기계 요소의 기본인 캠, 클러치, 브레이크의 기능에 대하여

기계 요소의 기본인 캠, 클러치, 브레이크의 기능에 대하여

 

캠, 클러치, 제동은 응용 범위가 넓은 기계 요소입니다.

가까이 있는 자동차나 이륜차를 비롯한 다양한 제품에 사용되고 기계를 설계하는데에 꼭 필요합니다.

각각의 작용, 사용되는 방법을 살펴봅시다.

 

 

캠이란?

캠은 회전과 왕복 운동을 다른 방향의 운동으로 바꾸는 기계 요소입니다.

 

움직임을 정한 캠의 윤곽 형상을 컴프로파일이라고 하며 대응하는 부품이 이에 따르고 움직이는 것으로

기계 설계자가 미리 정한 움직임을 재현합니다.

 

주로, 미리 결정된 복잡한 움직임을 정확히 반복 재현하는 용도에 사용되고 있습니다.

 

구조가 단순한 것으로 신뢰성이 높아 부품 점수가 적기 때문에 비용 면에서도 유리하다는 이점이 있습니다.

캠에는 여러 종류가 있는데 대표적인 캠과 그 기능에 대해서 소개합니다.

평면 캠
평면 캠에는 플레이트 캠과 정면 캠이 있습니다.

플레이트 캠
캠 프로파일을 가진 판자를 회전, 왕복 운동하게 움직임을 통제합니다.

정면 캠
판자의 면에 캠 프로파일의 홈을 파, 이를 회전, 왕복 운동하게 움직임을 통제합니다.

입체 캠
입체 캠에는 원통 캠과 단면 캠이 있습니다.

원통 캠
원통의 외각 면에 캠 프로파일의 홈을 파다, 이를 회전 운동하게 움직임을 통제합니다.

단면 캠
원통의 단면을 컴 프로파일이 되도록 성형하고 이를 회전 운동하게 움직임을 통제합니다.

캠을 사용한 제품에서 가장 가까이 있는 것이라고 하면 자동차의 엔진입니다.

엔진은 신선한 공기를 실린더 내에 흡수, 그것을 휘발유 등 연료와 섞인 혼합 신경으로,

피스톤으로 압축하고 폭발시킴으로써 힘을 내고 있습니다.

 

이 공기의 혼잡, 폭발 후 남은 배기 가스를 내보내 타이밍과 양을 조절하고 있는

급배기 밸브라고 하는 부품에서 또한 이들을 움직이는 것이 샤프트라는 부품입니다.

 

이는 각 밸브에 대응한 평면-플레이트 캠이 같은 축에 나란히 구성된 부품에서

밸브의 여닫는 타이밍이나 열량을 조절하고 있습니다.

 

이외에도 컴은 공작 기계나 미싱 등에 사용되고 있습니다.

 

클러치란?

 

클러치는 2개의 동심 축 상에 있는 동력 전달 축의 중의 일방(구동 측)부터 

내려온 동력을 임의의 타이밍이나 정해진 조건으로 그 앞(피동 측에) 전하거나

 차단하는 기능을 가지는 기계 요소입니다.

 

자동차를 운전 중에 신호 대기로 정차하거나 주차 때 전진에서 후진에게 바꿀 때에 클러치를 사용합니다.

 

만약 클러치가 없이 언제나 엔진의 동력이 바퀴에 전달되는 경우,

이러한 장면에서는 매번 엔진을 정지시키게 된 불편합니다.

 

자동차뿐만 아니라 기계는 사용 중에 일시적으로 동작을 멈추거나,

또 곧 재개하는 사용되는 방법이 많이 있습니다.

 

이 때문에 엔진과 모터 등의 동력을 일시적으로 차단할 목적으로 클러치가 사용됩니다.

외에도 한 방향의 회전만 전하거나 정해진 회전 수 이상으로 동력을 전달하는 특수한 클러치도 있습니다.

클러치에는 여러 종류가 있는데 대표적인 것을 소개합니다.

교합 클러치(더그 클러치)
교합 클러치는 서로의 동력 전달 축의 단면에 손톱이 있어, 

그것들을 맞게 하거나 떼기로 동력 전달을 통제합니다.

마개 끼리 맞기 때문에 정지 중, 극히 저속 운전 중이 아니면 조작할 수 없습니다.

이륜차의 트랜스미션 등에서 사용되고 있습니다.

마찰 클러치
마찰 클러치는 서로의 동력 전달 축의 단면에 마찰에 견디는 부품을 마주 하고 그

것을 미루거나 떼기로 동력 전달을 통제합니다.

 

짧은 시간이 있으면 서로 미끄러질 수 있어 매끄러운 발진을 하거나 

동력의 일부만을 피동 측에 전달하거나 하는 통제가 됩니다.

 

클러치으로는 가장 일반적인 것으로 자동차를 비롯한 이륜차, 

산업 기계 등 폭넓게 사용되고 있습니다.

스쿠터 등 마찰 클러치의 일종인 원심 클러치를 쓰고 있습니다.

이는 엔진의 회전수가 일정 이상이 되면 클러치가 이어질 것입니다.

유체 클러치
유체 클러치는 서로의 동력 전달 축의 단면에 바퀴가 마주 놓이고

그것을 기름 등으로 충족한 케이스 속에 거둔 클러치입니다.

 

구동 측이 돌자 안의 기름이 함께면서 돌아 동력이 피동 측에도 전해집니다.

일시적으로 피동 측을 정지시킨 경우도 케이스 중의 기름은 접니다만,

구동편까지 멈추지는 않습니다.

 

오토매틱 차의 경우 클러치를 의식하지 않습니다.

그러나 트랜스미션의 내부에는 유체 클러치의 일종인 토크 컨버터가 사용되고 있습니다.

원 웨이 클러치
원 웨이 클러치는 정해진 한 방향에만 동력을 전달하는 특수한 클러치입니다.

가까운 곳에서는 자전거의 프리 휠(페달을 밟고 있지 않을 때도 관성으로 나아가게 한 기구)에 사용되고 있습니다.

브레이크는?

브레이크는 기계를 감속시키거나 정지시키기 기능을 가지는 기계 요소입니다.

자동차와 자전거로도 사용되고 있습니다.

대부분은 마찰을 이용하고 기계의 운동 에너지를 열에 바꾸는 것으로 제동력(브레이크 힘)을 얻고 있습니다.
브레이크에는 여러 종류가 있는데 대표적인 것을 소개합니다.

띠 브레이크(밴드 브레이크)
띠 브레이크는 드럼의 외주에 스틸을 둘러, 옥죄는 것으로 제동력을 얻습니다.

제동력은 강합니다만, 환경에 의해서 기능 상태가 변화되기 쉬우므로 조작감이 중요하지 않은 용도로 사용되고 있습니다.

드럼 브레이크
드럼 브레이크는 드럼 내주에 브레이크 슈라 불리는 부품을 미루기로 제동력을 얻습니다.

트럭 주차 제동, 지게차의 브레이크에 사용되고 있습니다.

디스크 브레이크
디스크 브레이크는 브레이크 디스크를 패드라고 불리는 부품을 미루어 제동력을 얻습니다.

드럼 브레이크는 연속 사용에 의해서 열이 담기기 쉽고, 제동력이 저하하는 결점이 있었습니다.

그러나 디스크 브레이크는 구조상 방열성 우려가 적어 현재는 자동차의 표준적인 브레이크가 되고 있습니다.

 

정리

캠, 클러치, 브레이크는 기계 요소 중에서도 비교적 복잡한 기계에 사용되는 부품입니다.

기계 설계에서는 이러한 기계 요소의 기능을 고려하여 잘 조합하고, 

필요한 성능과 신뢰성을 가진 제품으로 하는 것이 중요합니다.

 

 

 

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