 분산시키는 데 사용된다.

통합 디커플러

리어 액슬 디퍼렌셜에 통합된 디커플러는 다른 원칙에 따라 작동한다. 오른쪽 뒷바퀴의 샤프트는 디퍼렌셜이 빠져 나가는 지점을 넘어 두 부분으로 나뉜다. 디퍼렌셜의 액슬 베벨 기어를 구비한 좌측 서브샤프트 및 우측 서브샤프트는 각각 클로(claw) 요소에 연결된다. 

맞물림 클러치(claw clutch)는 전기기계식으로 열리며 프리텐션 스프링을 통해 닫힌다. AWD 클러치와 디커플러가 모두 열려있는 경우, 마찰 손실 및 드래그 손실뿐 아니라 프로펠러 샤프트와 관련된 리어 액슬 디퍼렌셜에 있는 큰 컨포넌트는 정지된다. 코너링 중 차량 구동 휠의 회전 속도 차이를 보상하는 디퍼렌셜의 액슬 베벨 기어 및 보정 기어만이 제로 부하에서 계속 회전하지만, 이것들은 약간의 드래그 손실만 야기한다. 
 

AWD 시스템을 작동시키기 위해 정지된 부품들은 제어된 다판 클러치를 통해 초 단위로 가속된다. 맞물림 클러치는 프로펠러 샤프트와 그리고 디퍼렌셜 하우징이 요구하는 속도로 회전하자마자 닫힌다. 전자기식으로 작동되는 금속 핀은 잠금 레버를 푼다. 스프링이 풀리고 맞물림 클러치가 닫힌다. 맞물림 클러치를 닫을 때 예압 스프링(pretensioned spring)을 사용하면 매우 짧은 시간이 소요된다.  

AEM_Automotive Electronics Magazine