절원형 수도꼭지의 개발

(Development of Water-Valve Saving Energy)

개발 배경

 일반적으로 온수를 사용하고자 할 때, 대부분의 사람들은 습관적으로 취출레버가 중앙에 놓여 있는 상태에서 윗방향으로 들어올려 물을 사용한다. 이 때 보일러는 물을 데우기 위하여 연료를 소비하며 작동하게 된다. 그러나 단시간의 사용에서는 온수를 틀어도 찬물이 나오게 된다. 사용자가 물을 사용하는 시간과 물이 배수관을 통해 나오는 시간차 때문이다. 보일러는 물을 데우기 위하여 작동하지만, 그 데워진 물이 배수관을 통하여 취출구를 통해 나오기 전에 이미 취출레버를 잠금으로써, 따뜻한 물을 사용하지 못하고 찬물을 사용하게 된다. 이 때 불필요한 에너지 소비가 이루어진다.

개발 원리

 잠겼을 때의 기본위치를 취출레버를 헬리컬 트랙을 따라 휠로 유도하여 항상 냉수쪽에 위치하게 하는 것이 기본 원리이다. 사용자가 물을 사용하고 난 후 취출레버를 아랫방향으로 내리게 되면, 헬리컬 트랙과 휠이 접촉하게 된다. 이로 인해 취출레버는 헬리컬 트랙을 타고 냉수방향 쪽으로 내려가게 됨으로써 사용하지 않는 상태에서 취출레버는 냉수방향에 위치해 있게 된다. 따라서 무의식적으로 취출레버를 위로 들어올려도 찬물쪽에 위치해 있으므로 에너지 소비가 없다.

작동 원리 및 구성

 위와 같이 구성된 수도꼭지의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

사용자가 물을 사용하고 난 후 취출레버를 아랫방향으로 내리게 되면, 헬리컬 트랙과 휠이 접촉하게 된다. 이로 인해 취출레버는 헬리컬 트랙을 타고 냉수방향 쪽으로 내려가게 됨으로써 사용하지 않는 상태에서 취출레버는 냉수방향에 위치해 있게 된다. 취출레버가 내려진 상태에서 헬리컬 트랙과 휠의 구속으로 인하여 취출레버가 온수방향으로의 이동을 막는다. 그러므로 사용자가 습관적으로 취출레버를 들어올릴 때 냉수의 위치에서 사용하게 함으로써 불필요한 보일러 작동을 막게 된다.

개발 효과

 물을 사용하고자 할 때, 취출레버를 무의식적으로 위로 들어올리는 습관이 있다. 그러나 이로 인해 불필요한 에너지 소비가 일어난다. 따라서 잠겼을 때의 기본위치를 취출레버를 헬리컬 트랙을 따라 휠로 유도하여 항상 냉수쪽에 위치하게 함으로써, 무의식적으로 위로 들어올려도 보일러는 작동하지 않으므로 불필요한 에너지 소비를 막을 수 있다.

또한 기존의 수도꼭지에 헬리컬 트랙과 휠을 설치하여 그 목적을 간단히 이룰 수 있다.

시제품 사진

개량형 차동장치의 개발

● 연구목적

 차동장치는 자동차에서 좌우바퀴의 회전차를 보정해 주는 역할을 하는데, 양쪽 바퀴에 작용하는 회전저항이 다를 때 저항이 작은 쪽으로만 회전력을 전달하는 문제점이 있다. 이를 보완하기 위하여 차동의 작용을 억제하는 차동제한장치가 사용되고 있다. 그러나 차 동제한장치는 구성이 복잡하고 고가이며, 부피가 커서 이를 설치하려면 차량의 구조를 변 경해야하므로 일부 고급차종에만 사용되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 이를 개선하여 일반차종에 쉽게 장착하여 사용할 수 있게 차동장치의 내부에 기어 유압식 차동제한장치 를 삽입한 개량형 차동장치를 개발하고자 한다.

● 연구방법

● 관련이론

   ■ 차동장치

 자동차가 커브길을 주행할 때는 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 더 큰 원을 그리기 때문에 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴의 회전차이를 보정해 주기 위한 장치가 필요하다. 차동장치는 이러한 기능을 수행하는 자동차의 필수 부품으로서, 몇 개의 기어 조합 만으로 하나의 동력전달축으로 들어오는 동력을 좌우 구동축에 분배해 주며, 두 축 사이의 속도 차이가 있어야 할 때는 자동적으로 회전차이를 보정해 주는 장치이다. 이러한 차동장치는 자동차의 변속기와 구동바퀴 사이에 설치되며, 만약 양쪽 바퀴 에 구동력 차이가 있을 때는 구동력이 작은 쪽으로 동력 전달이 일어나도록 되어 있다.

   ■ 차동장치의 문제점

 한쪽 바퀴가 진흙이나 눈길에 빠져 슬립이 일어나면 동력이 슬립이 일어난 바퀴 쪽으로만 전달이 되며, 다른 쪽 바퀴도 진흙에 빠진 바퀴와 토크가 같아져서, 결과 적으로 양쪽 바퀴 모두 구동력이 없기 때문에 차가 움직이지 못하게 된다.

1. Thrust shaft 2. Drive pinion gea 3. Ring gear 4. Cas
5. Differential pinion gear 6. Side pinion gear 7. Driving wheel

<차동장치의 개략도>

<차동장치의 문제점>

   ■ 차동제한장치(LSD : Limited slip differential)

한쪽 바퀴가 슬립되면 차동기능을 순간적으로 제한하고 반대쪽 바퀴의 구동력을 증대시켜주는 장치이다. 사용시 장점은 다음과 같다.

 1. 미끄러운 노면에서 차량의 출발이 용이하다.

 2. 미끄럼이 방지되어 타이어의 수명을 연장할 수 있다.

 3. 고속직진 주행시 안전성이 양호하다.

 4. 요철노면 주행 시에 차량의 흔들림을 방지할 수 있다.

주로 사용되는 차동제한장치의 경우 스프링의 탄성을 이용한다. 때문에 반복피로 에 따른 스프링 형상 변화와 시동 초기 스프링 작용력에 의한 구동력의 손실이 라는 문제점을 가진다.

● 유압식 차동제한장치의 작동원리와 부품 설계 및 제작

   ■ 작동원리

오일이 들어있는 밀폐된 공간에서 기어의 회전속도가 증가하면 오일의 압력이 증 가하게 되고, 증가된 오일의 압력에 의해 기어의 회전력이 감소하게 되는 원리를 이용.

■ 부품 설계 및 제작

<유압식 차동제한 장치의 구성>

<시제품 제작과 조립>

● 유한요소법을 이용한 유동 및 토크해석

● 실차실험