래크와 피니언 개요 및 요목표 작성과 작동원리

안녕하세요. 메카럽입니다.

이번 포스팅에서는 자격증 시험은 물론 실무에서도 많이 사용되어지고 있는 래크와 그의 짝 피니언에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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래크와 피니언이란?

작은 톱니바퀴와 래크로 된 핸들 장치로, 핸들에 결합시킨 스티어링 샤프트 끝에 작은 톱니바퀴(피니언)가 있고, 피니언은 톱니 모양으로 제작된 둥근 막대(래크)에 맞물려 있어 핸들을 돌리면 피니언이 회전하여 래크를 좌우로 움직입니다.

이 같은 래크의 움직임을 타이 로드로 바퀴에 전해 바퀴가 좌우로 방향을 바꾸며 래크 앤드 피니언은 구조가 간단해서 강성이 높고, 확실한 핸들 감각을 얻을 수 있습니다. 또한, 스페이스(설치 공간)도 작게 잡아서 FF 차량에 많이 쓰이며 예민한 방향 전환을 할 수 있어서 고성능 차에 어울리지만, 노면으로부터의 킥백이 큰 것이 결점입니다.

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래크-피니언 동력 조향장치

▣ 래크와 피니언 동력 조향장치의 구조

기계식 래크-피니언 조향기어, 작동 실린더와 피스톤, 컨트롤밸브 기능을 하는 로터리 디스크밸브, 그리고 유압시스템(유압펌프, 압력제한밸브, 작동유 탱크)으로 구성되어 있으며 래크는 피니언에 의해 구동됩니다. 래크에 전달된 구동력은 래크의 양단으로 전달되어 래크 하우징이 바로 작동 실린더입니다. 작동 실린더는 피스톤에 의해 2개의 작동실로 분리되어 있으며 로터리 디스크 밸브(rotary disk valve) 또는 회전 피스톤밸브가 컨트롤밸브로 사용되어 토션-바의 한 쪽 선단은 컨트롤 부싱과 피니언에, 반대쪽은 조향축과 회전 슬리브(rotary sleeve)에 고정되어 있습니다. 또한, 회전 슬리브와 컨트롤 부싱이 결합하여 로터리 디스크밸브를 구성하고 컨트롤 부싱의 외주에 가공된 컨트롤 포트는 2개의 작동실, 유압펌프 및 작동유 탱크와 연결되어 있습니다.

 

▣ 작동원리

조향핸들을 우측으로 조향하면, 운전자의 물리적 조향력은 토션-바를 거쳐 피니언에 전달됩니다. 이때 토션-바는 반작용력에 해당하는 만큼 비틀림 응력을 받게 되어 약간 비틀리게 되는데 이 작용에 의해 회전슬리브는 자신을 감싸고 있는 컨트롤 부싱에 대해 약간 회전하게 됩니다. 그러면 컨트롤포트의 상대위치가 변화하게 되고 흡입 포트(L)는 압력상태의 작동유가 유입될 수 있도록 개방됩니다. 압력상태의 작동유는 유압펌프로부터 흡입 포트(L)를 거쳐 컨트롤부싱의 원주에 가공된 포트(M)로 흐르며 거기서 해당 작동실로 보내지게 됩니다. 조향방향에 따라 우측, 또는 좌측 작동실에 공급된 작동유는 작동피스톤의 양단에 작용하여 운전자의 조향력을 보완하게 됩니다. 조향핸들을 더 이상 돌리지 않으면, 토션-바와 로터리 디스크밸브는 중립위치로 복귀하게 되며 작동실로 통하는 컨트롤 포트는 폐쇄되고 작동유 복귀용 통로는 개방됩니다. 또한, 작동유는 펌프에서 컨트롤밸브를 거쳐 다시 작동유 탱크로 순환하게 됩니다.

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래크와 피니언 요목표

래크, 피니언 요목표
구   분		래크(품번 ① )	피니언(품번 ② )
기어 치형		표준
기준 래크	치형	보통 이
	모듈	□
	압력각	20˚
잇수		□	□
피치원 지름		-	□
전체 이 높이		□
다듬질 방법		호브 절삭
정밀도		KS B 1405, 5급

래크, 피니언 계산식

래크와 피니언의 요목표 항목 및 기타 계산식을 정리하였습니다.

원주 피치

P = M x π

치형 시작 치수(C)

C = P/2

래크 길이(L)

L = P x Z

기어 중심 거리(G)

도면에서 측정하여 기입

E	E = (Φ/2)+G , Φ : 축지름

K	도면에서 측정하여 기입

R	도면에서 측정하여 기입

피니언 피치원 지름

P.C.D = M x Z

피니언 바깥 지름

D = P.C.D + 2M

전체 이 높이

h = 2.25 x M

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래크와 피니언 제도법

① 잇봉우리원은 굵은 실선으로 표시합니다.

② 피치원은 가는 1점 쇄선으로 표시합니다.

③ 이골원 지름은 가는 실선으로 작도합니다.

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래크와 피니언 제도 예

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3D프린터를 활용한 래크&피니언 자동차 조향장치 

자동차 조향 장치가 어떤 방식으로 이루어지는지 쉽게 알 수 있는 동영상입니다. 동영상으로 보시면서 래크와 피니언 기어가 어떤 방식으로 기계장치에 활용되어지고 있는지 확인하시고 설계 시 활용의 폭을 넓혀보시기 바랍니다.

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이상으로 래크와 피니언기어에 대해 포스팅을 마무리 하도록 하겠습니다. 서두에 말씀드린 것 처럼 자격증 시험은 물론 실무에서도 많이 사용되어지고 있는 래크&피니언인 만큼 활용방법을 잘 파악하시고 활용하시기 바랍니다. 다음 포스팅에서는 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 체인과 스프로킷에 대해 알아보도록 하겠습니다.

오늘도 행복이 넘치는 하루 되세요.