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생고뱅, 다양한 자동차 응용 분야 솔루션 제공

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2016-10-29 19:51:28

본문

세계 시장에서 자동차 제조업체와 시스템 제공업체는 소비자가 원하는 성능과 가격을 동시에 만족시키기 위해 많은 어려움을 겪고 있습니다. 특히 가격에 민감한 신흥 시장 소비자는 저렴하고 연비가 높은 자동차를 원합니다. 이러한 압박 때문에 제조업체는 더 적은 자원으로 더 많은 일을 해야 하므로 공급망 전체에 비용 부담이 늘고 있습니다. 소비자는 연비를 위해 가벼운 차량을 원하면서도 속도나 성능에서 손해를 보고 싶어하지 않습니다. 다시 말해 제조업체는 더 작은 공간에 더 강력한 어셈블리와 장치를 장착해야 한다는 것입니다. 예산도 제한적이므로 조립 라인 효율성을 높이는 동시에 새로운 가치를 실현할 방안을 찾아야 합니다.


다행히 스티어링 시스템이나 동력 장치와 같은 복잡한 어셈블리의 경우 일련의 재료 및 기술 혁신 덕에 제조업체의 부담이 줄어들었습니다. 이러한 기술 대부분이 소형 부품으로 실현 됩니다. 이러한 부품은 매우 작지만 연비와 운전자 만족도를 향상시키고 수익 마진과 효율성을 높이는 다양한 옵션을 제조업체에게 제공할 수 있습니다.

 

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스티어링 컬럼의 발전


초창기에 생산된 자동차의 스티어링 컬럼은 스티어링 휠과 스티어링 랙을 연결한 하나의 긴 쇠막대기였습니다. 이는 단순한 디자인이었지만 정면충돌 시 안전성이 매우 떨어진다는 사실이 드러났습니다. 이 문제를 해결하기 위해 탄생한 것이 접이식 스티어링 컬럼입니다. 샤프트 두 개가 연결된 형식의 접이식 스티어링 컬럼은 정면충돌 시 안쪽 샤프트가 바깥쪽 샤프트 안으로 들어가 충돌 에너지가 스티어링 휠에 직접 전달되지 않도록 합니다. 즉, 충격을 흡수해 운전자를 보호하도록 설계한 안전 메커니즘입니다.


접이식 스티어링 컬럼은 이전 스티어링 컬럼보다 안전하지만 정상 주행 시에는 내부 및 외부 슬리브를 지탱하다 충돌이 발생해 압력을 받으면 접히도록 만들어야 하므로 조립 과정이 복잡합니다.


접이식 스티어링 컬럼의 샤프트를 연결할 때 몇 가지 선택할 수 있는 부품 옵션이 있습니다. 이러한 옵션에는 톨러런스 링, 볼 베어링을 포함하거나 포함하지 않은 플라스틱 슬리브, 스프링 클립이 있습니다. 최고의 옵션을 결정하기 위해 제조업체는 공간 제약은 물론 중량, 소음, 진동, 정숙성(NVH)과 온도 저항을 고려해야 합니다.
고품질 탄소강과 합금으로 제조한 톨러런스 링은 연결되는 원통형 부품 사이를 연결하는 방사형으로 튀는 부품 패스너입니다. 자동차 어셈블리에서 마찰 패스너로 기능하며 토크 과부하와 연결 부품 사이에 축 미끄러짐으로부터 부품을 보호합니다.


톨러런스 링은 외부와 내부 튜브 사이에 들어가며 부품의 톨러런스와 온도 변동과 관계없이 내부 튜브에 일정한 마찰력을 생성하는 반지름 방향의 힘을 만듭니다. 톨러런스 링은 원주 주변의 돌출부나 파동이라는 면에서 독특한 모습을 보입니다. 이러한 돌출부는 충돌 에너지를 효과적으로 흡수하고 고객에 따라 특정한 흡수 특성을 맞춤형으로 설계할 수 있습니다. 에너지 흡수 수준은 일관되고 반복 가능하며 샤프트가 접히기 시작하는 힘은 조립 과정에서 검증할 수 있습니다.


충돌로 운전자가 핸들 쪽으로 쏠리면 링의 내부 튜브가 앞으로 움직이고 동시에 톨러런스 링 자체가 저항을 일으켜 내부 튜브가 외부 튜브 안으로 접히면서 에너지를 흡수합니다. 결과적으로 충돌 에너지의 상당 부분을 운전자가 아닌 링이 흡수합니다.


톨러런스 링을 사용하면 내부 및 외부 샤프트의 공차가 커도 상관없습니다. 따라서 제조업체는 스티어링 컬럼의 중량을 줄이는 저비용 경량 부품을 포함하여 다른 재료로 만든 부품을 선택할 수 있습니다. 예를 들어, 알루미늄과 강철을 컬럼 어셈블리의 내부 및 내부 튜브에 사용하여 전체 중량을 줄일 수 있습니다. 알루미늄과 강철은 고온에서의 팽창률이 다르지만 톨러런스 링이 방사형으로 튀는 설계 방식으로 이 차이를 보상할 수 있습니다. 또한 차량 진동을 줄여 내부 소음을 제거하기 위해 톨러런스 링의 파장 모양과 높이를 고객이 원하는 대로 구성할 수 있습니다.


접이식 스티어링 컬럼의 또 다른 부품 옵션은 샤프트가 접힐 때 완충 역할을 하도록 설계된 립을 포함하는 플라스틱 슬리브입니다. 플라스틱 슬리브는 스티어링 컬럼의 두 샤프트 사이에 압입됩니다. 슬리브는 그 자체 또는 볼 베어링 운반자로 작용합니다.


플라스틱 슬리브는 효과적인 옵션이 될 수 있지만 허용 공차가 작아 조립하기 어려우며 온도에 따른 팽창과 수축이 심해 고온에서는 설정치 미만의 충격이 가해져도 샤프트가 접힐 수 있습니다.


접이식 스티어링 컬럼의 세 번째 부품 옵션은 복잡한 스프링 클립 시스템으로, 핀 위로 당겼을 때 미리 정해진 힘에서 움직이도록 설계된 충격 흡수 스트랩입니다. 안타깝게도 스프링 클립은 최신 자동차에는 적합하지 않습니다. 스프링 클립 시스템을 사용하면 부품 수가 늘어나므로 조립 시간이 길어지고 복잡해지며 비용과 차량 중량이 늘어납니다. 게다가 스티어링 컬럼 외부에 장착해야 하는 클립도 있어 추가 공간이 필요합니다.


스프링 클립은 부품 수가 많아 공차를 맞추기가 어렵습니다. 스프링 클립의 공차가 크면 헐거워지기 쉬워 덜컹거리고 조향 느낌에 영향을 줍니다. 게다가 제대로 테스트하면 스트랩이 끊어지기 때문에 개별 어셈블리의 성능을 완벽하게 검증할 수 없습니다.


위에 언급한 모든 사항을 고려했을 때, 톨러런스 링은 부품 수와 무게를 줄이는 방향으로 스마트하게 설계된 스티어링 시스템을 추구하는 자동차 제조업체가 선호하는 부품입니다. 톨러런스 링은 진동을 줄여주고 정숙성을 높여주는 소형 솔루션을 제공하면서도 안정성은 높이고 조립 시간과 노동력은 줄여 비용을 절감합니다. 

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전기 모터 고정자 마운트


차량을 중량을 줄이고 연비를 높이기 위해 제조업체는 무거운 유압 스티어링 시스템의 경량 대안으로 전자제어동력조향장치(EPS)에 관심을 보이고 있습니다. 접이식 스티어링 컬럼과 같이 제조업체는 전기 모터의 비철 하우징에 강철 고정자를 장착하는 부품 솔루션을 선택할 수 있습니다. 이러한 옵션으로 압입, 접착제 또는 톨러런스 링이 있습니다.


압입은 물체가 열을 받으면 팽창하고 식으면 수축하는 원리를 사용해 고정자를 하우징 내부에 삽입합니다. 하우징이 유도 가열되어 팽창하면 고정자를 삽입하는 방식입니다. 하우징이 식으면 고정자의 딱 맞는 크기로 수축됩니다.


유도 히터가 없으면 압입은 조립 강도가 높아지고 따라서 모터에 해를 입힐 수 있습니다. 또한 시간이 오래 걸리는 고가의 옵션이기 때문에 제조업체에서 다른 재료를 사용하지 못합니다. 예를 들어, 알루미늄이나 강철과 같은 다른 재료를 사용하면 팽창률이 달라 헐거워지거나 덜컹거릴 위험이 큽니다.


다른 옵션은 접착제인데, 이는 보통 압입과 함께 사용되어 고온 작동 시 시스템이 헐거워지지 않도록 합니다. 그러나 접착제는 지나치게 복잡할 수 있습니다. 접착제를 사용하면 고정자를 동심으로 배치하기가 어렵고 양생을 위한 추가 시간과 생산 공간이 필요합니다. 접착제를 사용하면 세정 작업이 필요하고 작업 시 지저분해집니다. 접착제 탈기 작업은 구리와 전자 장치에 안 좋은 영향을 줄 수 있습니다. 또한 접착제가 양생되고 나면 어셈블리 재작업은 실질적으로 불가능합니다.


여기에서도 톨러런스 링은 효과적인 대안을 제공합니다. 압입과 접착제와 대조적으로 톨러런스 링은 고정자 주변에 삽입하고 하우징에 압입하기만 하면 되므로 간단합니다. 압입은 최소한의 조립 강도로 양생 없이 달성됩니다. 톨러런스 링의 특성상 팽창률이 다른 재료를 섞어 쓸 수 있으므로 강철과 알루미늄을 섞어 쓸 경우 조립 실패 가능성이 줄어듭니다.

 

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도난 방지 장치


자동차 도난 방지 장치는 합당한 이유에서 많이 사용되는 기능입니다. 예를 들어, 미국에서는 43초마다 차량 도난 사건이 발생합니다.  EU 위원회 지침 95/96/EC(1995)에 따라 모든 유럽 자동차와 일본 및 한국 자동차는 핸들에 적용되는 100Nm의 힘을 견디는 스티어링 잠금장치를 장착해야 합니다. 중국에는 별도 규정이 있으나 EU 지침을 모두 반영합니다.


제조업체는 자동차 어셈블리로 도난 방지 장치를 고정하는 두 가지 옵션이 있습니다. 여기에서도 톨러런스 링은 효과적인 옵션입니다. EU 지침이 규정하는 요구 사항을 견딜 수 있고 다른 응용 분야에서처럼 제조업체에 상당한 혜택을 줍니다.


일반적으로, 표준 3개 부품 도난 방지 시스템에서 톨러런스 링은 스티어링 샤프트에 배치되고 잠금장치 컬럼은 링 위로 눌립니다. 톨러런스 링을 사용하여 제조업체는 할로우 또는 관형, 스티어링 샤프트를 사용할 수 있고 부품 사이에 일관성을 제공하여 어셈블리를 표준화하는 데 도움이 됩니다. 조립이 간편하고 신속하며 링이 수명에 따른 성능 저하가 없으므로 유지 관리가 필요하지 않습니다. 톨러런스 링의 방사형 돌출은 연결 부품을 한데 유지하여 직접 토크 이동 및 토크 슬립을 효과적으로 처리할 수 있습니다. 이로써 링은 도난 시도 시 스티어링 컬럼을 잠재적인 손상으로부터 보호하여 차량의 긴 수명에 도움이 됩니다.


도난 방지 장치의 대안적 옵션은 용접입니다. 이는 샤프트를 스티어링 컬럼에 용접하는 시간이 많이 드는 수동 프로세스입니다. 규정 표준을 충족하더라도 더 많은 노동력과 시간이 수반되고 단단한 샤프트 스티어링 시스템에만 적용할 수 있습니다. 대조적으로 톨러런스 링은 유연성이 더 높아집니다.

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추가 응용 분야


톨러런스 링은 다른 자동차 응용 분야에도 부가적인 혜택을 제공합니다. 하나는 톨러런스 링이 압입과 함께 사용되는 유압 타이밍 체인 텐셔너입니다. 강철 슬리브는 알루미늄 하우징에 압입되고 톨러런스 링은 텐셔너 상단에 배치되어 완벽한 맞춤을 보장합니다. 링은 유지력의 일부를 제공하고 열팽창을 보상하여 슬리브와 하우징 왜곡을 최소화합니다. 결과적으로 톨러런스 링은 타이밍 체인 텐셔너의 서비스 수명을 높입니다.


톨러런스 링은 이중 클러치 응용의 과부하 보호 기능도 제공합니다. 이중 클러치 어셈블리에서 전기 모터는 액추에이터를 구동하고 클러치 움직임과 작동을 돕습니다. 갑작스러운 정전이 있으면 액추에이터는 고속에서 압력을 받아 다시 튀어나올 수 있어 구성 부품을 잠재적으로 손상시킵니다. 톨러런스 링으로 인해 연결 부품이 미끄러질 수 있고 그런 충격에서 생성되는 에너지를 일부 소멸시킵니다. 링은 조립하기 쉽고 특정한 토크 슬립 요구 사항을 충족하도록 조정이 가능합니다.


최신 제조 요구 사항 충족


여기에서 설명한 응용 분야는 자동차 제공업체의 새로운 옵션의 세계를 보여줍니다. 자동차 제공업체에서 최종 사용자의 요구와 점점 높아지는 조립 효율성의 압박으로 고심할 때 톨러런스 링 같은 고품질 부품은 대단한 가치를 입증하고 있습니다. 이러한 부품은 제조업체에 연비와 성능을 높이는 다양한 재료를 활용할 유연성을 제공하고 있습니다. 또한 승차감을 높이기 위해 소음과 진동을 낮추는 중요한 부가 혜택도 제공할 수 있습니다. 이 모든 것이 능률화된 어셈블리와 결합되어 공급망 전체에서 성공적인 솔루션으로 전환됩니다. 

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