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구동축

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목차

1. 개요

구동축은 동력을 전달하는 데 사용되는 회전축으로, 19세기 중반부터 다양한 기계 장치에 활용되었다. 자동차에서는 엔진과 바퀴 사이의 동력 전달을 위해 사용되며, 전륜구동, 후륜구동, 4륜구동 등 다양한 방식에 따라 형태와 구성 요소가 다르다. 구동축은 프로펠러 샤프트, 슬립 조인트, 유니버설 조인트 등으로 구성되며, 차량의 성능과 안전에 중요한 역할을 한다. 구동축의 문제 발생 시 소음, 진동, 조향 문제 등이 나타날 수 있으며, 카르단 샤프트 파크 브레이크와 같은 관련 기술도 존재한다. 최근에는 복합 재료를 활용한 구동축 연구 개발이 진행되고 있다.

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구동축
개요
종류회전 동력 전달 요소
용도자동차
오토바이
자전거
철도 차량
선박
헬리콥터
관련 용어등속 조인트
차동 장치
추진축
액슬
정의 및 기능
정의엔진의 동력을 바퀴에 전달하는 회전축
기능엔진의 회전력을 차축으로 전달
변속기에서 발생한 회전력을 차동 장치를 거쳐 바퀴로 전달
차량의 현가계의 움직임과 조향에 대응
자동차 구동축의 구조 및 종류
구조일반적으로 강철 또는 합금강으로 제작
양 끝단에 등속 조인트를 장착
종류전륜 구동 (FF): 엔진-변속기-구동축-바퀴가 일체형
후륜 구동 (FR): 엔진-변속기-추진축-차동기어-구동축-바퀴
4륜 구동 (4WD): 엔진-변속기-트랜스퍼 케이스-추진축-차동기어-구동축-바퀴
구동 방식에 따른 특징
전륜 구동 (FF)장점: 구조가 간단하고 가벼워 연비가 좋음
단점: 조향과 구동을 동시에 담당하여 핸들링 성능이 떨어질 수 있음
후륜 구동 (FR)장점: 조향과 구동을 분리하여 핸들링 성능이 좋음
단점: 구조가 복잡하고 무거워 연비가 나쁠 수 있음
4륜 구동 (4WD)장점: 험로 주행 성능이 우수하고 안정적인 주행 가능
단점: 구조가 복잡하고 무거워 연비가 나쁠 수 있으며, 가격이 비쌈
그 외 구동축
오토바이체인 구동: 체인과 스프로킷을 사용하여 동력 전달
벨트 구동: 벨트와 풀리를 사용하여 동력 전달
샤프트 구동: 구동축을 사용하여 동력 전달
자전거체인 구동: 체인과 스프로킷을 사용하여 동력 전달

2. 역사

구동축(드라이브샤프트, driveshaft)이라는 용어는 19세기 중반에 등장했다. 1861년 스토버(Stover)의 평삭 및 매칭 기계 특허에서 이 용어가 처음 사용되었는데, 이때는 기기를 구동하는 벨트 구동식 축을 의미했다.[20][1] 그러나 원래 특허에서는 이 용어가 사용되지 않았다.[21][2] 같은 해 왓킨스(Watkins)와 브라이슨(Bryson)의 말이 끄는 예초기 특허에서도 이 용어가 사용되었는데, 여기서는 기계 바퀴에서 절삭 기구로 동력을 전달하는 축을 의미했다.[22][3]

1890년대부터 이 용어는 현대적인 의미, 즉 엔진의 동력을 바퀴나 다른 장치로 전달하는 축이라는 의미로 사용되기 시작했다. 1891년 배틀스(Battles)는 클라이맥스 기관차의 변속기와 구동 트럭 사이의 축을 구동축이라고 칭했고,[4] 스틸먼(Stillman)은 축 구동식 자전거의 크랭크축과 후방 차축을 연결하는 축을 구동축이라고 불렀다.[5] 1899년 부키(Bukey)는 마력에서 유니버설 조인트를 통해 바퀴에서 구동 기계로 동력을 전달하는 축을 설명하기 위해 이 용어를 사용했다.[6] 같은 해 클라크(Clark)는 자신의 해양 벨로시페드에서 기어 구동식 축을 통해 프로펠러 샤프트로 동력을 전달하는 방식을 설명하며 이 용어를 사용했다.[7] 1903년 크롬튼(Crompton)은 증기 동력 자동차의 변속기와 구동 차축 사이의 축을 구동축이라고 칭했다.[8]

오토카사는 가솔린 동력 자동차에 구동축을 처음으로 사용한 선구적인 자동차 회사이다.[9] 1901년에 제작된 이 회사의 차량은 현재 스미소니언 협회에 소장되어 있다.[10]

2. 1. 자동차

자동차에서 구동축은 엔진/변속기에서 바퀴로 동력을 전달하는 부품이다. 초기 자동차는 체인 드라이브나 벨트 드라이브 방식을 사용했지만, 1891년 파나르 에 르바소르가 전방 엔진-후륜 구동(FR) 방식을 개발하면서 구동축이 사용되기 시작했다. 1898년 루이 르노는 변속기에서 후방 차축으로 동력을 직접 전달하는 "다이렉트 샤프트 드라이브" 방식을 개발하여 특허를 취득했으며, 이는 현재까지도 주류 방식으로 사용되고 있다.

FR 차량에서는 차량 전체 길이에 걸쳐 동력을 전달하기 위해 긴 구동축(프로펠러 샤프트)이 필요하다. 반면 전륜구동(FF) 차량에서는 주로 짧은 드라이브 샤프트가 사용된다. 4륜구동 및 전륜구동 차량은 트랜스퍼 케이스를 통해 동력을 분배하며, 여러 개의 드라이브 샤프트를 사용한다.

자동차 산업에서는 다음과 같은 여러 종류의 구동축이 사용된다.

  • 일체형 구동축
  • 이중 구동축
  • 슬립인 튜브 구동축


슬립인 튜브 구동축은 충돌 시 에너지를 흡수하도록 압축될 수 있어 "충돌 흡수형 구동축"이라고도 불리며, 충돌 안전성을 향상시킨다.

2. 1. 1. 전륜구동(FF)

영국 영어에서 "드라이브 샤프트(driveshaft)"라는 표현은 횡 방향(진행 방향과 대략 직각)의 회전축에만 사용된다. 일반적인 전륜구동 배치 차량과, 후륜에 독립 현가 또는 드 디옹 액슬을 사용하는 후륜구동 차량에서는 드라이브 샤프트가 노출되어 있다.[1] 구동륜이 차축 현가 (고정 차축)인 경우, 액슬 하우징(호싱)에 내장되어 있어 분해하지 않고는 육안으로 확인할 수 없다.[1]

일본에서는 영국식 구분을 표준으로 하여, 일반적인 전륜구동(FF)과 독립 현가 또는 드 디옹 액슬의 후륜구동에 사용되는 짧은 구동 샤프트를 "드라이브 샤프트" 또는 "하프 샤프트"라고 부른다.[1]

2. 1. 2. 후륜구동(FR)

앞 엔진, 뒷바퀴굴림(FR) 차량에서는 엔진에서 뒷바퀴까지 동력을 전달하기 위해 긴 구동축이 필요하다. 이 구동축은 변속기에서 뒷바퀴 차동 기어까지 연결된다.

초기에는 체인 드라이브나 벨트 드라이브 방식이 사용되기도 했지만, 1891년 파나르 에 르바소사가 FR 레이아웃을 개발하고 특허를 취득하면서 구동축 방식이 일반화되기 시작했다. 이 방식은 '파나르 시스템'으로도 알려져 있다. 1898년 루이 르노는 변속기에서 뒷 차축으로 직접 동력을 전달하는 '다이렉트 샤프트 드라이브' 방식을 개발하여 특허를 취득했고, 이 방식이 현재까지 주류로 사용되고 있다.

구동축 연결 방식에는 크게 두 가지가 있다.

  • '''토크 튜브 방식''': 구동축이 튜브로 덮여 있고, 이 튜브가 디퍼렌셜 케이스와 강하게 연결되어 유니버설 조인트를 변속기 바로 뒤에 1개만 사용한다. 튜브는 뒷 차축의 추진력을 차체에 전달하는 역할도 한다.
  • '''핫치키스 드라이브 방식''': 구동축이 노출된 형태로, 유니버설 조인트를 2개 이상(최소한 변속기 바로 뒤와 디퍼렌셜 케이스 바로 앞) 사용한다. 뒷 차축의 추진력은 차축에 연결된 스프링이나 링크를 통해 차체에 전달된다.


과거에는 토크 튜브 방식도 많이 사용되었지만, 현재는 더 가볍고 스프링 하 질량이 적은 핫치키스 드라이브 방식이 주로 사용된다.

일본에서는 FR 차량에서 변속기부터 디퍼렌셜까지 회전을 전달하는 회전축을 "프로펠러 샤프트"라고 부른다.

2. 1. 3. 4륜구동(AWD) 및 전륜구동(4WD)

4륜구동 및 전륜구동 차량은 트랜스퍼 케이스를 통해 동력을 각 바퀴에 분배하며, 여러 개의 드라이브 샤프트를 사용한다. 트랜스퍼 케이스는 변속기와 양쪽 차축의 최종 드라이브 사이에 배치되어 두 차축으로의 구동을 분할하고, 감속 기어, 도그 클러치 또는 차동 기어를 포함할 수 있다. 최소 두 개의 드라이브 샤프트가 사용되며, 하나는 트랜스퍼 케이스에서 각 차축으로 연결된다.[1]

사륜구동을 갖춘 현대식 경차(특히 아우디 또는 피아트 판다)는 전륜 구동 레이아웃과 더 유사한 시스템을 사용할 수 있다. 앞 차축의 변속기와 최종 드라이브는 엔진 옆의 하나의 하우징으로 결합되고, 단일 드라이브 샤프트가 차량 길이를 따라 뒤 차축까지 연결된다. 이는 토크가 전륜에 편향되어 차량과 같은 핸들링을 제공하거나, 제조업체가 사륜구동 및 전륜 구동 차량을 많은 공유 부품으로 생산하려는 경우 선호되는 설계이다.[1]

2. 2. 오토바이

BMW 최초의 오토바이인 R32의 노출된 구동축


구동축은 1903년 벨기에의 FN 오토바이와 1912년 Stuart Turner Stellar 오토바이처럼 제1차 세계 대전 이전부터 오토바이에 사용되어 왔다.[14] 체인 구동 및 벨트 구동 방식의 대안으로, 구동축은 수명이 길고 깨끗하며 비교적 유지보수가 적게 든다는 장점이 있다. 하지만 오토바이에서 샤프트 드라이브 방식은 동력을 후륜으로 90° 회전시키기 위해 헬리컬 기어, 스파이럴 베벨 기어 또는 이와 유사한 기어가 필요하므로, 이 과정에서 일부 동력이 손실된다는 단점이 있다.

BMW는 1923년부터 샤프트 드라이브 오토바이를 생산해 왔으며, Moto Guzzi는 1960년대부터 샤프트 드라이브 V-트윈 오토바이를 제작해 왔다. 영국의 트라이엄프와 주요 일본 브랜드인 혼다, 스즈키, 가와사키, 야마하도 샤프트 드라이브 오토바이를 생산했다.

Lambretta 모터 스쿠터 A형부터 LD형까지는 샤프트 드라이브 방식을 사용했으며,[14] NSU Prima 스쿠터도 샤프트 드라이브 방식을 사용했다.[15]

크랭크축이 프레임과 평행하고 종방향으로 놓인 오토바이 엔진은 샤프트 드라이브 오토바이에 자주 사용된다. 이 경우 동력 전달 과정에서 90° 회전이 한 번만 필요하기 때문에, 두 번 회전해야 하는 경우보다 효율적이다. Moto Guzzi와 BMW의 오토바이, Triumph Rocket III, Honda ST series가 이러한 엔진 레이아웃을 사용한다.

샤프트 드라이브가 장착된 오토바이는 동력 적용 시 섀시가 상승하는 샤프트 효과의 영향을 받는다. 이는 체인 드라이브 오토바이에서 나타나는 현상과 반대되는 효과로, BMW의 패러레버, Moto Guzzi의 CARC, 가와사키의 테트라 레버와 같은 시스템을 통해 완화할 수 있다.

2. 3. 선박

화물선 ''Cap San Diego''의 구동축


동력 추진 선박에서 구동축(프로펠러 샤프트)은 일반적으로 선박 외부의 프로펠러를 내부의 구동 기계에 연결하며, 선체와 교차하는 부분에는 샤프트 씰 또는 패킹 박스가 사용된다.[18] 프로펠러가 만드는 축 방향 힘(추력)은 스러스트 블록 또는 스러스트 베어링을 통해 선박에 전달되며, 이는 가장 작은 보트를 제외한 모든 선박의 주 엔진 또는 기어 박스에 통합되어 있다. 구동축은 스테인리스강[16] 또는 복합 재료[17]로 제작될 수 있으며, 설치할 선박의 유형에 따라 다르다.

프로펠러에 직접 연결되는 구동 장치의 부분은 ''테일 샤프트''라고 한다.

2. 4. 기관차

셰이, 클라이맥스, 하이슬러 기관차는 19세기 후반에 도입된 기어식 증기 기관차로, 중앙에 장착된 다기통 엔진의 동력을 엔진을 지지하는 각 대차에 연결하기 위해 퀼 드라이브를 사용했다.[4] 각 구동축의 한쪽 끝은 유니버설 조인트를 통해 구동 대차에 연결되었고, 다른 쪽 끝은 크랭크축, 변속기 또는 두 번째 유니버설 조인트를 통해 다른 대차에 의해 동력을 공급받았다. 퀼 드라이브는 길이 방향으로 미끄러질 수 있어 길이를 효과적으로 변경할 수 있었는데, 이는 곡선을 통과할 때 대차가 회전할 수 있도록 하는 데 필요했다.

셰이 기관차의 후방 구동축, 크랭크축 및 전방 구동축


카르단축은 일부 디젤 기관차(주로 디젤-유압식)와 일부 전기 기관차(예: 영국 철도 91형)에 사용된다. 또한 디젤 동차에도 널리 사용된다.

2. 5. 자전거

샤프트 구동 자전거는 지난 세기 동안 자전거에서 체인 드라이브의 대안으로 사용되었지만, 큰 인기를 얻지는 못했다. 샤프트 구동 자전거는 몇 가지 장점과 단점을 가지고 있다.

  • 구동축은 잼(jam)이 발생할 가능성이 적다.
  • 라이더는 옷이나 신체 부위가 보호되지 않은 체인과 스프라켓 사이에 끼일 때 체인 그리스에 오염되거나 "체인 물림"으로 인해 부상을 입을 가능성이 없다.
  • 구동축이 튜브에 갇혀 있을 경우 체인 시스템보다 유지 보수가 적게 든다.
  • 더욱 일관된 성능. 다이나믹 바이시클(Dynamic Bicycles)은 구동축 자전거가 94%의 효율을 제공할 수 있는 반면, 체인 구동 자전거는 상태에 따라 75%에서 97%의 효율을 제공할 수 있다고 주장한다.
  • 구동축 시스템은 체인 시스템보다 더 무거우며, 일반적으로 0.5kg 정도 더 무겁다.
  • 구동축 지지자들이 주장하는 많은 장점은 체인과 스프라켓 덮개와 같이 체인 구동 자전거에서도 달성할 수 있다.
  • 많은 변속비를 가진 경량 변속기 기어의 사용은 불가능하지만, 허브 기어는 사용할 수 있다.
  • 일부 디자인의 경우 바퀴 제거가 복잡할 수 있다(허브 기어가 있는 일부 체인 구동 자전거의 경우와 마찬가지).

3. 종류 및 구성 요소

자동차는 엔진/변속기에서 차량의 다른 쪽 끝으로 동력을 전달하여 바퀴로 전달하기 위해 종 방향 샤프트를 사용할 수 있다. 한 쌍의 짧은 구동 샤프트는 중앙 디퍼렌셜, 변속기 또는 트랜스액슬에서 바퀴로 동력을 전달하는 데 일반적으로 사용된다.

3. 1. 종류

자동차 산업에서는 다음과 같은 여러 종류의 구동축이 사용된다.

  • 일체형 구동축
  • 이중 구동축
  • 슬립인 튜브 구동축


슬립인 튜브 구동축은 충돌 안전성을 향상한 새로운 유형이다. 충돌 시 에너지를 흡수하도록 압축될 수 있어 "충돌 흡수형 구동축"이라고도 불린다.

3. 2. 구성 요소

앞 엔진, 뒷바퀴굴림 차량은 엔진에서 뒷바퀴까지 동력을 전달하기 위해 긴 프로펠러 샤프트(회전축)가 필요하다. 연결 방식은 크게 두 가지이다. 유니버설 조인트를 하나만 사용하는 토크 튜브 방식은 샤프트가 튜브에 덮여 있고, 이 튜브가 디퍼렌셜 케이스와 강하게 결합되어 유니버설 조인트를 트랜스미션 직후에 1개 사용하며, 튜브는 후방 차축의 추진력을 차체에 전달한다. 유니버설 조인트를 2개 이상 사용하는 핫치키스 드라이브 방식은 샤프트가 노출되어 있고, 유니버설 조인트가 최소한 트랜스미션 직후와 디퍼렌셜 케이스 직전에 사용되며, 후방 차축의 추진력은 차축에 연결된 스프링이나 링크를 통해 전달된다. 과거에는 토크 튜브 방식도 널리 사용되었지만, 현재는 보다 가볍고 간단한 핫치키스 드라이브 방식이 일반적이다.[1]

초기 자동차는 체인 드라이브 또는 벨트 드라이브를 사용하는 경우가 많았다. 하지만 1898년 루이 르노가 프로펠러 샤프트를 이용한 "다이렉트 샤프트 드라이브" 방식을 개발하여 특허를 취득한 이후, 이 방식이 주류가 되었다.[1]

뒷바퀴에 동력을 전달하는 후방 차축은 하프 샤프트라고 불리는데, 이는 하나의 후방 차축을 구성하기 위해 두 개의 하프 샤프트가 필요하기 때문이다.[1]

4. 문제점 및 해결 방안

구동축은 일반적으로 120000km를 사용할 수 있지만, 다음과 같은 증상이 나타나면 빨리 점검을 받아야 한다.[11]


  • 딸깍거리거나 삐걱거리는 소리
  • 덜거덕거리는 소리
  • 진동
  • 회전 문제


카르단 샤프트 파크 브레이크는 바퀴가 아닌 구동축에서 작동하며,[12] 소형 트럭에 흔히 사용된다. 하지만 고장나기 쉬워, 트럭이 경사로에서 미끄러지는 사고로 이어져 안전 경고가 발행되기도 한다.[13] 이러한 유형의 파크 브레이크를 사용하는 대형 차량은 핸드 브레이크 또는 주차 브레이크와 유사한 래칫 핸들을 갖는 경우가 많으며, 공기 브레이크 버튼이나 레버와는 다르다.

운전자는 과적 상태에서 가파른 경사면에 주차하거나, 브레이크를 충분히 강하게 걸지 않거나, 경사면에 주차하는 동안 화물 균형을 변경하거나, 차량의 한쪽이 미끄러질 수 있는 곳에 주차하는 경우를 주의해야 한다. 바퀴 고임목을 사용하면 차량이 경사면에서 움직이지 않도록 방지할 수 있다.

4. 1. 문제점

자동차 구동축은 일반적으로 120000km를 사용할 수 있다. 하지만, 다음 증상 중 하나라도 있으면 빨리 점검을 받아야 한다.[11]

  • 딸깍거리는 소리 또는 삐걱거리는 소리: 주행 시 차량 하부에서 딸깍거리거나, 삐걱거리거나, 갈리는 소리가 날 수 있다.
  • 덜거덕거리는 소리: 특히 차량을 회전하거나, 가속하거나, 후진할 때 이러한 소리가 날 수 있다.
  • 진동: 고장난 구동축의 초기 증상은 차량 하부에서 발생하는 강한 진동이다. 마모된 커플링, U-조인트, 베어링은 과도한 구동축 진동을 유발할 수 있다.
  • 회전 문제: 저속 및 고속 주행 시 차량 회전과 관련된 문제는 고장난 구동축의 또 다른 징후이다.

4. 2. 카르단 샤프트 파크 브레이크

카르단 샤프트 파크 브레이크는 바퀴가 아닌 구동축에서 작동한다.[12] 이러한 브레이크는 소형 트럭에 흔히 사용된다. 이 유형의 브레이크는 고장나기 쉬워, 트럭이 경사로에서 미끄러지는 사고로 이어져 안전 경고가 발행되기도 한다.[13] 이러한 유형의 파크 브레이크를 사용하는 대형 차량은 핸드 브레이크 또는 주차 브레이크와 유사한 래칫 핸들을 갖는 경우가 많으며, 공기 브레이크 버튼이나 레버와는 다르다.

운전자가 주의해야 할 위험 요소는 다음과 같다. 과적 상태에서 가파른 경사면에 주차하는 경우, 충분한 힘으로 브레이크를 걸지 않는 경우, 경사면에 주차하는 동안 화물이나 화물 균형을 변경하는 경우, 차량의 한쪽이 미끄러질 수 있는 곳에 주차하는 경우가 있다. 바퀴 고임목을 사용하는 것은 차량이 경사면에서 움직이지 않도록 방지하는 한 가지 방법이다.

5. 연구 개발

최근에는 복합 구동축 제작에 필라멘트 와인딩 생산 공정이 주목받고 있다. 여러 자동차 산업 회사들이 이러한 지식을 대량 생산 공정에 적용하는 것을 고려하고 있다.[1]

참조

[1] 특허 Improvement in Wood-Planing Machines https://patents.goog[...] Henry D. Stover 1861-05-21
[2] 특허 Planing Machine https://patents.goog[...] Henry D. Stover 1860-12-18
[3] 특허 Mowing Machines https://books.google[...] John DeLancy Watkins and Robert Bryson 1861-07-23
[4] 특허 Locomotive https://patents.goog[...] Rush S. Battles 1891-06-30
[5] 특허 Bicycle https://patents.goog[...] Walter Stillman 1891-07-21
[6] 특허 Horse-Power https://patents.goog[...] Dudley D. Bukey 1899-08-15
[7] 특허 Marine Velocipede Charles Clark 1899-11-21
[8] 특허 Motor-Vehicle https://patents.goog[...] Charles Crompton 1903-01
[9] 웹사이트 Autocar, 1901 https://www.si.edu/o[...]
[10] 웹사이트 Autocar automobile http://amhistory.si.[...] National Museum of American History 2016-11-02
[11] 웹사이트 Drive Shaft — The Definitive Guide 2021 https://saiko.com.my[...] 2021-09-10
[12] 뉴스 What is a cardan shaft brake and why do they fail https://www.drivingt[...] 2022-11-10
[13] 웹사이트 Driveshaft parking brake failures in commercial and industrial vehicles https://www.worksafe[...] WorkSafe 2022-11-14
[14] 웹사이트 Lambretta Scooters Models http://www.lambretta[...] 2016-08-26
[15] 웹사이트 NSU Prima sales brochures http://www.nsuprima.[...] NSU Prima 2016-08-26
[16] 웹사이트 BT Marine Propellers - Propeller shafts http://www.btmarinep[...] 2021-03-28
[17] 웹사이트 Composite Shafting https://www.vulkan.c[...] 2021-03-28
[18] 웹사이트 Wärtsilä Encyclopedia of Marine Technology https://www.wartsila[...]
[19] 웹사이트 What Is A PTO Driven Air Compressor? https://www.vmacair.[...] 2019-03-25
[20] 특허 Improvement in Wood-Planing Machines http://www.google.co[...] Henry D. Stover 1861-05-21
[21] 특허 Planing Machine http://www.google.co[...] Henry D. Stover 1860-12-18
[22] 특허 Mowing Machines https://books.google[...] John DeLancy Watkins and Robert Bryson 1861-07-23


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