[메카넘 구동 시스템 (4)] 메카넘 휠 설계기술(1) / 메카넘 휠의 기본 구성
[메카넘 구동 시스템 (4)] 메카넘 휠 설계기술(2) / 다양한 종류의 자유 롤러
그림 7과 같이 두 개의 반쪽짜리 롤러 쌍이 하나의 롤러와 같은 역할을 하는 분리식 자유 롤러도 있다. 이때 자유 롤러를 지지하는 림 휠의 홀이 하나밖에 없으므로 자유 롤러 양쪽을 지지하는 일반적인 메카넘 휠보다 더 큰 전단력을 받게 된다. 하지만 그림 7(b)와 같이 림 휠의 설계가 단순하고 제작하기 편리하여 생산 비용이 저렴하기 때문에 가벼운 하중을 지지하는 단순한 메카넘 구동 시스템(그림 8)에서 많이 활용된다.
▲ 그림 7. 분리식 자유 롤러와 림 휠
▲ 그림 8. 분리식 롤러를 사용한 경량형 메카넘 구동 시스템
메카넘 구동 차량이 주행 도중에 노면의 기울어짐이나 요철에 의해 차량에 롤(roll) 각이 생기는 경우, 지면과의 접지력이 낮아져 구동 효율성이 저하된다. 그래서 이를 보조하고 동시에 림 휠의 손상을 방지하기 위해 그림 9와 같이 자유 롤러 양 끝단에 조그마한 롤러를 추가하기도 한다. 또한, 림 휠 간의 간격을 좁히게 되어 고하중 적재물에 대한 자유 롤러 축의 처짐을 작게 할 수 있다.
▲ 그림 9. 자유 롤러 끝단에 설치된 보조 롤러
메카넘 휠의 기구학적 설계·림 휠
메카넘 휠 설계에서 림 휠은 자유 롤러보다 상대적으로 중요도가 작다. 자유 롤러는 지면에 맞닿아 직접적으로 구동력을 전달하게 되므로, 자유 롤러의 형상이나 재료에 따라 메카넘 구동 시스템의 구동력 및 접지력이 많이 좌우된다. 그래서 먼저 상대적으로 중요한 요소인 자유 롤러가 설계되고, 그 후 자유 롤러가 어떻게 설계되느냐에 따라 림 휠의 설계가 이루어진다.
그림 10(a)의 일런(Bengt Erland Ilon)의 메카넘 휠에서 볼 수 있듯이, 초창기의 메카넘 휠은 자유 롤러를 별도의 브래킷에 결합하여 이를 림 휠에 부착하는 조립형 방식으로 제작되었다. 조립형 방식은 생산 공정이 많아 제작비가 많이 들며, 롤러나 브래킷이 파손될 경우가 많아 보수유지비가 많이 든다. 그래서 최근에는 림 휠을 방사형으로 제작한 후, 끝단을 꺾거나 파내고 자유 롤러를 결합하는 일체형 방식을 일반적으로 사용한다.
▲ 그림 10. 조립형과 일체형 메카넘
림 휠의 형상은 자유 롤러를 설계하는 방법과 무관하게 조립형 및 일체형 모두 조립 가능하도록 설계할 수 있다. 하지만 일체형 림 휠은 조립형보다 더 높은 강도와 강성을 가진다. 따라서 일체형 림 휠은 변형에 강하며 더 높은 하중을 견딜 수 있다. 최근에는 생산기술이 더욱 발전함에 따라 림 휠을 일체형으로 만드는 것이 더욱 편리하고 경제적이다. 그래서 최근 생산되는 대부분의 림 휠은 강성이 큰 일체형으로 제작되고 있다.
김종식 교수 _ 부산대 기계공학부
