크랭크축

크랭크축(crankshaft)

크랭크축(crankshaft)은 증기기관이나 내연기관 등에서 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 기능을 하는 축이다. 영어로 크랭크샤프트(crankshaft)라고 한다.

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개요

크랭크축은 크랭크와 연결되어 왕복운동과 회전운동 간의 변환을 수행하는 기계 요소이다. 내연기관에서 크랭크축은 실린더 블록의 아래쪽 반원 부분에 메인 저널 베어링의 상반부가 설치되고, 하반기는 엔진 블록에 볼트로 설치되는 베어링 캡으로 지지가 된다. 크랭크축은 동력 행정에서 얻은 피스톤의 동력을 회전운동으로 바꾸어 엔진의 출력을 외부로 전달하고 흡입, 압축, 배기 행정에서는 피스톤에 운동을 전달한다. 크랭크축은 큰 하중을 받으면서 고속 회전을 하므로 강도나 강성이 충분하고 내마멸성이 크며 정적 및 동적평형이 잡혀 원활하게 회전되어야 한다. 크랭크축 형상은 실린더 수, 메인 베어링 수,행정의 크기, 실린더 배열, 점화 순서에 의해 정해진다.

기능

• 커넥팅-롯드로부터 전달되는 힘을 회전 토크로 변환시킨다.
• 회전 토크의 대부분을 플라이휠을 통하여 클러치에 전달한다.
• 동력 행정 이 외의 행정에서는 역으로 피스톤에 운동을 전달한다.
• 회전 토크의 일부를 이용하여 밸브 기구, 오일펌프, 배전기, 발전기, 그리고 형식에 따라서는 연료공급장치와 냉각 펌프 등을 구동시킨다.

조건

커넥팅-롯드와 피스톤은 크랭크축에 의해 행정마다 가속과 감속을 교대로 반복한다. 따라서 크랭크축에는 큰 가속력이 및 원심력이 작용한다. 여러 종류의 힘이 작용하기 때문에 크랭크축에는 휨과 비틀림이 발생하고 또 회전 진동의 영향을 받는다. 그리고 마찰 부분 즉, 저널들은 추가로 마멸되게 된다. 크랭크축은 이와 같은 가혹한 부하 조건을 감당하기 위해 충분한 기계적 강도와 동적 및 정적인 평형, 내피로성, 내마멸성, 그리고 탄성이 있어야 한다.

재료

재료는 합금강 또는 질화강, 구상흑연주철 등이 주로 사용된다. 크랭크축은 무엇보다도 내피로성과 내마멸성이 있어야 한다. 강을 재료로 하는 크랭크축은 형타 단조 방식으로 제작되므로 기계적 강도가 우수하다. 반면에 구상흑연주철을 재료로 하는 경우엔 진동 흡수성이 우수하다. 최근에는 엔진의 고속화 경향으로 피스톤 행정과 실린더 안지름 비가 적어지는 단 행정 엔진으로 제작함으로 인해 메인 저널과 크랭크 핀의 중심거리가 짧고 크랭크축의 강성이 높은 것이 요구된다.

구조

구조는 일체식과 조립식이 있고 자동차용은 주로 일체식을 사용한다. 크랭크축의 회전중심을 형성하는 축 부분을 메인 저널, 커넥팅로드 대단부와 결합하는 부분을 크랭크 핀, 메인 저널과 크랭크 핀을 연결하는 부분을 크랭크 암이라고 한다. 그리고 환전 평형을 유지하기 위해 크랭크 암에 둔 평형추 등으로 되어 있다. 크랭크축 앞 끝에는 캠축 구동용의 타이밍 기어 또는 타이밍 벨트 구동용 스프로킷과 물 펌프 및 발전기 구동을 위한 크랭크축 풀리가 설치되어 있으며, 뒤쪽에는 플라이휠 설치를 위한 플랜지와 변속기 입력축 지지용 파일럿 베어링을 끼우는 구멍이 있다. 내부에는 커넥팅로드 베어링으로 기관 오일을 공급하기 위한 오일 구멍 및 오일 통로가 있고, 크랭크 케이스의 오일 누출을 방지하기 위한 오일 실을 두고 있다.

• 메인 저널 : 크랭크축의 회전중심을 형성하는 축 부분으로 블록에 직접 장착된다.
• 크랭크 핀 저널 : 커넥팅로드 대단부와 결합하는 부분으로 피스톤의 왕복 에너지를 전달받는다.
• 크랭크 암 : 크랭크축의 메인 저널과 핀 저널을 연결하는 부분이다.
• 평형 추 : 크랭크축의 평형을 유지하기 위한 부분이다.

형식

4실린더형

직렬 4기통 기관의 크랭크축에서는 메인 저널의 수가 3개 또는 5개이나 현재는 5개가 대부분이다. 5-메인-저널 형식은 크랭크 핀의 양쪽에 각각 메인 베어링이 설치되므로 휨 토크를 적게 받는다. 따라서 3-메인-저널 형식에 비해 크랭크축을 가늘게 제작해도 되므로, 그만큼 진동이 적고, 정숙 운전이 가능하게 된다. 크랭크 핀의 정렬 상태는 1번과 4번, 2번과 3번 크랭크 핀이 같은 위상이 되도록 정렬하는 방식인 좌수식과 4개의 크랭크 핀 모두를 일직선상에 정렬하는 방식인 우수식이 있다. 전자가 주로 많이 사용된다. 크랭크 핀은 180˚의 위상차를 지니고 있다. 직렬 4실린더 기관은 제1번 피스톤이 하강 행정을 하면 제4번 피스톤도 하강 행정을 하고, 제2번과 제3번 피스톤은 상승행정을 한다. 따라서 제1번의 피스톤이 흡입행정을 하게 되면 제4번 피스톤은 폭발행정을 한다. 이때 제2번 피스톤이 압축행정을 하게 되면 제3번 피스톤은 배기 행정을 한다. 이에 따라 4개 실린더가 크랭크축 720도 회전하여 1 사이클을 완성한다.

점화순서 고려 사항

• 동력이 같은 간격으로 발생하도록 한다.
• 크랭크축에 비틀림 진동이 발생하지 않도록 한다.
• 인접한 실린더에 연이어서 폭발이 발생하지 않도록 한다.
• 혼합가스가 각 실린더에 동일하게 분배되게 한다.

6실린더형

직렬형 6실린더 크랭크축에서는 메인 저널이 대부분 7개이다. 크랭크 핀은 1번과 6번, 2번과 5번, 3번과 4번이 같은 위상에 있으며, 크랭크 풀리 쪽에서 보았을 때 3번과 4번의 크랭크 핀이 좌측에 있는 형식을 좌수식, 우측에 있는 형식을 우수식이라 한다. 각각은 120˚의 위상차를 지니고 있다. 점화 순서가 1-5-3-6-2-4인 우수식 크랭크축에서는 제1번 피스톤이 폭발행정을 시작한다면 제6번 피스톤은 흡입행정을 시작한다. 제5번 피스톤은 압축행정의 중간 정도이며, 제2번 피스톤은 배기 행정의 중간이 된다. 이때 제3번 피스톤은 흡입행정의 끝 부분이며, 제4번 피스톤은 폭발행정의 끝 부분에 위치한다.

6실린더 V형

60도 V형 6실린더 기관의 크랭크축은 1번~6번의 크랭크 핀이 6방향으로 나누어져 있다. 각 크랭크 핀이 이루는 각도는 1번과 2번, 3번과 4번 및 5번과 6번이 60도이고 2번과 3번 및 4번과 5번은 180도를 이룬다. 이것은 좌우 실린더의 뱅크각도를 60도로 하였기 때문에 폭발 간격을 크랭크축 각도로 120도마다 일어나도록 하기 위해서는 크랭크 핀을 60도 오프셋 시키지 않으면 안 된다. 60도 V형 6실린더 기관의 점화 순서는 1-2-3-4-5-6 으로 되어 있다. 60도 V형 6실린더 기관의 실린더 배열은 오른쪽에서 흡수, 왼쪽에서는 짝수의 실린더가 60도의 각도를 두고 배열되어 있다. 60도 V형 기관도 직렬 6실린더 기관과 마찬가지로 크랭크축 회전각도 120도마다 점화 폭발하므로 점화 순서를 정하는 데는 오른쪽의 3개의 실린더와 왼쪽 3개의 실린더로 나누어 생각하면 된다. 즉 3실린더 기관이 2개 있는 것으로 생각하여 먼저 오른쪽 3실린더 기관의 점화 순서를 정한다.

정렬	3실린더	4실린더	5실린더	6실린더
크랭크핀 정렬방식
1계 크랭크 정렬 (좌수식)
2계 크랭크 정렬 (우수식)

크랭크축 베어링

조건

• 부하 부담 능력 : 연소압력과 단위체적 당 출력이 증가함에 따라 기관 베어링에 가해지는 하중이 많이 증가하였다. 수년 전만 해도 크랭크 핀 베어링은 약 11~13kPa 정도의 부하를 받았으나 오늘날은 약 41kPa 이상의 부하를 받는 것도 많다. 따라서 크랭크축 베어링은 이와 같은 부하에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도가 있어야 한다.
• 내피로성 : 크랭크축 베어링에는 부하가 반복적으로 가해지므로, 즉 반복응력이 작용하므로 변형되고 경화되어 심하면 균열 또는 파손되게 된다. 크랭크축 베어링은 이와 같은 피로에 저항하는 성질이 충분해야 한다.
• 매입성 : 매입성이란 베어링의 마찰 면에 유입된 이물질을 베어링 마찰층 자체 내에 묻어버리는 성질을 말한다. 마멸에 의한 금속분말, 또는 외부에서 유입된 단단한 이물질 등이 베어링 마찰층에 매입되지 않으면 베어링 마찰 면은 물론이고 크랭크 저널도 손상되게 된다. 따라서 베어링은 하중을 부담할 수 있는 충분한 기계적 강도를 가지고 있으면서도 이물질을 매입할 수 있는 능력을 갖추고 있어야 한다.
• 순응성 : 순응성은 매입성과 연관이 있다. 예를 들면, 축에 하중이 가해져 축이 조금 휘었다면 베어링의 마찰 면 중 일부분에만 하중이 크게 걸리게 될 것이다. 이때 하중이 크게 걸리는 부분의 베어링 금속이 하중이 크게 걸리지 않는 부분으로 밀려나 다시 베어링의 마찰 면 전체에 균일한 하중이 가해진다. 이와 같은 성질을 순응성이라 한다. 크랭크축 베어링은 순응성이 있어야 한다.
• 내식성 : 연소생성물 중에는 부식성 물질이 포함되어 있으며 또 윤활유 자체도 일부 산화되므로 베어링은 내부식성이 있어야 한다.
• 내마멸성 : 크랭크축 베어링은 매입성과 순응성이 있으면서도 내마멸성이 있어야 한다.

구조

크랭크축 베어링은 크랭크축을 지지하는 메인 베어링과 커넥팅 롯드 대단부와 크랭크 핀 사이에 끼워지는 핀 베어링으로 구성되며, 주로 분할형의 평면 베어링이 사용된다. 베어링이 장착되는 베어링 새들(bearing saddle)은 크랭크 케이스의 일부로서 메인 베어링 캡과 함께 진원을 이루어 베어링이 설치되게 되어있다. 이때 새들과 메인 베어링 캡이 이루는 원은 모두 직경이 같으며 또 일직선상에 정렬되어 있다. 그리고 또 베어링의 움직임을 방지하기 위해서 베어링 뒷면의 한쪽에는 돌기를, 캡과 새들에는 홈을 파두고 있다. 크랭크축의 축 방향 운동을 제한하는 스러스트 베어링(thrust bearing)은 메인 베어링과 일체로 되어 있는 형식과 분할형이 있다. 스러스트 베어링은 보통 크랭크축 중앙의 메인 베어링 또는 제일 뒤쪽의 메인 베어링에 함께 설치된다.

3층 베어링

도금형 3층 베어링

두께 약 1.5mm 정도인 강제의 셀(shell)에 하중 부담 능력이 뛰어난 구리합금을 약 0.2~0.3mm 두께로 녹여 붙이고 그 위에 다시 화이트메탈의 마찰층을 두께 약 0.012~0.020mm로 아주 얇게 도금한다. 화이트 메탈 층은 매입성과 길들임성이, 구리합금 층은 비상 운전 특성이 좋다. 표면의 마찰층은 아주 얇지만 가능한 한 기관의 전 사용기간 동안 그대로 유지되어야 한다. 따라서 화이트메탈의 마찰층이 중간층으로 매입되는 것을 방지하기 위하여 화이트 메탈 층과 중간층 사이에 니켈-댐(nickel dam)을 둔 것이 많다. 중간층은 마찰층이 마멸되면 부분적으로 또는 완전히 표면층의 기능을 대신하게 된다.

분사형 3층 베어링

분사형 3층 베어링은 중간층까지는 도금형과 그 구조와 재질이 같다. 그러나 표면의 마찰층으로는 내마멸성이 우수한 금속을 음극선 분사 방식으로 중간층 위에 균일하게 분사하였다. 베어링에 가해지는 부하가 아주 클 때 마찰 면의 내마멸성이 아주 우수해야 하므로 이 형식의 베어링을 사용한다. 이 베어링에서도 니켈-크롬(NiCr) 층은 마찰층과 중간층이 잘 접합되도록 하는 기능을 한다.

밸런싱

정적 밸런싱

정적 밸런싱(static balancing)은 회전원판은 어느 방향으로든지 무게평형이 이루어져 어떤 위치에서도 정지할 수 있어야 한다. 이 경우 이 회전체는 정적 밸런싱 되어 있다고 말할 수 있다. 모멘트 G1의 질량편차 m1이 회전원판의 가장자리에 위치하고 있다면 회전원판은 m1이 회전중심의 수직방향 하부에 이를 때까지 회전하게 된다. 이때 m1의 정반대 위치에 m1과 같은 질량의 추 m2를 추가하면 중량편차는 보상되고 언밸런싱(unbalancing)은 수정된다.

동적 밸런싱

동적 밸런싱(dynamic balancing)은 정적 밸런싱 된 원판을 연장하여 축의 형태로 하고 질량 m1, m2를 축선방향으로 이동하여 배치한다. 이렇게 해도 축은 여전히 정적 밸런싱 상태에 있다. 그러나 축을 빠른 속도로 회전시키면 질량 m1, m2에 작용하는 원심력이 축 중심선에 직각방향으로 회전모멘트를 발생시키게 된다. 이 회전 모멘트에 의하여 축은 진동하게 되는데, 이 상태를 동적 언밸런싱이라 한다. 질량 m1, m2 각각의 정반대 위치에 동일 질량의 추 m1′, m2′를 추가하면, 원심력 Fc1, Fc2와 크기가 같고 위치와 방향이 정반대인 원심력 Fc1′, Fc2′가 발생하게 되어 축은 진동 없이 정숙하게 회전하게 된다. 이제 축은 동적으로 밸런싱된 상태이다.

참고자료

• 〈크랭크축〉, 《위키백과》
• 〈크랭크축〉, 《네이버 지식백과》
• 〈크랭크축-베어링〉, 《네이버 지식백과》
• 김군, 〈크랭크축 구조〉, 《다음 블로그》, 2015-02-10
• 김군, 〈직렬 4실린더 기관의 크랭크축 및 점화순서〉, 《다음 블로그》, 2015-02-12
• 김군, 〈직렬 6실린더 기관의 크랭크축 구조〉, 《다음 블로그》, 2015-02-13
• 김군, 〈60도 V형 6실린더 기관의 크랭크축〉, 《다음 블로그》, 2015-02-14
• 카바조, 〈(카바조) 자동차 상식 #6. 크랭크 축이란?〉, 《네이버 블로그》, 2018-03-13

같이 보기

• 크랭크
• 피스톤
• 4기통
• 6기통
• 실린더
• 베어링

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