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차와 자동차 회사/자동차 기술

차량의 차축은, 어떻게 돌면서 방향도 바꾸어 줄까?


동력을 전달하면서도 자유자재로 각도를 변화시키는 장치, 등속조인트




어릴 때 전동 미니카를 조립해 보셨던 기억들. 한번씩은 다 있으실 겁니다. 







 모터를 달고 기어를 달고 배터리를 달면 간단히 완성 되는 데다가 속도까지 빨라서 어린이들이 무척 좋아하는 장난감이지요. 덕분에 다양한 제품들이 다양한 메커니즘으로 진화해 가면서 출시되어 오고 있습니다.



 출시 초기에는 뒷 두 바퀴만 돌릴 수 있었던 모델이 지금은 4WD가 기본이 되었고, 모터 위치와 방향도 자유자재로 바뀌어 가면서 심지어는 미드쉽 방식도 등장한 상태입니다. 당연히 구조가 복잡해 졌지요. 






 하지만 구조가 복잡해 졌다 한들 장난감은 장난감입니다.  크기가 작기 때문에 차체에 가해지는 힘의 분석이 매우 단순하고 따라서 구동장치는 수평의 전후좌우 움직임만 관리해 주면 됩니다.



 예를 들어 미드쉽 타입의 미니카의 경우 모터의 회전축은 차량 전 후면을 향하고 있는데요. 이를 웜기어나 크라운 기어를 통해 회전방향을 90도 바꾸어 주면 끝입니다. 추가적인 장치가 필요 없지요. 



 (마개조는 조금 예외로 해두고요 -_-)





www.aliexpress.com



www.jeromearul.com





 그런데 실제 차량의 경우는 어떨까요? 



 만일 변속기에 맞물린 차축이 딱딱한 막대기로 되어있다면 차량에 들어오는 충격을 견디어 낼 수 없을 겁니다. 거친 노면을 달리고 나면 축이 휘어지고 말겠지요. 



 특히 전륜구동의 경우는 앞바퀴에 동력이 전달되니 튼튼한 차축이 필요한데 바퀴는 시시각각 각도가 변해야 합니다. 그냥 딱딱한 막대기라면 마치 위에서 언급한 미니카 처럼 핸들을 돌릴 수 없게 됩니다. 



 그렇다고 해서 부드러운 막대기를 사용할 수도 없는 일.


www.eurobricks.com

 그래서 모든 자동차에는 등속조인트 (Constant Velocity Joint)가 적용된 드라이브 샤프트가 달려 있습니다. 차축에 관절을 넣어 구부러진 상태에서도 동력을 전달하는 특별한 구조의 샤프트입니다. 



www.coroflot.com




 그것도 한 방향으로 꺾어지는 구조(유니버셜 조인트)가 아니라 3차원 180도 이상으로 각도를 변화시키는 관절입니다. 그것도 고속으로 회전하는 상태에서요.



 백문이 불여일견, 아래의 애니메이션을 한번 보세요. 쉽게 이해가 가실 겁니다. 




grabcad.com




 구조는 생각보다 간단합니다. 마치 한쪽 축을 다른 한쪽 축이 감싸 쥐고 있는 형태를 하고 있습니다. 다양한 종류의 CV 조인트가 있지만 모두 볼 베어링이 중간 매개가 되는 기본 구조는 다르지 않습니다. 



  회전은 그대로 유지하면서도 입력축과 출력축의 각도 차이를 만들어 주는 역할을 볼 베어링이 담당하지요.




www.weiku.com




그런데 생각해 보세요. 자동차는 시속 100km 이상의 고속으로 달리는 물체입니다. 2톤에 육박하는 무게를 버티며 초당 15회 이상 고속으로 타이어를 회전시켜야 합니다. 




www.allpar.com




 게다가 급격한 가속이나 급격한 제동이라도 하면 걸리는 큰 토크가 드라이브 샤프트에 걸리게 됩니다. 생각 이상의 가혹한 환경에 노출되어 있으면서도, 손실 없이 온전하게 동력을 전달해야 하지요.




forum.roadfly.com





 덕분에 CV 조인트는 큰 충격을 견디어 낼 수 있는 강성과 움직임을 잘 전달해줄 정밀한 가공이 필수입니다. 스스로 움직이니 가능한 가벼워야 하고요.



 가벼우면서 튼튼하게 만들기 위해 합금과 열처리를 해야하고, 속이 비어있는 중공축을 구조를 사용해야 합니다. 각도 변화에 따른 길이변화를 흡수하기 위해 스플라인도 사용해야 합니다. 모두 가격상승을 불러오는 요인입니다. 




www.mv8r.com





 아무래도 역시 핵심 부품은 바로 볼 베이링이겠지요. 별로 어렵지 않습니다. 녹슨 문을 열 때 힘이 더 들아간다는 점을 떠올려 보세요. 볼 베어링이 잘 가공되면 동력 손실이 거의 없을거고, 잘 가공되지 않으면 손실이 많을 겁니다. 




thepartsshoppe.com




 여담입니다만 베어링 담당자 말로는 독일제의 품질을 100이라고 하면, 일제는 90정도, 국산은 80정도라고 하더군요. 중국산은 30, 아니 요새는 품질이 좀 좋아져서 50 정도까지는 된다고 합니다.





www.cpsdrivelink.co.uk





 자동차에서 중요한 역할을 담당하는 등속 조인트에 대해 알아보았습니다.



 자동차에서 중요하지 않은 부품이 어디 있겠습니까만, 조그마한 베어링이 차량의 동력성능을 좌우 한다는데 새삼 놀라울 따름입니다.




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