자동차 유니버설 조인트란 무엇일까?

자동차를 운전하다 보면, 핸들을 돌리거나 차량의 높낮이가 바뀌는 경우가 있습니다. 이때, 엔진이나 변속기에서 발생하는 구동력을 바퀴까지 전달하기 위해서는 어떻게 해야 할까요? 바로 유니버설 조인트라는 부품이 필요합니다.

유니버설 조인트는 자동차의 구동계 부품 중 하나로, 입력축과 출력축이 일직선이 아닌 임의의 각도로 교차되어 있는 경우에도 동력을 전달할 수 있도록 해주는 장치입니다. 유니버설 조인트는 자동차의 드라이브 샤프트나 프로펠러 샤프트에 사용되며, 조향이나 서스펜션의 움직임에 따라 각도가 변하는 부분에서 구동력의 손실이나 진동을 최소화합니다.

유니버설 조인트의 종류와 구조

유니버설 조인트에는 크게 등속 유니버설 조인트와 비등속 유니버설 조인트가 있습니다. 등속 유니버설 조인트는 입력축과 출력축의 각속도를 일정하게 유지하는 반면, 비등속 유니버설 조인트는 각속도가 변화합니다. 등속 유니버설 조인트는 주로 드라이브 샤프트에 사용되며, 비등속 유니버설 조인트는 주로 프로펠러 샤프트에 사용됩니다.

등속 유니버설 조인트에는 볼 타입과 트라이포드 타입이 있습니다. 볼 타입은 입력축과 출력축 사이에 볼 베어링을 가진 볼 케이지를 두고, 볼 케이지를 공전시키면서 동력을 전달하는 방식입니다. 트라이포드 타입은 입력축과 출력축 사이에 롤러 베어링을 가진 트라이포드를 두고, 트라이포드를 회전시키면서 동력을 전달하는 방식입니다. 볼 타입은 작동 각도가 큰 경우에 적합하고, 트라이포드 타입은 축 방향의 슬라이딩이 필요한 경우에 적합합니다.

비등속 유니버설 조인트에는 크로스 타입과 Hooke 타입이 있습니다. 크로스 타입은 입력축과 출력축 사이에 크로스 피스라고 하는 네 개의 범핑 핀을 가진 부품을 두고, 크로스 피스를 회전시키면서 동력을 전달하는 방식입니다. Hooke 타입은 입력축과 출력축 사이에 Hooke 핀이라고 하는 하나의 범핑 핀을 가진 부품을 두고, Hooke 핀을 회전시키면서 동력을 전달하는 방식입니다. 크로스 타입은 강성과 내구성이 뛰어나고, Hooke 타입은 구조가 단순하고 저렴합니다.

유니버설 조인트의 작동 원리와 특징

유니버설 조인트는 입력축과 출력축 사이에 중간 부품을 두고, 중간 부품을 회전시켜서 각도 차이를 상쇄하면서 동력을 전달하는 원리입니다. 이때, 중간 부품은 입력축과 출력축의 회전축과 평행한 축으로 회전해야 합니다. 그렇지 않으면, 중간 부품의 회전 속도가 일정하지 않게 되어 출력축의 각속도가 변화하게 됩니다.

유니버설 조인트는 입력축과 출력축의 각도 차이를 극복할 수 있는 장점이 있지만, 다음과 같은 단점도 있습니다.

• 각속도 변화: 비등속 유니버설 조인트의 경우, 입력축과 출력축의 각도 차가 클수록 각속도 변화가 커집니다. 이는 진동과 소음을 발생시키고, 구동계의 효율을 저하시킵니다.
• 구조 복잡성: 유니버설 조인트는 중간 부품과 범핑 핀 등으로 구성되어 있으며, 이들은 그리스 등으로 윤활되어야 합니다. 이는 구조가 복잡하고 유지보수가 어렵다는 단점을 가집니다.
• 공간 제약: 유니버설 조인트는 중간 부품의 크기와 모양에 따라 설치할 수 있는 공간에 제약이 있습니다. 예를 들어, 크로스 타입은 크로스 피스가 넓은 공간을 차지하기 때문에 작은 공간에 설치하기 어렵습니다.

유니버설 조인트의 활용 분야와 발전 방향

유니버설 조인트는 자동차뿐만 아니라 기계장치에서 널리 사용되는 부품입니다. 예를 들어, 선풍기나 세탁기 등에서 모터와 팬 또는 드럼을 연결할 때 유니버설 조인트를 사용할 수 있습니다. 또한, 기계식 암 (Mechanical arm)이나 로봇 (Robot) 등에서 관절부분에 유니버설 조인트를 사용하여 다양한 움직임을 구현할 수 있습니다.

유니버설 조인트는 앞서 언급한 단점들을 극복하기 위해 지속적으로 발전하고 있습니다.