엔지니어링 플라스틱 소재를 응용한 초경량 기어박스 구조설계에 관한 연구

Abstract

자동차 산업은 에너지 문제와 환경문제를 해결하기 위해 부품 경량화를 위한 많은 연구활동이 이루어지고 있다. 그 중에 자동차 시트는 여러 모듈단위의 부품들로 구성되어 있다. 대표적인 모듈부품으로 모터와 기어박스(Gearbox), 고정장치, ECU(Electronic Control Unit), 스위치(Switch)들이다. 모듈부품은 여러 차종에 공용으로 적용되기 때문에 대부분 자동화 생산공정으로 이루어져있다. 자동화 생산라인은 설비투자 비용은 높지만 안정된 품질과 대량생산으로 제조원가 경쟁력이 높다고 할 수 있다. 모듈부품은 완성차 OEM(Original Equipment Manufacturing) 수주를 위해 글로벌 경쟁사와 치열하게 경쟁하고 있다. 본 논문에서는 파워시트 레일 기어박스(Power seat Rail Gearbox) 모듈부품을 내부구조 최적화와 소재변경으로 보다 근본적인 부품 경량화와 제조비용을 줄이는데 목적을 가지고 있다. 기어박스에서 무게 비중이 가장 높은 부품을 기존 금속재에서 비금속재료인 엔지니어링 플라스틱으로 적용하여 경량화를 실현하고자 한다. 엔지니어링 플라스틱은 금속재 보다 비중이 약 15% 수준으로 경량화의 장점은 매우 우수하지만, 기계적성질이 낮고 연성이 부족하기 때문에 재질만 변경할 수 없다. 기어박스에서 요구되는 크기제한과 강도, 내구성, 기본 성능을 만족시켜야 하기 때문이다. 그리고 엔지니어링 플라스틱은 마찰 특성이 좋은 장점이 있기 때문에 마찰을 줄이기 위한 별도의 부품을 제거하여 부품 수를 줄일 수 있다. 기어박스 요구강도에 대한 원리실험과 플라스틱 소재 선정으로 기어박스 내부 구조를 최적화하고 강도해석과 실험으로 유효성을 입증하였다. 또한 기어박스에서 요구되는 성능을 이론적으로 증명하고 가장 민감하게 영향을 미치는 주요인자에 대해 연구하였다. 본 논문에서 연구한 엔지니어링 플라스틱을 적용한 파워시트 레일 기어박스는 혁신적인 부품 경량화와 제조비용을 줄임으로써 글로벌 경쟁력을 한층 더 키우는데 기여하길 바란다.