[논문]이륜차 무단변속장치의 구동풀리와 종동풀리의 축간거리 해석

김규성; 권영웅

문제 정의

Kim의 이론적인 결과를 무차원화시켜 보자. 이를 위해 부하 토크의 크기를 나타내는 트랙션계수(traction coefficient) A를 도입한다.
본 논문에서는 이륜차 무단변속기의 변속비-축력-부하토 크에 대한 이론식을 실제모델에 적용하여 축간거리의 영향을 분석하였고, 축간거리 조정에 따른 변속비, 전달토크를 파악하고자 실험장치를 제작하여, 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

8이다. 생산도면 으로부터 각 변속비조건에서 접촉각들을 계산할 수 있으며, 또한 풀리와 벨트사이의 마찰계수를 결정하여야 하는데, 이 마찰계수는 구동중에 035와 0.45로 변화하는 것으로 알려져 있는데 본 논문은 Kim과 마찬가지로 0.4로 가정한다.

제안 방법

본 연구의 대상인 이륜차 무단변속기는 현재 국산화되어 있지 않아 도면을 일본 등지에서 로얄티를 주고 사들여와 Copy생산하고 있는 실정에 있다. 이러한 상황에서 무단변 속기의 구조변경을 통한 국산화의 일환으로 변속기의 구동 풀리와 종동풀리의 축간거리를 조정할 경우 변속비-부하토 크-축력의 관계에 대한 이론을 실제모델에 적용 고찰하였 고, 이를 토대로 실험장치를 제작하고 실험을 수행하였다.
위의 식을 배기량 125cc의 SG125 무단변속기를 대상으로 변속비-부하토크-축력에 대하여 고찰하여 본다. SG125 무단변속기의 구동풀리와 종동풀리 사이의 축간거리는 270mm 이며, 차량운행중의 변속비영역은 0.
전술한 내용에서 변속비-부하토크-축력에 대한 식을 이용하여 구동풀리와 종동풀리간의 축간거리의 영향을 살펴보 기로 한다.
구동풀리와 종동풀리의 축간거리를 현재 SG125 무단변 속기의 설계치인 270mm에서 차례로 200mm까지 4단계로 줄여가면서 고찰한다. 변속시점인 변속비(R) 2.
실험장치를 구성 하고 있는 각 부품 및 사양은 Table 1에 나타내었다. 실험장치는 축간거리 조정이 가능하도록 하기 위하여 시 험대(base) 위에 일직선으로 2개의 홈을 파서 구동풀리 연결부를 시험대에 볼트로 고정시킨 뒤 종동풀리 연결부 4곳 에 구멍을 풇어 축간거리 285mm와 211mm 위치에서 볼트로 고정시킬 수 있도록 하였다. 또한, 구동풀리에 동력을 전달 하는 동력구동장치에는 실제 엔진 대신에 최대 동력이 2마 력인 AC모터를 사용하였고, 엔진 출력 회전수를 맞추기 위하여 최대 회전속도가 3, 600rpm인 AC모터를 1:2의 비율 을 갖는 풀리에 연결하여 최대속도를 7, 200 rpm까지 증폭 시켰다.
실험장치는 축간거리 조정이 가능하도록 하기 위하여 시 험대(base) 위에 일직선으로 2개의 홈을 파서 구동풀리 연결부를 시험대에 볼트로 고정시킨 뒤 종동풀리 연결부 4곳 에 구멍을 풇어 축간거리 285mm와 211mm 위치에서 볼트로 고정시킬 수 있도록 하였다. 또한, 구동풀리에 동력을 전달 하는 동력구동장치에는 실제 엔진 대신에 최대 동력이 2마 력인 AC모터를 사용하였고, 엔진 출력 회전수를 맞추기 위하여 최대 회전속도가 3, 600rpm인 AC모터를 1:2의 비율 을 갖는 풀리에 연결하여 최대속도를 7, 200 rpm까지 증폭 시켰다. 여기서, 사용되는 AC모터는 실제 50cc 이륜 자동차 의 엔진 출력 특성과 일치하지는 않는다.
구동풀리의 축력이 V-벨트에 의해 종동풀리로 전달되는 토 크를 측정하기 위해서 종동풀리에 연결된 회전축을 연장하여 비틀림 측정 디스크그 비틀림 축 그리고 디스크 브레이크를 Fig. 5 와 같이 설치하였다. 전달토크를 비틀림 양으로 측정하기 위하여 비틀림 축 양끝에 비틀림 측정 디스크를 고정하고 디스크 아래 부분에 위상차 측정용 센서(Photointerrupter)를 설치하여 비틀림에 의한 디스크의 위상차를 측정하도록 하였다.
5 와 같이 설치하였다. 전달토크를 비틀림 양으로 측정하기 위하여 비틀림 축 양끝에 비틀림 측정 디스크를 고정하고 디스크 아래 부분에 위상차 측정용 센서(Photointerrupter)를 설치하여 비틀림에 의한 디스크의 위상차를 측정하도록 하였다. 위상차 측정을 위해 비틀림 측정용 디스크를 치차 형태로 가공하였다.
전달토크를 비틀림 양으로 측정하기 위하여 비틀림 축 양끝에 비틀림 측정 디스크를 고정하고 디스크 아래 부분에 위상차 측정용 센서(Photointerrupter)를 설치하여 비틀림에 의한 디스크의 위상차를 측정하도록 하였다. 위상차 측정을 위해 비틀림 측정용 디스크를 치차 형태로 가공하였다.
종동축의 디스크 브레이크에 부하토크를 가하면 비틀림축 양 끝단의 비틀림 측정 디스크에 설치된 비접촉식 전자기 검출 센서를 통해 축의 비틀림이 발생하여 생기는 AC 신호 전압의 위상차가 감지된다. 감지된 신호를 데이터 변환 보드로 F-V 변환을 하여 AAD 변환기를 거쳐 토크를 측정한다. 검출장치에서 측정된 구동 및 종동풀리 회전수, 구동 및 종동풀리 벨트 피치 직경, 그리고 종동축 토크는 모두 데이터 변환보드와 A/D 변환기를 거쳐 컴퓨터로 전달된다.
실험에서 적용한 무단변속기의 축간거리는 실제 50cc 이 륜 자동차에 사용되는 무단변속기 SJ50 모델과 Tact 모델 의 축간거리이다. V-벨트 제작의 어려움 때문에 축간거리 조정을 각 모델의 축간거리 285mm와 211mm 두 가지 경우에 만 국한시켜 실험을 수행하였다.
이 실험장치에서는 구 동풀리의 회전수가 4, 500rpm에서 원심클러치가 클러치 인 (Chitch-in)되어 동력을 전달한다. 따라서, 구동풀리의 회전 수를 5,000rpm에서 시작하여 매번 250rpm 씩 6, 000rpm까지 총 5단계로 증가시키며 측정하였다. 각 회전수마다 디스크 브레이크에 가해지는 부하토크는 비틀림 측정이 가능한 2.
이 과정에서 모터제 어기의 반응속도를 고려하여 AC 모터의 속도를 천천히 증 가시켰다. 디스크 브레이크에 부하토크를 준 상태에서 각 검출센서의 신호를 측정하였다.
종동풀리의 전달토크가 측정되면 AC 모터의 구동을 서 서히 멈추고 디스크 브레이크에 가해진 부하토크를 제거하여 무부하 상태로 만든 후, 구동풀리의 회전속도를 250rpm 증가시켜 5, 250rpm으로 유지시키고, 위와 같은 과정을 반복하여 실험을 수행하였다.
실시간으로 측정된 데이터는 1초에 8회 간격으로 저장되 도록 프로그래밍 하였으며, 정확한 데이터를 획득하기 위하여 각 회전수 및 부하토크에 대하여 2회씩 데이터를 측정하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상인 이륜차 무단변속기는 현재 국산화되어 있지 않아 도면을 일본 등지에서 로얄티를 주고 사들여와 Copy생산하고 있는 실정에 있다. 이러한 상황에서 무단변 속기의 구조변경을 통한 국산화의 일환으로 변속기의 구동 풀리와 종동풀리의 축간거리를 조정할 경우 변속비-부하토 크-축력의 관계에 대한 이론을 실제모델에 적용 고찰하였 고, 이를 토대로 실험장치를 제작하고 실험을 수행하였다.
제작하였다. 실험장치의 구성요소는 엔진 구동부를 대신하는 AC모터, 무단변속기, 비틀림 측정 디스크 및 회전, 벨트위치, 위상차 측정센서, Frequency/Voltage Converter 그리고 데이터 획득장치로 구성되어 있다. 실험장치를 구성 하고 있는 각 부품 및 사양은 Table 1에 나타내었다.
실험에서 적용한 무단변속기의 축간거리는 실제 50cc 이 륜 자동차에 사용되는 무단변속기 SJ50 모델과 Tact 모델 의 축간거리이다. V-벨트 제작의 어려움 때문에 축간거리 조정을 각 모델의 축간거리 285mm와 211mm 두 가지 경우에 만 국한시켜 실험을 수행하였다.
600N . mm의 부하토크를 가하였다. 이 과정에서 모터제 어기의 반응속도를 고려하여 AC 모터의 속도를 천천히 증 가시켰다.

성능/효과

1에서 보는 바와 같이 일정한 변속비하에서 구동풀리 의 축력은 트랙션계수가 증가함에 따라 선형적으로 증가하고, 종동풀리의 축력은 아래로 볼록한 형태로 변화하지만 그 크기는 많은 변화를 나타내지는 않고 있다. 이를 고찰하여 보면 V 벨트 무단변속기를 장착한 차량은 주행시 일정한 속도(변속 비)를 유지하기 위해서는 부하토크의 증가에 따라 구동풀리의 축력은 선형적으로 증가시켜야 하종동풀리의 축력은 큰 변 화없이 거의 일정하게 유지하여야 함을 알 수 있다.
7은 축간거리 단축시 구동풀리와 종동풀리의 V-벨 트 회전 피치직경변화 즉 변속비의 변화를 나타낸다. 여기 서, 구동풀리의 회전속도 범위는 180rpm에서 6, 000rpm까 지 이며, 벨트 회전 피치직경의 변화에 있어 초기 벨트 회전 피치직경이 구동풀리의 경우 40mm에서 37mm로 감소하였으며, 종동풀리의 경우 97mm에서 99iml로 약간 증가하였다. 또한, 구동풀리에 대한 종동풀리의 V-벨트 회전 피치직경 비(변속비)는 2.
1 범위로 변동되었 으며, 변속범위는 거의 변동이 없으나, 최대 변속비와 최소 변속비가 약간씩 증가하였다. 또한 구동풀리와 종동풀리에 대한 V-벨트 회전 피치직경의 변동 시작 시간, 즉 변속시작 시간이 40초에서 25초로 단축되었다.
회전속도가 증가할수록 축간거 리를 단축시 켰을 때 전달토크가 증가되었다. 축 간거리를 단축시켰을 때, 종동풀리의 전달토크 변화가 구동풀리의 회전속도 6, 000rpm에서 최대 59%, 5,000rpm에서 최소 27%까지 증가되었다.
Fig. 8과 Fig. 9의 결과를 종합하면, 무단변속기의 축간거 리를 단축하였을 때 전달토크가 증가되었다. 전달토크가 증 가하게 되면 동력성능도 향상된다.
(1) 축간거리가 단축되면 변속비에 영향을 주어 최대 변속 비와 최소 변속비가 증가한다. 최대 변속비가 증가하면 이륜 자동차 출발시에 구동력을 크게 할 수 있으며, 또한 V-벨트 회전 피치직경의 크기가 변하는 시작 시간 즉 변속시간이 빨라져 종동풀리의 원심클러치가 클러 치 인 되는 시기를 앞당길 수 있으며, 종동풀리의 토크 전달을 빠르게 할 수 있다.
(2) 실험에서 50cc 이륜차 무단변속기의 축간거리를 285 mm에서 211mm로 단축하였을 때, 종동풀리에 전달되는 토크가 증가하였다. 따라서, 구동력을 증가시키고, 동력성능이 향상된다.

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