크랭크

크랭크(crank)는 왕복운동을 회전운동으로 바꾸거나 그 반대의 일을 하는 기계 장치이다.

개요

크랭크는 돌아가면서 다른 부분의 운동 방향이나 시간을 바꿀 수 있는 굽은 굴대이다. 이것은 원운동을 왕복 운동 또는 그 반대로 변환하는 데 사용된다. 팔은 축의 구부러진 부분이거나 팔 또는 디스크가 부착된 별도의 부분일 수 있다. 피벗으로 크랭크의 끝부분에 부착된 막대는 일반적으로 연결봉이라고 한다. 크랭크에 부착된 막대의 끝은 원운동으로 움직이지만, 다른 쪽 끝은 일반적으로 선형 슬라이딩 운동으로 움직이는 것이 제한된다. 왕복 엔진에서 피스톤의 직선운동을 커넥팅로드를 통해 회전운동으로 변환 시켜 주는 크랭크는 주철로 주조하여 만든 뒤 베어링 부를 연마하여 제작한다. 고성능 엔진의 경우 고압 주조 혹은 단조를 통해 만들며 경량화를 위해 중공 주조를 하는 경우도 있다. 커넥팅로드가 물리는 대단부 베어링, 주 회전중심이 되는 메인 베어링, 그리고 진동 상쇄와 회전 밸런스를 맞추기 위한 카운터 웨이트로 이루어져 있다. 일반적인 직렬/브이(V) 형 엔진들은 크랭크축이 1축이지만, 특수한 경우 2축 이상 장착되기도 한다.

원리

크랭크 메커니즘의 작동 원리는 자전거를 타는 동안 발생하는 과정과 비교할 수 있다. 사이클리스트는 페달을 번갈아 가며 드라이브 스프로킷을 회전시킨다. 피스톤의 선형 운동은 실린더에서 비티시(BTC)의 연소에 의해 제공된다. 스파크가 적용되는 순간 에이치티에스(HTS)가 강하게 압축되어 날카로운 밀기가 형성되는 이유인 미세 폭발 하는 동안 가스가 팽창하여 부품이 가장 낮은 위치로 밀린다. 커넥팅로드는 크랭크축의 별도 크랭크에 연결된다. 관성뿐만 아니라 인접한 실린더의 같은 프로세스로 인해 크랭크축이 회전한다. 피스톤은 가장 낮은 지점과 위쪽 지점에서 얼지 않는다. 회전하는 크랭크축은 변속기 마찰 표면이 연결된 플라이휠에 연결된다. 작동 스트로크의 스트로크가 끝난 후 모터의 다른 스트로크를 실행하기 위해 피스톤은 메커니즘 샤프트의 회전으로 인해 이미 움직이고 있다. 인접한 실린더에서 작동 스트로크의 스트로크를 실행하기 때문에 가능하다. 흔들림을 최소화하기 위해 크랭크 저널이 서로 오프셋 된다.

크랭크 기구

크랭크 기구

엔진은 출력을 끌어내는 열기관 외에도 크랭크 기구, 밸브 기구, 혼합기 형성 기구, 점화장치, 냉각장치 등 다양한 부속 장치들로 이루어져 있다. 그중 크랭크 기구는 크랭크를 포함한 크랭크 암, 크랭크 핀 등으로 구성된 기본적인 기계요소를 일컫는다. 크랭크는 어떤 한 점을 중심으로 하여 회전운동을 하는 것으로 크랭크 축과 커넥팅로드를 이용해 회전운동과 왕복운동을 변환하는 대표적인 장치 중 하나다. 기계를 이루는 단위 부품 중 하나로 자동차용 엔진뿐 아니라 선박 자전거 등에서도 널리 사용되고 있다. 크랭크 축과 커넥팅로드 등을 이용해 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환시키는 크랭크 기구는 자전거의 페달을 예로 들면 쉽게 이해할 수 있다. 자전거 페달을 밟는 동작을 옆에서 바라보면 다소 좌우로 움직이기는 하지만 기본적으로 상하 왕복 운동을 한다. 이러한 페달과 다리의 위치가 피스톤/커넥팅로드의 역할을 하며 페달과 회전운동을 연결하는 부분이 크랭크축에 해당한다. 즉, 페달을 밟으면 무릎은 아래로 내려가고 그러면 페달이 크게 원을 그리고 자전거의 디스크와 체인이 회전한다. 이에 따라 직선 운동이 회전 운동으로 바뀌면서 자전거를 앞으로 나아가게 하는 것이다.

구조

크랭크 기구 구조

크랭크 기구는 크게 피스톤, 커넥팅로드, 크랭크축, 크랭크 암, 크랭크 핀으로 구성되어 있다. 피스톤의 직선운동은 커넥팅로드와 연결된 크랭크 핀으로 전달되어 크랭크 암 반경의 원운동을 하며 크랭크 축을 회전시킨다. 크랭크 축을 따라 연결된 피스톤은 조금씩 다른 각도를 이루어 구동되는 것을 알 수 있다. 이는 실린더가 여러 개 있는 기관에서 크랭크 암의 방향을 서로 다른 각도만큼 어긋나게 하는데, 이를 크랭크 각이라고 하며 실린더가 많은 경우에 생기는 축의 불균형을 상쇄시킨다. 또한, 크랭크축은 직렬 또는 브이 형 엔진과 같이 엔진 타입에 따라 형상이 달라지기도 한다. 이러한 형태는 보통 실린더의 배치와 점화 순서에 의해 결정이 되는데, 대부분의 4기통 엔진은 180°의 형태를 이루며 브이 형 엔진의 경우 90°를 기본으로 하며 때에 따라 180°를 적용하는 경우도 있다. 크랭크 기구는 연소과정을 통해 생성된 에너지를 회전운동으로 변환시키고 차례로 플라이휠, 클러치 및 동력 장치로 에너지를 전달하는 중요한 장치이다.

크랭크 기구
크랭크 저널	크랭크축 회전 중심부에 해당하는 주축 베어링으로 지지가 되는 부분
크랭크 핀	커넥팅로드가 설치되는 크랭크축 부분
크랭크 암	크랭크 축과 크랭크 핀을 연결하는 마디 부분
커넥팅로드	피스톤과 크랭크축을 연결하는 봉
피스톤	실린더 안을 왕복하며, 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 회전력을 발생시키는 부분

자전거 크랭크

자전거 크랭크

자전거에서 말하는 크랭크는 다리의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸어 체인으로 힘을 전달하도록 하는 장치이다. 즉, 페달과 체인링이라고 생각하면 된다. 크랭크는 큰 힘이 걸리기 때문에 알루미늄 합금, 티타늄, 탄소섬유, 크롬몰리, 철 등으로 만든다. 자전거의 크랭크는 매우 여러 가지 규격이 있다. 자전거 시장이 발달하면서 라이더들의 니즈도 세분됐고, 그에 따라 여러 모델이 등장하게 됐다.

콤팩트 크랭크 vs 스탠더드 크랭크

크랭크는 앞 드레일러인 변속기와 한 몸이라 할 수 있는데, 체인이 큰 쪽 톱니에 걸리면 더 빨리 달릴 수 있는 대신 힘을 많이 줘야 하고 작은 쪽 톱니에 걸리면 힘이 덜 드는 대신 달리는 속도가 느려진다. 크랭크의 안쪽 작은 톱니는 이너(Inner), 바깥쪽 큰 톱니는 아우터(Outer)라고 부른다. 스탠더드와 콤팩트는 톱니바퀴의 수를 의미한다.

1. 스탠더드 크랭크 : 53/39 (혹은 그 이상)
2. 콤팩트 크랭크 : 50/34

여기서 큰 숫자는 아우터의 톱니 개수이고 작은 숫자는 이너의 톱니 개수이다. 스탠더드 크랭크는 콤팩트보다 힘을 더 많이 줘야 하는 크랭크이기 때문에 스탠더드 크랭크의 숫자가 콤팩트보다 더 크며, 그 대신 더 빨리 달릴 수 있다. 콤팩트 크랭크는 힘을 덜 쓰는 대신 상대적으로 느리다. 그렇다면 빨리 달릴 수 있는 스탠더드가 좋은 것 아니냐는 의문이 생길 수 있지만, 꼭 그렇지는 않다. 스탠더드 크랭크는 더 많은 힘이 필요하므로 충분히 적응하지 못한 상태에서 사용하면 체력 관리 실패로 오히려 기록이 나빠진다. 특히 업힐 구간에서는 모두가 힘들기 때문에 콤팩트 크랭크의 작은 톱니 개수로 편하게 올라가는 것이 유리할 수 있다. 체력과 지구력이 선수들만큼 강력하다면 스탠더드 크랭크가 더 좋을 수도 있다. 하지만 자전거를 취미로 타는 동호인들이라면 콤팩트 크랭크를 선택하는 쪽이 낫다.

	콤팩트 크랭크	스탠더드 크랭크
기어비	34 - 50T	42 - 53T, 42 - 52T, 39 - 53T, 39 - 52T
특징	* 스탠더드보다 힘이 조금 약하다. * 평지에서 조금 불리하다. * 오르막 주행이 좀 더 유리하다. * 오르막 주행 시 스탠더드에 비해 약한 힘으로 누를 수 있어서 무릎에 무리가 적게 간다.	* 콤팩트에 비해 힘이 좀 더 강하다. * 오르막 주행이 조금 불리하다. * 오르막 주행 시 강한 힘으로 눌러야 하기 때문에 무릎에 무리가 갈 수도 있다.
비고	숙련자에게는 자신에 맞는 크랭크를 사용하면 되지만, 초보 사용자와 일반 사용자에게는 무릎에 무리가 덜 가는 콤팩트 크랭크를 추천한다고 한다.

크랭크의 사점

사점이란 운동 전달 방식 때문에 어느 순간 부하가 걸리지 않아 힘이 전달되지 않는 구간을 말하는데, 쉽게 말해서 자전거를 탈 때 페달이 6시, 12시 방향에 있을 때 이러한 현상이 나타난다. 사람은 다리를 뻗는 힘으로 페달링을 하게 되는데 페달이 6시나 12시 방향 근처를 지나갈 때 순간적으로 양쪽 다리 어느 곳에도 부하가 걸리지 않아 힘 전달이 어려운 구간이 생기게 된다. 이는 우리 몸의 구조와 크랭크의 힘 전달 방향이 일치하지 않기 때문에 생기는 현상이다. 다시 말해 사람이라면 어쩔 수 없다는 것이다. 회전마다 이런 구간이 반복된다는 건 일반적으로 매우 지치는 일이다. 여기서 일반적이라고 말하는 이유는 이를 극복하기 위한 페달링 방법과 특수한 신발이 고안되었고, 연습을 통해 어느 정도 완화가 가능하기 때문이다. 자전거를 탈 때 사점의 영향을 크게 느낄 수 있는 경우는 가속할 때와 언덕을 오를 때이다.

참고자료

• 〈크랭크〉, 《제타위키》
• 〈크랭크 (기계)〉, 《위키백과》
• 〈크랭크〉, 《나무위키》
• 알렉산더 팔 첸코, 〈엔진 크랭크 메커니즘 : 장치, 목적, 작동 방식〉《아브토타키》, 2020-10-19
• 휠라이프, 〈'크랭크 기구 - 직선운동을 회전운동으로'〉, 《네이버 포스트》, 2017-05-25
• 〈콤팩트 크랭크와 스탠더드 크랭크〉, 《티스토리》, 2016-06-24
• tuvero, 〈(자전거) 크랭크의 사점에 관하여.〉, 《스티밋》

같이 보기

• 크랭크축
• 실린더
• 피스톤
• 엔진

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