기계 요소의 기본이 되는 캠, 클러치, 브레이크의 기능

캠, 클러치, 브레이크는 응용 범위가 넓은 기계 요소입니다. 흔히 볼 수 있는 자동차나 이륜차를 비롯해 다양한 제품에 사용되고 있어 기계 설계를 할 때 반드시 필요한 요소입니다. 각각의 기능, 사용 방법에 대해 살펴 보겠습니다.

캠이란

캠이란 회전과 왕복 운동을 다른 방향의 운동으로 바꾸는 기계 요소입니다. 움직임을 결정하는 캠의 윤곽 형상을 프로파일이라 하며, 캠에 대응하는 부품이 이에 따라 움직이며 기계 설계자가 미리 정해 둔 움직임을 재현합니다. 주로 미리 정한 복잡한 움직임을 정확하게, 반복해서 재현하는 용도로 사용됩니다. 구조가 단순해 신뢰성이 높고 부품 수가 적어 비용적인 면에서도 유리하다는 이점이 있습니다. 캠에는 다양한 종류가 있는데 대표적인 캠과 그 기능에 대해 소개하겠습니다.

평면 캠

평면 캠에는 판 캠과 정면 캠이 있습니다.

• 판 캠 캠 프로파일을 가진 판을 회전, 왕복 운동을 시켜 움직임을 컨트롤합니다.
• 정면 캠 판의 면에 캠 프로파일의 홈을 만들어 이를 회전, 왕복 운동을 시켜 움직임을 컨트롤합니다.

입체 캠

입체 캠에는 원통 캠과 단면 캠이 있습니다.

• 원통 캠 원통 바깥 둘레 면에 캠 프로파일의 홈을 만들어 이를 회전 운동을 시켜 움직임을 컨트롤합니다.
• 단면 캠 원통의 단면을 캠 프로파일이 되도록 형성해 이를 회전 운동을 시켜 움직임을 컨트롤합니다.

캠을 사용한 제품 중에서 가장 흔히 볼 수 있는 것은 자동차 엔진입니다. 엔진은 신선한 공기를 실린더 안으로 주입해, 이를 휘발유 등의 연료와 섞은 혼합 기체로 만들어 피스톤으로 압축하여 폭발시켜 힘을 만들어냅니다. 이러한 공기 주입, 그리고 폭발 후에 남은 배기 가스를 밖으로 내보내는 타이밍이나 양을 컨트롤하는 부품이 급배기 밸브라는 부품이며 이들을 움직이는 것이 캠 샤프트라는 부품입니다. 이는 각 밸브에 대응한 평면-판 캠이 동일한 축에 나열되어 조립된 부품으로 밸브 개폐 타이밍이나 열리는 양을 컨트롤합니다. 이 밖에도 캠은 공작 기계나 미싱 등에 사용됩니다.

클러치란

클러치는 2개의 동심축 상에 있는 동력 전달 축 중 한쪽(구동측)에서 전달된 동력을 임의의 타이밍이나 정해진 조건으로 그 앞(피동측)으로 전달하거나 차단하는 기능을 가진 기계 요소입니다. 자동차 운전 면허를 스틱으로 딴 분은 조작한 적이 있을 겁니다. 자동차 운전 중에 신호를 기다려 정차할 때나 주차 시 전진에서 후진으로 전환할 때 클러치를 사용합니다. 만약 클러치가 없어 항상 엔진의 동력이 바퀴로 전달된다면, 매번 엔진을 정지시켜야 해서 매우 불편할 겁니다. 자동차뿐만 아니라 기계는 사용 중에 일시적으로 동작을 멈추거나 바로 재개해야 하는 경우가 많습니다. 따라서 엔진이나 모터 등의 동력을 일시적으로 차단할 목적으로 클러치가 사용됩니다. 이 밖에도 한 방향 회전만 전달하거나 정해진 회전수 이상으로 동력을 전달하는 특수한 클러치도 있습니다. 클러치에는 다양한 종류가 있는데 대표적인 것을 소개하겠습니다.

• 맞물림 클러치(도그 클러치) 맞물림 클러치는 서로의 동력 전달축 단면에 죠가 있어 이를 맞물리거나 분리하여 동력 전달을 컨트롤합니다. 죠가 서로 맞물리기 때문에 정지 중이나 저속 운전 중이 아니면 조작할 수 없습니다. 이륜차의 변속기 등에서 사용됩니다.
• 마찰 클러치 마찰 클러치는 서로의 동력 전달축 단면에 마찰을 견딜 수 있는 부품을 서로 마주 보게 하여 이를 누르거나 분리하여 동력 전달을 컨트롤합니다. 단시간에 서로 미끄러지게 할 수 있어 매끄럽게 발진하거나 동력의 일부만 피동측으로 전달하는 등의 컨트롤이 가능합니다. 클러치 중에서 가장 일반적인 것으로 자동차를 비롯해 이륜차, 산업 기계 등 광범위하게 사용되고 있습니다. 스타터 등도 마찰 클러치의 일종인 원심 클러치를 사용합니다. 이는 엔진의 회전수가 일정 이상이 되면 클러치가 연결되는 것입니다.
• 유체 클러치 유체 클러치는 서로의 동력 전달축의 단면에 날개 바퀴를 달아 서로 마주 보게 하여 이를 기름 등으로 채운 케이스 안에 설치한 클러치입니다. 구동측이 회전하면 안에 든 기름이 함께 회전하여 동력이 피동측에도 전달됩니다. 일시적으로 피동측을 정지시킨 경우에도 케이스 안의 기름이 뒤섞이지만 구동측까지 멈추진 않습니다. 오토매틱 자동차의 경우, 클러치를 의식해야 할 일은 없습니다. 그러나 변속기 내부에는 유체 클러치의 일종인 토크 컨버터가 사용됩니다.
• 원웨이 클러치 원웨이 클러치는 정해진 한 방향으로만 동력을 전달하는 특수한 클러치입니다. 흔히 볼 수 있는 것으로 자동차의 프리 휠(페달을 밟지 않을 때에도 관성으로 전진하는 기구)에 사용됩니다.

브레이크란

브레이크는 기계를 감속시키거나 정지시키는 기능을 가진 기계 요소입니다. 자동차나 자전거에서도 사용되어 흔히 볼 수 있습니다. 대부분의 경우에는 마찰을 이용해 기계의 운동 에너지를 열로 바꾸어 제동력(브레이크의 힘)을 얻습니다. 브레이크에는 다양한 종류가 있는데 대표적인 것을 소개하겠습니다.

• 띠 브레이크(밴드 브레이크) 띠 브레이크는 드럼 바깥 둘레에 강띠를 감고, 체결하여 제동력을 얻습니다. 제동력은 강하지만, 환경에 따라 효과가 달라지므로 조작감이 중요하지 않은 용도로 사용됩니다.
• 드럼 브레이크 드럼 브레이크는 드럼 안쪽 둘레에 브레이크 슈라 불리는 부품을 눌러 제동력을 얻습니다. 트럭의 주차 브레이크나 포크리프트의 브레이크에 사용됩니다.
• 디스크 브레이크 디스크 브레이크는 브레이크 디스크를 패드라 불리는 부품을 눌러 제동력을 얻습니다. 드럼 브레이크는 연속 사용에 의해 열이 쉽게 고여 제동력이 저하되는 결점이 있습니다. 그러나 디스크 브레이크는 구조 상 방열성이 뛰어나 이러한 문제가 적기 때문에 현재 자동차의 표준적인 브레이크로 사용되고 있습니다.

정리

캠, 클러치, 브레이크는 기계 요소 중에서도 비교적 복잡한 기계에 사용되는 부품입니다. 기계 설계에서는 이러한 기계 요소의 기능을 고려하여 제대로 조합해 필요한 성능과 신뢰성을 갖춘 제품으로 만드는 것이 중요합니다.