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자동차기계부품

기계부품을 일부 소개할 때는 자동차에서 몇 가지 예를 드는 것이 유용하다.

자동차의 기본원리는 가솔린의 폭발효과를 이용하여 뒷바퀴를 돌리는 동력을 공급하는 것이다. 실린더 안에서 가솔린이 폭발하면 피스톤이 아래로 밀려나고, 각 피스톤과 크랭크축을 이루는 크랭크는 커넥팅로드로 연결되어 있어 피스톤의 병진(왕복)운동을 크랭크축의 회전운동으로 바꾸어 전달한다. 피스톤·실린더·크랭크·커넥팅로드의 조합은 슬라이드 크랭크 장치로 알려져 있으며, 기관에서처럼 병진운동을 회전운동으로 바꾸거나 펌프에서처럼 회전운동을 병진운동으로 바꾸는 장치다.

밸브의 작동으로 가솔린-공기 혼합기체가 실린더로 들어가고 연소 가스가 배출된다. 즉, 크랭크축이 기어나 체인으로 캠축을 회전시키면 캠축에 있는 캠의 공동절 직선운동으로 밸브가 열리고 닫힌다.

8기통 4행정기관의 크랭크축은 1/4 회전마다 축의 길이를 따라 어떤 점에서 순간력을 받는다.

이런 간헐적인 순간력에 의해 크랭크축의 회전속도가 변하는 것을 막기 위해 플라이휠을 사용한다. 이것은 크랭크축에 달려 있는 무거운 바퀴로서, 플라이휠의 관성을 이용하여 속도의 변동을 막거나 완화시킨다.

전달되는 회전력(토크)은 그것의 회전속도에 달려 있으므로 내연기관은 하중이 실린 상태에서는 시동을 걸 수 없다. 따라서 하중이 실리지 않은 상태에서 자동차기관의 시동을 걸어 실속(失速：입력축은 회전하고 출력축은 정지한 상태)을 일으키지 않고 바퀴와 연결하기 위해서는 클러치와 변속기가 필요하다.

클러치는 크랭크축과 변속기를 잇거나 끊으며, 변속기는 입출력속도와 변속기의 회전력 사이의 비를 한정된 단(段)으로 나누어 바꾼다. 저속 기어에서는 출력속도가 낮고 출력회전력이 기관의 회전력보다 높아서 차가 출발할 수 있으며, 고속 기어에서는 차가 빠른 속도로 움직이고 그 회전력과 차의 속도는 같다.

바퀴가 붙어 있는 축은 리어 스프링(rear spring：겹판 스프링으로 되어 있음)에 고정된 뒤차축 하우징(rear axle housing) 안에 있으며, 구동축에 의해 변속기로부터 구동된다.

차가 움직여 덜컹거림에 따라 스프링이 휘어지면, 하우징은 전동장치에 따라 움직인다. 따라서 회전력 전달에 방해되지 않게 하우징이 움직일 수 있도록 구동축의 양끝을 자재이음(universal joint)으로 연결한다.

구동축은 뒤차축과 직교하고, 이 직각연결은 일정한 기어비를 갖는 베벨 기어들로 이루어져서 뒤차축을 구동축의 1/3~1/4 속도로 회전시킨다. 뒤차축 하우징에는 양쪽 뒷바퀴가 하나의 장치에서 동력을 받아 모퉁이를 돌 때 서로 다른 속도로 회전하도록 하는 차동장치(差動裝置)가 있다.

모든 움직이는 기계장치처럼 자동차도 마찰영향을 피할 수가 없다. 기관, 변속기, 뒤차축 하우징, 그리고 모든 베어링에서 생기는 마찰로 인한 동력손실 때문에 기관은 더 많은 동력을 만들어야 한다. 윤활유로 이런 마찰을 줄이기도 하지만 없애지는 못한다. 반대로 타이어와 도로 사이, 그리고 브레이크 슈(brake shoe)에서의 마찰로 견인과 제동을 할 수 있다.

팬·발전기 및 다른 부속품 등을 움직이는 벨트들도 마찰을 이용하는 장치이며, 클러치 조작 또한 마찰을 이용한다.

위에 예로 든 몇몇 장치들과 아래에 설명할 것들은 물리적인 작업을 하도록 여러 방법으로 조합된 모든 범주의 기계에서 찾을 수 있다. 기능이 다양하고 공통 특징이 부족하기 때문에 이 항목에서는 특수한 오퍼레이터를 다루지는 않겠다. 여기서는 원동기의 전체 성능을 다루는 것도, 유압·압축공기·전기장치의 작동을 다루는 것도 아니다.

단지 기계를 이루는 기본적인 기계장치의 작동과 구조에 관심을 기울일 것이다. 대부분 이런 장치의 기능은 힘과 운동을 전달하고 바꿔주는 것이다. 그밖에 스프링·플라이휠·축·파스너(fastener)와 같은 장치는 보완하는 기능을 한다.

여기서 기계는 일을 하기 위해 힘과 운동을 전달하고 바꾸는 데 사용하는 부품인 둘 이상의 '레지스턴트'로 이루어진 장치라고 정의한다.

기계부품이 레지스턴트로 되기 위해서는 기능이 정지하거나 줄어들지 않고 실린 하중을 전달할 수 있어야 한다. 대부분의 기계부품은 적당한 크기의 단단한 금속물체이지만, 비금속재료·스프링·유압기관·벨트와 같은 장력장치도 사용된다.

구속운동

기계의 가장 뚜렷한 특징은 부품이 서로 연결되어 서로가 서로의 운동을 구속한다는 것이다. 예를 들어, 실린더블록에서 실린더는 왕복기관의 피스톤을 구속하여 직선운동을 하게 하고, 주(主)베어링은 크랭크축 끝을 구속하여 원운동을 하게 하며, 다른 형태들도 상대적인 운동을 불가능하게 한다.

어떤 기계의 부품은 일부분만 구속된다. 만약 스프링이나 마찰부재로 부품을 연결하면 부품이 지나는 경로는 서로에 대해 상대적으로 고정되지만, 스프링의 강성·마찰·부품들의 결합은 부품의 운동에 영향을 미칠 것이다.

만약 기계의 모든 부품이 하중을 받을 때 처짐을 무시할 수 있을 정도로 단단하다면 구속이 완전하다고 생각할 수 있으며, 처지도록 하는 힘을 고려하지 않고 부품의 상대적 운동을 연구할 수 있다. 예를 들면 왕복기관에서 크랭크축의 특정한 회전속도에 대한 커넥팅로드와 피스톤의 속도는 계산될 수 있다. 정해진 입력운동에 대해 기계부품의 변위·속도·가속도를 결정하는 것이 기계역학의 주요내용이다(→ 운동학). 이런 양들은 운동이 구속되므로 관련된 힘을 고려하지 않고 계산할 수 있다.

작용

기계는 힘과 운동 모두를 전달하고 바꾸어준다. 기계의 부품을 연결하고 입력운동을 주어 필요한 출력운동을 만드는 방법이 기계의 작용이다. 왕복기관에서 피스톤·커넥팅로드·크랭크축은 피스톤의 직선운동을 크랭크축의 회전운동으로 바꾸는 장치다.

기계작동에는 힘과 운동 모두가 관련되지만, 기계의 주요한 기능은 힘을 증대시키거나 운동을 바꾸어주는 것이다. 지렛대는 본래 힘 증대기인 반면, 변속기(gear box)는 감속기로 가장 많이 사용한다. 기계에서 운동과 힘은 뗄 수 없는 관계이지만 항상 반비례한다. 지렛대의 출력힘은 입력힘보다 크지만, 출력운동은 입력운동보다 더 작다. 마찬가지로 기어감속기의 출력속도는 입력속도보다 더 적지만, 출력회전력은 입력회전력보다 더 크다. 지렛대는 힘을 얻는 동시에 운동이 줄어드는 반면, 기어감속기는 운동을 줄이는 동시에 회전력을 증가시킨다.

기계의 주요기능은 알 수 있지만, 모든 기계를 힘 또는 운동 변화기 가운데 하나로 분류하기는 어렵다. 어떤 기계는 양쪽 범주 모두에 속한다. 그러나 만약 기계장치의 부품이 움직이지 않으면 기계가 아니고 구조물이기 때문에, 모든 기계는 운동을 바꾸는 기능이 있어야 한다. 기계설계자는 부품의 운동을 연구할 때 기계의 작용에 관해 말하는 것이 관례이다. 모든 기계는 작용을 가지고 있어 운동을 바꾸어주는 기능이 있으나, 몇몇 기계는 힘이 바뀌지 않도록 설계되기도 한다. 마찰이나 움직이는 결합체의 관성으로 생긴 힘은 유용한 출력이라고 볼 수 없다. 이런 부류에는 측정기구와 시계가 있다.

정의에서 언급한 '일'은 과학적 의미로 해석할 수 있다. 역학에서 일이란, 힘이 작용하는 방향으로 움직일 때 힘이 한 것이며, 평균힘에 움직인 거리를 곱한 것과 같다. 이 정의에 따르면 만일 사람이 추를 수평방향으로 옮길 경우 그 사람은 아무 일도 하지 않은 것이 되는데, 힘은 수직방향이고 운동은 수평방향으로서 힘과 운동이 서로 직각을 이루기 때문이다. 만일 사람이 추를 층계나 사다리 위로 올린다면 일을 하는 것이 되는데, 이것은 힘을 가한 방향과 똑같은 방향으로 움직이기 때문이다.

수학적으로, 만약 힘을 F라 하고 변위를 S라 하면, 일 W는 가한 힘 F에 이 힘이 움직인 변위 S를 곱한 것과 같다. 즉 일 W=F·S이다. 물체에 힘을 가하여 고정축이나 회전축을 중심으로 회전시킬 때 한 일은 회전력(T)과 회전각을 곱하여 얻는다.

효율

일의 개념은 힘과 운동으로 기계적 일함수를 정의하는 데 기본이 되며, 기계에서 힘과 운동이 뗄 수 없는 관계임을 나타낸다.

기계에서 나오는 일 출력(work output)은 마찰 때문에 항상 일 입력(work input)보다 적고, 이 둘의 비(比)인 효율은 언제나 100%보다 적다.

입력힘에 대한 출력힘의 비는 기계적 확대율(mechanical advantage/MA)이라 하며 힘을 바꾸어주는 함수를 정의하고, 출력운동에 대한 입력운동의 비는 속도비(velocity ratio/VR)라 하며 운동을 바꾸어주는 함수를 정의한다. 효율이 높으면 이들은 거의 같은 비를 갖는다. 만약 출력힘이 입력힘의 10배이면, 입력운동은 출력운동의 10배이어야 한다.

즉 힘을 얻으면 운동을 잃게 된다. 마찰은 기계적 확대율에 영향을 미치지만, 속도비에는 영향을 미치지 않는다.

입력일에 대한 출력일의 비로부터 효율을 계산하려면 일정한 거리에 대해 출력힘과 입력힘이 한 일을 반드시 알아야 한다. 따라서 구간에 대한 평균힘을 결정해야 하므로 불편하다. 순간적인 하중값과 하중이 움직이는 비로부터 더 쉽게 기계의 효율을 결정할 수 있다.

이런 목적을 위해서는 일률공식이 가장 유용하다.

일률은 일을 하는 비율이다. 만약 사람이 30초 동안 4.5㎏의 추를 사다리나 계단 위로 5m까지 올린다면 30초 동안에 쓰인 일은 30×5, 즉 150kgf·m이다. 따라서 일률은 5kgf·㎧이다.

영어권에서는 일률의 단위로 '마력'(hp)을 쓰며, 1hp는 분당 76kgf·㎧와 같으므로 5kgf·㎧는 5/76=0.0658hp와 같다.

지렛대·축바퀴와 같이 힘을 증대시키는 간단한 기계를 다룰 때는 입력힘을 '작동력'이라 하고, 출력힘을 '하중'이라고 하는 것이 편리하다. 따라서 기계적 확대율은 작동력에 대한 하중의 비이고, 속도비는 작동력에 의한 운동(변위 또는 속도)을 대응하는 하중의 운동으로 나눈 것이다.