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UV Joint 역사
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UV Joint 역사 |
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Universal Joint는 2000년도 더 전에 중국인들에 의해 발명되었고 사용되어졌다. 비록 그들이 Universal Joint의 원리에 대해서 그 당시에 알고 있었던 것은 아니지만 중국인들은 배가 흔들릴 때 나침반의 수평을 유지해주는 현대의 칭평환과 동일한 원리의 화로받침대를 만들었다.
이태리의 위대한 수학자이자 발명가인 Girolamo Cardano(1501~1576)가 이 중국의 칭평환(그때까지 중국 밖으로 퍼져나간)이 어떻게 하나의 축에서 회전운동을 다른 축으로 전달하는데 사용될 수 있는지를 설명하므로써 새로운 진보가 이루어졌다. 그 결과 오늘날까지 통상의 Universal Joint는 Cardan Joint라고 알려져 있지만 Cardan이 실제로 이러한 Joint를 만든 것은 아니었다. 그 이후에 영국의 물리학자이자 천문학자이며 발명가인 Robert Hooke (1675~1703)이 자신의 태양경을 조절하는 기구를 만들 때 Universal Joint의 발전이 이루어졌다. 로버트 훅크는 우리가 오늘날 사용되는 것과 같은 교차하는 십자형의 부품을 두개의 요크사이에 집어넣은 Universal Joint를 고안했다. 로버트 훅크의 Joint는 Cardan Joint와 원리상에서는 동일한 것이지만 구조에서 조금 달랐을 뿐이었다. 그것은 Cardan Joint가 중국의 칭평환과 같은 것이지만 그 용도에서 달랐던 것뿐인 것과 비슷한 얘기이다.
결국 두사람다 Universal Joint의 원리를 발명한 것은 아니다. 그러나 Cardan은 그 칭평환이 꺽어진 각도를 회전운동을 전달하는데 사용될 수 있다는 것을 알아낸 최초의 사람이었고 로버트 훅크는 Cardan Joint를 (다른 설계로) 만든 최초의 사람이었으며 로버트 훅크는 또한 Universal Joint에 있어서 등속의 문제점을 제기한 최초의 사람이었다. 산업혁명의 도래후 구체적으로 증기기관과 내연기관의 발명후 Universal Joint가 사용되었지만 등속이 아니고 윤활의 어려움 등을 해결하지 못하여 Chain과 Belt가 오히려 더 많이 사용되었다. Hooke의 시대에서 1903년까지 Universal Joint의 기술에서 본질적인 진보는 없었다. 1903년 Clarence Spicer는 자동차를 설계하는 임무를 맡았다. 그러나 그는 그 당시에 일반적인 체인구동방식을 쓰고 싶지 않았다. 그래서 그는 Bearing과 먼지 차단 Seal을 장착한 Universal Joint를 발명했다. Spicer는 1904년에 자신의 Joint를 생산하기 시작했고 나중에 그는 Charles Dana를 동반자로 끌어들였고 Dana Spicer 회사는 오늘날 종업원 70,000명이 넘는 세계에서 가장 큰 회사의 하나가 되었다. Hooke 이래로 Cardan Joint의 단점과 등속 Joint에 대한 필요가 알려지게 되었고 두 불란서 사람 Gregoire와 Fenaille가 합작하여 최초의 실용적인 등속 Joint를 발명하여 “Tracta Joint"라고 이름 붙였다.
Tracta Joint는 영국, 유럽과 미국에서 널리 사용되게 되었고, 2차 세계 대전 중 군용 경차량과 Ford와 Dodge사에서 만든 차량 등에서 널리 사용되었다. 그러나 큰 토오크를 전달하기 위해 집게발 내부에서 미끄러지는 접촉면이 있는 것은 큰 약점이었다. 그것은 마모율이 높았고 마찰저항이 컸지만 석유값이 싸고 오늘날처럼 온실가스에 대한 우려가 없을 때나 사용될 수 있는 것이었다. 1925년에 Carl Weiss는 Bendix-Weiss라고 불리는 한 등속 Joint의 특허를 취득했는데 그것은 두개의 교차하는 요크와 개개의 요크에 파여진 홈에 위치한 4개의 강철구로 이루어져 있는 것이었다. 이 Joint의 문제점은 접촉하면서 Torque를 전달하는 것이 단지 4개의 볼에 의한다는 것이고 그 볼들이 홈속에서 구르기보다는 미끄러지기 때문에 마모율과 발열, 마찰이 높다는 점이었다. 그러나 이 조인트 역시 경차량과 경부하용도에 광범위하게 사용되었다.
1922년에 A. RZeppa가 Bendix-Weiss의 원리에 기초를 둔 또 다른 등속 Joint를 발명하였는데 이것은 서로 구속하는 요크를 두는 대신에 외부링과 내부링을 두고 그안에 홈을 파서 4개가 아닌 여섯 개의 강철 Ball을 설치한 것이었다. 이것은 소음이 크고 고착되는 경향이 있었지만 윤활면에서 많이 개선되고 진보된 것으로 홈의 각도 또한 변화된 것이었다. 이 Joint는 1959년 그 유명한 Morris-Mini의 전륜구동차량에 사용승인을 받았고 오늘날에도 모든 전륜구동 방식의 경차량에서 사용되고 있다.
Bendix-Weiss Joint처럼 RZeppa Joint의 Ball들도 Joint가 각도를 갖고 동작중일 때는 홈속에서 긁히듯 미끄러질 수밖에 없고 현대의 윤활제를 쓰더라도 그 마모율과 마찰력은 높아서 이러한 Joint의 수명은 상당한 각도에서 큰 토오크를 전달하게 되면 심하면 수분밖에 견디지 못하게 되기도 했다. 1929년과 2000년 사이에 등속 조인트에 있어서 아무런 진보가 없었고 단지 설계상 근원적인 마모를 단순히 완화시키는 윤활제의 발전만 있어왔다. Tracta와 Bendix-Weiss 그리고 RZeppa Joint는 강철 Ball의 접촉점으로 인해 모두 다 미끄러지는 표면에 하중이 걸리고 있으며 Bendix-Weiss와 RZeppa Joint는 강철 Ball의 점접촉 방식으로 인해 정말로 좁은 면적에 하중이 걸리고 있다. 이런 사실은 큰 하중을 전달해야하는 용도에는 전적으로 부적당하고 따라서 산업용, 농업용이나 트럭들에서는 아직도 Clarence Spicer가 개량시킨 Cardan Joint가 사용되고 있다. 현존하는 등속 Joint의 한계 때문에 그 등속 Joint들은 그것들을 가장 필요로 하는 용도에는 전혀 사용되지 못하고 있다. 이러한 용도들이란 본질적으로 한개 이상의 축을 사용하고 있는 큰 부하를 받는 모든 용도에 해당되는 것들이다. 이런 용도들은 트럭이나 일반적인 산업용 동력전달용 특히 동업용 동력전달축 같은 경우의 구동축이나 종동축을 포함한다. 오늘날 보통의 Cardan Joint(즉 보통의 Universal Joint)는 이러한 용도의 거의 모든 경우에 독점적으로 사용되어 그 결과 차량이나 기계들은 진동을 방지하고 에너지 손실을 줄이기 위해서 엄정한 기하학적 위치관계를 유지하도록 설계되어야 한다. 이러한 사실로 인해 비용이 많이 들고 설계상의 구속조건에 제약이 많게 된다. 종종 이렇게 요구되는 상관관계를 대충 만족시킬 수밖에 없기 때문에 진동과 에너지 손실이 발생한다. 특히 농업용 용도에서는 그 결과적인 진동이 너무 심해서 기계에 손상을 가져오는 경우가 많다. (주)이 글은 Thomson Coupling사의 허락하에 그 회사의 홈페이지에서 인용하여 게재하였습니다.
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