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실린더
실린더(cylinder)은 내연기관·증기기관·펌프 따위에서 피스톤이 왕복운동을 하는 부분이다.[1]
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개요[편집]
실린더는 내연기관·증기기관·펌프 따위에서 피스톤이 왕복운동을 하는 부분으로, 기통이라고도 한다. 또한 자기디스크 1장의 디스크면을 생각하면 동심원상에 수많은 트랙이 있다. 보통의 자기디스크는 여러 장의 디스크 또는 원판으로 구성되어 있으며, 1장의 디스크 면상의 트랙 상하에는 마찬가지로 몇 개의 트랙이 존재하고 있다. 이 세로 방향의 트랙의 집합을 하나의 원통과 같은 것이라 생각하여 이것을 실린더라고 하고 있다. 실린더는 헤드(head)의 이동이 없이 읽혀질 수 있는 트랙군을 가리킨다. 다중 판독기록 헤드가 부착된 자기디스크 장치에서는 각 헤드 아래의 모든 트랙이 정위치인 상태에서 판독 및 기록을 할 수 있다. 이 경우에 같은 위치의 트랙군을 실린더라고 한다. 근년에는 이너 실린더와 아웃 실린더를 가진 디스크도 있다.[2] 자기 디스크에서 레코드 판과 같이 생긴 정보 기록 면에 1개씩 있는 자기 헤드는 암(arm)에 의해 고정되어 있다. 이 암의 움직임에 의해 지정된 장소에 자기 헤드를 위치시키게 되는데, 이때 최상 면에서 최하 면까지 각각의 자기 헤드는 모두 같은 반지름을 가지는 트랙에 위치하게 된다. 저장 장치에서 접근 메커니즘의 이동 없이 읽어 들일 수 있는 영역. 이 용어는 디스크 파일에서 연유했으며, 한 실린더는 각 디스크 표면에 한 트랙으로 구성되어 실린더상의 트랙들에는 동시에 판독/기록 헤드가 놓일 수 있다.[3]
자동차의 동력으로서 쓰이는 가솔린 기관이나 디젤기관에서는 실린더 안에 연료를 공기와 함께 뿜어 넣고 점화·폭발시켜, 그 폭발력으로 피스톤을 움직인다. 증기기관에서는 실린더 내에 증기를 뿜어 넣고 그 압력으로 피스톤을 움직인다. 소출력일 때는 실린더 1개를 사용하지만, 출력을 높이기 위해서는 4개 또는 6개로 그 수를 늘리는 경우가 많다. 피스톤의 왕복 운동으로 생기는 진동을 방지하기 위하여 실린더를 여러 가지 모양으로 배치한다. 예를 들면, 실린더를 1열로 4개 늘어놓은 것은 4실린더 직렬형이라고 한다. 이밖에 실린더를 V형·X형·H형으로 늘어놓은 것 등 여러 가지가 있다. 실린더는 내열·내식성이 요구되며 보통 특수 주철로 만든다. 소형 가솔린 기관은 알루미늄 합금으로 만든다. 내연기관과 같이 고열이 되는 것은 냉각을 위해 실린더를 2중으로 하여 그 사이에 물을 흘려보내거나 실린더에 많은 핀을 달아 표면적을 늘려서 공기로 냉각한다. 실린더의 내면은 마모를 방지하기 위한 구조로 만들어져 있다. 실린더의 윗부분에는 실린더 헤드를 장치하고, 연료·공기·배기의 출입구 따위를 설치한다.[1]
분류[편집]
압력[편집]
공압 실린더란 공기를 압축시킨 것으로, 대기압까지 압축된 공기를 강제적으로 압축하여 압력을 높이고, 높아진 압력에서 얻어진 힘을 어떤 목적을 위해 대기압보다 압력을 높게 만드는 공기를 말한다.[4] 유압 실린더란 기름을 이용한 것으로, 가압 장치와 수압 장치를 설치하여 어떤 목적을 위해 구동 및 제어를 하는 것을 말한다.[4]
- 공압과 유압의 차이
공압과 유압의 차이점은 간단하게 에너지 동력원, 속도, 정밀도, 힘, 배관 구조, 위험성 등으로 볼 수 있다. 먼저 에너지 동력원에서 보면 공압은 대기중의 공기를 사용하므로 무제한 사용이 가능하고, 유압은 유압유를 사용하기에 별도 비용이 발생한다는 차이점이 있다. 속도는 공압이 더 빠르고 유압이 느리며, 정밀도는 공압이 더 안 좋은데 그 이유는 압력을 밸브를 통해 쉽게 조절 가능하며 유압에 비해 압축성이 크지만, 압력 변동이 쉬우므로 정밀도가 떨어지기 때문이다. 그에 비해 유압은 구동기기의 일정하고 정밀한 제어가 가능하므로 정밀도가 좋다. 또한 유압이 공압에 비해 무거운 하중에 부드럽고 안정적으로 움직일 수 있으므로 힘이 더 세다. 공압은 별도의 배출 배관이 필요 없으므로 배관 구조가 간단하며, 유압은 사용한 유압유를 재사용하기 위해 유압 탱크로 다시 보내야 하므로 배관구조가 복잡하다. 마지막으로 위험성은 공압이 더 낮은데 그 이유는 유압에 비해 화재 시 2차 사고 위험성이 낮고, 누수 걱정이 비교적 적어 청결하기 때문이다. 반면에 유압은 폭발 시 큰 사고가 일어날 수 있으며, 유압유 누수로 작업장 오염 가능성이 있기 때문에 위험성이 높다는 차이가 있다.[4]
피스톤[편집]
공압 실린더는 작동 형식에 따라 크게 단동 실린더와 복동 실린더로 나누어지며, 그 밖에 피스톤과 로드의 형식, 완충 장치 및 급유의 유무, 설치 방법 등에 따라 여러 종류가 있다. 또한 피스톤 형식에 따라 피스톤형, 램형, 비피 스톤형 등으로 분류되며 피스톤형은 일반적인 공압 복동 실린더와 같이 피스톤과 피스톤 로드를 갖춘 구조이다. 램형은 피스톤 직경과 로드의 직경의 차가 없는 가동부를 갖는 구조로서, 복귀는 자주이나 외력에 의해 이루어지며 공압용으로는 별로 사용되지 않는다. 비피 스톤형은 가동부에 다이어프램이나 벨로즈를 사용한 형식으로, 이 실린더는 미끄럼 저항이 적고 최저 작동 압력이 약 0.1 kgf/cm²정도로 낮은 압력에서 고감도가 요구되는 곳에 사용된다.[5]
작동 형식[편집]
작동 형식에 따라서는 단동 실린더, 복동 실린더, 차동 실린더로 분류되며, 단동 실린더는 한 방향 운동에만 공압이 사용되고, 반대 방향의 운동은 스프링이나 자중, 또는 외력으로 복귀된다.
- 단동실린더(Single acting cylinder): 한 방향의 운동에만 압축 공기를 사용하고 반대 방향의 운동에는 스프링이나 피스톤 및 로드의 자주 또는 외력에 의해 복귀시킨다. 이와 같은 실린더는 스프링 때문에 행정 거리가 제한되는데 보통 150mm 정도가 최대 행정 길이이다. 주요 용도로는 클램핑, 프레싱, 이젝팅 등의 용도에 사용된다.
- 복동실린더(Double acting cylinder): 압축 공기를 양측에 번갈아가며 공급하여 피스톤을 전진 운동 시키거나 또는 후진 운동을 시키는 실린더이다. 따라서 전진 운동 시나 후진 운동 시 모두 일을 할 수 있다. 실린더의 운동 속도가 빠르거나, 실린더로 무거운 물체를 움직일 때에는 관성으로 인한 충격으로 실린더가 손상을 입게 된다. 이와 같은 문제를 방지하기 위한 것이 쿠션 붙이 실린더로 피스톤 끝 부분에 쿠션 기구를 장착한 실린더가 있다. 원리는 피스톤이 헤드커버나 로드커버에 닿기 전에 쿠션링이 공기의 배출 통로를 차단하여 공기는 교축된 좁은 통로를 통해 빠져 나가므로 배압이 형성되므로 실린더의 속도가 끝단에서 감소하게 된다.
- 차동 실린더(Differential Cylinder): 복동 실린더와 원리가 같은데, 실린더의 단면적과 로드 측의 단면적 비가 2:1로 일정하며, 전진과 후진 시의 실린더 면적 차를 출력하며 이동하는 실린더이다.
로드 형식[편집]
로드의 형식에 따라 편 로드형과 양 로드형으로 분류되며, 공압 실린더는 피스톤 로드가 없는 형식도 있는데, 로드가 없는 실린더라고 해서 로드 실린더라고 불린다.
- 양 로드 실린더(Double rod cylinder): 피스톤 로드가 양쪽에 있는 실린더로써, 피스톤 로드를 잡아주는 베어링이 양쪽에 있어 왕복 운동이 원활하며, 로드에 걸리는 황하 중에도 어느 정도 견딜 수 있다. 또한 운동 부분에 리밋 스위치 등 검출용 기구를 설치할 수 없는 곳에는 작업을 하지 않는 반대측에 설치할 수 있고, 실린더가 전진 시와 후진 시 낼 수 있는 힘이 같다는 이점이 있다.
- 템덤 실린더(Tendem - cylinder): 두 개의 복동 실린더가 서로 나란히 연결된 복수의 피스톤을 갖는 공압실린더이다. 두 개의 피스톤에 압축 공기가 공급되기 때문에 피스톤 로드가 낼 수 있는 출력은 2배가 된다. 텐덤 실린더는 공압 실린더가 사용압력이 낮아 출력이 작기 때문에 실린더의 직경은 한정되고, 큰 힘을 필요로 하는 곳에 사용된다.
- 로드리스 실린더: 일반 공압 실린더의 피스톤 로드에 의한 출력 방식과는 달리 피스톤의 출력을 요크나 마그넷, 체인 등을 통하여 스트로크 범위 내에서 일을 한다. 따라서 로드 리스 실린더를 사용하면 설치 면적이 극소화 되는 장점이 있으며, 전진 시와 후진 시의 피스톤 단면적이 같아 중간 정지 특성이 양호한 이점도 있다. 로드 리스 실린더는 최근 그 사용이 확대되고 있다. 이 종류로는 슬릿 튜브식, 마그넷식, 체인식이 있으며, 슬릭 튜브식은 일명 밴드식이라 불리며, 실린더 튜브에 슬릿이 있고, 피스톤은 요크를 통하여 튜브 외부의 테이블이 직결되어 있다. 이 형식의 실린더는 실밴드가 슬릿부에 화스너와 같이 끼어 들어간 방식과 마그넷으로 실 밴드를 실린더 튜브에 끌어들이는 방식 등에 의해 슬릿부의 누설을 방지한다. 특징은 피스톤과 요크, 테이블이 견고히 고정되어 있기 때문에 내하 중성이 뛰어난 반, 구조상 누설을 완전히 방지할 수 없다. 마그넷식 형식은 피스톤과 이동자에 각각 링 형식의 마그넷을 수개 조 조립하여 마그넷의 흡인력으로 이동자 또는 테이블을 이동시키는 구조로서 피스톤은 공압으로 작동하며 마그넷의 힘에 의해 이동자와 함께 실린더 튜브 외주를 섭동하면서 이동하는 동작을 한다. 마그넷의 특징은 피스톤과 이동자의 기계적인 연결이 업기 때문에 공기의 누설이 전혀 없으나 기계적 결함이 아니고 마그넷의 힘에 의한 결함이기 때문에 외부 스토퍼 등에 의한 부하 정시 시에는 피스톤과 이동자의 이탈 현상이 발생할 우려가 있다.[6]
- 공압 실린더는 공기의 압력 에너지를 직선적인 기계적 힘이나 운동으로 변환시키는 작동 요소로, 공압 기술은 이 공압 실린더를 이용한 기술이라고 표현해도 과언이 아닐 만큼 많은 비중을 차지하고 있다. 그러므로 공압 메이커들은 각양각색의 공압 실린더를 개발 제작하여 매우 많은 종류의 실린더를 시판하고 있다. 공압 실린더는 자동화의 직선 운동 기기 중 가장 많이 사용하는 기기로 그 종류는 의외로 많고 구조적으로도 여러 가지가 있다. 실린더의 구조는 실린더 튜브, 피스톤, 피스톤 로드, 헤드 커버, 로드 커버, 체결 로드 등으로 구성되어 있으며 대부분의 공압 실린더는 이 기본 구성 요소를 사용 목적에 따라 바꾸거나 또는 다른 기능을 부가해서 여러 종류의 실린더로 만드는 것이다.
- 피스톤: 공기 압력을 받는 실린더 튜브 안에서 미끄럼 운동을 하며, 때로는 고속으로 헤드 커버에 충돌하기도 하여 충분한 강도와 내마모성이 요구된다. 피스톤 둘레에는 피스톤과 튜브 사이를 실링하는 패킹이 압입되고, 패킹의 구조에 따라 피스톤이 분할 구조로 된 것도 있지만 일반적으로는 단일체로 되어 있고, 재질은 부하 정도에 따라 회주철, 강, 플라스틱, 알루미늄, 합금 등이 사용된다.
- 피스톤 로드: 작용하는 부하에 따라 압축, 인장 굽힘, 진동 등의 하중에 견딜 수 있는 충분한 강도와 내마모성이 요구된다. 재질로는 S35C 이상의 합금이 사용되며, 특수강 , 스테인리스 등도 특수 용도로 사용되며, 합금강을 사용할 때는 표면에 경질 크롬 도금을 하고 표면 거칠기 1.6S 이하로 하여 내마모성의 향상, 부식 방지 및 패킹 마모를 줄인다. 피스톤 로드는 충격력이나 굽힘 모멘트를 받아 파손될 우려가 있으므로 응력 집중이 발생하지 않도록 하여야 하며, 행정거리(Stroke)가 긴 경우 좌굴이 생기므로 설계 상 설치 면에서 고려해야 한다.
- 실린더 튜브: 피스톤 움직임을 안내하는 것으로, 피스톤의 미끄럼 운동 및 내압이 걸리므로 내마모성과 내압성이 요구된다. 이와 같은 기계적 성능을 높이기 위하여 실린더 튜브도 20um 정도의 경질 크롬 도금하고 그 표면을 1.6S 이하의 표면 거칠기로 가공한다. 재질로는 탄소 강관 이외에 주철, 포금, 황동, 알루미늄 합금, 스테인리스 및 플라스틱 튜브도 사용된다.
- 헤드 커버·로드커버: 실린더의 튜브의 양 단에 설치되어 피스톤 행정의 위치를 결정한다. 완충 기구가 내장된 것은 이 헤드 커버 부분에 설치되어 있고, 피스톤 로드를 지지하고 있는 피스톤 로드 부싱과 로드 실용 패킹이 장착되어 있으며 재질로는 부하에 따라 중 부하에는 아연, 알루미늄 합금, 주철, 황동, 청동 등이 사용되며 중 부하의 경우 합금강이 사용된다.
- 체결 로드: 헤드 커버가 받는 공압이나 충격력을 견딜 수 있도록 충분한 강도를 가져야 하기 때문에 주로 합금강이 사용된다.[7]
배치 방식에 따른 엔진[편집]
엔진의 각 실린더 크기를 키우면 기통당 배기량이 늘어나게 된다. 이는 실린더 내에서 한 번에 연소되는 연료의 양이 늘어나기 때문에 출력이 높아지는 것을 말한다. 하지만 단순히 기통당 배기량을 키우는 것은 문제가 있다. 연소실 안에서 연소가 일어날 때는 전체가 한꺼번에 연소가 이루어지는 것이 아니라 점화 플러그의 불꽃에 불이 붙는 곳부터 순차적으로 연소가 확산된다. 즉 기통 당 배기량을 키우면 연소실 용적이 커져 전체에 불이 붙는 데 시간이 걸리기 때문에 불완전 연소나 연소 지연의 발생으로 연소 효율이 낮아져 회전수를 높이기가 어려워진다. 이로 인해 다기통 엔진과 실린더를 배치하는 여러 방식이 등장하게 되었다. 해당 엔진에 요구되는 출력에 따라 총 배기량을 구하고, 그에 맞는 기통 수와 배치 방식이 결정된다. 보통 기통수가 커질수록 정숙성이나 고속 회전을 요구하는 차량에 유리하다. 일반적으로 차량에 사용되는 기통수는 3기통, 4기통, 5기통, 6기통, 8기통, 12기통, 16기통이 사용되고, 실린더의 배치 방식은 직렬형, V형, W형, 수평 대향형 등이 있다.
직렬형[편집]
직렬형은 실린더 배치 방식의 가장 기본적인 형태로 크랭크 축의 축 방향을 따라 실린더가 일렬로 나열된 모습을 가지며 보통 4기통, 6기통이 일반적이다. 실린더 블록구조가 단순하며 진동 특성이 우수하고 또한 가격이 저렴하다. 하지만 기통 수가 늘어나면 엔진의 전장이 길어져 자동차에 장착하는 것이 어려워진다. 또한 직렬형은 단순한 구조로 인해 엔진 제작에 있어 가장 필수적인 요건 중 하나인 경량/소형화에 가장 용이한 방식이기 때문에 일반 상용차에서부터 고출력의 스포츠 차량까지 널리 사용되는 타입이다. 특히 직렬 6기통의 경우에는 길이가 길어지는 단점이 있지만, 고성능 엔진으로서 우수한 특성을 가지고 있어 비엠더블유(BMW)나 최근 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)에서도 직렬 6기통을 장착한 고성능 차량을 선보이고 있다.
V형[편집]
V형 엔진은 직렬 엔진이 기통수가 많아지면 길어진다는 단점을 보완하기 위해 실린더를 두 줄로 배열하는 방식이다. V형에는 사용된 기통수를 뒤에 결합하여 V6, V8, V12로 표현하기도 한다. 두 줄로 겹쳐지면서 확보된 공간을 활용하여 실린더 사이즈를 키우거나 간격을 조정하여 연소 효율과 출력을 높이기 용이해진다. 이로 인해 큰 배기량의 고출력 엔진으로 대형차나 스포츠카에 장착이 이루어지고 있다. V형은 하나의 크랭크 축을 공유하며 각각의 열을 뱅크라고 하고 뱅크와 뱅크 사이의 각도를 뱅크각 이라고 한다. 일반적으로 45, 60, 90도의 각도를 가지며 90도의 각도를 가지는 엔진을 L형 엔진이라고도 부른다. 직렬형에 비해 길이를 줄이긴 용이하지만 폭이 커지고 구조가 복잡해지는 단점이 있다. 또한 복잡한 구조로 무게가 높아져 자유롭게 사용하기는 쉽지 않다.
수평 대향형[편집]
수평 대향형 또는 복서형은 V형의 방식에서 뱅크각을 180도로 하여 실린더가 서로 수평으로 마주 보게 한 것이다. V형 엔진은 마주하는 실린더가 크랭크축과 하나의 크랭크핀을 모두 공유하지만 복서형은 크랭크축만을 공유하며 각각 다른 크랭크핀에 물려서 작동을 하는 특징을 가진다. 이로 인해 복서형은 마주 보는 실린더의 상승과 하강이 서로 동일하게 움직이게 된다. 따라서 운동에너지의 밸런스가 더욱 우수하며 V형에 비해 진동 특성이 좋고 엔진 회전이 부드러워 스포츠카 엔진에 적합하다. 또한 엔진의 높이가 낮아져 차량의 중심을 낮춘 고속 설계에 유리하다. 하지만 폭이 넓어져서 엔진 배치가 어렵고 구조가 복잡하여 생산 비용이 높다. 이로 인해 실제로 수평 대향형이 적용된 엔진을 장착한 차량을 찾아보기는 힘들며 포르쉐(Porsche)와 스바루(Subaru)가 대표적으로 복서 방식의 엔진 타입을 적용한 차량을 생산하고 있다.
W형[편집]
W형 엔진은 V형 엔진을 양쪽으로 둔 4개의 뱅크 열을 가진 형태와 V형과 직선형을 합친 모양의 3개의 뱅크 열을 가진 형태로 크게 나눌 수 있다. 기존의 형태보다 가로방향 길이를 더욱 줄여 공간 확보와 엔진의 소형화에 용이하다는 장점이 있다. 이로 인해 V형에 비해 출력과 토크를 쉽게 높일 수 있어 대 배기량과 고출력에 가장 적합한 엔진 형태 중 하나이다. 하지만 엔진의 균형이 좋지 않기 때문에 진동 감소에 어려움이 따르고 구조가 복잡해지기 때문에 가격이 매우 비싸다. 현재는 폭스바겐(Volkswagen AG)이나 벤틀리(Bentley Motors) 등의 고성능 플래그십 차량이나 스포츠카에서 쓰이는 방식으로 가장 강력한 자동차 중 하나인 부가티 베이론(Bugatti Veyron 16.4)도 W형 엔진을 장착하고 있다.[8]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 〈실린더〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈실린더〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈실린더〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 4.0 4.1 4.2 idlgf, 〈공압과 유압시스템의 차이점〉, 《네이버 블로그》
- ↑ 메카럽, 〈공압실린더의 종류-1/2〉, 《티스토리》, 2020-08-01
- ↑ 가야할길, 〈공압실린더의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2008-05-25
- ↑ 메카럽, 〈공압 실린더의 구조〉, 《티스토리》, 2020-07-30
- ↑ 휠라이프, 〈"실린더 배열" - 자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-22
참고자료[편집]
- 〈실린더〉, 《네이버 지식백과》
- 〈실린더〉, 《네이버 지식백과》
- 〈실린더〉, 《네이버 지식백과》
- 가야할길, 〈공압실린더의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2008-05-25
- 메카럽, 〈공압실린더의 종류-1/2〉, 《티스토리》, 2020-08-01
- idlgf, 〈공압과 유압시스템의 차이점〉, 《네이버 블로그》
- 메카럽, 〈공압 실린더의 구조〉, 《티스토리》, 2020-07-30
- 휠라이프, 〈"실린더 배열" - 자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-22
같이 보기[편집]
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