크랭크축

크랭크축(crankshaft)

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

개요

크랭크축은 크랭크와 연결되어 왕복운동과 회전운동 간의 변환을 수행하는 기계요소다. 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.

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

조건은 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 암 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 : 커넥팅 로드 대단부와 결합하는 부분으로 피스톤의 왕복 에너지를 전달받는다.
• 크랭크 암 : 크랭크축의 메인 저널과 핀 저널을 연결하는 부분이다.
• 평형 추 : 크랭크축의 평형을 유지하기 위한 부분이다.

형식

4실런더 형

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

1. 동력이 같은 간격으로 발생하도록 한다.
2. 크랭크축에 비틀림 진동이 발생하지 않도록 한다.
3. 인접한 실린더에 연이어서 폭발이 발생하지 않도록 한다.
4. 혼합가스가 각 실린더에 동일하게 분배되게 한다.

6실린더 형

직렬형 6실린더 크랭크축에서는 메인-저널이 대부분 7개이며, 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.

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 도금하였다. 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.

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

• 피스톤
• 크랭크

이 크랭크축 문서는 자동차 부품에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.

자동차 : 자동차 분류, 자동차 회사, 한국 자동차, 독일 자동차, 유럽 자동차, 미국 자동차, 중국 자동차, 일본 자동차, 전기자동차, 자동차 제조, 자동차 부품 □■⊕, 자동차 색상, 자동차 외장, 자동차 내장, 자동차 전장, 자동차 부품 회사, 배터리, 배터리 회사, 충전, 자동차 판매, 자동차 판매 회사, 자동차 관리, 자동차 역사, 자동차 인물 자동차 부품 계기 • 레저보어(리저버) • 레저보어 탱크(리저버 탱크) • 보조장치 • 부품 • 비순정부품 • 소모품 • 순정부품 • 스프링 • 아세이(어셈블리) • 옵션 • 운전장치 • 자동차 부품 • 정품 • 케이블 • 튜닝 • 파이프 • 햅틱 • 호몰로게이션 차대(섀시) 3 in 1 • VIN • 강선 • 강판 • 공차 (오차) • 공차 (자동차) • 공차중량 • 단차 • 드레인홀 • 롤링섀시 • 모노코크 • 바디 • 바디온프레임 • 배분중량 • 보일러 • 섀시 • 소자 • 에어백 모듈 • 연결모듈 • 오일 • 오일팬 • 워터펌프(냉각수 펌프) • 인버터 • 인클로저 • 중량 • 차대(섀시) • 차대번호 • 차량 총중량(GVW) • 철판 • 촉매장치 • 충전기 • 캐빈룸 • 캡오버 • 컨버터 • 크러시존(크럼플존) • 프레임 • 프로펠러 • 플러그 • 히트펌프 엔진 2기통 • 4기통 • 5기통 • 6기통 • 7기통 • 8기통 • 10기통 • 12기통 • 16기통 • 18기통 • 20기통 • LPDI엔진 • LPG엔진 • LPI엔진 • OHV • PS • rpm • V형엔진 • 가솔린엔진 • 가스터빈 • 공랭식 엔진 • 기화기 • 내연기관 • 냉각수 • 냉각장치 • 냉각제 • 냉각팬 • 냉간상태 • 노즐 • 다기통 • 디젤엔진 • 라디에이터 • 마력 • 배기밸브 • 밸브 • 봄베 • 부동액 • 분사 • 석유엔진 • 선박 엔진 • 수랭식 엔진 • 수소탱크 • 수소터빈 • 수평대향 엔진 • 슈퍼차저 엔진 • 스로틀바디 • 스로틀밸브 • 실린더 • 싱글터보 • 양자엔진 • 엔진 • 엔진룸 • 엔진마운트 • 엔진오일 • 엔진제어장치 • 연료분사기 • 연료시스템 • 연료전지 • 연료주입구 • 연료탱크 • 연료파이프 • 연료펌프 • 연료필터 • 열기관(열원동기) • 왕복기관 • 외연기관 • 원동기 • 원자력기관 • 원형봄베 • 자동차 엔진 • 자연흡기엔진 • 점화케이블 • 점화플러그 • 제트엔진 • 증기기관 • 증기터빈 • 직렬엔진 • 최고출력 • 최대토크 • 캠 • 캠축(캠샤프트) • 커넥팅로드(연결봉) • 크랭크 • 크랭크축 • 탱크 • 터보랙 • 터보엔진 • 터보차저 • 터빈 • 토크 • 트윈터보 • 파워팩 • 플라이휠 • 피스톤 • 피스톤 엔진 • 항공기 엔진 • 흡입밸브 모터 고정자(스테이터) • 교류모터 • 교류발전기 • 구동모터 • 구동모터 최대출력 • 동기모터 • 듀얼모터 • 모터 • 모터룸 • 발전기 • 시동모터 • 싱글모터 • 용단 • 유도모터 • 인휠모터 • 인휠시스템 • 인휠헥사모터 • 직류모터 • 직류발전기 • 축전지 • 코일 • 토크컨버터 • 트라이모터(트리플모터) • 퓨즈 • 퓨즈박스 • 퓨즈풀러 • 필라멘트 • 회전자(로터) • 회전축 구동장치 4매틱 • AWD 디스커넥터 • B-ISG • HTRAC • IGBT • PE모듈 • TCU • xDrive • 가변축 • 가속기 • 가속기 (자동차) • 감속기 • 공회전 속도조절 장치 • 공회전 제한 장치(ISG) • 구동 • 구동벨트 • 구동장치 • 구동축 • 기어(톱니바퀴) • 기어박스 • 기어비 • 기어오일 • 다운시프트 • 동력전달장치 • 뒷차축(리어액슬) • 듀얼클러치 • 무단변속기 • 미션 • 미션오일 • 배전기 • 벨트 • 변속기 • 사륜구동 • 앞차축(프런트액슬) • 업시프트 • 이륜구동 • 전륜구동 • 전축 • 종감속기어 • 차동기어(디퍼런셜) • 차동장치 • 차축(액슬) • 추진축 • 축 • 클러치 • 타이밍벨트 • 파워트레인 • 프로펠러 샤프트 • 후륜구동 • 후축 조향장치 경사각 • 너클암 • 너클 조인트 • 로어암 • 사륜조향 • 스러스트 • 스러스트 각 • 스티어링(조향장치) • 스티어링너클(너클) • 스티어링박스 • 스티어링 샤프트 • 스티어링암 • 어퍼마운트 • 어퍼암 • 전경각 • 전륜조향 • 조향축 • 캐스터 • 캠버 • 캠버각 • 킹핀 • 킹핀 경사각 • 킹핀 오프셋 • 토우 • 후경각 • 후륜조향 • 휠 밸런스 • 휠 얼라인먼트 제동장치 ABS • EBD • HHC • 경사로 밀림 방지 • 드럼브레이크 • 디스크 브레이크(디스크 로터) • 미끄럼 방지장치 • 베이퍼로크 • 보조제동장치(BA) • 브레이크드럼 • 브레이크라이닝 • 브레이크슈 • 브레이크 어시스트 시스템 • 브레이크오일 • 브레이크패드 • 슈팅 브레이크 • 오버라이드 • 오토홀드 • 전자식 제동력 분배(EBD) • 제동장치(브레이크) • 캘리퍼 • 클램프 • 클램핑력(클램프력) • 트랙션 컨트롤 시스템(구동력 제어장치) 서스펜션 가변댐퍼 • 고무부싱(러버부싱) • 기계식 서스펜션 • 댐퍼(제진기) • 더블위시본 서스펜션 • 마운트 • 매직 바디 컨트롤 • 부싱 • 서스펜션(현가장치) • 서스펜션암(컨트롤암) • 쇼크업소버 • 스트럿 서스펜션 • 액티브 서스펜션 • 에어매틱 • 에어서스펜션 • 에어스프링 • 전자제어 서스펜션 • 주파수 감응형 댐퍼 • 코일스프링 • 판스프링 • 플레이너 시스템 • 하시라 • 하이드로 부싱 • 현가상질량 • 현가하질량 흡배기장치 매연저감장치 • 배기 • 배기음 • 배기장치 • 배출 • 에어덕트 • 흡기 • 흡기장치 • 흡배기 • 흡배기장치 • 흡입 위키 : 자동차, 교통, 지역, 지도, 산업, 기업, 단체, 업무, 생활, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반