자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 14. 크랭크축(crank shaft)과 플라이휠

14. 크랭크축(crank shaft)과 플라이휠

 

크랭크축은 실린더블록의 아래쪽 반원부(半圓部)에 메인저널 베어링의 상반부(上半部)
가 설치되고, 하반부(下半部)는 블록에 볼트로 설치되는 베어링 캡으로 지지된다. 크랭
크축은 폭발행정에서 얻은 피스톤의 왕복 직선운동을 커넥팅로드의 운동을 통하여 회전
운동으로 바꾸어 그 출력을 외부로 전달하고, 흡입·압축 및 배기행정에서는 피스톤에
운동을 전달하는 회전축이다. 크랭크축의 구비조건은 다음과 같다.
① 정적 및 동적평형이 잡혀 있을 것
② 강도와 강성이 충분할 것
③ 내마모성이 클 것

 

가. 크랭크축의 구조
크랭크축의 회전중심을 형성하는 축 부분을 메인 저널(main journal), 커넥팅로드 대
단부와 결합되는 부분을 크랭크 핀(crank pin), 메인 저널과 크랭크 핀을 연결하는 부
분을 크랭크 암(crank arm) 그리고 회전평형을 유지하기 위해 크랭크 암에 둔 평형추
(balance weight) 등으로 구성되어 있다.
또 크랭크축 앞 끝에는 캠축 구동용의 타이밍기어 또는 타이밍벨트 구동용 스프로킷
과 물 펌프 및 발전기 구동을 위한 크랭크축 풀리가 설치되며, 뒤쪽에는 플라이 휠 설
치를 위한 플랜지(flange)와 클러치 축 지지용 파일럿 베어링을 끼우는 구멍이 있다.
내부에는 커넥팅로드 베어링으로 윤활유를 공급하기 위한 구멍 및 통로가 있고, 크랭
크 실(오일 팬)의 윤활유 누출을 방지하기 위한 오일 실(oil seal)을 두고 있다. 또 크랭
크축 메인저널과 크랭크 핀으로 윤활작용을 하기 위하여 윤활유가 순환할 수 있는 구멍
이 마련되어 있다. 크랭크 핀과 메인저널과의 중심거리는 피스톤 행정의 0.5배이며 이
것을 크랭크축 반지름이라 한다.

직렬형 기관의 크랭크축은 크랭크 핀의 수가 실린더 수와 같으나 V-형 기관은 크랭
크 핀을 실린더 수의 1/2로 둔다. 이것은 1개의 크랭크 핀에 대해 좌우 2개의 커넥팅로
드를 연결하기 때문이다. 그리고 메인저널은 크랭크축 앞·뒤 끝 부분과 각 크랭크 핀 1개마다 두는 것을 원칙으로 하지만 크랭크 핀 2개나 3개에 메인저널을 두기도 한다. 따
라서 크랭크 핀 4개에 대하여 메인 저널은 3~5개를 주로 사용하고 6실린더에서는 4~7개를 둔다.

나. 크랭크축의 재질과 가공
크랭크축은 큰 하중을 받으면서 고속회전을 하기 때문에 이것에 견딜 수 있는 충분
한 강도와 강성을 지녀야 한다. 따라서 현재 사용되는 재질은 고 탄소강, 크롬-몰리브
덴(Cr-Mo)강, 니켈-크롬(Ni-Cr)강 등으로 단조하여 제작한다.
최근에는 기관의 고속화 경향으로 피스톤 행정과 실린더 안지름 비율이 작아지는 단
행정 기관으로 인하여 메인 저널과 크랭크 핀의 중심거리가 짧아짐에 따라(이를 오버
랩 크랭크축이라 함) 크랭크축의 높은 요구되므로 미하나이트 주철 또는 구상흑연 주
철제 크랭크축도 사용된다. 그리고 메인저널과 크랭크 핀은 고주파 경화방법으로 표면
경화한다.

다. 크랭크축의 형식
크랭크축의 형식은 실린더 수, 실린더 배열, 메인 저널 수, 점화순서 등에 따라 달라
진다. 실린더 수가 많아짐에 따라 각 실린더의 점화순서에 알맞도록 크랭크축의 크랭크
핀은 일정한 각도로 정렬되어 있어야 한다.

(1) 2실린더 기관의 크랭크축
2실린더 기관의 크랭크축에는 [그림 2-16]과 같은 형식이 있으며 폭발간격이 같게 되
도록 수평 대향형에서는 [그림 2-16(a)]를, 직렬형에서는 [그림 2-16(b)]를 사용한다. 2
행정 사이클 기관에서는 수평 대향형에 (b)를 직렬형에 (a)를 사용한다.

2실린더 기관의 크랭크축

 

3실린더 기관의 크랭크축

(2) 3실린더 기관의 크랭크축
[그림 2-17]은 3실린더 기관의 크랭크축을 나타내었다. 각 실린더의 크랭크 핀은
120°간격으로 구성되어 있다.
(3) 직렬 4 실린더 기관의 크랭크축
직렬 4실린더 기관의 크랭크축은 제1번과 제4번, 제2번과 제3번 크랭크 핀이 각각 동
일평면 위에 있다. 즉 제1번 실린더와 제2번 실린더는 정반대 위치로 180°의 크랭크 핀
의 각도를 지니고 이것을 위상차(位相差 : 폭발이 일어나는 각도)라 한다.

직렬 4실린더 기관의 크랭크축

라. 플라이휠(fly wheel)
플라이휠은 폭발행정 중의 회전력을 저장하였다가 크랭크축의 회전속도를 원활히 하
기 위하여 크랭크축 뒤끝에 볼트로 설치된다. 즉 맥동적인 출력을 원활히 하는 일을 한
다. 플라이휠은 운전 중 관성이 크고, 자체 무게는 가벼워야 하므로 중앙부는 두께가 얇
고 주위는 두껍게 한 원판(disc)으로 되어 있다.
재질은 주철이나 강철이며 뒷면은 클러치의 마찰 면으로 사용된다. 바깥둘레에는 기
관을 기동할 때 기동전동기의 피니언과 물려 회전력을 받는 링 기어(ring gear)가 열 박
음(가열 끼워 맞춤)으로 고정되어 있다. 또 디젤기관에서는 플라이휠에 피스톤 상사점
과 점화시기를 표시하는 점화시기 표시(timing mark)가 파져 있다. 플라이휠의 무게는
회전속도와 실린더 수에 관계한다.