e.g.) 내연기관 엔진
Fig - 1.1 토요타 직분사 디젤 터보엔진.[2]. (1GD-FTV)
멋지지 않은가? 가슴이 울리지 않는가?(아냐) 사실 본인이 차에 그렇게 관심이 있는 것은 아니지만, 1) 운동을 담당하고 2) 사이즈가 크며 무엇보다 3) 웅웅대는 소리를 굉장히 좋아하기 때문에 본능적으로 끌리는 부분이 있다. 각설하고, 토요타가 생산한 해당 엔진만의 특징이 아닌, 이 엔진의 직렬 번호 시리즈에 대한 캠샤프트 구조는 아래와 같다.
Fig - 1.2 GD 시리즈 엔진의 캠샤프트 구조[3]
자동차 엔진은 보통의 경우 4행정(흡기 - 압축 - 폭발 - 배기)기관으로서[4] 캠 구조의 상사점 및 하사점에서 각기 수행되어야 '하는'(이 부분에서 눈치챘겠지만 그런 연유로 자동차는 하드-리얼타임 OS로 구동되어야 한다. 이건 다른 부분에서 언급할 것이므로 짤막하게 끝내겠다.)정확한 타이밍에 이그니션 플러그에서 방전을 해 주어 혼합기 내에 함유된 유증기에 불이 붙고, 이로 인해 폭발이 일어나는 구조가 바로 압축 - 폭발 행정 사이에 일어나는 일이다.
Fig - 1.3 4행정 기관의 대략적인 거동 영상
이 때 피스톤의 움직임을 정밀하게 만들어주는 것이 바로 이 캠인 것이다. 이 캠은 차의 운동을 관장하기 때문에 엄청나게 많은 운동을 담당하는 바, 캠 부품(및 다른 구동부품까지 두루 미칠 수 있는) 급유 시스템도 굉장히 중요할 것이다. 다음은 이 엔진의 급유 구조의 개략도이다.
Fig - 1.4 GD 시리즈 엔진의 급유 시스템
사실 캠에 있어서도 급유는 굉장히 중요한 요소이다. 상술하였듯 반복적인 운동이 지속되다 보면 표면의 마멸이 굉장히 중요한 이슈가 되기 때문이다. 이 때 적절한 급유가 수행된다면 캠 자체의 내구성을 굉장히 증대시킬 수 있다.
지금 한 예만 보더라도 캠이 관여하는 부분이 굉장히 많다. 목차를 미리 보신 영민하신 분들은 어느 정도 눈치채셨겠지만 목차의 네~다섯가지 부분 이상이 관여하고 있다는 걸 쉽게 아실 수 있을 것이다. 이외 다양한 산업 분야(화장품/식품 생산, 프레스 성형 및 수많은 분야)에서 캠-팔로워 시스템은 그 역할을 잘 수행하고 있다.
캠-팔로워 시스템의 경우에는 정밀한 운동을 반복하여 수행하는 시스템에 대단히 제격으로서, 액츄에이터가 부담해야 하는 복잡성을 굉장히 줄여주고 규칙적인 움직임을 통해 제어의 부담성도 줄여주는 여러모로 이점이 굉장히 많은 시스템이다. 우리는 이제 고속 작업과 고도의 정확성 및 정밀성, 고반복성을 담보하는 수많은 산업적 응용을 위해 실제 필요한 정보들과 캠을 제대로 설계하고 제조하기 위해 알아야 하는 수학적 기초를 같이 배워볼 것이다. 이제 이 시스템을 구성하는 캠, 캠-팔로워 시스템에 대해 차근차근 하나씩 배워 쌓아 올라가 보도록 하자.
References
- p.1, ch.1, Norton, Robert L - Cam Design and Manufacturing Handbook, 2nd Ed (2009, Industrial Press, Inc)↩
- 토요타 GD series 디젤 엔진 소개 페이지↩
- 상동↩
- Wikipedia 'Four-Stroke Engine' index↩