크랭크 (기계)

1. 개요

크랭크는 회전 운동을 발생시키는 기계 부품으로, 수동, 발로 돌리는 방식, 엔진 등 다양한 형태로 사용된다. 수동 크랭크는 물레, 연필깎이, 낚시 릴 등에, 발로 돌리는 크랭크는 재봉틀, 자전거 페달 등에 사용되며, 왕복 엔진에서는 피스톤의 운동을 회전 운동으로 변환하는 데 사용된다. 크랭크는 중국 한나라 시대의 유물에서 최초의 증거가 발견되었으며, 아라비아의 알 자자리에 의해 널리 사용되었다. 사점은 크랭크 기구에서 회전력이 작동하지 않는 지점을 의미하며, 크랭크 액슬은 크랭크축과 차축의 역할을 겸하는 부품이다.

2. 예시

크랭크의 일반적인 예시는 다음과 같다.

대부분의 왕복 엔진은 크랭크(및 커넥팅 로드)를 사용하여 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하며, 크랭크는 크랭크축에 통합되어 있다.

크랭크에 커넥팅 로드라고 불리는 막대를 연결하면, 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하거나, 또는 그 반대의 변환이 가능하다. 자동차 등의 왕복 엔진은 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 바꾸는 대표적인 예시이다(슬라이더 크랭크 기구). 반대로 크랭크 쪽을 회전시키면 왕복 펌프나 왕복 압축기가 된다.

크랭크 단독의 예로는, 사람의 힘으로 무언가를 돌리기 위한 핸들 (정확히는 크랭크 핸들)이나, 자전거의 페달 등이 있다.

왕복 엔진에서는 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위해 크랭크 기구의 크랭크축을 사용한다. 용적 압축형 왕복 압축기는 크랭크축을 전동기나 엔진으로 돌려 회전 운동을 피스톤의 왕복 운동으로 변환하여 기체를 압축한다.

2.1. 수동 크랭크

일반적인 예시는 다음과 같다.

2.2. 발로 돌리는 크랭크

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일반적인 예는 다음과 같다.
* 페달을 통해 자전거를 구동하는 크랭크 세트.
* 발판 재봉틀

2.3. 엔진

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대부분의 왕복 엔진은 크랭크 (커넥팅 로드)를 사용하여 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하며, 크랭크는 크랭크축에 통합되어 있다.

크랭크에 커넥팅 로드를 연결하면 왕복 운동을 회전 운동으로, 또는 그 반대로 변환할 수 있다. 자동차 등의 왕복 엔진은 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 바꾸는 대표적인 예시이다(슬라이더 크랭크 기구). 반대로 크랭크 쪽을 회전시키면 왕복 펌프나 왕복 압축기가 된다.

왕복 엔진은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위해 크랭크 기구의 크랭크축을 사용한다. 용적 압축형 왕복 압축기는 전동기나 엔진으로 크랭크축을 돌려 회전 운동을 피스톤의 왕복 운동으로 변환, 기체를 압축한다.

3. 역사

크랭크는 중국 한나라 시대 묘에서 발견된 도기 모형에서 처음 등장한다. 그러나 크랭크 기구가 널리 사용된 것은 아라비아의 학자이자 발명가인 알 자자리 덕분이다. 그는 최초로 크랭크 축을 조합했으며, 커넥팅 로드 또한 그의 발명품이다. 알 자자리는 1206년에 자신이 개발한 두 개의 양수 기계에 이 시스템을 사용했다.

1930년대 이전에는 대부분의 축음기가 크랭크식 태엽으로 구동되었다. 자동차의 내연 기관도 스타터 모터가 보편화되기 전에는 크랭크 풀리에 크랭크 막대를 꽂아 인력으로 돌려 시동을 걸었다.

3.1. 아시아

크랭크는 아시아 지역에서 처음 등장하여 다양한 방식으로 활용되었다. 한나라 시대의 농업용 키 모형에서 크랭크 핸들의 초기 증거가 발견되었고, 바누 무사 형제의 저술과 알 자자리의 발명품에도 크랭크가 나타난다. 고대 이집트에서도 크랭크와 유사한 도구를 사용했다는 기록이 있다.

로마 제국 시대에는 히에라폴리스 제재소에서 크랭크와 연결봉을 사용한 기계가 등장했고, 제라사와 에페소스에서도 유사한 제재소가 발견되었다.

3.1.1. 중국

최초의 크랭크 핸들에 대한 증거는 늦어도 서기 200년으로 거슬러 올라가는 한나라 시대의 농업용 키 모형의 유약 옹기 무덤에서 발견된 것으로 여겨진다. 이후 크랭크로 작동하는 키가 있는 유사한 도자기 모형이 발굴되었으며, 그 중 하나는 서한 시대(기원전 202년 – 서기 9년)로 거슬러 올라간다. 중국인들은 늦어도 서한 시대부터 고대 발파 장치, 섬유 기계 및 농업 기계에 크랭크와 연결 로드를 사용했다. 처음에는 수동식 맷돌과 롱(곡물 탈피 기구)에 사용되었으며, 이후 다른 장치로 발전했다. F. 리솅과 T. 칭준에 따르면, 회전식 맷돌의 핸드 크랭크는 크랭크와 달랐으며, 이는 힌지로 핸드 크랭크와 밀고 당기는 연결 로드를 결합한 것이었다. 결국 크랭크와 연결 로드는 체질, 발판식 물레, 수력식 풀무, 실 잣는 기계와 같은 다른 응용 분야에서 왕복 운동과 회전 운동의 상호 변환에 사용되었다.

수동식 슬라이더 크랭크 기구는 중국의 한나라 시대 묘에 묻는 도기 안에 모델로 등장한다.

3.1.2. 중동

9세기 중반 바누 무사 형제가 저술한 기묘한 장치에 관한 책에는 여러 유압 장치에서 크랭크가 나타난다. 그러나 이 장치들은 부분적인 회전만 가능했고, 큰 동력을 전달할 수는 없었다. 비록 크랭크축으로 변환하는 데는 약간의 수정만 필요했지만 말이다.

알 자자리(1136–1206)는 두 대의 물을 끌어올리는 기계에서 회전 기계에 사용된 크랭크와 연결봉 시스템을 묘사했다. 그의 쌍둥이 실린더 펌프는 크랭크축을 포함하고 있었다. 15세기 초 알렉산드리아의 헤론의 기계학 아랍어 필사본에도 크랭크가 묘사되어 있다. 아라비아의 학자이자 발명가인 알 자자리는 최초로 크랭크 축을 조합한 인물이며, 커넥팅 로드 또한 알 자자리의 발명이다. 그는 1206년에 자신이 개발한 두 개의 양수 기계에 이 시스템을 사용했다.

3.2. 유럽

이후, 크랭크가 연결봉과 결합된 기계에 대한 증거는 서기 3세기의 고대 그리스 히에라폴리스 제재소(로마 아시아)와 6세기의 두 개의 석재 제재소(게라사, 로마 시리아 및 에페소스, 로마 치하의 그리스 이오니아)에서 나타난다. 히에라폴리스 제재소의 페디먼트에는 밀 수로에서 공급받는 물레방아가 기어 트레인을 통해 두 개의 프레임 톱에 동력을 공급하는 모습이 묘사되어 있는데, 이는 일종의 연결봉과 기계적 필요에 의해 크랭크를 통해 직사각형 블록을 절단하는 방식이었다. 그에 수반되는 비문은 그리스어로 되어 있다. 다른 두 개의 고고학적으로 증명된 제재소의 크랭크 및 연결봉 메커니즘은 기어 트레인 없이 작동했다.

서기 2세기에 제작된 것으로 추정되는 로마 시대의 철제 크랭크가 아우구스타 라우리카(스위스)에서 발굴되었는데, 그 용도는 아직 밝혀지지 않았다. 82.5cm 길이의 이 부품 한쪽 끝에는 15cm 길이의 청동 손잡이가 장착되어 있었고, 다른 손잡이는 유실되었다.

40cm 길이의 진정한 철제 크랭크가 뮌헨 근처 아쉬하임에서 50cm ~ 65cm 직경의 깨진 맷돌 한 쌍과 다양한 철제 물품과 함께 발굴되었다. 크랭크로 작동하는 고대 로마식 방아는 서기 2세기 후반으로 추정된다.

고대 문헌에는 4세기 말 시인 아우소니우스가 트리어 근처 (현재 독일)에서 물로 작동하는 대리석 톱의 작동에 대해 언급했으며, 같은 시기에 이 유형의 방아는 그리스의 기독교 성인 니사의 그레고리에 의해 나타나기도 하여, 로마 제국의 여러 지역에서 물의 동력의 다각적인 사용을 보여준다. 이 세 가지 발견은 크랭크와 연결봉의 발명 시기를 1천 년이나 앞당겼다.

회전하는 숫돌 — 가장 초기의 묘사 — 중 하나로, 크랭크 핸들로 작동하는 것이 카롤링거 필사본 위트레흐트 시편에 묘사되어 있다. 약 830년의 펜 드로잉은 후기 고대 원본으로 거슬러 올라간다. 수도원장 오도 드 클뤼니(878–942)에게 귀속된 음악 논문은 크랭크로 돌린 송진 바퀴로 소리가 나는 프렛 현악기를 설명하고 있다. 이 장치는 이후 12세기 두 개의 채색 필사본에 등장한다. 또한 이 세기와 다음 세기에 걸쳐 포르투나가 운명의 바퀴를 돌리는 두 개의 그림이 있다.

크랭크 핸들을 두개골 천공술 드릴에 사용하는 것은 1887년판 그리스 및 로마 고대 사전에 묘사되었으며, 스페인 무슬림 외과 의사 아부 알-카심 알-자흐라위의 것으로 여겨졌다. 그러나 그러한 장치의 존재는 원본 채색화에 의해 확인될 수 없으므로 무시해야 한다. 베네딕토회 수도사 테오필루스 프레스비터 (c. 1070–1125)는 "주조 코어를 돌리는 데 사용되는" 크랭크 핸들을 묘사했다.

이탈리아 의사 귀도 다 비제바노 (c. 1280–1349)는 새로운 십자군을 계획하면서 수동으로 돌리는 복합 크랭크와 기어 휠(이미지 중앙)로 추진되는 외륜선과 전쟁 마차에 대한 삽화를 만들었다. 약 1340년으로 거슬러 올라가는 러트렐 시편은 차축의 각 끝에 하나씩, 두 개의 크랭크로 회전하는 숫돌을 묘사하고 있다. 기어 핸드 밀은 하나 또는 두 개의 크랭크로 작동되었으며, 15세기에 등장했다.

중세 시대의 크레인은 때때로 크랭크로 작동되었지만, 더 자주 도르래로 작동되었다.

크랭크는 15세기 초 유럽에서 널리 사용되었으며, 특히 독일 군사 기술자 콘라트 카이저와 같은 사람들의 작품에서 자주 발견되었다. 카이저의 벨리포르티스에 묘사된 장치로는 공성용 석궁을 당기기 위한 크랭크 방식의 도르래 (바퀴 대신), 물을 퍼올리기 위한 크랭크 체인 버킷, 크랭크가 부착된 종 바퀴 등이 있다. 카이저는 또한 아르키메데스 나사를 물을 퍼올리는 데 사용하도록 크랭크 손잡이를 장착했는데, 이는 파이프를 밟아서 작동시키는 고대 방식을 대체하는 혁신이었다. 우물 인양기에 크랭크를 장착한 최초의 증거는 1425년경 독일의 멘델 재단 하우스부흐의 세밀화에서 발견된다.

--|]]|thumb|독일 석궁병이 크랭크 래크 앤 피니언 장치로 무기를 장전하는 모습 (ca. 1493)]]

목수의 비트에서 복합 크랭크가 처음 묘사된 것은 1420년에서 1430년 사이에 다양한 북유럽 미술 작품에서 나타난다. 복합 크랭크의 급속한 채택은 당시 군사 기술의 상태에 대해 글을 쓴 익명의 독일 기술자, 즉 후스 전쟁의 작가의 작품에서 추적할 수 있다. 첫째, 크랭크에 적용된 커넥팅 로드가 다시 나타났고, 둘째, 이중 복합 크랭크에도 커넥팅 로드가 장착되기 시작했으며, 셋째, 플라이휠이 이러한 크랭크에 사용되어 '사점'을 넘도록 했다.

익명의 후스 전쟁의 작가가 그린 그림 중 하나는 각 끝에 한 쌍의 패들 휠이 있고, 남자가 복합 크랭크를 조작하여 회전하는 배를 보여준다 (위 참조). 이 개념은 1463년 이탈리아 기술자이자 작가인 로베르토 발투리오에 의해 크게 개선되었는데, 그는 5세트의 배를 고안했으며, 평행 크랭크가 하나의 커넥팅 로드를 통해 단일 동력원에 연결되어 있었고, 그의 동료 프란체스코 디 조르조도 이 아이디어를 채택했다.

--|]]|thumb|left|크랭크 및 커넥팅 로드 메커니즘으로 작동하는 물 퍼올리는 펌프 (게오르그 안드레아스 뵈클러, 1661)]]

르네상스 이탈리아에서 복합 크랭크와 커넥팅 로드의 가장 초기 증거는 타콜라의 스케치북에서 발견되지만, 이 장치는 여전히 기계적으로 이해되지 않았다. 크랭크 운동에 대한 확실한 이해는 그보다 조금 늦게, 물레방아에 의해 구동되고 두 개의 단순 크랭크와 두 개의 커넥팅 로드에 의해 작동하는 피스톤 펌프를 그린 피사넬로에 의해 증명되었다.

15세기에는 또한 석궁의 몸체에 장착되어 미사일 무기를 당길 때 훨씬 더 많은 힘을 가하는 수단인, 크랭크 래크 앤 피니언 장치 (크라네킨이라고 함, 오른쪽 그림 참조)가 도입되었다. 섬유 산업에서는 실을 감는 크랭크 방식의 릴이 도입되었다.

1480년경, 중세 초기의 회전 숫돌이 발판과 크랭크 메커니즘으로 개선되었다. 푸시 카트에 장착된 크랭크는 1589년 독일 조각에서 처음 등장한다.

16세기부터는 크랭크와 커넥팅 로드가 기계 설계에 통합된 증거가 당시의 기술 논문에서 풍부하게 나타난다. 아고스티노 라멜리의 1588년 작품인 다양하고 인공적인 기계에는 18개의 예가 묘사되어 있으며, 게오르그 안드레아스 뵈클러의 기계 극장 신작에서는 총 45개의 다른 기계로 증가했으며, 이는 전체의 3분의 1에 해당한다.

3.2.1. 고대

최초의 회전식 손 방아는 기원전 600년에서 500년 사이에 스페인에서 나타났으며, 이후 동쪽으로 확산되었다. 회전 부분의 바깥쪽 가장자리에 있는 손잡이가 크랭크를 형성했으며, 회전을 구동하는 사람의 팔은 연결봉 역할을 했을 것이다.

기원전 200년경으로 추정되는 안티키테라 기계는 그 메커니즘의 일부로 크랭크를 사용했다. 크랭크는 예측 시작 날짜를 수동으로 설정하는 데 사용되었다.

이후, 크랭크가 연결봉과 결합된 기계에 대한 증거는 서기 3세기의 고대 그리스 히에라폴리스 제재소 (로마 아시아)와 6세기의 두 개의 석재 제재소 (게라사, 로마 시리아 및 에페소스, 로마 치하의 그리스 이오니아)에서 나타난다. 히에라폴리스 제재소의 페디먼트에는 밀 수로에서 공급받는 물레방아가 기어 트레인을 통해 두 개의 프레임 톱에 동력을 공급하는 모습이 묘사되어 있는데, 이는 일종의 연결봉과 기계적 필요에 의해 크랭크를 통해 직사각형 블록을 절단하는 방식이었다. 다른 두 개의 고고학적으로 증명된 제재소의 크랭크 및 연결봉 메커니즘은 기어 트레인 없이 작동했다.

서기 2세기에 제작된 것으로 추정되는 로마 시대의 철제 크랭크가 아우구스타 라우리카, 스위스에서 발굴되었는데, 그 용도는 아직 밝혀지지 않았다. 82.5cm 길이의 이 부품 한쪽 끝에는 15cm 길이의 청동 손잡이가 장착되어 있었고, 다른 손잡이는 유실되었다.

40cm 길이의 진정한 철제 크랭크가 뮌헨 근처 아쉬하임에서 50cm ~ 65cm 직경의 깨진 맷돌 한 쌍과 다양한 철제 물품과 함께 발굴되었다. 크랭크로 작동하는 고대 로마식 방아는 서기 2세기 후반으로 추정된다.

고대 문헌에는 4세기 말 시인 아우소니우스가 트리어 근처 (현재 독일)에서 물로 작동하는 대리석 톱의 작동에 대해 언급했으며, 같은 시기에 이 유형의 방아는 그리스의 기독교 성인 니사의 그레고리에 의해 나타나기도 하여, 로마 제국의 여러 지역에서 물의 동력의 다각적인 사용을 보여준다.

수동식 슬라이더 크랭크 기구는 중국의 한나라 시대의 묘에 묻는 도기 안에 모델로 등장한다.

3.2.2. 중세

회전하는 숫돌의 초기 묘사 중 하나는 크랭크 핸들로 작동하는 것으로, 카롤링거 필사본 위트레흐트 시편에 나타난다. 약 830년의 펜 드로잉은 후기 고대 원본으로 거슬러 올라간다. 오도 드 클뤼니(–942)에게 귀속된 음악 논문은 크랭크로 돌린 송진 바퀴로 소리가 나는 프렛 현악기를 설명하고 있다.

두개골 천공술 드릴에 크랭크 핸들을 사용하는 것은 1887년판 그리스 및 로마 고대 사전에 묘사되었으며, 스페인 무슬림 외과 의사 아부 알-카심 알-자흐라위의 것으로 여겨졌다. 그러나 그러한 장치의 존재는 원본 채색화에 의해 확인될 수 없으므로 무시해야 한다. 베네딕토회 수도사 테오필루스 프레스비터 (c. 1070–1125)는 "주조 코어를 돌리는 데 사용되는" 크랭크 핸들을 묘사했다.

이탈리아 의사 귀도 다 비제바노 (c. 1280–1349)는 새로운 십자군을 계획하면서 수동으로 돌리는 복합 크랭크와 기어 휠(이미지 중앙)로 추진되는 외륜선과 전쟁 마차에 대한 삽화를 만들었다.

약 1340년으로 거슬러 올라가는 러트렐 시편은 차축의 각 끝에 하나씩, 두 개의 크랭크로 회전하는 숫돌을 묘사하고 있다. 기어 핸드 밀은 하나 또는 두 개의 크랭크로 작동되었으며, 15세기에 등장했다.

중세 시대의 크레인은 때때로 크랭크로 작동되었지만, 더 자주 도르래로 작동되었다.

3.2.3. 르네상스

크랭크는 15세기 초 유럽, 특히 독일 군사 기술자 콘라트 카이저의 작품에서 널리 사용되었다. 카이저의 벨리포르티스에는 공성용 석궁을 당기는 크랭크 방식 도르래(바퀴 대신), 물을 퍼올리는 크랭크 체인 버킷, 크랭크가 부착된 종 바퀴 등이 묘사되어 있다. 카이저는 아르키메데스 나사에 크랭크 손잡이를 장착하여 물을 퍼올리는 혁신적인 방식을 도입했는데, 이는 파이프를 밟아 작동시키던 고대 방식을 대체했다. 우물 인양기에 크랭크를 장착한 최초의 증거는 1425년경 독일 멘델 재단 하우스부흐 세밀화에서 발견된다.

1420년에서 1430년 사이 북유럽 미술 작품에서는 목수 비트에 복합 크랭크가 처음 묘사되었다. 복합 크랭크의 빠른 채택은 후스 전쟁 작가인 익명의 독일 기술자의 작품에서 확인할 수 있다. 그는 크랭크에 커넥팅 로드를 적용하고, 이중 복합 크랭크에도 커넥팅 로드를 장착하기 시작했으며, 플라이휠을 사용하여 '사점'을 넘도록 했다.

익명의 후스 전쟁 작가는 각 끝에 한 쌍의 패들 휠이 있고 남자가 복합 크랭크를 조작하여 회전하는 배를 그렸다(위 참조). 이 개념은 1463년 이탈리아 기술자이자 작가인 로베르토 발투리오에 의해 크게 개선되었는데, 그는 5세트의 배를 고안했으며 평행 크랭크가 하나의 커넥팅 로드를 통해 단일 동력원에 연결되어 있었다. 프란체스코 디 조르조도 이 아이디어를 채택했다.

르네상스 이탈리아에서 복합 크랭크와 커넥팅 로드의 초기 증거는 타콜라의 스케치북에서 발견되지만, 기계적으로 완전히 이해되지는 않았다. 크랭크 운동에 대한 확실한 이해는 피사넬로가 물레방아로 구동되고 두 개의 단순 크랭크와 두 개의 커넥팅 로드로 작동하는 피스톤 펌프를 그리면서 증명되었다.

15세기에는 석궁 몸체에 장착되어 미사일 무기를 당길 때 더 큰 힘을 가하는 크랭크 래크 앤 피니언 장치(크라네킨)가 도입되었다. 섬유 산업에서는 실을 감는 크랭크 방식의 릴이 도입되었다.

1480년경, 중세 초기의 회전 숫돌이 발판과 크랭크 메커니즘으로 개선되었다. 푸시 카트에 장착된 크랭크는 1589년 독일 조각에서 처음 등장한다.

16세기부터 크랭크와 커넥팅 로드가 기계 설계에 통합된 증거가 기술 논문에 풍부하게 나타난다. 아고스티노 라멜리의 1588년 작품 다양하고 인공적인 기계에는 18개의 예가 묘사되어 있으며, 게오르그 안드레아스 뵈클러의 기계 극장 신작에서는 45개의 다른 기계(전체의 3분의 1)로 증가했다.

4. 사점

커넥팅 로드를 크랭크에 연결하면, 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하거나, 그 반대의 변환이 가능하다. 왕복 운동을 회전 운동으로 변환할 때, 크랭크 기구의 왕복 운동부가 가장 안쪽으로 밀려 들어간 상태와 가장 앞쪽으로 끌어당겨진 상태를 사점이라고 한다. 이 지점에서는 회전력이 작동하지 않으므로, 플라이휠(회전차)을 이용하여 부드럽게 회전을 지속하는 경우가 많다. 또한, 이 지점에서 운동이 정지하면 왕복 운동을 다시 시작할 수 없게 된다. 따라서 수동으로 조작할 경우 회전 부분을 손으로 돌리거나, 위상차를 둔 다른 크랭크를 같은 회전축에 연결하여 어느 크랭크는 회전력을 작동시킬 수 있도록 하여 이러한 문제를 해결하는 것이 일반적이다.

5. 크랭크 액슬

크랭크 액슬은 크랭크축이면서 차축의 역할도 하는 부품이다. 내부에 실린더가 있는 증기 기관차에 사용된다.