[논문]소형 전기차량용 구배반응 무단변속기 개발

김규성; 권영웅

doi:10.9726/kspse.2015.19.6.033

문제 정의

국내의 지형을 고려하여 소형 전기차량의 등판 능력을 향상시키고자 구배반응 무단변속기 모델을 제안하였다. 제작한 구배반응 무단변속기는 변속비 1∼2.
본 연구는 소형 전기차량에 적용이 가능한 새로운 형태의 구배반응 무단변속기 독자모델을 개발하고자 한다. 연구의 당위성을 확인하기 위해 제안한 모델이 구배상태에서 스스로 반응하는 모습을 확인하였다.
본 연구에서는 국내외에서 상용되고 있는 전기구동 소형 차량인 2인승 전기자동차, 전기자전거, 전기스쿠터, 전동휠체어 및 골프카 등에 아직까지 별다른 변속기가 없는 상황에서 소형 전기차량에 적용할 수 있는 구배반응 무단변속기의 구조를 제시한다. 제시한 구배반응 무단변속기를 제작하여 부품 성능 시험과 주행 성능 시험을 수행하였다.

제안 방법

본 실험에 부하에 따른 토크값 산출을 토크테크놀러지사의 TQB_A_20㏎를 사용하여 데이터를 출력하였으며, 출력된 데이터 값은 멀티미터(MAS-345)를 RS232케이블로 연결하여 2초당 1회씩 데이터를 PC로 수집하였다.³⁾ RPM 측정은 엔코더를 이용하여 출력하였고, 종동축의 RPM은 토크센서 내장형으로 1회전당 60pulse를 출력하는 토크센서의 데이터를 확인하기 위해 펄스메타 MP5W를 이용하여 출력하였다. 부하는 1~3단계까지의 단계를 주었으며, 각 단계별로 0.
구동축은 모터와 연결하여 동력원으로 이용하였고, 감속기(12.5:1)를 장착하여 토크를 증가시킨 후 실험을 진행하였다. 본 실험에 부하에 따른 토크값 산출을 토크테크놀러지사의 TQB_A_20㏎를 사용하여 데이터를 출력하였으며, 출력된 데이터 값은 멀티미터(MAS-345)를 RS232케이블로 연결하여 2초당 1회씩 데이터를 PC로 수집하였다.
구배반응 무단변속기의 성능을 입증하기 위해 기존의 소형 전기차량에 부착되었던 10:1의 감속기를 장착한 트랜스액슬을 사용하여 주행 성능 시험을 수행하였고, 또한 같은 비율의 감속기를 지닌 구배반응 무단변속기를 부착하여 비교 시험을 수행하였다. 기존의 10:1의 감속기가 내장된 트랜스액슬과 모터를 부착한 구배반응 무단변속기의 사진은 다음과 같다.
등판 주행은 경사 9˚의 도로를 몸무게 65kg의 운전자를 태우고 3회 반복 주행하여 이때 소요시간 및 소비전압을 측정하며 시험을 진행하였다. 주행 성능 평가결과는 Table 3와 같다.
5:1)를 장착하여 토크를 증가시킨 후 실험을 진행하였다. 본 실험에 부하에 따른 토크값 산출을 토크테크놀러지사의 TQB_A_20㏎를 사용하여 데이터를 출력하였으며, 출력된 데이터 값은 멀티미터(MAS-345)를 RS232케이블로 연결하여 2초당 1회씩 데이터를 PC로 수집하였다.³⁾ RPM 측정은 엔코더를 이용하여 출력하였고, 종동축의 RPM은 토크센서 내장형으로 1회전당 60pulse를 출력하는 토크센서의 데이터를 확인하기 위해 펄스메타 MP5W를 이용하여 출력하였다.
³⁾ RPM 측정은 엔코더를 이용하여 출력하였고, 종동축의 RPM은 토크센서 내장형으로 1회전당 60pulse를 출력하는 토크센서의 데이터를 확인하기 위해 펄스메타 MP5W를 이용하여 출력하였다. 부하는 1~3단계까지의 단계를 주었으며, 각 단계별로 0.1942kgf-m, 0.2719kgf-m, 0.3495kgf-m를 조건으로 마스터 실린더를 조절하였다.
본 연구는 소형 전기차량에 적용이 가능한 새로운 형태의 구배반응 무단변속기 독자모델을 개발하고자 한다. 연구의 당위성을 확인하기 위해 제안한 모델이 구배상태에서 스스로 반응하는 모습을 확인하였다. 이에 부품 성능 시험을 통해서 제안한 독자모델의 구배반응 무단변속기가 부하 상태에서 스스로 변속을 수행하는 예비 실험을 수행하였다.
위의 계산식을 이용하여 마스터 실린더 압력계에서 1bar, 1,4bar, 1.8bar일 때 설계제원을 적용하여 0.1942kgf-m, 0.2719kgf-m, 0.3495kgf-m 3종류를 계산하였다. 구배를 재현하기 위한 부하장치의 설계제원은 다음 Table 2와 같다.
소형 전기차량은 기본적으로 적용공간이 작아 구조상 크기의 변화가 필수적이다. 이에 대한 실험으로 제안한 구배반응 무단변속기의 크기변화를 주기 위해 구동풀리와 종동풀리의 축간거리를 변화시키기 위해 동력전달 매체인 벨트길이 변화에 대한 실험을 수행하였다. 벨트길이 530mm에 대한 실험결과들은 Fig.
연구의 당위성을 확인하기 위해 제안한 모델이 구배상태에서 스스로 반응하는 모습을 확인하였다. 이에 부품 성능 시험을 통해서 제안한 독자모델의 구배반응 무단변속기가 부하 상태에서 스스로 변속을 수행하는 예비 실험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 국내외에서 상용되고 있는 전기구동 소형 차량인 2인승 전기자동차, 전기자전거, 전기스쿠터, 전동휠체어 및 골프카 등에 아직까지 별다른 변속기가 없는 상황에서 소형 전기차량에 적용할 수 있는 구배반응 무단변속기의 구조를 제시한다. 제시한 구배반응 무단변속기를 제작하여 부품 성능 시험과 주행 성능 시험을 수행하였다. 그 결과 동력성능이 향상되었음을 확인하였다.
제안된 구배반응 무단변속기는 모터와 연결된 구동풀리와 구동바퀴와 연결되는 종동풀리로 나뉘어진다. 전기차량이 언덕 등판 시 가해진 부하에 대하여 토크를 증대하기 위해 스프링의 장력을 극복하고 종동풀리 간격을 좁히고, 이에 종동풀리의 벨트풀리 직경이 커지는 쪽으로 변속을 수행할 수 있다.
제안한 구배반응 무단변속기를 소형 전기차량에 장착하여 성능을 확인하기 위해 주행 성능 시험을 수행하였다. 주행 시험에 사용한 소형전기차량의 섀시형상은 Fig.
소형 전기차량의 평지 및 가속주행 성능평가를 위해 육상경기용 500m 트랙을 이용하였다. 평지주행 시험은 몸무게 65kg의 운전자가 트랙을 500m 주행할 때 소요시간과 소비 전압을 측정하며 실험을 진행하였으며, 가속주행 시험은 동일 트랙에서 몸무게 65kg의 운전자가 100m의 거리를 통과할 때 소요 시간 및 소비전압을 측정하며 진행하였다.

대상 데이터

8kgf/cm이다. 소형 전기차량의 평지 및 가속주행 성능평가를 위해 육상경기용 500m 트랙을 이용하였다. 평지주행 시험은 몸무게 65kg의 운전자가 트랙을 500m 주행할 때 소요시간과 소비 전압을 측정하며 실험을 진행하였으며, 가속주행 시험은 동일 트랙에서 몸무게 65kg의 운전자가 100m의 거리를 통과할 때 소요 시간 및 소비전압을 측정하며 진행하였다.
6과 같다. 시험에 사용된 모터는 350W이고, 트랜스 액슬과 시험 제작한 구배 반응 무단변속기기를 장착할 수 있는 공간을 둘 수 있도록 제작하였다.

성능/효과

1) 제안된 구배반응 무단변속기에서 구동풀리와 종동풀리에 포함된 스프링상수는 동력전달벨트를 클램핑 안 되는 범위 내에서 선정하는 것이 동력전달에 유리하다.
2) 구동풀리와 종동풀리의 축간거리를 짧게 하면 동력전달이 확실하고, 전달토크가 높아진다.
3) 감속기만 탑재된 차량과 비교하여 평지 주행 시 주행속도가 21.5% 향상되었다.
4) 감속기만 탑재된 차량과 비교하여 경사도 20%의 도로에서 주행속도가 13.8% 향상되었다.
5) 감속기만 탑재된 차량과 비교하여 평지에서 가속성능이 23.6% 향상되었다.
제시한 구배반응 무단변속기를 제작하여 부품 성능 시험과 주행 성능 시험을 수행하였다. 그 결과 동력성능이 향상되었음을 확인하였다.
벨트길이가 줄어들면 구조적으로 동력전달이 확실해져 동력전달 성능이 향상된다. 벨트길이가 650mm에서 530mm로 줄였을 때 변속비나 부하조건에 상관없이 평균 0.01kgf-m 상승함을 알 수 있었다.
8kgf/cm일 때 전달토크가 가장 크다. 이러한 결과는 벨트길이가 650mm일 때 지나치게 커다란 스프링 상수는 풀리에서 동력전달을 방해하였지만, 벨트길이가 530mm일 때는 클램핑 작용보다는 스프링 상수의 확장이 벨트의 장력을 증가시켜 전달토크를 크게한 것으로 판단된다. 앞의 결과들을 정리하면 제안한 구배반응 무단변속기를 소형 전기차량에 장착할 시 실험에 의한 스프링 상수와 벨트길이를 선정해야 동력전달 효율을 상승시킬 수 있게 된다.
제안된 구배반응 무단변속기의 실용화 측면에서 소형 전기차량에 탑재 시 가능한 전체적인 크기를 작게 하는 것이 동력성능을 향상시키고, 소형 전기차량의 차체 설계 시 레이아웃 설정도 유리할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 시판되고 있는 전기스쿠터는 어떤 실정인가?	또한 고성능의 모터를 운영하기 위해서는 배터리의 전력소모가 급격해지기 때문에 이에 따른 제반문제들이 해결되어야 국내에 적용이 용이하다. 국내에서 시판되고 있는 전기스쿠터들은 일정한 감속비를 지닌 감속기만을 적용하고 있는 실정이다.4,5)
	구배반응 무단변속기는 어떻게 나눠지는가?	제안된 구배반응 무단변속기는 모터와 연결된 구동풀리와 구동바퀴와 연결되는 종동풀리로 나뉘어진다. 전기차량이 언덕 등판 시 가해진 부하에 대하여 토크를 증대하기 위해 스프링의 장력을 극복하고 종동풀리 간격을 좁히고, 이에 종동풀리의 벨트풀리 직경이 커지는 쪽으로 변속을 수행할 수 있다.
	국내에서 소형 전기차량이 대중화되지 않은 이유는 무엇인가?	중국에서 상용화되어 도시를 운행하고 있는 소형 전기차량이 아직까지 국내에서는 대중화되어 있지 않고 있다. 이러한 이유는 언덕이 많은 국내지형상의 이유 때문이다. 국내의 언덕이 많은 도로를 주행하기 위해서는 등판능력을 비롯한 동력성능이 개선되어야 하며, 이를 위해서는 전기차량 모터의 용량을 늘려야 한다.

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