변속기 샤프트는 자동차와 트럭부터 산업 장비에 이르기까지 수많은 기계에서 중요한 구성 요소입니다. 중요한 역할에도 불구하고 많은 사람들은 이러한 정밀 엔지니어링 부품에 대한 이해가 부족합니다.
이 블로그 게시물에서는 변속기 샤프트에 대해 자세히 살펴보고, 변속기 샤프트가 무엇이고, 어떻게 작동하는지, 그리고 산업 전반에 걸쳐 사용되는 다양한 유형을 설명합니다. 또한 이러한 필수 구성 요소를 만드는 데 사용되는 재료와 제조 공정도 살펴보겠습니다.
변속기 샤프트란 무엇인가
구동축이라고도 하는 변속축은 차량 엔진과 변속기에서 차동 장치로 회전 동력을 전달한 다음, 차동 장치에서 바퀴로 동력을 전달하는 기계적 구성 요소입니다. 변속축의 목적은 차량을 추진하는 데 필요한 토크를 전달하는 동시에 동력원과 구동되는 끝 사이의 상대 운동을 수용하는 것입니다.
변속 샤프트는 기어박스 출력과 차동 입력 사이의 링크 역할을 합니다. 엔진에서 생성된 토크를 처리하고 차량 작동 중에 발생하는 하중과 응력을 견디도록 설계되었습니다.
변속기 샤프트는 어떻게 작동합니까?
변속 샤프트의 작동 원리는 회전 에너지를 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전달하는 것을 포함합니다. 엔진이 동력을 생성하면 변속기 또는 기어박스를 통해 전달되며, 여기서 적절한 기어비 선택되었습니다. 그런 다음 변속기의 출력 샤프트가 변속기 샤프트의 한쪽 끝에 연결됩니다.
변속기 샤프트는 일반적으로 변속기와 차동 장치 사이의 거리를 가로지르는 길고, 관형 또는 단단한 구성 요소입니다. 과도한 굽힘이나 진동을 방지하기 위해 중간 지점에서 베어링이나 부싱으로 지지됩니다. 샤프트는 부드럽게 회전하고 손상이나 불편함을 유발할 수 있는 진동을 최소화하기 위해 신중하게 균형을 맞추고 정렬해야 합니다.
변속기 샤프트가 회전하면 토크가 차동 장치로 전달되고, 차동 장치는 회전할 때 바퀴가 다른 속도로 회전할 수 있도록 합니다. 차동 장치는 기어 세트를 사용하여 좌우 바퀴 사이에 들어오는 토크를 분할하는 동시에 바퀴가 다른 속도로 회전할 수 있도록 합니다.
변속기 샤프트 시스템의 구성 요소
- 메인 케이스: 기어박스 하우징이라고도 알려진 메인 케이스는 변속기 샤프트, 기어 및 기타 내부 구성 요소를 포함하고 보호하는 인클로저입니다. 일반적으로 강도와 내구성을 위해 주철, 알루미늄 또는 마그네슘 합금으로 만들어집니다.
- 베어링: 베어링은 변속기 샤프트를 지지하고 최소한의 마찰로 부드럽게 회전할 수 있게 해주는 중요한 구성 요소입니다. 베어링은 샤프트를 따라 전략적 지점에 위치하여 하중을 분산하고 적절한 정렬을 유지합니다.
- 베어링 하우징: 베어링 캐리어 또는 리테이너라고도 하는 베어링 하우징은 베어링을 샤프트와 메인 케이스에 대해 적절한 위치에 고정하고 고정하는 구조물입니다. 일반적으로 주철 또는 강철로 만들어지며 베어링을 통해 전달되는 힘을 견디도록 설계되었습니다. 베어링 하우징은 종종 윤활 채널, 씰 및 고정 조항과 같은 기능을 통합합니다.
- 캡과 커버: 캡과 커버는 변속기 케이스의 개구부를 둘러싸고 밀봉하는 제거 가능한 요소로, 조립, 검사 및 유지관리를 위한 접근성을 제공합니다.
변속기 샤프트의 종류
메인 샤프트(출력 샤프트)
메인 샤프트는 출력 샤프트라고도 하며 변속기에서 구동계로 동력을 전달하는 역할을 합니다. 최종 구동 기어에 직접 연결되어 회전력을 전달하여 차량을 추진합니다. 메인 샤프트는 일반적으로 고강도 강철로 만들어져 처리해야 하는 상당한 토크 부하를 견뎌냅니다.
입력축
엔진의 플라이휠에 연결된 입력 샤프트는 초기 회전 동력을 받습니다. 여기에는 카운터 샤프트와 맞물려 다양한 기어비를 제공하는 일련의 기어가 있습니다. 엔진에서 변속기로 부드럽고 효율적인 동력 전달을 보장하기 위해 입력 샤프트는 정밀하게 가공되어야 합니다.
카운터샤프트(레이샤프트)
카운터샤프트 또는 레이샤프트는 메인 샤프트와 평행하게 위치한 중간 샤프트입니다. 여기에는 입력 샤프트 기어와 맞물리는 일련의 기어가 포함되어 있어 여러 기어 비율을 허용합니다. 카운터샤프트는 엔진의 고속 회전을 차량 추진에 필요한 저속으로 낮춥니다.
아이들러 샤프트
일부 변속 설계에서 아이들러 샤프트는 동력 전달 경로의 직접적인 부분이 아닌 기어를 지지하고 위치시키는 데 사용됩니다. 이러한 샤프트는 적절한 기어 정렬을 유지하고 1차 샤프트의 마모를 줄이는 데 도움이 됩니다. 아이들러 샤프트는 일반적으로 메인 샤프트와 카운터 샤프트보다 직경이 작습니다.
프로펠러/드라이브 샤프트
프로펠러 샤프트는 드라이브 샤프트라고도 하며, 변속기의 출력을 차동 장치에 연결한 다음, 차동 장치가 구동 휠 사이에 동력을 분배합니다. 드라이브 샤프트는 서스펜션 움직임과 진동을 수용하는 동시에 높은 토크 부하를 처리하도록 설계되었습니다. 원활한 작동을 위해 종종 유니버설 조인트 또는 등속(CV) 조인트를 통합합니다.
차축 샤프트
차축 샤프트는 차동 장치에서 구동 휠로 동력을 전달하는 역할을 합니다. 특히 차량 코너링과 가속 시 상당한 응력을 받습니다. 차축 샤프트는 이러한 힘을 처리할 만큼 강해야 하지만 회전 관성을 최소화하기 위해 가벼워야 합니다.
카르 단 샤프트
발명가인 제롤라모 카르다노의 이름을 딴 카르단 샤프트는 정렬되지 않은 두 지점 사이에 동력을 전달하기 위해 유니버설 조인트를 사용하는 드라이브 샤프트 유형입니다. 이 설계는 변속기와 차동 장치가 완벽하게 일직선일 필요가 없기 때문에 파워트레인 레이아웃에서 더 큰 유연성을 제공합니다. 카르단 샤프트는 일반적으로 후륜 구동 차량에 사용됩니다.
플렉시블 샤프트
유연한 샤프트는 좁은 공간이나 장애물 주변에서 전력을 전달해야 하는 응용 분야에서 사용됩니다. 유연한 코어로 구성되며, 종종 감긴 와이어나 폴리머 소재로 만들어지며 보호용 외부 덮개로 싸여 있습니다. 유연한 샤프트는 설계의 다양성을 제공하지만 일반적으로 솔리드 샤프트에 비해 토크 용량이 제한적입니다.
중공 축
일부 특수 응용 분야에서 중공 샤프트는 무게를 줄이거나 유체, 와이어 또는 기타 구성 요소에 대한 통로를 제공하는 데 사용됩니다. 이러한 샤프트는 관형 횡단면을 가지고 있으며 중공 중심은 보조 기능을 제공합니다.
잭샤프트
잭샤프트는 기계의 한 부분에서 다른 부분으로 동력을 전달하는 데 사용되는 중간 샤프트입니다. 일부 변속 시스템에서는 잭샤프트를 사용하여 엔진을 변속 장치에 연결하여 더 컴팩트하거나 단순화된 설계를 할 수 있습니다. 잭샤프트는 유압 펌프나 발전기와 같은 보조 구성 요소에 동력을 공급하는 데에도 사용할 수 있습니다.
변속기 샤프트에 사용되는 재료
- 강철: 다양한 등급의 강철은 높은 강도, 인성 및 비교적 낮은 비용으로 인해 널리 사용됩니다. 4140 및 4340과 같은 합금강은 기계적 특성과 가공성의 좋은 균형을 제공하는 인기 있는 선택입니다.
- 스테인리스 강: 부식성 환경에서 스테인리스 스틸 전달 샤프트는 높은 강도와 내구성과 함께 뛰어난 내식성을 제공합니다. 304 및 316과 같은 오스테나이트계 스테인리스 스틸이 일반적으로 사용됩니다.
- 알루미늄 합금: 6061 및 7075와 같은 경량 알루미늄 합금은 중량 감소가 주요 관심사인 응용 분야에서 사용됩니다. 이러한 소재는 높은 강도 대 중량 비율과 우수한 가공성을 제공하여 고성능 차량 및 항공우주 응용 분야에 이상적입니다.
- 티타늄: 티타늄 변속기 샤프트는 뛰어난 강도 대 중량 비율, 내식성 및 피로 강도를 제공합니다. 그러나 티타늄의 높은 비용으로 인해 고성능, 중량이 중요한 응용 분야에만 사용이 제한됩니다.
- 복합: 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)와 같은 복합 소재는 가볍고 고강도의 변속 샤프트에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 복합 소재는 뛰어난 진동 감쇠 및 내식성을 제공하지만 제조 비용이 더 많이 듭니다.
- 청동과 황동: 낮은 하중 적용에서 청동 및 황동 전달 샤프트는 우수한 내마모성과 가공성을 제공합니다. 그러나 강도가 낮아 강철이나 알루미늄에 비해 사용이 제한됩니다.
- 주철: 주철은 때때로 높은 하중 용량이 필요하지만 무게는 덜 중요한 대형 저속 변속 샤프트에 사용됩니다. 연성 주철은 회주철에 비해 강도와 인성이 더 높습니다.
변속기 샤프트 제조
단조
단조는 종종 변속기 샤프트 제조의 첫 단계입니다. 샤프트는 개방형 다이 또는 폐쇄형 다이 단조 공정에서 빌릿 또는 막대 재고에서 단조됩니다. 단조는 재료의 입자 구조와 기계적 특성을 개선합니다. 정밀 단조는 거의 순수한 모양의 부품을 만들어 가공 요구 사항을 최소화할 수 있습니다.
선회
단조 후, 선삭을 사용하여 샤프트를 최종 직경으로 가공하고 숄더, 홈, 나사산과 같은 특징을 만듭니다. CNC 선반은 대량 생산을 위한 정밀하고 자동화된 선삭을 가능하게 합니다. 샤프트는 중심 사이 또는 라이브 센터로 선삭하여 직선성을 보장합니다.
콜드 드로잉
더 작은 직경의 샤프트의 경우, 냉간 인발은 선삭의 대안 또는 추가로 사용됩니다. 냉간 인발에서 샤프트는 점점 더 작은 일련의 다이를 통해 당겨져 직경을 줄이고 표면 마감 및 치수 정확도를 개선합니다. 냉간 인발은 또한 작업 경화를 통해 재료를 강화합니다.
열처리
원하는 기계적 특성을 얻기 위해 변속기 샤프트는 종종 열처리 공정을 거칩니다. 일반적인 열처리에는 담금질과 템퍼링이 있으며, 이는 샤프트를 특정 온도로 가열하고, 빠르게 냉각(담금질)한 다음 더 낮은 온도로 재가열(템퍼링)하는 것을 포함합니다. 이 공정은 샤프트의 강도, 경도 및 내마모성을 높이는 동시에 취성을 줄이는 데 도움이 됩니다. 표면 경화 및 질화와 같은 다른 열처리를 적용하여 표면 특성을 개선할 수 있습니다.
CNC 가공
열처리 후 샤프트에 최종 가공 작업이 수행됩니다. CNC 선삭, 밀링, 연삭을 통해 키홈, 교차 구멍, 스플라인과 같은 형상을 제작합니다. 연삭은 베어링 저널 및 기타 마모 표면을 정밀 공차로 정삭하는 데 사용됩니다. 고성능 응용 분야에서 매우 매끄러운 표면에는 초정삭 또는 연마가 사용될 수 있습니다.
