크랭크축이란? | 크랭크샤프트의 작동 원리

크랭크축이란?

크랭크 샤프트는 엔진의 커넥팅 로드가 부착되는 일련의 크랭크와 크랭크 핀으로 구성된 크랭크 메커니즘에 의해 구동되는 샤프트입니다. 왕복운동과 회전운동을 변환할 수 있는 기계 부품입니다.

이 커넥팅 로드의 주요 목적은 피스톤의 왕복 운동을 흡수하여 크랭크축에 전달하는 것입니다. 크랭크축이 커넥팅 로드에 의해 움직이면 그 움직임을 회전 운동으로 변환하고 플라이휠을 회전시켜 차량 바퀴를 계속 움직입니다.

크랭크가 없으면 왕복 피스톤 엔진은 피스톤 왕복 운동을 구동축으로 전달할 수 없습니다. 간단히 말해서 왕복 엔진은 크랭크 샤프트 없이 차량을 움직일 수 없습니다.

다양한 엔진은 서로 다른 크랭크축 회전 수로 전원 주기를 거칩니다. 예를 들어, 2행정 엔진은 크랭크축이 1회전한 후에 전원 주기가 완료되고 4행정 엔진은 크랭크축이 2회전한 후에 전원 주기가 완료됩니다.

크랭크축은 용접, 반통합 또는 일체형일 수 있습니다. 엔진의이 구성 요소는 엔진의 출력 섹션을 입력 섹션에 연결합니다.

크랭크는 회전 운동 에너지의 형태로 출력을 공급하는 링크 역할을 합니다. 피스톤은 커넥팅 로드를 통해 크랭크 중심에 연결됩니다. 크랭크 암은 피스톤이 크랭크축을 회전시켜 차량을 움직이는 힘을 생성하도록 합니다.

 

크랭크축의 작동 원리

기본적으로 크랭크축은 피스톤의 선형 운동을 회전으로 변환하는 간단한 작업을 수행합니다. 그것은 자전거의 크랭크 암과 같은 역할을 하며 다리의 상하 운동을 회전으로 바꾸는 역할을 합니다.

원리는 간단하지만 고성능 엔진에 관해서는 많은 복잡성이 있습니다. 연료의 연소는 피스톤을 실린더를 통해 직선으로 쏘고, 기본적으로 실린더에서 피스톤을 앞뒤로 흔들어 이 선형 운동을 회전으로 변환하는 것이 크랭크축의 역할입니다.

크랭크 샤프트의 용어는 매우 구체적이므로 몇 가지 부품의 이름을 지정하는 것으로 시작하겠습니다. 저널은 베어링에서 회전하는 샤프트의 일부입니다. 위에서 볼 수 있듯이 크랭크 샤프트에는 두 가지 유형의 저널이 있습니다. 메인 저널은 크랭크 샤프트의 회전 축을 형성하고 커넥팅 로드 저널은 피스톤까지 이어지는 커넥팅 로드의 끝에 부착됩니다.

추가 혼란을 위해 커넥팅 로드 저널은 커넥팅 로드 저널로 약칭되며 일반적으로 크랭크 저널 또는 커넥팅 로드 저널이라고도 합니다. 로드 저널은 웹으로 메인 저널에 연결됩니다.

메인 베어링 저널의 중심과 크랭크 샤프트 저널의 중심 사이의 거리를 크랭크 반경이라고 하며 크랭크 스트로크라고도 합니다. 이 측정은 크랭크축이 회전할 때 피스톤의 스트로크 범위를 결정합니다. 이 거리를 위에서 아래로 스트로크라고 합니다. 피스톤의 스트로크는 크랭크 반경의 두 배입니다.

크랭크 샤프트의 후단은 크랭크 케이스 외부로 확장되고 플라이휠 플랜지로 끝납니다. 정밀하게 가공된 이 플랜지는 플라이휠에 볼트로 고정되어 있으며, 플라이휠의 무거운 질량은 다른 시간에 피스톤의 맥동을 부드럽게 하는 데 도움이 됩니다. 플라이휠은 기어박스와 최종 드라이브를 통해 바퀴에 회전을 전달합니다.

자동에서 크랭크 샤프트는 토크 컨버터를 운반하고 드라이브를 자동 변속기로 전달하는 링 기어에 볼트로 고정됩니다. 이것은 기본적으로 엔진의 힘이며 에너지는 보트와 비행기용 프로펠러, 발전기용 유도 코일, 차량의 로드 휠 등 필요한 곳으로 전달됩니다.

노즈라고도 하는 크랭크샤프트의 앞부분은 크랭크케이스 너머로 뻗어 있는 샤프트입니다. 이 샤프트는 톱니 벨트 또는 체인[또는 하이테크 애플리케이션의 기어 세트]을 통해 밸브 트레인을 구동하는 기어와 구동 벨트를 사용하여 교류 발전기 및 워터 펌프와 같은 액세서리에 전원을 공급하는 풀리에 연결됩니다.

 

 

크랭크축 부품

 

1. 크랭크 핀(Crank Pin)
크랭크 핀은 엔진의 기계 부품입니다. 이를 통해 커넥팅 로드를 크랭크 샤프트에 매우 단단히 부착할 수 있습니다.
크랭크 핀의 표면은 토크를 커넥팅 로드의 큰 끝단에 전달하기 위해 원통형입니다. 커넥팅 로드 베어링이라고도 합니다.

2. 메인 저널(Main Journals)
저널은 엔진 블록에 부착됩니다. 이 베어링은 크랭크축을 잡고 엔진 블록에서 회전을 유지합니다. 이 베어링은 예를 들어 플레인 베어링 또는 저널 베어링입니다. 메인 베어링은 종종 엔진이 가하는 힘에 따라 엔진마다 다릅니다.

3. 크랭크 웹(Crank Web)
크랭크 웹은 크랭크 샤프트의 가장 필수적인 부분입니다. 크랭크 웹은 크랭크 샤프트를 메인 베어링 저널에 연결합니다.

4. 카운터 웨이트(Counterweights)
카운터 웨이트는 크랭크 샤프트에 균형과 안정성을 제공하는 반대 힘을 가하는 일종의 웨이트입니다. 이들은 크랭크 웹에 장착됩니다.
크랭크축에 평형추를 추가하는 이유는 회전으로 인한 반작용을 제거하기 위함입니다. 그리고 더 높은 RPM을 얻고 엔진을 쉽게 작동 상태로 유지하는 데 매우 도움이 됩니다.

5. 스러스트 와셔(Thrust Washers)
어떤 지점에서는 두 개 이상의 스러스트 와셔가 제공되어 크랭크축이 세로로 움직이는 것을 방지합니다. 이 스러스트 와셔는 웹과 크랭크축 안장의 가공된 표면 사이에 조립됩니다.
스러스트 와셔의 도움으로 간격을 쉽게 유지할 수 있으며 크랭크 샤프트의 측면 움직임을 줄이는 데 도움이 됩니다. 많은 엔진에서 이들은 메인 베어링의 일부로 만들어지며 일반적으로 오래된 유형은 별도의 와셔를 사용합니다.

6. 오일 통로 및 오일 시일(Oil Passage And Oil Seals)
크랭크 샤프트 오일 통로는 메인 베어링 저널에서 대형 엔드 저널로 오일을 전달합니다. 일반적으로 구멍은 크랭크 웹에 뚫립니다. 크랭크핀이 위쪽 위치에 있고 연소력이 커넥팅 로드를 아래로 밀면 오일이 저널과 베어링 사이로 침투할 수 있습니다.
크랭크 샤프트는 양쪽 끝에서 크랭크 케이스를 약간 넘어 확장됩니다. 이렇게 하면 이 끝에서 오일이 누출됩니다. 오일 씰은 이러한 구멍에서 오일을 유지하기 위해 제공됩니다. 프론트 엔드와 리어 엔드에 연결된 두 개의 메인 오일 씰이 있습니다.
프론트 엔드 오일 씰: 리어 엔드 오일 씰과 매우 유사합니다. 그러나 그들의 실패는 덜 파괴적이며 더 쉽게 접근할 수 있습니다. 프론트 오일 씰은 풀리와 타이밍 기어 뒤에 설치됩니다.
리어 엔드 오일 씰: 메인 저널과 플라이휠에 배치됩니다. 이것은 엔진 블록과 오일 팬 사이의 구멍으로 밀어 넣습니다. 오일 씰에는 가터 스프링이라고 하는 스프링에 의해 크랭크축에 단단히 고정된 성형 립이 있습니다.

 

7. 플라이휠 마운팅 플랜지(Flywheel Mounting Flange)
대부분의 경우 크랭크축은 플랜지를 통해 플라이휠에 부착됩니다. 크랭크 샤프트 휠 끝의 직경은 다른 끝보다 큽니다. 이것은 플라이휠을 장착하기 위한 플랜지 면을 제공합니다.

 

크랭크축의 제작

크랭크 샤프트를 만드는 데 사용된 재료는 다음과 같습니다.

▷ 주철
▷ 탄소강
▷ 바나듐 미세 합금강
▷ 단조강
크랭크는 다른 부품으로 조립하거나 한 조각으로 만들 수 있습니다(모놀리식).

모놀리식 버전은 전 세계적으로 가장 인기 있는 크랭크입니다. 그러나 일부 크고 작은 내연기관에는 크랭크축이 조립되어 있습니다.

이 샤프트는 가단성 주철, 모듈식 또는 연성 강철로 주조할 수도 있습니다. 용접된 어셈블리는 강철로 주조됩니다. 이 저렴한 방법은 허용 가능한 부하가 있는 저렴한 생산 엔진에 적합합니다. 단조 공정은 강도가 우수합니다. 따라서 단조는 크랭크 샤프트를 제작하는 데 선호되는 방법으로 알려져 있습니다.

 

크랭크축 센서란?

크랭크축 위치 센서는 엔진 크랭크축의 타이밍 로터를 향하는 엔진 블록에 부착됩니다. 이 센서는 엔진 ECU가 크랭크축 위치와 엔진 회전 속도를 계산하는 데 사용하는 신호를 감지합니다.

크랭크축 센서는 가솔린과 디젤 모두 내연기관에서 크랭크축의 위치나 속도를 모니터링하는 데 사용되는 전자 장치입니다. 이 정보는 엔진 관리 시스템에서 연료 분사 또는 점화 시스템 타이밍 및 기타 엔진 매개변수를 제어하는 ​​데 사용됩니다.

전자식 크랭크 센서가 있기 전에는 가솔린 엔진의 분배기를 수동으로 타이밍 표시에 맞춰야 했습니다.

크랭크축 센서는 유사한 캠축 위치 센서와 함께 사용하여 엔진의 피스톤과 밸브 사이의 관계를 모니터링할 수 있으며, 이는 가변 밸브 타이밍 엔진에서 특히 중요합니다.

이 방법은 시동 시 4행정 엔진을 "동기화"하여 관리 시스템이 연료 분사 시점을 알도록 하는 데도 사용됩니다. 또한 분당 회전수로 엔진 속도를 측정하는 주요 소스로 널리 사용됩니다.

 

크랭크 샤프트 위치 센서의 유형

MPU 유형
10° 크랭크 각도(CA)마다 배치된 34개의 톱니와 상사점(TDC) 감지를 위한 2개의 누락 톱니가 타이밍 로터의 외경 주위에 배열됩니다. 따라서 크랭크축이 1회전할 때마다 센서에서 34개의 교류파가 출력됩니다.
이 AC파는 엔진 ECU 내의 파형 형성 회로에 의해 직사각형 파형으로 변환되어 크랭크축 위치, TDC 및 엔진 속도를 계산하는 데 사용됩니다.

MRE 유형
타이머 로터의 회전으로 인해 타이머 로터에 부착된 검출치가 캠축 위치 센서에 접근하는 동안 검출치의 위치에 따라 센서 자석에서 방출되는 자기장(자기 벡터)의 방향이 변하고, 그런 다음 캠축 위치 센서에서 멀어집니다.
결과적으로 MRE 저항 값도 변경됩니다. 엔진-ECU의 전압은 캠축 위치센서에 인가되고 MRE 저항값의 변화는 전압의 변화로 출력된다.
두 MRE의 출력 파형은 센서 내의 증폭/파형 형성 회로에 의해 차동 증폭되고 직사각형 파형으로 형성됩니다. 그런 다음 MRE 출력이 엔진 ECU로 전송됩니다.

예
또 다른 유형의 크랭크 센서는 일반적으로 사이클로 컴퓨터의 케이던스 판독을 위해 크랭크 세트의 위치를 ​​모니터링하기 위해 자전거에 사용됩니다. 이들은 일반적으로 페달의 크랭크셋 암 중 하나에 부착된 해당 자석과 함께 자전거 프레임에 장착된 리드 스위치입니다.

 

일반적인 크랭크축 및 크랭크축 센서 고장 증상

▷ 엔진 라이트 점등 확인
▷ 엔진이 시동되지 않음
▷ 성능 저하
▷ 엔진 실속
▷ 연료 소비 증가
▷ 일관성 없는 가속
▷ RPM이 갑자기 떨어짐

 

일반적인 실패 원인

시간이 지남에 따라 모든 센서는 사고, 전원 문제 또는 정상적인 마모로 인해 고장날 것입니다. 크랭크축 또는 캠축 위치 센서 고장으로 인해 엔진이 절단되거나 주행 중 사망하거나 시동이 거부될 수 있습니다.

잘못된 센서는 치명적인 엔진 고장으로 이어질 수 있습니다.