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《기술논문》 열처리공학회지 제 33권 제 6호 (2020) pp 303-309

자동차 Differential gear case 불평형 교정을 위한

balancing 장치설계 및 측정에 관한 연구

장태환middot권진욱middot엄지현middot김정아middot김태규

dagger

부산대학교 나노메카트로닉스공학과 (주) SMEC 융복합사업부

A Study on the Design and Measurement of a Balancing Device for Unbalance Correction of Differential Gear Case in Automobile

TH Jang JU Gwon JH Eum JA Kim TG Kimdagger

Dept of Nanomechatronics Engineering Pusan National University Busan 46241 Korea

Convergence Business Division SMEC Co Ltd Gimhae 50969 Korea

Abstract A vehicles differential gear is a device designed to allow the vehicles outer wheels to turn faster than

the inner wheels when turning on a curve The differential gear case is the main component of the differential

gear system which is composed of ring gear pinion gear and side gear and is fastened by pinion shaft pins The

differential gear case rotates when the vehicle is running so balancing calibration is very important In this study

a balancing machine that can diagnose and correct the differential gear case and mass imbalance of various

rotating bodies was designed The differential gear case was rotated at high speed to accurately diagnose the

location and value of the unbalanced mass and it was designed to be balanced and corrected by removing the

unbalanced mass by drilling After calibration it was confirmed that the unbalanced value of all the measured

samples was reduced to less than 180gmm and the unbalance reduction ratio was improved to 60~70

(Received November 5 2020 Revised November 10 2020 Accepted November 13 2020)

Key words Differential gear case Unbalancing position and balancing value Drilling

1 서 론

기존 휘발유 디젤 LPG 등에 의한 자동차 연료는

전기충전식 전기자동차 수소에너지를 이용한 수소자

동차 또는 하이브리드형 동력원으로 자동차 산업구조

가 빠르게 이동하고 있다 또한 최근에는 인공지능

(artificial intelligence AI) 기술을 응용한 최첨단의

미래형 자동차 시스템으로 급변하고 있다[1] AI 기

능은 자율주행을 실현해주기도 하고 운전 중 자동차

에 발생한 문제를 인지하여 정비에 도움을 주는 역

할을 한다 자율주행은 운전자의 조작이 없이 자동차

가 스스로 도로환경을 인식하고 조향과 변속장치 등

을 제어하여 목적지까지 주행할 수 있게 하는 기능

을 갖고 있다 하지만 동력원의 변경이나 AI 기능을

갖는 첨단의 자동차라도 기본의 구동장치는 변경하기

가 어렵다 대표적인 구조가 자동차의 차동기어장치

(differential gear system) 이다

차동기어장치는 자동차가 커브길을 선회할 때 차량

의 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 더 빠르게 회전할

수 있도록 고안된 장치로서 모든 자동차에는 필수적

인 구성장치 이다[2] 만약 차동기어장치가 없이 자

동차가 커브길을 선회하며 두 바퀴가 같은 속도로

회전한다면 심한 언더스티어(understeer)가 발생하거

나 바퀴가 슬립하게 되면서 차체가 불안정하게 되고

타이어의 마모도 심해지는 현상이 발생하게 된다 차

동기어장치의 balancing 교정은 자동차의 원활한 선회

구동과 언더스티어 현상을 해결할 수 있다 balancing

교정은 연비개선과 에너지의 손실을 막기 위해서 자

동차의 제조공정에서 필수적으로 행해져야 하는 공정

이다 이러한 차동기어장치는 차동피니언기어 사이드

daggerCorresponding author E-mail tgkimpusanackr

Copyright The Korean Society for Heat Treatment

304 장태환middot권진욱middot엄지현middot김정아middot김태규

기어 피니언기어 차축 링기어 차동기어 케이스

(differential gear case) 등으로 구성되어 있다[3]

differential gear case는 차동기어장치의 주 부품으

로 링기어 피니언기어 및 사이드기어를 샤프트로 체

결하고 핀으로 샤프트와 case를 고정하여 고속 회전

구동하기 때문에 balancing 교정은 매우 중요하다[4]

differential gear case는 주조공정후 정밀가공 제작하

고 있으나 주물 내부의 기공이나 주조공정에서 발생

하는 여러 요인으로 인하여 질량 불평형(unbalan-

cing)이 발생하게 된다[5] 차동기어장치의 조립생산

공정에서 질량 불평형은 차량운행 시 진동과 소음의

원인이 되기 때문에 differential gear case의 조립공

정 전 불평형 위치의 진단과 불평형 질량을 제거하

는 balancing 작업은 필수 요소이다[6 7]

본 연구에서는 differential gear case에 대한 회전

질량 불평형 상태를 진단하고 교정할 수 있는

balancing 장치를 설계하고 제작하였다 differential

gear case를 고속 회전하여 불평형 질량이 발생하는

위치와 크기를 정밀 진단하고 불평형 질량을 드릴링

작업으로 제거하여[8] 측정실험을 진행하여 정밀한

balancing 교정이 이루어지도록 하였다

2 실험 및 실험방법

21 Differential gear case의 balancing 장

치제작 및 시스템 구성

Fig 1은 differential gear case의 불평형을 측정하

고 balancing 교정이 달성 될 수 있도록 고안하여

제작한 장치의 개략도 및 장치의 사진이다

differential gear case의 질량 불평형을 측정을 위하

여 differential gear case의 규격에 맞는 장착 지그

를 제작하였으며 회전축은 측정물의 고 중량을 감안

하여 수직형 balancing 장치로 설계하였다 동력이

발생 되는 모터와 풀리 간에는 원활한 회전력을 전

달될 수 있도록 타이밍 벨트를 설치하여 정확한 구

동이 될 수 있도록 하였다 또한 풀리는 key plate

housing으로 장착하였고 balancing을 측정할 대상물

의 중량은 최대 10 Kgf 회전속도는 Max 3000 rpm

Fig 1 Schematic diagram and device photo of a balancing machine for measuring and correcting mass imbalance

자동차 Differential gear case 불평형 교정을 위한 balancing 장치설계 및 측정에 관한 연구 305

까지 고속회전이 가능하도록 설계하였다 housing의

동작을 확인하기 위하여 근접센서(PRT12-4DO)를 부

착하여 지정한 원점으로 돌아올 수 있게 하였고 질

량 불평형이 발생하는 위치(위상각)와 불평형 값을

정확하게 나타낼 수 있도록 하였다 balancing 시험

이 진행되어 측정물에 불평형이 진단되면 감지된 불

평형 위치의 질량을 감소시키기 위해 장착된 drilling

unit의 공정으로 balancing을 교정가능 하도록 하였

다 이때 drilling 작업에서 발생되는 chip은 dust

collector를 장착하여 chip의 영향이 최소화 되도록

하였다

Fig 2는 balancing 장치시스템의 구성도를 나타내

었다 PIBA(psylogic incline balancing analyzer)-

Test Editor에서 불평형 교정 대상의 model 불평형

측정 mode balancing code drilling condition을

입력하고 PIBA-EOL에서 실제 불평형 측정 및

calibration을 진행한다 이후 PIBA-Client Director

에서 데이터를 신호로 변환하고 수치를 백업하여 이

를 balancing 측정기 내부의 PIBA-SQL(Structured

Query Language)과 PIBA-DATA에 전달하면 SQL

과 DATA에서 데이터 조회 통계 분석 그리고 raw

데이터를 분석할 수 있도록 하였다

22 Differential gear case

Fig 3은 본 연구에서 사용된 differential gear

case의 구조와 크기를 나타내었고 내부에는 차동피니

언기어와 차동사이드기어 등으로 구성되어있다 현재

국내에서 생산되는 D사의 승용차용 differential gear

case의 실물이고 크기는 길이 140 mm 직경은

128 mm 이다

23 회전체와 불평형 질량과의 관계

회전체의 balancing 교정에서 불평형 질량과 원심

력과 관계는 다음 식(1)과 같다

Fig 2 Configuration diagram of the balancing correction device

Fig 3 Differential gear case shape and dimension

306 장태환middot권진욱middot엄지현middot김정아middot김태규

F = m times r times w2 (1)

F 원심력 m 불 평형 질량 r 반지름 w

회전속도(rpm) 이다

이 관계에 의해 불평형 질량이 증가 할수록 높은

원심력이 작용하게 됨을 알 수 있다 진동 발생의

기본은 원심력이므로 불평형 요소가 진동에 직접적인

역할을 하게 된다 불평형 질량의 발생에 의해 질량

분포의 불균일이 생긴다 불평형 요소는 회전체 외에

도 지지하고 있는 구조물의 진동이나 응력에 영향을

주고 기계사용에 있어 수명감소 파손의 원인이 된다

24 Balancing 교정 작업 흐름도

differential gear system의 조립 전 differential

gear case는 소재의 불균일 및 가공으로 인한 불평

형이 발생하고 이는 큰 진동과 소음을 유발하게 된

다 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 우선 질량

불평형을 정밀하게 진단하고 불평형부의 질량을

drilling 공정으로 제거하고 교정하는 측정실험을 진

행하였다 balancing 장치의 측정결과를 피드백하고

업데이트하기 위해서 개발된 프로그램을 사용하였으

며 Fig 5는 balancing 장치의 측정공정의 흐름도를

나타내었다 측정하고자 하는 differential gear case

를 제작된 지그에 장착 후 일정 rpm으로 회전하여

불평형을 진단한다 불평형 값이 지정된 교정 값 보

다 높은 경우 differential gear case 불평형 위치

및 값을 고려하여 drilling 공정을 진행하여 불평형

질량을 제거하여 교정하는 공정으로 진행하였다 측

정방법으로는 differential gear case를 지그에 장착

하고 20 sec 동안 측정을 진행하였으며 rpm signal

에서 05 sec 동안 원점을 17회 접촉하였으며

2000 rpm 상태에서 측정실험을 진행하였다 측정된

data를 불평형 값(gmiddotmm)과 불평형 위상각(deg)으로

도출하였다

25 Drilling에 의한 balancing 교정

Fig 6에서는 불평형 질량제거를 위한 드릴링 공정

의 전과 후를 나타낸 사진이다 drilling은 differential

gear case의 지정 된 불평형 값 180 gmiddotmm을 기준으

로 불평형 질량을 제거하기 위하여 drill의 사양을

결정하였다 사용된 drill의 직경은 Φ44 길이

10 mm이다

3 실험결과 및 고찰

differential gear case의 불평형 교정을 위해서

balancing 장치를 설계하고 측정실험을 진행하였다

제작된 differential gear case의 sample 10개를 동

Fig 4 Relationship between unbalance and centrifugal

force

Fig 5 Balancing process flow chart

자동차 Differential gear case 불평형 교정을 위한 balancing 장치설계 및 측정에 관한 연구 307

일한 조건으로 측정하여 나타낸 결과이다 측정시험

은 제작된 balancing 장치에 differential gear case

를 지그에 장착하고 2000 rpm으로 20 sec 동안 고

속 회전하여 측정하였다 Table 1은 이때 측정된 불

평형 값(gmiddotmm)과 불평형 위치(위상각)를 정리하여

나타내었다 또한 Fig 7은 불평형 교정 전과 교정

후의 각 sample들에 대해서 불평형 값(value)의 변

화를 그래프로 나타내었다 또한 Fig 8은 제작된

balancing 장치의 측정실험에서 나타내는 불평형 위

치와 불평형 값을 balancing 교정 전 후의 결과를

모니터 화면에 나타내주는 그림이다 모니터에서 불

평형의 위치와 불평형 값을 쉽게 볼 수 있고 또 불

평형 교정을 할 수 있는 장치이다 교정 전의 불평

형 측정값은 기준값 180 gmiddotmm 보다 훨씬 크게 나

타났고 drilling 공정으로 불평형부의 질량을 감소하

여 설정 기준값 이하가 될 수 있도록 수행하였다

Fig 6 Drilling process to reduce unbalanced mass

Table 1 Comparison of results before and after unbalance correction

Before correction After correctionReduction

rate ()unbalanced position

[deg]

unbalanced

value [gmiddotmm]

unbalanced position

[deg]

unbalanced

value [gmiddotmm]

Sample 1 233 5365 207 1735 6766

Sample 2 232 5323 218 1711 6786

Sample 3 232 5307 185 1763 6678

Sample 4 232 5311 201 1768 6671

Sample 5 1556 5256 1532 1733 6703

Sample 6 1578 5261 1527 170 6769

Sample 7 1627 5255 1593 1687 6790

Sample 8 2624 5274 2631 1785 6615

Sample 9 2574 5379 2589 1664 6906

Sample 10 2586 5367 2634 162 6982

Fig 7 Unbalanced value results by balancing test for

differential gear case

308 장태환middot권진욱middot엄지현middot김정아middot김태규

측정된 sample 모두가 기준 값 이하로 감소됨을 확

인하였다 이는 회전체 진동의 큰 원인이 되는 불평

형 요소인 불평형 질량이 제거된 것으로 판단할 수

있다 이때 불평형 교정 전후의 저감비는 60~70

로 나타났다

Fig 9는 balancing 교정 전 후의 가속도 분포를

나타낸 결과이다 실험은 20초간 가속도 신호를 계

측하고 05초에서의 data를 도출하여 분석하였다 불

평형 질량제거 후 불평형량이 감소함으로서 가속도

범위가 감소됨을 확인할 수 있었다 이는 불평형량이

감소함에 있어 가속도 감쇠에 영향을 주는 것으로

확인이 되었다

4 결 론

본 연구에서는 자동차용 differential gear case에

대한 질량 불평형 상태를 진단하고 교정할 수 있는

balancing 장치를 설계하고 제작하였다 balancing

장치에서 Differential gear case를 고속 회전하여

불평형 질량이 발생하는 위치와 크기를 정밀 진단하

고 drilling 공정으로 불평형 질량을 제거할 수 있는

구조이다 본 연구에서 제작된 balancing 장치는 모

든 회전체 부품에도 적용가능하고 balancing을 진단

하여 불평형 위치 및 불평형 값을 쉽게 교정할 수

있도록 설계하였다 자동차용 differential gear case

의 샘플들에 대한 balancing 을 측정하여 불평형을

Fig 8 Results of unbalance position and value by

balancing test for differential gear case

Fig 9 Comparison of the acceleration signal before and

after unbalance correction

자동차 Differential gear case 불평형 교정을 위한 balancing 장치설계 및 측정에 관한 연구 309

교정한 결과 불평형 값의 기준치 180 gmiddotmm 이하로

감소시킬 수 있었으며 불평형 값의 저감비가

60~70로 향상됨을 확인할 수 있었다 아울러 교

정 전후의 가속도 변화도 현저히 감소됨을 알 수

있었다

후 기

본 연구는 중소벤처기업부의 WC300프로젝트 기술

개발사업 지원에 의한 연구임(공정모듈 교환방식의 원

스탑 다공정 제조혁신 솔루션 개발 NO S2641371)

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