플라이휠

플라이휠(flywheel)은 회전 속도를 고르게 하기 위해 장치된 바퀴이다.

개요

플라이휠은 엔진에서 연료의 연소에 의해 만들어진 에너지가 크랭크 샤프트에 전달되어 회전운동을 만드는데, 이때 내연기관의 구조적 특징으로 실린더 내에서는 일정한 에너지가 만들어지지 못하게 되면서 회전의 불규칙성이 나타나게 되며 이러한 현상을 보완하기 위해 고안된 것이다. 재질은 수동변속기를 장착한 차량의 경우에는 주철을 주로 사용하고 자동변속기를 장착한 차량에는 강철을 주로 사용한다. 최근에는 크리몰리 또는 알루미늄 합금으로도 제작되고 있다. 플라이휠을 제작하는 글로벌 브랜드로는 쿠스코(CUSCO), 오구라(OGURA), 트러스트(TRUST) 등이 있다.

구조

크랭크축의 뒤쪽 플랜지에 장착되며, 주로 마찰계수가 큰 주철로 만들어진다. 엔진의 폭발 행정으로 얻은 힘이 크랭크축을 회전 운동으로 바꾸어 플라이휠이 회전하게 되는데, 이 회전력은 클러치 마찰로 자동차를 구동하게 되며, 압축 행정에서는 반대로 회전력을 떨어뜨리게 되어 있다. 그러므로 플라이휠은 무게가 가볍고 회전 관성이 커야 하는데, 관성은 엔진의 원활한 회전을 돕는다. 플라이휠은 엔진의 회전력을 바퀴의 회전력으로 전달하기 위하여 클러치판이 접촉하는 마찰면이 있으며, 엔진 시동 시 엔진을 회전시키기 위한 링 기어가 장착되어 있고, 이 링 기어는 열박음이 되어 플라이휠에 고정되어 있다.

기능

세륜, 탄력 바퀴, 회전을 원활히 하게 하기 위하여 축에 부착하는 무거운 바퀴라는 의미로써 엔진의 회전력은 크랭크 축의 크랭크 각도에 따라 달라지는데 흡입, 압축, 폭발, 배기의 행정 중 폭발 행정에서 가장 큰 회전력이 크고 점점 감소되어 맥동이 발생하게 되는데 4행정 사이클 엔진에서는 720° 2행정 사이클에서는 360°의 주기로 변동을 반복하기 때문에 회전력의 차이로 인한 회전 속도의 변화가 발생한다. 만약 엔진의 실린더 수가 적은 경우 엔진에서는 주기의 변동 때문에 운전불능이 될 가능성도 있다. 플라이 휠은 이것을 막고 회전 속도를 고르게 하여 엔진의 작동을 원활하게 하기 위하여 설치하는 것이며 크랭크 축의 뒤끝에 볼트로 장착한다. 엔진의 공급된 연료가 폭발하여 발생한 동력을 얻어 나머지 행정에서 소모한다고 볼 수 있다.즉 폭발 행정으로부터 전달된 회전력을 저장하여 두었다가 다른 행정시에 관성력을 전달시켜 원활하게 회전하도록 한다.

• 엔진 시동에 도움

차에 타고 시동 키를 돌리면 벤 딕스라는 작은 기어가 플라이휠과 맞물려 회전한다. 이것은 차례로 엔진 시동에 필요한 압축 사이클을 시작하는 크랭크 샤프트를 회전시킨다. 내연 기관이 시동되면 벤 딕스가 당겨 뽑히고 플라이휠이 부드럽게 회전한다.

• 엔진 속도를 정상화

엔진 시동 후 크랭크 샤프트는 피스톤의 상하 운동을 회전 운동으로 변환한다. 플라이휠의 질량은 각 피스톤 움직임에 대해 일정한 크랭크 축 속도를 유지하기 위해서 관성에 의해 사용된다.

• 엔진 진동 감소

피스톤이 크랭크 샤프트의 중심에서 오프셋되기 때문에 각 피스톤이 다른 각도로 움직이기 때문에 엔진이 많이 진동한다. 큰 플라이휠 질량은 이러한 움직임을 억제하고 엔진을 안정시키고 균형을 유지하며 차량 전체의 진동을 줄이는 데 도움이된다.

• 부품 마모 감소

진동을 안정화하고 엔진 속도를 부드럽게함으로써 플라이휠은 다른 중요한 드라이브 부품의 마모를 제한한다.

종류

	싱글 메스 플라이휠	듀얼 메스 플라이휠
연비	보통	좋음
변속충격	보통	좋음
교체시기	반영구	짧음
수리비	낮음	높음

싱글 메스 플라이휠

싱글 메스 플라이휠은 클러치와 직접 닿아 있는 구조를 가진다. 일부 클러치는 엔진 진동 감소를 위한 스프링을 플라이휠과의 접촉면에 추가하는 경우가 있지만 일반적으로 싱글 메스 플라이휠은 듀얼 메스 플라이휠에서 진동 감소 역할을 하는 스프링이 포함되지 않아 진동 감소 폭이 작은 편이다. 그러나 하나의 플라이휠로 이루어져 구조가 단순하며 간단한 표면 처리를 통해 재사용이 가능하여 가격이 저렴하다는 장점을 가진다.

듀어 메스 플라이휠

듀얼 메스 플라이휠은 두 개의 플라이휠을 분리하고, 중간에 댐퍼 역할을 하는 비틀림 진동 댐퍼 스프링으로 연결 시킨 구조다. 플라이휠의 질량을 분리함으로서 회전하는 변속기 부품의 관성질량모멘트는 증가하게 된다. 따라서 공명영역은 엔진의 운전영역이 아니라 공전속도 이하의 영역에 위치하게 된다. 이와같은 방법으로 엔진에서 발생된 회전진동을 변속기로부터 격리시키므로 엔진의 회전진동에 의한 변속기의 진동 및 소음은 더 이상 발생되지 않게 된다.

• 특징

1. 변속기와 차체의 진동 또는 소음을 최소화 시킨다.
2. 진동을 흡수하므로 운전성능 및 승차감이 향상된다.
3. 동력의 부드러운 전달 및 진동의 흡수를 통해 연료소 비율을 감소시킨다.
4. 클러치 디스크에 비틀림 댐퍼를 설치 하지 않거나 작게 할 수 있다.
5. 동력전달장치를 보호한다.
6. 변속기 동기화기구에 부하가 작게 걸리므로 마멸이 적고, 변속이 부드럽다.

교체

• 과열

마찰 표면의 균열 및 마모의 출현, 이중 질량 플라이휠 내부의 과열 또는 오일 누출 아크 스프링 파괴 등 플라이휠에 문제가 있다는 경고 증상이다.

• 스위칭

기어를 변경하려고 하지만 다음 기어가 이전 기어로 돌아갈 때 이는 플라이휠 마모 때문일 가능성이 크다. 이 경우 갈리거나 문지르는 등 큰 소음이 들린다.

• 타는 냄새

마모 된 플라이휠의 주요 증상 중 하나는 차량 내부에서도 느낄 수있는 타는 냄새다. 이 냄새는 클러치가 오작동하고 많은 열을 발생시킬 때 발생한다.

• 페달 진동

클러치 페달을 밟을 때 진동을 느끼기 시작하면 일반적으로 플라이휠 스프링 베어링이 마모 된 것이다.

• 차가운 엔진을 시동 할 때 럼블

쇽 스프링이 닳아서 차가운 엔진으로 시동하면 큰 소리가난다. 이 덜거덕 거리는 소리는 보통 차를 시작한 후 몇 분 동안 지속되고 그 후에 사라집니다. 차를 시동 할 때 아침에 더 자주 듣기 시작하면 플라이휠에 주의를 기울여야 한다는 분명한 신호다.

활용

• 플라이휠 효과

플라이휠 효과는 플라이휠의 특성을 경영에 도입한 것으로, 가격을 낮추면 고객이 모이게 되고, 고객이 많아지면 물건을 팔려는 판매자가 많아지게 되며, 이로 인해 규모가 커지면 고정비용이 낮아져 비용이 절감되고, 효율성이 높아져 가격을 더 낮출 수 있는 선순환이 성립된다는 것이다. 아마존의 창업자이자 최고경영자인 제프 베이조스(Jeff Bezos)가 제시한 아마존의 성장 원리이자 사업 모델로 알려져 있다. 2000년 베조스는 아마존 임원들 앞에서 냅킨에 이러한 순환구도를 그림으로 그리면서 플라이휠 효과를 제시했다. 아마존은 이러한 플라이휠 효과를 적용하는 경영전략을 도입했고, 막대한 인프라 투자를 통해 소비자를 끌어모으며 투자 13년 만에 흑자전환을 이뤄낸 바 있다. 한편, 플라이휠 효과가 성공적으로 이루어지기 위해서는 저비용 구조와 더 낮은 가격이 필수 조건이다. 이 중 저비용 구조를 유지하기 위해서는 단순한 유통구조, 수익의 가격 재투자 등이 필요하다.

• 스포츠카

플라이휠은 엔진에서 출력을 원활하게 전달하기 위한 장치로 플라이휠이 클수록 관성이 커 엔진 회전을 고르게 하는데 유리하다. 하지만 높은 반응속도를 요하는 스포츠카의 경우에는 관성이 크면 즉각적인 반응에 원활하게 대응하지 못하기 때문에 상대적으로 작고 가벼운 경량 휠 플라이휠이 장착된다. 또한 지나치게 플라이휠의 관성질량을 높이는 경우에는 자동차의 가속 감속이 어려워지며 연비가 나빠지는 원인이 되기도 한다. 이로 인해 차량의 운행조건에 맞는 적절한 플라이휠의 디자인이 필요하다.

• 플라이휠 배터리 ESS(Energy Storage System)

원형 진공격벽 안에 플라이 휠을 배치하되 플라이-휠 축의 양 끝단과 격벽의 중심점에 강력한 자석들을 설치하여 플라이휠이 중심을 잡고 공중에 떠있도록 만든다. 플라이휠 축에는 또다른 강력한 자석들이, 격벽에는 코일들이 배치되어 있다. 플라이-휠이 정지된 상태에서 격벽의 코일에 전기에너지를 주면 일종의 모터처럼 즉시 수 만 RPM으로 고속회전한다. 이후 코일의 전기를 차단하여도 내부는 진공상태이고 축 고정점의 마찰도 없으므로 플라이휠의 관성력은 아주 오랜 동안 유지된다. 즉, 큰 에너지를 장기간 보관할 수 있다. 화학반응을이용하지 않으므로 노화현상이 없어서 수 십년 이상 영구적으로 사용할 수 있으며, 충전과 방전에 소요되는 사이클-타임이 배터리에 비해 극단적으로 짧다. 10분, 20분, 1시간 충전할 필요없이 수 초, 수 십초 안에 완전 충전상태 즉, 플라이-휠의 최대속도에 도달한다. 작게 만들고 여러 개를 병렬, 직렬로 연결하면 화학배터리가 따라올 수 없을 대전력도 취급할 수 있다. 화학배터리에서 종종 일어나는 폭발위험도 없기 때문에 초전도체를 쓰고 다양한 제작재료들, 아이디어들을 결합하는 조건으로 산업현장은 물론 우주선 배터리로로 활용하려는 연구까지 진행되고 있다.

현황

한국에너지공단은 2020년 10월 28일 프랑스환경에너지청(ADEME)과 함께 발굴한 태양광·에너지저장장치(ESS) 담수 실증 프로젝트 사업이 녹색성장 및 글로벌 목표 2030을 위한 연대의 2020 최신 파트너 상 차세대 유망 파트너십 분야에서 대상을 받았다고 밝혔다. 이 상은 P4G에서 민관 파트너십을 통해 혁신적이고 가시적 성과를 달성한 사례를 선정, 시상하고 있다. 에너지공단은 2016년 프랑스환경에너지청과 기관 간 협력의향서를 체결하고 정책·기술 교류 등을 공동 추진해왔다. 이후 두 기관은 2017, 2018년 두 차례 워크숍을 열고 재생에너지를 연계한 ESS 분야에서 서로 간의 강점을 찾은 뒤 협력의 필요성을 확인해나갔다. 그 결과 두 기관은 베트남 메콩강 유역에 태양광 ESS를 활용해 담수를 공급하는 프로젝트를 발굴했다. 메콩강 하구에 염수 담수 설비 및 운영 전력 공급 위한 태양광과 ESS를 세우는 사업이다. 메콩강 유역은 생활 용수 수급에 어려움을 겪는 지역인 만큼 이 프로젝트는 P4G의 취지에 맞는 친환경 사업으로 인정받게 됐다. 이 사업은 한국의 LG 전자가 배터리 기반 ESS를, 시노펙스가 담염수·담수화 설비를 각각 담당한다. 프랑스의 레비시스(LEVISYS)는 플라이휠 ESS를 만든다. 한국은 태양광 4.5㎾와 배터리 ESS 12.8㎾h를, 프랑스는 태양광 4.5㎾, 플라이휠 ESS 10~15㎾h의 용량을 각각 생산한다. 한국 기업들은 2019년 9월부터 시설을 구축하기 시작해 2019년 12월 완공했다. 레비시스의 플라이휠 ESS는 신종 코로나바이러스감염증으로 설치가 중단된 상태다. 2020년 1월 연동할 계획이다. 김창섭 에너지공단 이사장은 최근 코로나19 위기에 대한 훌륭한 대처로 KOREA란 브랜드를 세계에 각인시켰다며, 어려운 시기에 얻은 대한민국에 대한 신뢰를 기후변화 대응 사업으로 확장해 국내 기업의 해외 진출을 활성화할 수 있도록 노력할 것이라고 밝혔다.

같이 보기

• 휠
• 바퀴

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