[오토저널] 이코너 모듈 소형화를 위한 베벨기어 기반 신개념 조향–구동–현가 통합모듈 소개

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e코너 모듈 개발 현황 및 필요성
최근 글로벌 자동차 부품업체들을 중심으로 신개념 모빌리티를 개발하고 있다. 특히 조향, 현가, 구동, 제동장치가 통합된 이코너 모듈과 이를 이용하여 다양한 주행모드를 구현하는 차량을 개발하고 있다.
 
이러한 차량의 주요특징으로는 먼저 같은 차량크기에 대비하여 내부공간을 최대화할 수 있다는 점이다. 다가오는 자율주행 자동차시대에는 자동차가 이동수단을 넘어 사무공간, 레저공간 등 다양한 목적으로 활용될 수 있기 때문에 차량의 내부 공간이 최대화 되어야 한다. 
 
두 번째는 기존의 자동차에 대비하여 다양한 주행모드가 가능하다는 점이다. 이는 이코너 모듈이 가지는 넓은 조향각의 범위로 인하여 가능하다. 특히 좁은 공간에서의 평행주차, 제자리 회전은 외부차량이나 시설물과의 물리적인 충돌을 방지할 수 있다. 또한 이러한 차량에서는 후륜조향이 가능하기 때문에 주행속도에 따라 다양한 후륜 조향 각을 주어 주행안정성과 코너링 성능을 향상시킬 수 있다. 
 
세 번째는 소비자의 요구에 맞는 다양한 차량을 제작할 수 있다는 점이다. 이는 현재 상용화 되고 있는 스케이트 보드형 차량 플랫폼과 유사한 장점으로 다양한 형상의 캐빈을 장착할 수 있다. 이러한 점은 현재 복잡하게 조립되어지는 자동차 제조라인의 공정축소와 조립라인 단순화의 효과를 가져올 수 있다. 그 외에도 차량의 크기를 다양하게 결정할 수 있으므로 자동차 외형 디자인 측면에서도 획기적인 방법이 된다. 
 
그러나 이러한 이코너 모듈기반 차량에 대한 장점을 극대화하기 위하여 풀어야 할 난제들이 있다. 특히, 기존의 섀시 구조물을 하나의 모듈로 통합하였기 때문에 기구적으로 매우 복잡한 형태가 된다. 뿐만 아니라, 90도의 조향 각을 구현하는 이코너 모듈의 경우 높은 가반하중의 차량 제작이 어렵다. 그 외에도 공간 상의 제약으로 인하여 승차감을 위한 현가장치 성능에도 한계가 있다. 
 
이러한 이코너 모듈이 가지는 공간상의 제약을 해결하고 이코너 모듈의 소형화를 위하여 본 고에서는 새로운 조향 메커니즘이 적용된 신개념 조향-구동-현가 통합모듈을 소개한다.  

 
이코너 모듈 소형화
 이코너 모듈의 소형화를 위하여 본 고에서 제안하는 조향-구동-현가 통합모듈은 <그림 1>과 같다. 본 모듈에는 조향, 구동, 현가장치가 포함되어 있으며 제동은 구동모터의 역 토크를 이용한다. 이 모듈의 핵심적인 특징은 구동 휠 크기 기준에서 섀시 구조물이 차지하는 비율이 매우 낮다는 점이다. 특히 휠 회전 방향에서의 섀시 구조물들이 차지하는 비율은 휠 기준으로 9%이하이다. 뿐만 아니라 조향각 90도일 때 섀시 구조물이 차지하는 비율은 휠 단면적에 대비하여 30% 이하이다. 이와 같이 이코너 모듈 소형화를 위하여 <그림 2>와 같이 구동모터는 휠 림(Rim)의 안쪽 공간으로 배치하고 구동축을 허브(Hub)와 직접 연결하였다. 또한 조향모터는 내부 조향 링크 구조물 안으로 삽입하여 부피를 최소화 하였다. 
 
뿐만 아니라 조향 기구부는 <그림 3>과 같이 킹핀 축과 타이어 회전축이 서로 다르게 설계하여 조향 각 90도로 휠 회전 시 휠과 조향구조물의 간섭이 발생되지 않도록 하였다. 이러한 조향장치는 조향모터와 연결되는 베벨기어의 회전축이 킹핀 상단부의 가상 볼 조인트와 기구적으로 일치하여 나타나는 특징이다. 이 가상의 볼 조인트는 볼 조인트의 기능을 구현하기 위하여 두 개의 회전 조인트를 이용한 것이다.
 
<그림 3>에서 하단 조향 링크 구조물은 본 모듈 구조물의 강성을 보강하기 위함이며 상단 조향장치 구조물과 동일한 기구학 특징을 가진다. 이 하단 조향장치 구조물에도 가상의 볼 조인트가 있으며 조향 시 휠의 회전축은 상단과 하단의 볼 조인트를 교차한다. 
 
소형 이코너 모듈을 이용한 4WD4WS 모빌리티 
본 고에서 소개하는 모듈을 이용하면 앞서 설명한 것과 같이 다양한 목적의 모빌리티 시스템을 구현할 수 있다. 그 예로 <그림 4>와 같이 4륜독립구동 및 4륜독립조향 (4WD4WS)을 갖는 다목적용 모빌리티 시스템이 있다. 현재 개발된 이 모빌리티 시스템은 기본적인 주행기능만 있으며 상단부의 구조물에 따라 농업용/산업용/서비스용 등으로 다양하게 활용될 수 있다.  

본 고에서 제안하는 4WD4WS 모빌리티 시스템은 <그림 5>와 같이 다양한 주행모드를 구현할 수 있다. 특히 횡방향 주행모드에서 평행주차와 같은 기능구현 시 본 모듈은 양방향 90도 조향 각이 가능한 특징으로 보다 빠르게 주행모드 전환이 가능하다. 


향후계획
이와 같이 본 고에서 제시하는 조향-구동-현가 통합모듈을 이용한 차량 제작 시 공간 활용성을 극대화할 수 있다. 또한 본 고의 통합 모듈 기반의 4WD4WS 모빌리티 시스템이 가지는 다양한 주행모드와 조향 특성으로 인하여 향후 농업, 서비스, 산업분야에서 다양하게 활용이 가능할 것으로 기대된다. 
 
본 고의 통합모듈을 포함한 현재의 이코너 모듈은 차량 본체와 섀시 구조물의 분리와 같이 기계적 측면에서의 모듈화이다. 앞으로는 독립 작동이 가능한 차량의 최소단위로서의 조향-구동-현가 통합모듈을 위하여 배터리와 하위레벨 제어기까지도 통합할 수 있는데 이는 향후 과제로 남아 있다.
 
 
글 / 최정현 (한국전자통신원)
출처 / 오토저널 2024년 2월호 

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