캠축

캠축(camshaft)

캠축(camshaft)은 엔진을 구성하는 부품 중 하나로, 밸브를 여닫는 각 실린더의 캠을 하나로 모은 축이다. 단면이 계란형인 복수의 캠이 이어진 형태로, 회전의 중심과 둘레까지의 거리는 일정하지 않다. 영어로 캠샤프트라고 한다.

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상세

캠축은 다수의 캠을 1개의 축에 집적시켜 일체로 만든 것이다. 캠축은 캠의 형상 및 배열에 의해 정해진 순서에 따라, 정확한 시기에, 밸브의 상하 왕복운동을 실행한다. 그리고 밸브-스프링에 의해 밸브가 닫히도록 할 수 있어야 한다. 캠축에 따라서는 배전기와 연료펌프 구동기어 그리고 연료펌프 구동용 편심캠을 갖추고 있다. 캠축에는 크랭크축으로부터 타이밍 체인 등에 의해 회전이 전해진다. 4행정 기관에서는 크랭크축이 2회전하는 동안 캠축은 1회전한다. 캠축에는 보통 배전기나 연료펌프를 구동하는 기어나 캠이 붙어 있다. 캠 표면의 곡선은 약간만 변화해도 각 밸브의 개폐 시기나 리프트가 달라져 기관의 성능에 영향을 미치므로 장시간 사용해도 휘지 않도록 주철을 사용한다. 더 구체적으로는 구상흑연주철 또는 흑심가단주철(all-black malleable casting iron)으로 주조하거나 강철을 단조하여 만든다. 그리고 캠과 베어링저널은 표면을 경화하여 내마멸성을 증대시킨다. 동일한 재료로 주조하거나 단조하여 일체로 만든 형식이 주류를 이루고 있으나, 캠을 따로 만들어 철제 파이프에 조립한 조립식 캠축도 사용되고 있다.

역사 및 진화

12세기 이슬람 제국시대에 과학자이자 예술가로 활동한 알 자자리(Al Jazari)가 1206년 그의 저서인 『독창적 기계장치에 대한 지식의 서』를 출판했을 때, 회전운동을 왕복운동으로 바꿀 수 있는 기구에 대한 설명이 포함되어 있었다. 이것이 바로 캠축이었다. 이 발명은 타원형 돌출부가 부착된 축으로 구성되었는데, 원형이 아니기 때문에 이 캠들은 축이 회전할 때 마치 진동하는 것처럼 보인다. 캠축은 중세 시대의 여러 기술에서 중요한 역할을 했다. 예를 들면 풍차와 물레바퀴에서 캠축은 회전력을 이용하여 옥수수를 갈거나 나무를 톱질하거나 금속을 두드리는 데 필요한 에너지로 전환시켰다. 현대에 이르러 캠축은 여러 방면에서 내연기관의 핵심 요소로 잘 알려지게 되었다. 내연기관에서처럼 캠을 밸브 옆에 위치시키는 경우, 캠축이 회전하면서 캠의 가장 긴 끝을 아래로 누르면 축이 한번 회전할 때마다 밸브가 열린다. 엔진의 각 연소실에서 연료가 폭발하면 연소된 연료와 공기의 혼합물이 확장하면서 축에 연결된 피스톤을 구동시킨다. 피스톤의 운동은 차를 추진시키거나 혹은 짐을 드는 등 여러 가지 일을 하는 데 필요한 에너지로 전환된다.

적용

자동차

4행정 기관에서 흡배기 밸브를 개폐하기 위해 캠축을 설치한다. 승용차용 기관의 고성능화에 따라, 그 최고회전수를 높이고 연소실의 구형화를 시도한 결과 흡배기 밸브의 설치나 구동방법이 달라졌다. 즉, 종래의 밸브기구는 오버헤드밸브(OHV; Over Head Valve)라고 해서 단순히 흡배기 밸브만이 실린더 헤드에 설치되어 있으며, 캠축은 크랭크축으로부터 기어에 의해서 동력을 전달받는 관계상 실린더의 측면에 놓여 있었다. 그런데 이 구조로는 캠축에서 밸브까지의 거리가 너무 멀어서 운동 부분의 관성중량이 커지므로 기관의 회전수를 높일 수 없는 난점이 있었다. 때문에 개량방법으로 캠축의 위치를 실린더의 상부로 옮긴 하이캠축 방식을 채택하여 그 목적을 이루게 되었다. 그리고 기계공작 기술의 발달에 따라, 종래에는 경주용차나 항공용 기관 외에는 사용하지 않던 오버헤드 캠샤프트(OHC)방식을 승용차에도 사용하기 시작하였다. 이것은 캠축에서 직접 흡배기 밸브를 개폐하는 방법이며, 운동부분이 극히 가벼워지므로 기관의 고속회전이 가능해져, 성능의 향상을 도모할 수가 있다. 그러나 캠축이 기관의 상부에 붙는 관계로 크랭크축으로부터 회전력을 얻을 때 기어식으로는 기구가 복잡해지므로 체인을 사용하지만, 내구성이나 소음문제에 설계상의 고충이 있었다.

원리

구성

연료가 되는 혼합기가 연소실에 흡입되는 것은 실린더 헤드의 흡기 포트에서, 연소가스의 배출은 배기 포트에서, 각 포트를 개폐시키는 밸브의 작동은 캠에 의해서 이루어진다. 캠은 오버헤드 캠샤프트(OHC; Over Head Cam Shaft) 및 더블 오버헤드 캠샤프트(DOHC; Double Over Head Cam Shaft) 엔진에서 실린더 헤드 속에 있는 캠축에 장착되어 있다. 캠축에는 흡배기 밸브와 같은 수의 캠이 각각의 밸브 개폐시기가 알맞은 각도로 배열되어 있다. 4행정 기관에서 흡기 밸브와 배기 밸브가 열리는 것은 크랭크축 2회전당 1회의 비율이기 때문에 캠축은 이에 맞추어 크랭크축 2회전당 1회전하도록 설정되어 있다. 캠의 돌출부분을 코에 비유하여 캠 노즈(Cam Nose) 또는 로브(Lobe)라고 하며, 그 높이를 캠 리프트(Cam Lift)라고 한다. 또한 밸브는 리프트만큼만 열리기 때문에 그 열림 정도는 캠의 형태에 따라 결정되며, 밸브의 개폐시기는 노즈의 돌출이 시작되어 끝나기까지의 각도인 작동 각도에 따라 결정된다. 밸브가 닫혀 밸브 시트에 밀착될 때는 가능한 한 충격이 적어야 하기 때문에 캠은 달걀과 같은 단면 형상으로 되어 있다. 밸브는 밸브 스프링에 의해 항상 닫히는 방향으로 힘이 가해지고 있으며, 캠 노즈로 스프링을 눌러 밸브를 열기 때문에 캠의 회전속도가 빨라져 밸브의 관성력이 커지면 밸브의 왕복운동이 캠 회전을 따라갈 수 없게 된다. 이 한계에 도달한 회전속도가 엔진의 최고 회전속도가 되는 경우가 많기 때문에 캠의 프로파일(Cam Profile)은 매우 중요하다. 캠 노즈 부분은 밸브를 개폐시키는 밸브 리프터와 로커 암(Rocker Arm)과 강하게 마찰되기 때문에 표면은 내마멸성이 있어야 한다. 캠축은 주철로 만들어져 있고 주조할 때에 칠(Chill)이라는 것으로 노즈 부분을 급랭하여 표면의 조직이 경화되어 있다. 캠 노즈와 캠축을 지지하는 캠 저널(Cam Journal)을 윤활하려는 목적의 급유 방법에는 외부 급유와 내부 급유의 2가지 경우가 있다. 외부 급유에는 저널에서 오일을 분출시키는 것 등이, 내부 급유에는 캠축에 구멍을 뚫어 캠과 저널 부분의 중앙에 오일을 보낸다. 또한 캠축을 경량화 하기 위해 내부를 중공으로 하여 급유에 이용하는 타입도 있다.

구동방식

오버헤드 캠샤프트(OHC) 엔진에서 크랭크축은 실린더 블록 아래에, 캠축은 위에 있기 때문에 크랭크축의 회전을 체인과 벨트를 이용하여 전달할 필요가 있다. 흡배기 밸브의 움직임은 크랭크축의 회전과 타이밍이 정확하게 맞도록 하는 것이 중요하기 때문에 경주용차의 엔진에서는 정확성을 기할 목적으로 기어를 나열하여 전달하는 경우도 있다. 체인에 의해 회전을 전달할 때 이에 맞물리는 기어를 스프로킷(sprocket)이라 하며, 크랭크축에 장착되어 있는 것을 크랭크 스프로킷, 캠축에 장착되어 있는 것을 캠 스프로킷이라 부른다. 체인에 의해 캠축을 구동하는 장치는 크랭크 스프로킷의 톱니 수와 캠 스프로킷의 톱니 수를 1：2로 하여 둘을 체인으로 연결한 것으로 체인의 인장을 일정하게 유지하는 체인 텐셔너와 흔들리지 않게 하는 체인 가이드가 장착되어 있다. 이 하나의 체인으로 감속하는 방법을 더블 오버헤드 캠샤프트(DOHC) 엔진에 적용한 경우 캠 스프로킷이 톱니 수에 의해 직경이 커지기 때문에 캠축의 간격, 나아가 흡배기 밸브의 간격이 넓어지게 된다. 그렇기 때문에 연소실이 콤팩트한 엔진에는 이 방식을 사용할 수 없기 때문에 개발된 것이 스프로킷을 하나 더 중간에 장착하여 감속함으로써 직경이 작은 캠 스프로킷에 전달하는 방법이 2단 감속 방식이다. 타이밍 벨트(timing belt) 방식은 체인 대신 벨트에 톱니를 붙인 코그 벨트(cogged belt)를, 스프로킷 대신 풀리를 사용한다. 이 경우 캠축 끝에 장착되어 있는 스프로킷과 풀리에는 밸브 개폐시기를 나타내는 타이밍 마크가 각인되어 있기 때문에 타이밍이라는 이름을 앞에 붙여 부른다. 크랭크축에 장착되어 있는 것이 크랭크 타이밍 풀리(crank timing pulley)이며, 캠축에 장착되어 있는 것이 캠 타이밍 풀리(cam timing pulley)이다. 이 방식도 체인의 경우와 같이 직접 감속과 2단 감속이 있다. 오버헤드 캠샤프트 엔진은 오랫동안 체인 구동이 사용되어 왔으나 오늘날에는 벨트 구동이 주류를 이루고 있다. 이것은 체인 구동의 단점으로 오래 사용하는 경우에 체인이 늘어나 타이밍이 틀려지게 되는 것, 소음이 큰 것, 윤활이 필요한 것 등이 벨트 구동에 의해 해결되었기 때문이다. 그러나 벨트는 섬유와 고무로 이루어져 있기 때문에 열과 기름에 취약하여 이들의 영향을 받으면 끊어질 염려가 있어 10만km에 교환하는 것이 일반적이다. 한편 승용차 엔진에서는 대부분 타이밍 벨트(timing belt)나 체인(chain)으로, 상용차 엔진에서는 대부분 헬리컬 기어(helical gear)를 서로 치합시켜 캠축을 구동한다.

• 타이밍 벨트 : 전달해야 할 구동력이 비교적 작은 경우에 사용한다. 구동 벨트는 가볍고, 소음이 적고, 윤활이 필요 없으며, 또 구동기어를 열처리할 필요가 없고 생산원가가 저렴하다는 장점이 있다. 구동벨트(＝타이밍-벨트)는 구동력을 전달하는 핵심이 되는 와이어를 고무로 감싸고 추가로 이(tooth)를 성형한 구조이다. 초기장력을 조정한 다음에는 추가로 장력을 조절할 필요가 없으나 오일이나 그리스가 묻지 않도록 해야 하며, 접어서 보관해서는 안 된다.
• 체인 : 큰 구동력을 전달해야 하고, 정확한 개폐시기를 반드시 유지해야 할 필요가 있을 경우에 사용한다. 유압식 또는 스프링식 장력조절기를 사용하여 구동 체인(＝타이밍-체인)의 장력이 항상 일정하게 유지되도록 한다. 그리고 장력조절기(tensioner)가 설치되는 반대쪽엔 체인-가이드(chain guide)를 설치하여 체인의 진동과 소음을 방지하는 방법을 사용한다.
• 기어 : 아주 큰 토크를 정확하게 전달할 수 있다. 크랭크축과 캠축의 거리가 가까운 경우, 또는 큰 토크를 전달해야 하는 경우에 사용한다. 크랭크축-기어와 캠축-기어를 직접, 또는 아이들-기어를 사이에 두고 치합시킨다. 구동 기어로는 스퍼(spur) 기어보다 소음 감소 기능이 우수한 헬리컬(helical)기어를 사용하며, 캠축-기어 재질로는 금속, 합성수지 또는 합성섬유도 사용된다.

참고자료

• 〈캠샤프트〉, 《위키백과》
• 〈캠축 ( camshaft )〉, 《두산백과》
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• 〈Ismail al-Jazari〉, 《Wikipedia》
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• 꼬마신사, 〈DOHC엔진 캠 샤프트〉, 《네이버 블로그》, 2012-06-26
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• BaDo, 〈{엔진} (캠축)설명〉, 《네이버 블로그》, 2015-04-11
• 꽃선비, 〈(자동차 부품) 특수강 소재 주요 자동차 부품 종류〉, 《네이버 블로그》, 2016-12-04
• 555, 〈#1 밸브장치 중 하나인 캠샤프트 의 구동〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-28
• 호야, 〈스포티지 타이밍벨트 셋트교환 + 오토밋션오일교환(장비순환식) + 인젝터크리닝(동와셔교환)〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-19

같이 보기

• 캠
• 크랭크
• 크랭크축
• 내연기관

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