캠축

Camshaft
밸브 2개를 작동하는 캠축

캠축은 회전 운동을 상호 운동으로 변환하는 뾰족한 캠을 포함하는 회전 물체입니다(보통 금속으로 제작됨).캠축은 내연 엔진(흡기 및 배기 [1][2]밸브 작동), 기계적으로 제어되는 점화 시스템 및 초기 전기 모터 속도 컨트롤러에 사용됩니다.자동차의 캠축은 강철 또는 주철로 만들어지며, 엔진의 동력 대역의 RPM 범위를 결정하는 데 중요한 요소입니다.

역사

트립 해머는 를 들어 물레방아에서 회전 운동을 단조 또는 곡물을 찧는 데 사용되는 해머의 왕복 운동으로 변환하기 위한 캠 형태의 초기 용도 중 하나입니다.이 증거들은 중국 한나라 때부터 존재했고, 중세까지 널리 퍼져 있었다.

캠샤프트는 1206년 엔지니어 Al-Jazari에 의해 설명되었습니다.그는 그것을 오토마타, 양수기, 성시계 [3]같은 물시계의 일부로 사용했다.

18세기 후반에 증기 엔진의 회전 버전이 개발되었을 때, 밸브 기어의 작동은 대개 편심기에 의해 이루어졌으며, 이 편심기는 크랭크축의 회전을 밸브 기어의 왕복 운동(일반적으로 슬라이드 밸브)으로 변화시켰습니다.내연기관에서 나중에 볼 수 있는 것과 유사한 캠축은 일부 증기 엔진에서 사용되었으며, 가장 일반적으로 고압 증기(플래시 증기 보일러에서 발생하는 것 등)가 포핏 밸브 또는 피스톤 밸브를 사용해야 하는 경우에 사용되었습니다.예를 들어 Uniflow 증기 엔진Gardner-Serpollet 증기 자동차를 참조하십시오. Gardner-Serpollet 증기 차량에는 가변 밸브 타이밍을 달성하기 위해 캠축도 축 방향으로 슬라이딩됩니다.

단일 오버헤드 캠축을 가진 엔진을 최초로 사용한 차로는 1902년 알렉산더[4][5][6] 크레이그가 디자인한 모드레이와 1903년 [7][8]미시간 출신 월터 로렌조 마르가 디자인한 마르 오토 카가 있다.

피스톤 엔진

DOHC 4행정 엔진(엔진 상단의 캠샤프트가 흰색으로 표시됨)

피스톤 엔진에서 캠축은 흡기 및 배기 밸브를 작동하는 데 사용됩니다.캠축은 실린더 뱅크의 길이를 실행하는 원통형 로드로 구성되어 있으며, 실린더 뱅크 길이에는 각 밸브당 하나씩 다수의 캠(캠 로브가 돌출된 디스크)이 있습니다.캠 로브는 밸브가 회전할 때 밸브를 누르거나 일부 중간 메커니즘을 눌러 밸브를 강제로 엽니다.한편 스프링은 밸브를 닫은 위치로 당기는 장력을 발휘한다.Lobe가 Push Rod의 최대 변위치에 도달하면 밸브가 완전히 열립니다.스프링이 밸브를 뒤로 당기고 캠이 베이스 [9]원에 있으면 밸브가 닫힙니다.

건설

강철 빌렛으로 만든 캠축

캠샤프트는 금속으로 만들어지며 일반적으로 고체이지만, 중공 캠샤프트가 [10]사용되는 경우도 있습니다.캠축에 사용되는 재료는 일반적으로 다음 중 하나입니다.

  • 주철: 일반적으로 대량 생산에 사용되는 냉각된 철 캠축은 냉각 과정에서 경화되기 때문에 내마모성이 우수합니다.주물 전에 철에 다른 요소들을 첨가하여 철의 용도에 더 적합하게 만듭니다.
  • 빌렛강:고품질 캠축 또는 소량 생산이 필요한 경우 엔진 빌더 및 캠축 제조업체는 강철 빌렛을 선택합니다.이 과정은 시간이 많이 걸리고 일반적으로 다른 방법보다 비용이 많이 듭니다.건설 방법은 보통 단조, 가공(금속 선반 또는 밀링 기계를 사용), 주조 또는 [11][12][13]하이드로포밍입니다.EN40b를 비롯하여 다양한 유형의 강철 막대를 사용할 수 있습니다.EN40b에서 캠축을 제조할 때 캠축은 또한 가스 질화 처리를 통해 열처리되며, 이는 재료의 미세 구조를 변화시킵니다.표면 경도는 55-60HRC로 고성능 엔진에 적합합니다.

밸브트레인 레이아웃

대부분의 초기 내연 엔진은 캠 블록 레이아웃(예: 오버헤드 밸브)을 사용했으며, 캠샤프트는 엔진 하단 근처의 엔진 블록 안에 위치합니다.초기 플랫헤드 엔진은 블록에 밸브를 배치하고 캠이 이러한 밸브에 직접 작용합니다.나중에 나온 오버헤드 밸브 엔진에서는 캠 팔로워(리프터)가 푸시 로드 및 로커 암 레버를 통해 엔진 상단에 있는 밸브로 움직임을 전달합니다.20세기에 걸쳐 엔진 속도가 증가함에 따라, 캠축이 엔진 상단 부근의 실린더 헤드 내부에 위치하는 단일 오버헤드 캠축(SOHC) 엔진이 점점 더 보편화되었고, 최근에는 이중 오버헤드 캠축(DOHC) 엔진이 그 뒤를 이었습니다.현대의 많은 산업용 및 자동차용 엔진은 오버헤드 밸브 설계(엔진 블록에 캠이 낮게 장착된 상태)를 계속 사용하므로 유사한 오버헤드 캠 설계보다 전체적인 엔진 높이를 낮출 수 있습니다.

밸브트레인 레이아웃은 실린더 뱅크당 캠축 수에 따라 정의됩니다.따라서 총 4개의 캠축(실린더 뱅크당 2개)이 있는 V6 엔진은 일반적으로 이중 오버헤드 캠축 엔진이라고 불리지만, 속칭 "쿼드 캠"[14] 엔진이라고도 합니다.

오버헤드 밸브 엔진에서 캠축은 푸시 로드를 눌러 엔진 상단으로 움직임을 전달하고 여기서 로커가 흡기/배기 [15]밸브를 엽니다.OHC 및 DOHC 엔진의 경우 캠축이 밸브를 직접 또는 짧은 로커 [15]암을 통해 작동합니다.

드라이브 시스템

엔진이 올바르게 작동하려면 캠축의 위치와 속도를 정확하게 제어하는 것이 매우 중요합니다.캠축은 일반적으로 톱니 모양의 고무 타이밍 벨트 또는 강철 롤러 체인(타이밍 체인이라고 함)을 통해 크랭크축의 정확히 절반 속도로 구동됩니다.캠축 [16]구동에도 기어가 가끔 사용되었습니다.일부 설계에서는 캠축이 디스트리뷰터, 오일 펌프, 연료 펌프 및 경우에 따라 파워 스티어링 펌프를 구동하기도 합니다.팜 트랙터, 산업용 엔진, 피스톤 구동 항공기 엔진, 중형 트럭 및 레이싱 엔진과 같은 심각한 서비스 애플리케이션에서는 기계적 단순성과 긴 서비스 수명을 고려할 때 기어 구동 캠축이 일반적입니다.

OHC 엔진 초기에 사용된 대안으로 각 단부에 베벨 기어가 있는 수직 샤프트를 통해 캠축을 구동하는 방법이 있었습니다.예를 들어, 이 시스템은 제1차 세계대전 이전의 푸조메르세데스 그랑프리 자동차 또는 일부 오토바이에서 사용되었다.그것은 오늘날에도 가와사키 W800에서 사용되고 있다.또 다른 옵션은 연결봉과 함께 트리플 편심기를 사용하는 것이었습니다. 이러한 편심기는 특정 W.O.에서 사용되었습니다. 벤틀리가 디자인한 엔진과 레이랜드 에잇에 탑재되어 있습니다.

캠축을 사용하는 2행정 엔진에서는 크랭크축이 회전할 때마다 각 밸브가 한 번씩 열립니다. 이러한 엔진에서는 캠샤프트가 크랭크축과 동일한 속도로 회전합니다.4행정 엔진에서는 밸브가 절반만 열립니다. 따라서 캠축이 회전할 때마다 크랭크축이 두 번 완전히 회전합니다.

퍼포먼스 특성

지속

캠축의 지속 시간은 흡기/배기 밸브가 얼마나 오랫동안 열리는지를 결정하므로, 엔진 출력의 핵심 요소가 됩니다.지속 시간이 길수록 높은 엔진 속도(RPM)에서 출력이 증가할 수 있지만, 낮은 [17][18][19]RPM에서 생성되는 토크가 줄어들기 때문에 출력이 증가할 수 있습니다.

캠축의 지속 시간 측정은 측정의 시작점과 종료점으로 선택된 리프트의 양에 영향을 받습니다.0.050인치(1.3mm)의 리프트 값은 엔진이 [17][19]최대 출력을 생성하는 RPM 범위를 정의하는 리프트 범위의 가장 대표적인 것으로 간주되기 때문에 종종 표준 측정 절차로 사용됩니다.다른 리프트 지점(예: 0.006 또는 0.002인치)을 사용하여 측정된 동일한 지속 시간 정격의 캠축의 동력 및 공회전 특성은 0.05인치인 지속 시간 정격의 캠축과 크게 다를 수 있습니다.

지속 시간이 길어지는 2차적 효과는 오버랩이 증가할 수 있으며, 이는 흡기 및 배기 밸브가 모두 열리는 시간을 결정합니다.오버랩 중에 발생하는 흡기 전하의 "블로우 스루(blow-through)"가 배기 밸브를 통해 즉시 배출되는 만큼 공회전 품질에 가장 큰 영향을 미치는 오버랩입니다.[17][19]일반적으로 캠샤프트의 지속 시간을 늘리면 오버랩이 증가합니다. 단, 로브 분리 각도를 증가시켜 보정하지 않는 한 오버랩이 증가합니다.

캠이 밸브를 다수의 크랭크축 회전도로 누르는 넓은 표면을 관찰함으로써 평신도는 장시간 캠샤프트를 쉽게 발견할 수 있다.이는 낮은 지속 시간 캠축에서 관찰되는 것보다 더 뾰족한 캠축 범프보다 눈에 띄게 커집니다.

들어 올리다

캠축의 리프트는 밸브와 밸브 시트 사이의 거리(즉, 밸브가 얼마나 [20]열려 있는지)를 결정합니다.밸브가 시트에서 더 멀리 올라갈수록 더 많은 공기 흐름이 제공되어 생산 전력이 증가합니다.밸브 리프트가 높을수록 밸브 오버랩으로 인한 다운사이드 없이 지속 시간이 길어지는 것과 동일한 피크 출력을 증가시킬 수 있습니다.대부분의 오버헤드 밸브 엔진은 로커비가 1보다 크므로 밸브가 열리는 거리(밸브 리프트)가 캠축의 로브 피크에서 베이스 원까지의 거리(캠축 리프트)[21]보다 큽니다.

특정 엔진에 대해 가능한 최대 리프트량을 제한하는 몇 가지 요인이 있습니다.첫째, 리프트가 증가하면 밸브가 피스톤에 가까워지기 때문에 리프트가 과도하면 밸브가 [19]피스톤에 부딪혀 손상될 수 있습니다.둘째, 리프트가 증가하면 캠축 프로파일이 더 가파르게 되어 [20]밸브를 여는 데 필요한 힘이 증가합니다.이와 관련된 문제는 스프링 장력이 캠을 따라 밸브를 정점으로 유지하거나 밸브 [22]시트로 돌아갈 때 밸브가 튕겨지는 것을 막을 수 있는 충분한 힘을 제공하지 못하는 RPM에서의 밸브 플로트입니다.이는 캠 팔로어가 캠 로브에서 분리되는 [19]로브의 매우 가파른 상승의 결과일 수 있습니다(밸브 트레인의 관성이 밸브 스프링의 닫힘력보다 크기 때문에). 밸브가 의도한 것보다 오랫동안 열려 있습니다.밸브 플로트는 높은 RPM에서 동력 손실을 유발하며,[21][22] 극단적인 상황에서는 피스톤에 부딪힐 경우 밸브가 휘어질 수 있습니다.

타이밍.

크랭크축을 기준으로 한 캠축의 타이밍(위상 각도)을 조정하여 엔진의 동력 대역을 다른 RPM 범위로 전환할 수 있습니다.캠축을 전진시키면(크랭크축 타이밍 앞으로 변속) 낮은 RPM 토크가 증가하고, 캠축을 지각하면(크랭크축 뒤로 변속) 높은 RPM [23]출력이 증가합니다.필요한 변경은 [citation needed]5도 정도로 비교적 작습니다.

밸브 타이밍이 가변적인 최신 엔진은 항상 엔진의 RPM에 맞게 캠축의 타이밍을 조정할 수 있는 경우가 많습니다.이것에 의해, 고정 캠 타이밍을 선택해, RPM 의 상한과 하한의 양쪽 모두에서 사용할 경우에 필요한 상기의 타협을 회피할 수 있습니다.

로브 분리각

로브 분리 각도(LSA, 로브 중심선 각도라고도 함)는 흡기 로브의 중심선과 배기 [24]로브의 중심선 사이의 각도입니다.LSA가 높을수록 오버랩이 감소하여 공회전 품질과 흡기 [23]진공이 개선되지만, LSA를 넓히면 과도한 지속시간을 보상하기 위해 출력 및 토크 [21]출력을 줄일 수 있습니다.일반적으로 특정 엔진에 대한 최적의 LSA는 흡기 밸브 [21]면적 대비 실린더 체적의 비율과 관련이 있습니다.

유지 보수 및 마모

많은 구형 엔진은 밸브트레인 마모 시 올바른 밸브 래시를 유지하기 위해 로커 또는 푸시 로드를 수동으로 조정해야 했습니다(특히 밸브 및 밸브 시트).그러나 대부분의 최신 자동차 엔진에는 마모를 자동으로 보상하는 유압 리프터가 장착되어 있어 밸브 래시를 정기적으로 조정할 필요가 없습니다.

캠의 표면과 캠을 주행하는 캠 팔로어와의 접동 마찰이 상당할 수 있다.이 때 마모를 줄이기 위해 캠과 팔로어를 모두 표면 경화시키고, 최신 모터 오일에는 슬라이딩 마찰을 줄이는 첨가제가 포함되어 있습니다.캠축의 로브는 일반적으로 약간 가늘어지고 밸브 리프터의 면이 약간 돔 모양으로 되어 있어 리프터가 회전하여 부품에 마모가 분산됩니다.캠과 팔로어의 표면은 함께 "마모"되도록 설계되어 있기 때문에 각 팔로어는 원래의 캠로브와 함께 있어야 하며 다른 로브로 이동해서는 안 됩니다.일부 엔진(특히 캠축 로브가 가파른 엔진)은 롤러 태핏을 사용하여 캠축의 슬라이딩 마찰을 줄입니다.캠축의 리프트가 증가하거나 엔진의 분당 작동 회전수가 증가하는 경우 리프터와 캠축의 물리적 접촉을 유지하기 위해 밸브 스프링 압력도 증가해야 할 수 있습니다.

캠축의 베어링은 크랭크축의 베어링과 마찬가지로 오일이 가압 공급되는 플레인 베어링입니다.그러나 오버헤드 캠축 베어링에 항상 교체 가능한 셸이 있는 것은 아니며, 이 경우 베어링에 결함이 있는 경우 실린더 헤드 전체를 교체해야 합니다.

대체 수단

밸브 스프링이 제공하는 저항에 맞서 밸브를 열려면 기계적 마찰 외에도 상당한 힘이 필요합니다.이는 [citation needed]공회전 시 엔진 총 출력의 약 25%에 달할 수 있습니다.

내연기관에는 다음과 같은 대체 시스템이 사용되었습니다.

  • 스프링이 아닌 캠과 레버리지 시스템에 의해 밸브가 확실히 닫히는 데스모드로믹 밸브.이 시스템은 1956년 Ducati 125 Desmo 레이싱 바이크에 도입된 이래 다양한 Ducati 레이싱 및 로드 모터사이클에 사용되고 있습니다.
  • 전자파, 유압 또는 공압식 액추에이터를 사용하는 캠리스 피스톤 엔진.1980년대 중반 터보차지 르노 포뮬러 1 엔진에 처음 사용되었으며, Koenigseg [25][26]Gemera에서 로드 카용으로 예정되어 있습니다.
  • 피스톤도 밸브도 사용하지 않는 회전식 엔진인 Wankel 엔진.1967년형 마쓰다 코스모부터 2012년형 마쓰다 RX-8이 단종될 때까지 마쓰다에 의해 가장 많이 사용되었다.

엔진 점화 시스템

기계식 타이밍 점화 시스템에서는 디스트리뷰터의 별도 캠이 엔진에 맞춰져 연소 사이클의 정확한 시간에 스파크를 트리거하는 일련의 차단기 지점을 작동시킵니다.

전기 모터 속도 제어기

솔리드 스테이트 전자 장치가 등장하기 전에는 캠축 컨트롤러전기 모터의 속도를 제어하기 위해 사용되었습니다.전기 모터 또는 공압 모터로 구동되는 캠축은 컨택터를 순차적으로 작동시키는 데 사용되었습니다.이를 통해 저항기 또는 탭 체인저를 회로에서 전환하여 메인 모터의 속도를 변화시켰다.이 시스템은 주로 전기 다중 유닛과 전기 [27]기관차사용되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "The 4 Strokes of an Engine". help.summitracing.com. Retrieved 2020-06-10.
  2. ^ "How Camshafts Work". HowStuffWorks. 2000-12-13. Retrieved 2020-06-10.
  3. ^ "Islamic Automation: A Reading of al-Jazari's The Book Of KnowledgeOf Ingenious Mechanical Devices (1206)" (PDF). www.banffcentre.ca. p. 10. Archived from the original (PDF) on 8 October 2006.
  4. ^ Georgano, G. N. (1982). The New Encyclopedia of Motorcars 1885 to the Present (Third ed.). New York: E. P. Dutton. p. 407. ISBN 0525932542. LCCN 81-71857.
  5. ^ Culshaw, David; Horrobin, Peter (2013). The Complete Catalogue of British Cars 1895 – 1975. Poundbury, Dorchester, UK: Veloce Publishing. p. 210. ISBN 978-1-845845-83-4.
  6. ^ Boddy, William (January 1964). "Random Thoughts About O.H.C." Motor Sport. London, UK: Teesdale Publishing (1): 906. Retrieved 7 June 2020.
  7. ^ "Marr Auto Car Company". www.marrautocar.com. Archived from the original on 8 February 2014.
  8. ^ Kimes, Beverly Rae (2007). Walter L Marr: Buick's Amazing Engineer. Racemaker Press. p. 40. ISBN 978-0976668343.
  9. ^ "Lunati Cam Profile Terms". www.lunatipower.com. Retrieved 2020-06-10.
  10. ^ "What kind of camshaft – made of steel or cast iron?". www.camshaftkits.com. Archived from the original on 2020-09-20.
  11. ^ "Custom Ground Cam - Affordable Custom Cam Grind - Circle Track". Hot Rod. 2004-04-19. Retrieved 2020-06-10.
  12. ^ "Custom-made billet camshafts: – Moore Good Ink". Retrieved 2020-06-10.
  13. ^ "Linamar Buying Mubea Camshaft Operations". www.forgingmagazine.com. Retrieved 7 June 2020.
  14. ^ "What is Quad-cam engine?". www.carspector.com. Retrieved 7 June 2020.
  15. ^ a b Sellén, Magnus (2019-07-24). "DOHC Vs. SOHC - What's The Difference Between Them?". Mechanic Base. Retrieved 2020-06-10.
  16. ^ "The V8: Birth and Beginnings". www.rrec.org.uk. Archived from the original on 15 March 2016. Retrieved 12 July 2020.
  17. ^ a b c "Secrets Of Camshaft Power". www.hotrod.com. 1 December 1998. Retrieved 18 July 2020.
  18. ^ "Camshaft RPM Range". www.summitracing.com. Retrieved 18 July 2020.
  19. ^ a b c d e "Understanding Camshaft Fundamentals". www.jegs.com. Retrieved 18 July 2020.
  20. ^ a b "Camshaft Lift". www.summitracing.com.
  21. ^ a b c d "Be The Camshaft Expert". www.hotrod.com. 14 June 2006. Retrieved 18 July 2020.
  22. ^ a b "What is valve float?". www.summitracing.com. Retrieved 18 July 2020.
  23. ^ a b "COMP Cams Effect of Changes In Cam Timing and Lobe Separation Angle". www.compcams.com. Retrieved 19 July 2020.
  24. ^ "Camshaft Lobe Separation". www.summitracing.com. Retrieved 19 July 2020.
  25. ^ "Koenigsegg Gemera - Technical specifications". www.koenigsegg.com. Retrieved 19 July 2020.
  26. ^ "The Future of the Internal Combustion Engine – Inside Koenigsegg". www.youtube.com. The Drive. Archived from the original on 2021-11-18. Retrieved 7 June 2020.
  27. ^ "Electric Locomotives – The Railway Technical Website". www.railway-technical.com. Retrieved 7 June 2020.