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구동장치
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자동차 구동장치
엔진
엔진은 열에너지를 기계에너지로 바꾸는 장치이다.[1] 엔진이 하는 일을 간단하게 말하면 연료가 타면서 생기는 에너지를 기계를 통해 바퀴를 굴리는 에너지로 바꾸는 것이다. 일반적인 자동차용 에너지는 액체인데 그 자체로는 잘 타지 않기 때문에 수증기 같은 가는 입자로 만들어 공기와 혼합해야 한다. 입자 상태의 연료와 공기가 섞여 있는 것을 혼합기라고 한다. 이 혼합기가 폭발할 때 생기는 에너지를 기계구조를 통해 운동에너지로 바꾸는 것이 엔진이다.[2] 엔진의 구성요소는 엔진의 종류에 따라 다르지만, 실린더, 밸브, 피스톤, 크랭크샤프트, 커넥팅로드 등의 기본적인 구성요소는 같다. 실린더는 피스톤의 왕복운동으로 혼합기가 들어오고 빠져나가며 압축과 폭발이 일어나는 빈 원통형 공간이다. 밸브는 실린더 위에서 여닫히며 혼합기를 흡입하거나 폭발한 뒤 남은 배기가스의 배출을 조절하고 폭발이 일어나는 동안 실린더의 밀폐를 유지하는 부품이다. 피스톤은 실린더 안에서 왕복 직선운동 하면서, 실린더 안에서 생긴 혼합기의 폭발력을 크랭크샤프트로 전달하고 이에 힘을 얻어 회전하는 크랭크샤프트로부터 이어진 힘을 다시 실린더로 전달해 압력을 가하는 부품이다. 크랭크샤프트는 피스톤의 왕복 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 축으로 회전축에 수평으로 엇갈린 축 여러 개를 묶어놓은 것이다. 커넥팅로드의 움직임은 크랭크샤프트의 회전축 중심과 엇갈린 축 중심의 거리만큼으로 제한된다. 실린더 수에 따라 회전축 중심을 기준으로 한 엇갈린 축의 배치 각도가 다르다.[3]
동력전달장치
동력전달장치는 엔진에서 발생한 동력을 작업부로 전달하기 위해 쓰이는 장치이다. 기계식으로 기기를 이용한 기어전동장치, 벨트와 체인을 이용한 벨트전동장치, 마찰을 이용한 클러치 등의 마찰전동장치, 추진축의 회전력을 직각으로 바꾸어서 뒤 차축에 전달해 주고 동시에 감속하는 작용을 하는 종감속기어 등이 있다.[4] 보통 엔진에서 클러치, 변속기, 추진축, 종감속 장치 및 차동 기어 장치, 차축, 구동 바퀴의 순서로 전달된다. 클러치는 마찰판과 압력판으로 되어 있다. 보통 스프링의 힘으로 압착하여 동력을 전달하게 되어 있으며, 운전석의 클러치 페달을 밟으면 마찰판과 압력판의 접속이 떨어져 동력이 전달되지 않게 된다. 클러치는 수동식인 변속기의 변속을 할 때, 또는 짧은 시간 동안 관성 운전을 할 때 등에 사용한다. 엔진은 일정한 속도로 운전할 때 큰 출력을 내는데, 자동차는 그 속도를 저속에서부터 고속까지 내야 한다. 이를 위해 기어를 조합해 회전 속도와 힘이 변화하도록 한 것이 변속기이다. 엔진의 출력이 큰 대형 자동차에는 전진 3단, 후진 1단의 것이 많고, 엔진의 출력이 비교적 작은 소형차에는 전진 4∼5단, 후진 1단의 것이 많으며, 스포츠카에는 전진 5단 이상, 후진 1단의 것도 있다.[5]
서스펜션
서스펜션은 차체와 바퀴를 연결해주는 장치이다. 차체 무게를 지지하고 타이어 접지면에서의 충격을 흡수해 승차감을 향상한다.[6] 또한 바퀴와 노면 사이에서 생기는 구동력, 제동력, 횡력 등을 차체에 전달해 운전자의 의도대로 안정되게 달릴 수 있도록 조종 안정성을 유지하는 복합적인 기능도 갖고 있다. 서스펜션은 차의 무게를 중앙으로 집중시키는 역할을 한다. 그 때문에 코너를 돌 때, 또는 방향을 바꿀 때 스티어링을 안정시켜 차가 뒤집히는 것을 방지한다. 좋은 서스펜션은 타이어 대부분의 지면과 접촉될 수 있도록 유지한다. 더 효율적인 가속, 높은 마찰력으로 제동거리는 짧아진다. 서스펜션은 도로에 있는 요철의 충격을 흡수하고 코너링을 돌 때 발생하는 힘을 분산 시켜 차가 안정적으로 회전할 수 있게 한다. 서스펜션은 스프링, 스태빌라이저, 쇼크 업소버로 구성된다.[7]
스티어링
스티어링은 차량의 진행 방향을 운전자가 스티어링휠로 주행 방향을 조작할 수 있게 해주는 장치로 조향장치라고도 한다. 스티어링휠을 돌려서 얻는 힘을 기어를 통해 증폭하여 바퀴의 방향을 움직여 차량의 방향을 조작할 수 있게 한다. 여기에는 사람의 힘 이외에도 유압이나 전기모터의 힘, 그리고 전자적인 제어를 더 하기도 한다.[8]
브레이크
브레이크는 운동하고 있는 기계의 속도를 감속하거나 정지시키는 장치를 말한다. 브레이크는 보통 운전자의 조작력 또는 보조 동력으로 발생한 마찰력을 이용해 자동차의 운동 에너지를 열에너지 등으로 바꾸어 제동 작용을 일으키는 방식이다.[9] 제동장치에는 여러 가지 형식이 쓰이고 있으며 기본적인 구조는 운전자의 조직력을 링크나 유압을 이용해서 증대 시켜 전달하는 조작기구와 그 힘을 받아 제동력을 발생하는 본체로 되어 있다. 또한 제동장치에는 주행 시 주로 사용하는 풋 ㅋ브레이크 타입의 주제동 브레이크와 주차 시 사용하는 핸드 브레이크 타입의 주차 브레이크, 기타 보조 브레이크가 있다. 풋브레이크는 드럼 브레이크와 디스크 브레이크 타입이 있다. 브레이크 장치의 조작 기구는 로드나 와이어를 사용하는 기계식과 유압을 이용하는 유압식이 있으며, 일반적으로 풋브레이크는 유압식을 사용하고 주차브레이크는 기계식을 사용하고 있다.
휠
휠은 타이어와 함께, 자동차가 도로 위를 달릴 수 있게 하는 핵심 부품 중 하나다. 자동차의 휠은 타이어와 함께 차량의 중량을 지지하고 구동력과 제동력을 노면에 직접 전달하는 역할을 한다. 초기에는 마차의 목제 수레바퀴를 그대로 사용했다. 이후, 타이어의 발명을 기점으로 자동차의 휠은 타이어와 함께 빠른 속도로 발전해 나갔다. 기존의 목제 수레바퀴는 이내 금속게 와이어로 살(Spoke)을 만든 스포크 휠로 이행하였고, 전금속제 휠로 발전을 거듭했다. 또한, 오늘날에는 기존의 강철 외에도 알루미늄 합금제 휠이 널리 사용되고 있으며 고성능 차종에는 종종 마그네슘 합금을 이용하기도 하는 등, 소재와 구조 면에서 과거와는 비교도 할 수 없을 만큼 발전하였다. 현재 자동차 시장에서 통용되는 휠은 소재에 따라 크게 스틸 휠과 알루미늄 합금 휠로 나뉜다. 스틸 휠은 이름 그대로 강철로 만들어진 휠이며, 구조 강도가 높고 단가도 낮기 때문에 저가형 승용차나 상용차의 휠로 널리 쓰이고 있다. 알루미늄 합금 휠은 대개 알로이 휠이나 알루미늄 휠 등으로 불리며, 대부분의 승용 차량에 가장 널리 사용되고 있다.[10]
전기자동차 구동장치
구동모터
구동모터는 전기에너지를 운동에너지로 변환 시켜 자동차를 움직인다. 모터를 구동장치로 사용했을 때 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 적다는 장점이 있다. 또한 전기자동차의 파워트레인은 엔진보다 자동차 내부에서 차지하는 공간이 작아 공간 활용성을 높여, 남는 공간을 실내나 트렁크 확장에 활용할 수 있다. 구동모터는 발전기 역할도 한다. 내리막길이나 주행 중 속도를 줄일 때 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장한다. 이를 회생제동 시스템이라고 하는데, 스티어링휠의 패들시프트로 감속과 회생제동을 조작할 수 있다.[11]
감속기
감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기이다. 변속기가 아닌 감속기라고 부르는 데에는 이유가 있다. 모터는 분당 회전수가 내연기관 엔진보다 훨씬 높다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 조정해야 한다.[12] 감속기의 가장 큰 역할은 모터의 회전수를 줄여서 토크를 높여주는 것이다. 전기모터는 빠른 속도로 돌아가는 데 힘이 없을 때, 회전 속도를 줄이고 힘을 세게 하는 것이다. 쉽게 예를 들면 자전거를 탈 때 기어를 낮은 기어비를 선택하면 페달을 열심히 굴렸을 때 속도는 느리지만, 언덕길을 쉽게 올라갈 수 있는 것과 비슷한 원리다.[13]
온보드차저
온보드차저는 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류전원을 직류전원으로 변환하는 장치이다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터와 비슷해 보이지만, 온보드차저는 충전을 위한 장치이며 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 그 역할이 다르다.[12]
통합전력제어장치
통합전력제어장치는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있다. 인버터는 배터리의 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치이다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. LDC는 전기차의 고전압 배터리의 전압을 저전압으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치이다. 고전압 배터리는 높은 전압을 사용하지만, 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 필요하다. VCU는 EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워에 해당하기 때문이다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 있다.[12]
각주
- ↑ 〈엔진〉, 《자동차용어사전》
- ↑ 지용쪼아, 〈엔진에 대하여※〉, 《네이버 블로그》, 2009-05-12
- ↑ Grinding13, 〈<엔진의 구조>, 형식, 용어〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-13
- ↑ 깜부, 〈동력전달장치의 종류와 특성〉, 《다음 블로그》, 2010-08-28
- ↑ 〈동력 전달 장치〉, 《자동차용어사전》
- ↑ 박혜연 기자, 〈자동차의 하체, 서스펜션이란?〉, 《카이즈유》, 2016-01-22
- ↑ 도주해, 〈서스펜션 도대체 왓? 자동차 서스펜션 쉽게 이해하기!〉, 《브런치》, 2017-06-28
- ↑ 〈스티어링〉, 《나무위키》
- ↑ 〈브레이크〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 박병하 기자, 〈(자동차 상식)자동차의 발, 휠〉, 《모토야》, 2017-11-08
- ↑ 김서현, 〈전기자동차의 심장, 전기모터〉, 《타고》, 2020-12-01
- ↑ 12.0 12.1 12.2 현대자동차그룹, 〈(전기차 백과사전 A to Z) 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《현대모터그룹 저널》, 2020-03-16
- ↑ 기노현 기자, 〈변속기가 없는 전기차, 감속기는 어떤 역할을 할까?〉, 《오토트리뷴》, 2019-06-06
참고자료
- 〈엔진〉, 《자동차용어사전》
- 〈동력 전달 장치〉, 《자동차용어사전》
- 〈브레이크〉, 《네이버 지식백과》
- 〈스티어링〉, 《나무위키》
- 지용쪼아, 〈엔진에 대하여※〉, 《네이버 블로그》, 2009-05-12
- Grinding13, 〈<엔진의 구조>, 형식, 용어〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-13
- 깜부, 〈동력전달장치의 종류와 특성〉, 《다음 블로그》, 2010-08-28
- 박혜연 기자, 〈자동차의 하체, 서스펜션이란?〉, 《카이즈유》, 2016-01-22
- 도주해, 〈서스펜션 도대체 왓? 자동차 서스펜션 쉽게 이해하기!〉, 《브런치》, 2017-06-28
- 박병하 기자, 〈(자동차 상식)자동차의 발, 휠〉, 《모토야》, 2017-11-08
- 김서현, 〈전기자동차의 심장, 전기모터〉, 《타고》, 2020-12-01
- 현대자동차그룹, 〈(전기차 백과사전 A to Z) 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《현대모터그룹 저널》, 2020-03-16
- 기노현 기자, 〈변속기가 없는 전기차, 감속기는 어떤 역할을 할까?〉, 《오토트리뷴》, 2019-06-06
같이 보기
