후륜 및 사륜구동 차량에 필수적인 프로펠러 샤프트에 대해서 알아보겠습니다.
먼저 이해를 돕기 위해 구동방식과 샤프트에 관해 간단히 말씀드리겠습니다.
구동 방식
승용차(세단, SUV)의 대부분은 엔진이 차량 앞쪽에 위치하고, 동력을 앞바퀴로 전달해 앞바퀴가 회전하면 전륜구동, 뒷바퀴가 힘을 받아 회전하면 후륜구동, 앞과 뒷바퀴가 함께 움직이며 도로 상황에 따라 운전자가 앞바퀴 혹은 뒷바퀴만 움직이게 선택할수있는 사륜구동, 앞뒤바퀴의 구동을 선택할수 없고 항상 네바퀴가 움직이며 컴퓨터가 개입하여 각 바퀴를 제어하는 상시사륜구동 방식이 있습니다.
샤프트란?
원통형의 긴 금속 막대, 주로 동력을 전달을 위해서 사용.
프로펠러 샤프트란?
전륜구동을 제외한 나머지 구동방식은 엔진의 힘을 뒷바퀴로 전달해야 하는데 이때 사용하는 축이 프로펠러 샤프트입니다. 추진축 또는 드라이브 샤프트라고도 합니다. 전륜구동은 엔진에서 앞바퀴로 바로 동력을 전달함으로 전륜구동 차량에는 사용하지 않습니다.
기능
프로펠러 샤프트는 엔진을 동력을 변속기를 통해 차량의 후면에 위치한 디퍼렌셜(차동기어)로 전달해줍니다. 물리적으로 직접 연결이 되어 있기 때문에 동력 손실을 최소화 할수 있으며 엔진의 출력을 변동없이 일정하게 유지하게 해줍니다. 자동차 뿐만 아니라 해양 선박, 발전기, 압축기 및 펌프와 같은 건설 장비, 농기계 등 다양한 중장비에 사용하고 있습니다.
디퍼렌셜(Differential gear) 기어의 원리와 작동방식
오늘은 자동차 구동축의 필수품 차동장치, 영어로는 디퍼렌셜 기어에 대해 쉽고 자세하게 알아볼께요. 갑자기 왠 우사인 볼트냐구요?ㅎㅎ 잘 아시겠지만 200미터 달리기를 할때 선수들의 출발점
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*디퍼렌셜(차동기어)는 양쪽 뒷바퀴가 같은 거리를 움직인다면 차가 정상적으로 코너를 돌수 없으므로 양쪽 바퀴를 각각 회전 반경으로 움직일수있게 하는 기어입니다. 400미터 육상 경기에서 안쪽 레인과 바깥쪽 레인의 선수가 달리는거리가 다르기 때문에 출발선을 다르게 하는것과 같은 원리입니다.
종류
다른 방식도 많지만 크게 일체형, 혹은 두개의 샤프트가 결합된 결합형 두가지 종류로 분류할수 있습니다.
일체형
견고하고 우수한 강도와 내구성을 제공하고 단거리에 적합한 레이싱 차량이나 고성능 차량에 주로 사용
결합형
연결 부품으로인해 내구성은 떨어지지만 구조상 더 적합하기 때문에 대부분의 승용차량에서 사용합니다.
커스텀 방식
더 다양한 각도에서도 동력을 전달할수 있도록 피스톤을 이용해 신축성을 높여 오프로드 차량에 장착하는 방식도 있습니다.
구조
결합형 프로펠러 샤프트를 대부분의 차량에 사용하는 이유는 좌우 뒷바퀴를 연결해주는 후륜축이 엔진보다 낮은 위치에 있으므로 유니버셜 조인트를 이용해 비스듬한 각도로 회전이 가능하도록 하기 위함입니다.
이렇게 서로 다른 각도에서 회전을 가능하기 위해 베어링과 다른 부품들이 더해집니다.
부품 구성
두개의 샤프트를 결합하기 위해 중간에 사용하는 부품에는 다양한 종류가 있지만 가장 많이 사용하는 방식은 유니버셜 조인트를 사용하는 방식이며 그 구성 부품은 다음과 같습니다.
튜브
경량화를 위해 속이 비어있는 형태와, 철의 강도를 결정하는 탄소의 함유량을 높인 재질로 제작합니다. 오랜 시간 사용해도 휘거나 변형이 일어나지 않도록 강하면서 동시에 가벼워야 하기 때문에 산업용 기계부품 제작에 주로 사용하는 기계구조용강철(SM45C)을 사용합니다.
유니버셜 조인트
가운데 십자축(Spider)을 기준으로 각 연결 부위에 베어링이 있고, 내부에는 구리스를 채워넣습니다. 이 부품들은 수많은 회전과 진동의 영향으로 소모되므로 수명을 다하면 진동과 소음을 유발합니다.
차종에 따라 유니버셜 조인트만 따로 분리후 교환 할수 있는 모델이 있고, 혹은 드라이브샤프트 전체를 교체해야 하는 차종으로 나뉘어 집니다.
베어링이 마모가 심해지면 결국 두 샤프트의 연결이 느슨해져서 커진 회전 반경으로 인해 미션이나 디퍼렌셜등 주변 부품들도 파손이 되므로 진동과 소음이 느껴지면 정확한 진단을 통해 미리 예방하시는게 중요합니다.
유격이 심해지면 프로펠러 샤프트가 이탈하는 경우도 있고 그렇게 되면 샤프트가 사방으로 움직이기 떄문에 차량 하체에 많은 손상을 입히며 자칫 대형사고로 이어질수있습니다.
플렉스 디스크
프로펠러샤프트 양쪽에 장착을 하며 앞쪽은 자동변속기에, 뒷쪽은 디퍼렌셜 기어에 연결합니다. 강화 고무로 제작되어 엔진의 진동을 억제시키고, 가속과 감속시에 발생하는 과도한 힘을 억제해주는 기능도 함께 합니다.
시간이 지나면 기후의 영향으로 산화가 되고, 계속 되는 충격 흡수에 금이가고 갈라지는게 일반적이며, 주행중 특정 알피엠이나 전반적인 주행에서 소음과 진동이 느껴지면 교체하셔야 합니다.
요크
유니버셜 조인트를 구성하는 부품이며 두 샤프트가 회전과 동시에 일정 각도 내에서 조금씩 움직일수있는 형태로 설계되었습니다.
플랜저 요크
드라이브 샤프트의 가장 바깥부분에 해당하는 부품으로 프로펠러 샤프트 양쪽을 각각 미션과 차동기어로 연결해줍니다.
중앙 샤프트 베어링
두개의 샤프트 중간에 위치하며 차체와 샤프트를 고정 및 결합해 줍니다.
소재
SM45C 스틸
탄소를 포함한 철이며, S는 철(Steel), C는 탄소(Carbon), 45는 탄소의 평균 함유량이 0.45% 임을 의미합니다. 철의 강도는 탄소의 함유량에 따라 결정되며 일반적인 철의 탄소 함유량은 0.05~0.3% 정도로 내구성과 강도가 뛰어남으로 기계구조용강철(SM45C)은산업용 기계재료에 많이 사용됩니다. 또한 알루미늄과 스테인리스강의 합금도 많이 사용합니다.
에폭시 복합재료
또한 탄소 에폭시 복합재도 프로펠러 샤프트 제작에 사용됩니다. 이러한 복합재는 높은 인장 강도를 갖고 있어 고정밀 튜브 제조에 적합합니다.
특징
경량화
프로펠러 샤프트는 엔진의 동력을 전달해주는 연결 부품으로 동력 손실의 최소화 및 연비를 위해 위해 경량으로 제작합니다.
비틀림 강도와 내열성
회전시 가해지는 압력을 견디기 위해 높은 비틀림 강도와 높은 온도에 노출되어도 특성을 잃지 않는 재질로 제작되고, 또한 진동을 흡수하고 감소시킬 수 있는 품질도 동시에 요구합니다.
장점
간단한 구성
비교적 간단 설계 디자인으로 유지보수가 용이한 편입니다.
안전한 동력 전달
견고한 구조와 신뢰할 수 있는 소재로 안전한 동력 전달을 보장하며 주행 안정성을 향상시킵니다.
저소음
높은 토크 조건에서도 소음 발생을 최소화하여 보다 부드럽고 조용한 주행 환경을 제공합니다.
단점
높은 RPM에 취약
강성이 높은 재질로 제작했다 하더라도 과도하게 높은 힘과 압력을 받으면 프로펠러 샤프트가 손상되기 쉽고, 조인트등 마모가 발생할 수밖에 없는 구조적인 한계점이 있습니다.
오일 누출 가능성
각 연결부에 오일 누출 위험이 있기 때문에 정기적인 점검을 필요로 합니다.
프로펠러 샤프트를 이해하는데 도움이 좀 되셨나요? 앞으로도 더 좋은 정보 드리기 위해 노력하겠습니다. 방문해주셔서 감사합니다.