자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 13. 피스톤과 커넥팅로드 2

13. 피스톤과 커넥팅로드 2

 

▶ 피스톤 슬랩(piston slap) 실린더 벽과 피스톤 스커트는 커넥팅로드의 경사에 의한 측압을 받으며 피스톤의 직선운동 을 바르게 유지하지만 피스톤 간극이 너무 크면 피스톤이 운동방향을 바꿀 때 실린더 벽에 충 격을 주는 현상이다. 이 때 충격음이 발생하며, 저온에서 현저하다. 피스톤 슬랩이 격렬하게 되 면 피스톤 링과 링 홈의 마멸이 빨라져 링의 기능이 저하하고 윤활유 소비량이 증가하며 정상 적인 운전이 어렵게 된다. 슬랩을 방지하기 위하여 기관이 저온을 때 간극을 알맞게 유지할 수 있도록 피스톤 스커트에 여러 가지 방법을 강구하며, 피스톤 핀을 약간 오프 셋(off-set)하여 설 치하는 방법도 사용하고 있다.

(3) 피스톤간극
피스톤은 기관이 작동을 할 때 열팽창을 하므로 이를 위해 상온(常溫)에서 실린더와
의 사이에 어느 정도의 간극을 두게되는데 이것을 피스톤 간극 또는 실린더 간극이라 한
다. 피스톤 간극은 실린더 안지름과 피스톤 최대 바깥지름(스커트 지름)으로 표시하면
간극이 너무 크거나 작으면 다음과 같은 영향을 준다.

(가)피스톤 간극이 적으면
피스톤과 실린더 벽 사이의 간극이 너무 적으면 실린더와 피스톤 사이의 고착이
발생한다.

(나) 피스톤 간극이 크면
① 블로바이가 발생하여 압축 압력이 저하한다.
② 연소실에 윤활유가 올라온다.

③ 피스톤 슬랩이 발생한다.
④ 윤활유가 연료로 희석된다.
⑤ 기관의 시동이 어려워진다.
⑥ 기관의 출력이 저하한다.
따라서 피스톤 간극은 이러한 지장을 초래하지 않는 범위에서 최소값으로 하여야 하
며, 이 최소값은 피스톤의 재질·형상 및 실린더의 냉각상태 등에 따라 결정되며 알루
미늄 합금 피스톤의 경우 일반적으로 실린더 안지름의 0.05% 정도로 한다.

나. 피스톤 링(piston ring)
피스톤 링은 링 홈에 끼워져 피스톤과 함께 실린더 내에서 왕복운동 하면서 실린더 벽
에 밀착되어 실린더와 피스톤 사이에서의 압축가스와 연소가스의 누출을 방지하는 기밀
유지 작용(밀봉작용), 실린더와 피스톤 사이를 윤활하는 윤활유 가운데에서 여분의 윤
활유를 긁어내려 연소실로 들어가는 것을 방지하는 윤활유 제어작용, 피스톤 헤드가 받
은 열의 대부분을 실린더 벽으로 전달하는 열전도 작용(냉각작용) 등 3대 작용을 한다.
그리고 피스톤 링은 적당한 탄성을 지니기 위하여 그 일부를 절단하여 개방시킨 구조
로 되어 있으며 압축 링과 오일 링이 있다. 자동차용 기관에서는 일반적으로 2~3개의
압축 링과 1~2개의 오일 링을 사용하며, 2개의 오일 링을 사용할 때에는 그 하나는 피
스톤 스커트 부분에 둔다.

피스톤 링의 구조

피스톤 링의 작용

피스톤 링의 구비조건은 다음과 같다.
① 높은 온도에서 탄성을 유지할 것
② 열팽창률이 적을 것
③ 오랫동안 사용하여도 피스톤 링 자체나 실린더 벽의 마모가 적을 것

④ 실린더 벽에 대하여 균일한 압력을 가할 것
⑤ 피스톤 링의 재질이 실린더 벽 보다 경도가 적어서 실린더 벽의 마멸이 적을 것

다. 피스톤 핀(piston pin)
피스톤 핀은 피스톤 보스에 끼워져 피스톤과 커넥팅 로드 소단부를 연결해주는 핀
이며, 피스톤이 받은 폭발력을 커넥팅로드로 전달한다. 피스톤 핀의 구비조건은 다음
과 같다.
① 무게가 가벼울 것
② 강도가 클 것
③ 내마모성이 클 것

(1) 피스톤 핀의 재질과 가공

피스톤 핀의 재질은 저탄소 침탄강, 니켈-크롬강이며 내마모성을 높이기 위하여 표
면은 경화시키고, 내부는 그대로 두어 인성을 유지시킨다. 또 피스톤 핀은 무게를 가볍
게 하고 윤활유 통로로 사용하기 위해 중공(속이 빔)으로 제작하고 있다.

 

(2) 피스톤 핀의 고정방법
(가) 고정식
고정식은 피스톤 핀을 피스톤 보스에 고정하는 방법이며, 커넥팅로드 소단부에 구
리합금의 부싱(bushing)이 들어간다.

(나) 반부동식(요동식)
반부동식은 피스톤 핀을 커넥팅로드 소단부에 고정시키는 방법이다.

(다) 전부동식
피스톤 핀을 피스톤 보스, 커넥팅로드 소단부 등 어느 부분에도 고정시키지 않는
방법으로 핀의 양끝에 스냅 링(snap ring)이나 엔드 와셔(end washer)를 두어 핀이
밖으로 이탈되는 것을 방지한다.

(3) 피스톤 끼우는 방법
피스톤에 피스톤 핀을 끼울 때 알루미늄 합금 피스톤의 경우에는 피스톤이 열팽창 하
였을 때 피스톤 핀과 핀 구멍의 간극이 적당히 되도록 하기 위하여 피스톤을 피스톤 히
터로 가열하여 끼운다. 이때 피스톤의 가열온도는 100℃ 정도가 알맞다.

라. 커넥팅로드(connecting rod)
(1) 커넥팅로드의 개요
커넥팅로드는 피스톤 핀과 크랭크축을 연결하는 막대이며, 피스톤의 왕복운동을 크랭
크축으로 전달하는 일을 한다. 소단부(small end)는 피스톤 핀에 연결되고, 대단부(big
nd)는 평면 베어링을 통하여 크랭크 핀에 결합되어 있다.
커넥팅로드의 재질은 니켈-크롬 강, 크롬-몰리브덴 강 등의 특수강을 단조(forging)
하여 제작한다. 또 커넥팅로드의 형상은 무게를 가볍게 하고 충분한 기계적 강도를 얻
기 위해 그 단면을 I-형으로 주로 만든다. 그리고 실린더 벽에 윤활유를 분사하기 위하
여 커넥팅로드 베어링 위쪽에 분출구멍을 두고 있다.

(2) 커넥팅로드의 길이
커넥팅로드의 길이는 소단부 중심에서 대단부 중심 사이의 길이로 표시하며, 피스
톤 행정의 1.5~2.3배 또는 크랭크축 회전 반지름의 3.0~4.5배가 적당하다. 커넥팅로
드의 길이가 길면 실린더 벽에 작용하는 피스톤의 측압이 작아 실린더 벽 마멸이 감소
하여 기관의 수명이 길어지는 이점이 있으나 강도와 무게 면에서 불리하고, 기관의 높
이가 높아진다.