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문제 정의
- 본 연구에서는 ATV 에서 가장 큰 문제점중의 하나인 회전 시 차체의 떨림 현상을 방지하고 회전반경을 작게 할 수 있는 핀이나 스플라인에 의한 구속형 LSD 의 형태를 제안하고 설계 개발하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이에 본 연구에서는 ATV 의 가장 큰 장점이자 특징인 험로 탈출능력은 그대로 유지시키면서 모든 운전자들이 특별한 기술 습득 없이도 운행할 수 있는 환경을 만들기 위하여, 자동차와 같이 차동장치를 장착하여 포장도로의 주행 시 회전에 의한 힘의 균형을 자동으로 보정하여 기동성과 안전성을 기존의 자동차 수준으로 올리고, 험로 주행에서는 차동장치사용을 제한하여서 원래대로 힘을 반씩 균등 분할 시켜 험로탈출 능력을 그대로 유지시키도록 하는 시스템을 개발하고자 하였다.
제안 방법
- 1. 작동방식을 2 way type 방식을 채택하여 전진과 후진 등 양방향에서 일정한 힘과 회전력을 발휘하게 하여 ATV 의 구동성능이 안정화 되게 설계 제안하였다.
- 2. 기존의 자동차에 장착된 LSD의 단점중 하나인 무게와 부피를 크게 감소시키는 형태로 설계 제안하였다.
- 6. ATV용 LSD를 기계식으로 구성하여 외부의 환경에 큰 영향을 받지 않고 작동할 수 있게 개발하였다.
- ATV 용 차동장치의 개발을 위해서 먼저 시작품을 제작하였다. 시작품의 제작을 위해서 FDM 쾌속 조형 기법을 적용하여 Fig.
- 이를 위하여 LSD는 기존의 자동차에 상용으로 이용되고 있는 차동기어의 형태와 기능 및 크기를 최대한 유지하면서, 차동기어의 성능과 차동제한장치의 효과를 최대한 살릴 수 있는 구조로 설계하였다. 그리고 ATV 의 특성상 차체의 크기가 작고 기동성을 요구하며 험로주행을 많이 하는 등의 이유로 인하여 외부에 많은 외란 이 발생하므로 여기에 취약한 전기 전자식을 배제하였고, 부피를 최소한 줄이기 위하여 유압식도 배제하여 최대한 기계식의 장점을 살리도록 설계하였다.
- 또한 Fig. 10에서 보는 바와 같이 차동제한 기어를 기계식으로 설계하면서 LSD 의 크기를 줄이기 위하여 차동사이드 기어 속에 차동제한 기어를 넣어 필요에 따라서 축간 이동을 통하여 차동피니언 기어를 제한하는 타입으로 설계하였다. 이에 따라 전체적인 LSD 의 크기를 기존의 자동차용 LSD의 크기에 비해 30% 이상 체적 감소효과를 얻을 수 있으며 또한, 무게 감소효과도 올릴 수 있었다.
- 기어부분을 해석하였다. 또한, ATV용 LSD의 작동에서 가장 중요한 부분인 차동기어부와 이를 제어하는 스플라인 홀더부의 강도 및 축과의 관계도 확인하였다. 정지된 상태에서 회전력에 따른 응력 및 변형량을 측정하였다.
- 본 연구에서 개발하고자하는 LSD 는 동력을 전달하는 장치이므로 정상적인 작동을 위하여 기본적인 강도를 가지고 있어야하며 이를 설계에 반영하기 위하여 상용소프트웨어인 DEFORM-3D 를 이용하여 기어부분을 해석하였다. 또한, ATV용 LSD의 작동에서 가장 중요한 부분인 차동기어부와 이를 제어하는 스플라인 홀더부의 강도 및 축과의 관계도 확인하였다.
- 설계된 LSD 모델을 바탕으로 쾌속 조형 기법으로 시작품을 제작하고 시제품을 가공하여 ATV 에 장착할 수 있는 기계식의 실제 제품을 개발하였다.
- 시작품의 제작을 위해서 FDM 쾌속 조형 기법을 적용하여 Fig. 8과 같이 시작품을 제작하였다. 쾌속조형법을 이용하여 형상을 만들고, 신속한 시작품 제작으로 성능을 확인할 수 있었다.
- 위에 열거한 이론적 배경을 바탕으로 실제 ATV 에 적용하기 위하여 ATV 의 무게와 체적은 최대한 줄이면서 제 성능을 발휘할 수 있는 형태로 LSD 를 설계하였다. 이를 위하여 LSD는 기존의 자동차에 상용으로 이용되고 있는 차동기어의 형태와 기능 및 크기를 최대한 유지하면서, 차동기어의 성능과 차동제한장치의 효과를 최대한 살릴 수 있는 구조로 설계하였다.
- 설계하였다. 이를 위하여 LSD는 기존의 자동차에 상용으로 이용되고 있는 차동기어의 형태와 기능 및 크기를 최대한 유지하면서, 차동기어의 성능과 차동제한장치의 효과를 최대한 살릴 수 있는 구조로 설계하였다. 그리고 ATV 의 특성상 차체의 크기가 작고 기동성을 요구하며 험로주행을 많이 하는 등의 이유로 인하여 외부에 많은 외란 이 발생하므로 여기에 취약한 전기 전자식을 배제하였고, 부피를 최소한 줄이기 위하여 유압식도 배제하여 최대한 기계식의 장점을 살리도록 설계하였다.
- 이를 토대로 현재 자동차에 적용되고 있는 크고 복잡하고 무거운 형태의 차동제한장치가 아닌 작고 단순하면서도 가벼운 무게로 설계하여 실제 운행 시에도 그 성능을 충분히 발휘할 수 있는 차동제한장치(Limited Slip Differential : LSD)를 설계 개발하였다.
- 또한, ATV용 LSD의 작동에서 가장 중요한 부분인 차동기어부와 이를 제어하는 스플라인 홀더부의 강도 및 축과의 관계도 확인하였다. 정지된 상태에서 회전력에 따른 응력 및 변형량을 측정하였다. 피치원 직경 70mln, 기어 잇수 20의 모듈 3.
대상 데이터
- 쾌속조형기법을 이용하여 만든 시작품을 근거로하여 실제 운용 가능한 ATV 용 LSD 를 제작하였다. 시제품을 통하여 실제 부품의 조립 및 성능을 검증하였으며, 제품이 원활히 작동하는 것을 확인하였다.
이론/모형
- 설계된 형태에서 알 수 있듯이 설계방식은 2 way type 방식으로 하였다. 2 way typee 전진 후진의 상황 모두에 재빠르게 대처할 수 있고, ATV를 비롯한 여러 분야에서 동력전달과 구속에 응용 효과가 클 것으로 기대된다.
성능/효과
- 3. 핀결합이나 스플라인 홀더를 이용함으로 NSD 의 차동과 비차동 기능의 전환을 쉽게 할 수 있다.
- 4. 핀 결합이나 스플라인 타입의 홀더를 이용함으로 동력전달 부분의 정상동작이 가능함을 시뮬레이션을 통하여 알 수 있었다.
- 5. 스플라인 홀더를 이용함으로 저속에서도 차동장치의 제한을 가능하게 하였다.
- Fig. 11의 스플라인형 LSD의 개발을 통하여 바깥 축 및 내부축에 대하여 스플라인 홀더가 작동됨을 확인하였으며, 스플라인의 형상을 원주 방향으로 경사지게 함으로써 기어의 물림이 쉽게 되어 원활한 작동이 가능함을 확인할 수 있었다. 특히 내부 축의 가공 및 홀더의 특수 가공을 통하여 기어와 주변장치가 정상작동 됨을 확인하였다.
- 또한 동력전달 축을 스플라인 가공하여 차동 및 비차동을 이루어 냄으로써 ATV 를 도로 및 험로에서 모두 만족하는 주행을 이끌어 낼 수 있도록 하였다.
- 상기와 같은 해석과 모델링을 통하여 ATV 의 LSD 를 제어할 수 있는 스플라인 홀더타입을 확인할 수 있었다. 또한 동력전달 축을 스플라인 가공하여 차동 및 비차동을 이루어 냄으로써 ATV 를 도로 및 험로에서 모두 만족하는 주행을 이끌어 낼 수 있도록 하였다.
- 7은 차동기어를 제어하는 두 축과 홀더에 작용되는 응력을 시뮬레이션 한 결과이다. 스플라인의 형상은 사다리꼴의 형상으로 단속과 비단속의섭동부 이동시 결합이 잘 될 수 있는 구조로 되어있고, 외축과 내축의 동력을 제어하는 부분으로서 기어의 강도보다 약 100MPa 이상 값이 높게 나타났다. 이 결과로 사다리꼴형 스플라인을 이용한 두 축의 제어 및 동력전달이 가능함을 해석을 통하여 알 수 있다.
- 시제품을 통하여 실제 부품의 조립 및 성능을 검증하였으며, 제품이 원활히 작동하는 것을 확인하였다.
- 스플라인의 형상은 사다리꼴의 형상으로 단속과 비단속의섭동부 이동시 결합이 잘 될 수 있는 구조로 되어있고, 외축과 내축의 동력을 제어하는 부분으로서 기어의 강도보다 약 100MPa 이상 값이 높게 나타났다. 이 결과로 사다리꼴형 스플라인을 이용한 두 축의 제어 및 동력전달이 가능함을 해석을 통하여 알 수 있다. 즉, 스플라인부의 응력이 기어부와 축에서의 응력보다 100MPa 이상 높은 해석결과를 확인함으로 설계된 스플라인 홀더가 차동기어의 및 축의 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 10에서 보는 바와 같이 차동제한 기어를 기계식으로 설계하면서 LSD 의 크기를 줄이기 위하여 차동사이드 기어 속에 차동제한 기어를 넣어 필요에 따라서 축간 이동을 통하여 차동피니언 기어를 제한하는 타입으로 설계하였다. 이에 따라 전체적인 LSD 의 크기를 기존의 자동차용 LSD의 크기에 비해 30% 이상 체적 감소효과를 얻을 수 있으며 또한, 무게 감소효과도 올릴 수 있었다.
- 이 결과로 사다리꼴형 스플라인을 이용한 두 축의 제어 및 동력전달이 가능함을 해석을 통하여 알 수 있다. 즉, 스플라인부의 응력이 기어부와 축에서의 응력보다 100MPa 이상 높은 해석결과를 확인함으로 설계된 스플라인 홀더가 차동기어의 및 축의 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 8과 같이 시작품을 제작하였다. 쾌속조형법을 이용하여 형상을 만들고, 신속한 시작품 제작으로 성능을 확인할 수 있었다.
- 11의 스플라인형 LSD의 개발을 통하여 바깥 축 및 내부축에 대하여 스플라인 홀더가 작동됨을 확인하였으며, 스플라인의 형상을 원주 방향으로 경사지게 함으로써 기어의 물림이 쉽게 되어 원활한 작동이 가능함을 확인할 수 있었다. 특히 내부 축의 가공 및 홀더의 특수 가공을 통하여 기어와 주변장치가 정상작동 됨을 확인하였다.
후속연구
- 방식으로 하였다. 2 way typee 전진 후진의 상황 모두에 재빠르게 대처할 수 있고, ATV를 비롯한 여러 분야에서 동력전달과 구속에 응용 효과가 클 것으로 기대된다.
- 또한 기계식으로 제작되어 기타 다른 전자식 및 반자동 등의 방식에 비하여 단순하고 가벼우며, 고장률 및 오작동률을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
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