캠샤프트
[image]
8기통 OHV 엔진의 캠샤프트의 모습
[image]
DOHC 엔진의 단면, 상부 헤드에서 돌아가는 두개의 축이 캠샤프트이다.
4행정 내연기관에서 쓰이는 흡/배기 밸브를 조절하는 샤프트이다.
크랭크와 1/2의 감속비로 연결되어 있으며[1], 캠샤프트의 위치 혹은 밸브의 위치와 개폐를 하는 방식에 따라 Side Valve, OHV, OHC 방식으로 나뉜다.
2행정 엔진중에 가솔린 엔진에는 없으며 2행정 디젤엔진에서는 배기밸브를 개폐하는 장치로 쓰인다.
캠의 뾰족한 부분인 로브(Lobe)가 밸브를 직접 누르거나(직동식) 라커암(Rocker Arm)을 거쳐 누르는 식으로 밸브를 열고 닫는다. SOHC 방식의 경우 한개의 캠샤프트로 각각 다른 각도로 설치된 흡/배기 밸브를 작동시키려면 라커암을 사용할 수 밖에 없으며 DOHC의 경우는 직동식이 주를 이루나 소음저감과 가변밸브기구 추가 등에 따라 라커암을 거치는 경우도 많다. OHV 엔진의 경우에는 캠과 라커암 사이에 푸시로드가 추가된다.
캠샤프트는 달려있는 캠의 형상(캠 프로파일)에 따라 밸브의 거동이 결정되고 엔진의 성능이 달라진다. 로브가 높을수록 밸브의 열림양(Lift)이 커지고, 로브와 베이스원이 이루는 접선의 각도(예각말고 바깥쪽 둔각)가 작아질수록 열려있는 시간(Duration, 양정)이 길어진다. 이러한 수치가 달라지면 엔진이 흡입하거나 배출하는 공기의 양도 달라지므로 제조사에서는 세심하게 수학적 계산을 하여 형상을 결정한다. 로브가 높고 밸브가 오래 열리는 캠을 하이캠이라고 부르며 자연흡기 엔진의 튜닝의 가장 큰 비중을 차지한다. 튜닝파츠 메이커에서 만든 하이캠을 장착하는 방법도 있고, 기존 순정 캠을 베이스원을 갈아내는 리그라인딩을 통해 하이캠으로 만들수도 있다. 그러나 무조건 하이캠을 장착한다고 성능이 올라가는게 아니며 잘못된 캠의 선택은 밸브의 점핑이나 밸브스프링 서징 현상을 일으켜 엔진이 파손될 수 있다.
이미 가공 및 제작이 끝난 캠샤프트의 프로파일이 운전중에 바뀔 수는 없기 때문에 가변 밸브 타이밍이나 가변 밸브 리프트같은 보조수단으로 엔진의 성능을 더욱 끌어올리기도 한다.
보통 주조방식으로 제작되며 예전에는 중실축 형태로 제작되었으나 최근에는 회전관성을 줄이기 위해 속이 빈 중공 캠샤프트가 많이 채용되고 있다.
캠샤프트가 깎아먹는 기계적 효율을 개선하거나 밸브의 효율적인 구동을 구현하려고 캠리스엔진을 개발중이기도 하나 아직까지 실용화는 요원하다.
4행정 엔진은 크랭크샤프트 2회전당 캠샤프트 1회전의 속도로 돌아가며, 2행정 디젤엔진을 제외하고는 예외는 거의 없다. 따라서 1/2의 속도로 감속이 되도록 구성된다.
크랭크와 연결되는 방식으로는 기어방식, 체인식, 벨트식이 있으며 각각 타이밍 기어, 타이밍 체인, 타이밍 벨트으로 부르고 있다. 타이밍 벨트의 경우 그 개념을 팬벨트[2]와 혼동하는 경우가 있으니 주의할것.
그러니 관리를 주기적으로 해야 한다. 그러나 일부 엔진의 경우 관리나 점검, 수명 예측이 불가한 경우도 있다.
8기통 OHV 엔진의 캠샤프트의 모습
[image]
DOHC 엔진의 단면, 상부 헤드에서 돌아가는 두개의 축이 캠샤프트이다.
1. 개요
4행정 내연기관에서 쓰이는 흡/배기 밸브를 조절하는 샤프트이다.
크랭크와 1/2의 감속비로 연결되어 있으며[1], 캠샤프트의 위치 혹은 밸브의 위치와 개폐를 하는 방식에 따라 Side Valve, OHV, OHC 방식으로 나뉜다.
2행정 엔진중에 가솔린 엔진에는 없으며 2행정 디젤엔진에서는 배기밸브를 개폐하는 장치로 쓰인다.
2. 상세
2.1. 캠샤프트의 원리와 엔진 성능
캠의 뾰족한 부분인 로브(Lobe)가 밸브를 직접 누르거나(직동식) 라커암(Rocker Arm)을 거쳐 누르는 식으로 밸브를 열고 닫는다. SOHC 방식의 경우 한개의 캠샤프트로 각각 다른 각도로 설치된 흡/배기 밸브를 작동시키려면 라커암을 사용할 수 밖에 없으며 DOHC의 경우는 직동식이 주를 이루나 소음저감과 가변밸브기구 추가 등에 따라 라커암을 거치는 경우도 많다. OHV 엔진의 경우에는 캠과 라커암 사이에 푸시로드가 추가된다.
캠샤프트는 달려있는 캠의 형상(캠 프로파일)에 따라 밸브의 거동이 결정되고 엔진의 성능이 달라진다. 로브가 높을수록 밸브의 열림양(Lift)이 커지고, 로브와 베이스원이 이루는 접선의 각도(예각말고 바깥쪽 둔각)가 작아질수록 열려있는 시간(Duration, 양정)이 길어진다. 이러한 수치가 달라지면 엔진이 흡입하거나 배출하는 공기의 양도 달라지므로 제조사에서는 세심하게 수학적 계산을 하여 형상을 결정한다. 로브가 높고 밸브가 오래 열리는 캠을 하이캠이라고 부르며 자연흡기 엔진의 튜닝의 가장 큰 비중을 차지한다. 튜닝파츠 메이커에서 만든 하이캠을 장착하는 방법도 있고, 기존 순정 캠을 베이스원을 갈아내는 리그라인딩을 통해 하이캠으로 만들수도 있다. 그러나 무조건 하이캠을 장착한다고 성능이 올라가는게 아니며 잘못된 캠의 선택은 밸브의 점핑이나 밸브스프링 서징 현상을 일으켜 엔진이 파손될 수 있다.
이미 가공 및 제작이 끝난 캠샤프트의 프로파일이 운전중에 바뀔 수는 없기 때문에 가변 밸브 타이밍이나 가변 밸브 리프트같은 보조수단으로 엔진의 성능을 더욱 끌어올리기도 한다.
보통 주조방식으로 제작되며 예전에는 중실축 형태로 제작되었으나 최근에는 회전관성을 줄이기 위해 속이 빈 중공 캠샤프트가 많이 채용되고 있다.
캠샤프트가 깎아먹는 기계적 효율을 개선하거나 밸브의 효율적인 구동을 구현하려고 캠리스엔진을 개발중이기도 하나 아직까지 실용화는 요원하다.
2.2. 동력전달 방식
4행정 엔진은 크랭크샤프트 2회전당 캠샤프트 1회전의 속도로 돌아가며, 2행정 디젤엔진을 제외하고는 예외는 거의 없다. 따라서 1/2의 속도로 감속이 되도록 구성된다.
크랭크와 연결되는 방식으로는 기어방식, 체인식, 벨트식이 있으며 각각 타이밍 기어, 타이밍 체인, 타이밍 벨트으로 부르고 있다. 타이밍 벨트의 경우 그 개념을 팬벨트[2]와 혼동하는 경우가 있으니 주의할것.
- 기어방식은 폐차할때까지 교환하는 경우가 거의 없는 반영구적 방식이며 윤활은 엔진오일을 이용한다...가 실상이지만 사실은 베어링도 교체해야되고 마일리지가 높거나(주행거리, 작동시간) 연식이 오래된 엔진의 경우 슬러지로 인해 윤활문제가 생겨 소음이 심해지는 경우도 있기때문에 주기적으로 점검을 해주는게 좋다. 예전에 혼다의 고회전형 숏스트로크 오토바이 엔진은 '캠기어트레인'이라고 해서 채용한 예가 있다. 피스톤 행정(스트로크)이 긴 승용차 엔진의 경우 필요한 기어가 많아지고, 행정 설계를 바꾸면 기어 간극과 이빨갯수 등을 다시 계산하여 설계에 반영해야 하므로 설계 자유도가 나쁘고 제작단가가 비싸지는 단점이 있다. 요즘은 밸브가 협각이라 캠샤프트 축간 거리가 짧은 DOHC 디젤엔진 헤드에 흡배기 캠샤프트 끼리 1:1 속도로 돌리는 목적으로만 기어구동을 쓰지 그 이외에는 크랭크샤프트부터 캠샤프트까지 기어를 쓰는 경우는 승용차나 오토바이에선 이제 거의 없다. 다만 대형 상용차들은 배기량이 큰 만큼 밸브도 크고 밸브스프링이 워낙 강하기 때문에 체인이나 밸트로 굴렸다간 얼마 안가 끊어지기 때문에 기어를 쓴다.
- 체인방식역시 기어방식과 같이 반영구적 방식이지만 체인이 늘어나서 소음이 증가하고, 캠샤프트-크랭크샤프트의 타이밍 톱니바퀴의 마모가 많이 진행되었다면 체인이 넘어가서 타이밍이 틀어지거나 체인이 빠져버릴수 있다. 또한 체인의 장력을 유지해주거나 빠지지않도록 위치를 잡아주는 체인가이드가 플라스틱으로 된 차량이 많은데 이게 깨져서 극심한 소음이 나거나 체인이 끊어지거나 빠져버릴 수도 있다. [3] 소음을 줄이려고 체인 링크수를 늘리거나 여러겹의 체인을 겹친 사일런트 체인이 고급차량에 적용되기도 한다.
- 벨트방식의 경우 소음이 적고[4] 밸트의 무게가 금속체인보다 가벼운 만큼 구동계 관성이 적어 효율이 높은 장점이 있지만, 다른방식과는 달리 주기적인 교환을 해야하는데 보통 6~10만km를 권장하고 있으며 고무의 성질상 가만히 있어도 조금식 경화되어 갈라지기 때문에 마일리지가 10만km 에 도달하지 않았더라도 오래됐다면(3~4년정도) 교환하는것을 권장한다. 그런데 요즘 화학 기술이 좋아져 내구성 좋은 고무벨트가 개발되어 수명이 많이 증가되었다[5].
그러니 관리를 주기적으로 해야 한다. 그러나 일부 엔진의 경우 관리나 점검, 수명 예측이 불가한 경우도 있다.
[1] 크랭크 2회전시 캠샤프트 1회전[2] 팬벨트는 발전기, 파워스티어오일-워터 펌프등을 연결하는 벨트이다. 타이밍 벨트와 구분하려고 겉벨트라고 부르기도 한다.[3] 그래도 웬만한 차들은 폐차주기인 20만km까지는 버티니 크게 걱정하지 않아도 된다. 단 일부 차량은 설계결함으로 수명이 훨씬 짧은 경우가 있다. 벤츠의 M271/M272/M273엔진, BMW의 M62와 N47엔진, 아우디 B7 S4의 V8엔진 등등이 타이밍 체인 계통의 설계결함과 고질병이 있다.[4] 단, 밸트 장력을 수동으로 맞추는 방식의 경우 장력을 잘못 맞추면 소음이 발생한다. 요즘은 오토텐셔너를 쓰는 차가 많다[5] 그래서 현대의 신형 U3엔진은 벨트구동으로 다시 설계가 변경되었다