피스톤 로드
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1. 개요
피스톤 로드는 증기 기관, 증기 기관차 및 디젤 엔진에서 피스톤의 직선 운동을 크로스헤드로 전달하여 회전 운동으로 변환하는 역할을 하는 부품이다. 초기 증기 기관에서는 피스톤 로드 대신 철제 체인을 사용했으나, 이후 비용 절감을 위해 피스톤 로드가 사용되었다. 복동식 실린더가 개발되면서 피스톤 로드는 밀고 당기는 힘을 전달해야 했으며, 크로스헤드에 부착되어 엔진의 밸브 기어 타이밍에 중요한 역할을 했다. 디젤 엔진에서는 엔진의 속도에 따라 트렁크 피스톤 또는 크로스헤드 타입이 사용된다.
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- 피스톤 - 피스톤 링
피스톤 링은 왕복 엔진에서 피스톤과 실린더 벽 사이를 밀봉하여 압축 가스 누출을 막고 엔진 오일이 연소실로 유입되는 것을 방지하는 부품으로, 압축 링과 오일 링으로 구성되며 엔진 효율과 수명에 중요한 역할을 한다. - 증기 기관차 - 탱크식 증기 기관차
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연결봉은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로, 또는 그 반대로 변환하는 기계 장치로, 증기 기관이나 내연 기관에서 피스톤과 크랭크축을 연결하며, 강철, 알루미늄 합금 등으로 제작되고, 특수한 형태로도 사용된다. - 기관차 - 디젤 기관차
디젤 기관차는 디젤 엔진을 동력원으로 하며 동력 전달 방식에 따라 기계식, 전기식, 유체식으로 나뉘고, 특히 디젤-전기 기관차는 디젤 엔진으로 발전기를 구동해 얻은 전력으로 견인 전동기를 작동시키는 현재 가장 일반적인 형태이다.
| 피스톤 로드 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 왕복동 피스톤 기구 |
| 연결 대상 | 피스톤과 크랭크 |
| 상세 정보 | |
| 역할 | 피스톤의 왕복 운동을 크랭크의 회전 운동으로 변환하거나, 그 반대로 변환하는 데 사용되는 연결 부품이다. |
| 구조 | 일반적으로 금속 막대로 이루어져 있으며, 양쪽 끝에 베어링 또는 관절이 있어 피스톤과 크랭크에 연결된다. |
| 특징 | 높은 강도와 내구성이 요구되며, 엔진의 성능과 수명에 큰 영향을 미친다. |
| 사용 분야 | |
| 주요 사용 분야 | 내연 기관 (가솔린 엔진, 디젤 엔진) 왕복 펌프 압축기 |
2. 증기 기관
제임스 와트가 개발한 증기 기관은 밀폐된 상부 실린더를 사용했다. 이에 따라 피스톤 로드 주위를 패킹 박스로 밀봉해야 했고, 피스톤 로드는 매끄럽고 정확하게 가공해야 했다. 초기에는 단동식 엔진으로 피스톤 로드가 인장력만 받았으나, 후에 복동식 실린더가 개발되면서 피스톤 로드는 번갈아 밀고 당기는 힘을 모두 전달하게 되었다. 밀폐된 실린더를 사용하는 증기 기관은 대부분 복동식이었으며, 이는 패킹 박스와 피스톤 로드에 의존하는 구조였다.
2. 1. 초기 증기 기관
최초의 단동식 실린더 보 빔 엔진은 뉴코멘 대기압 엔진과 같이 아래 방향으로 작용하는 단일 동력 행정을 가지고 있었다. 피스톤 로드 대신 철제 체인을 사용했는데, 이는 인장력은 전달할 수 있었지만 위로 미는 압축력은 전달할 수 없었다. 피스톤은 테두리를 따라 실린더에 밀봉되었지만, 실린더의 상단은 열려 있었다. 이후 긴 단조 체인의 비용을 줄이기 위해 간단한 피스톤 로드가 사용되었다.
제임스 와트의 증기 기관 개발로 밀폐된 상부 실린더가 도입되었다. 이에 따라 피스톤 로드를 둘러싸는 밀봉을 위해 패킹 박스가 필요했으며, 피스톤 로드는 매끄럽고 정확하게 원통형으로 가공해야 했다. 이 시점의 엔진은 여전히 단동식이었으며, 로드는 여전히 인장력으로만 작동했다.
2. 2. 와트 증기 기관
제임스 와트는 증기 기관을 개발하면서 밀폐된 상부 실린더를 도입했다. 이에 따라 피스톤 로드 주위를 밀봉하기 위해 패킹 박스가 필요하게 되었고, 피스톤 로드는 매끄럽고 정확하게 원통형으로 가공해야 했다. 이 당시 엔진은 단동식으로 작동했으며, 피스톤 로드는 여전히 인장력만 전달했다.이후 와트는 복동식 실린더를 개발하여 피스톤 로드가 번갈아 밀고 당기는 힘을 모두 전달할 수 있게 되었다. 밀폐된 실린더를 사용하는 증기 기관은 대부분 복동식이었으며, 이는 패킹 박스와 피스톤 로드에 의존하는 구조였다.
2. 3. 피스톤 로드 부착
피스톤 로드는 주로 가로 방향 슬롯과 테이퍼 키 또는 기브를 사용하여 크로스헤드 및 피스톤에 부착된다. 이 키를 옆으로 밀어 넣어 부착을 조인다. 가로 키를 사용하면 정비 시 비교적 쉽게 분해할 수 있다. 일부 소형 피스톤은 나사산이 있는 피스톤 로드와 큰 너트로 고정되지만, 크로스헤드는 거의 항상 키를 사용한다.피스톤 로드의 정확한 길이는 엔진의 밸브 기어 타이밍에 중요하며, 부착은 피스톤을 피스톤 로드의 고정된 스텝 또는 위치에 조여 고정하고, 길이(및 밸브 타이밍)는 조정할 수 없다. 이 길이는 제조된 로드의 정밀도를 요구하지만, 밸브를 구동하는 로드와는 달리, 엔진 조립 시 정비공에 의해 더욱 정밀하게 조정될 필요는 없다.
2. 4. 테일 로드 (Tail rods)
초기 증기 기관 기술자들은 수평 실린더에서 피스톤의 무게로 인해 과도한 마모가 발생할 것이라고 우려했다. 수직 실린더가 수년 동안 선호되었다. 수평 실린더가 채택되었을 때, 피스톤의 무게를 지탱하기 위해 사용된 한 가지 방법은 피스톤 반대편에 연장된 두 번째 피스톤 로드인 테일 로드를 사용하는 것이었다. 테일 로드는 두 번째 패킹 박스를 통해 나왔으며, 드문 경우지만(그림 참조) 두 번째 크로스헤드에 의해 지지되었다.테일 로드 전체를 밀봉된 케이스에 넣으면 패킹 박스가 필요 없고 증기 누출을 방지할 수 있었다. 그러나 이로 인해 응축수가 케이스에 축적되어 유압 잠금 및 기계적 손상이 발생할 위험도 있었다.
어떤 경우에는 꼬리 봉도 사용되었다. 이들은 영국에서 드물었지만, 적어도 큰 기관차는 유럽에서 비교적 흔했다.
2. 5. 트렁크 엔진 (Trunk engines)
트렁크 엔진은 선박 추진을 위해 개발된 소형 증기 기관이었다. 크로스헤드를 피스톤 옆에 배치하고 속이 빈 관 모양의 트렁크를 사용하여 전체 길이를 줄였다. 따라서 피스톤 로드가 필요 없었고, 거전 핀과 연결 로드는 트렁크 내부에 장착되었다. 트렁크 엔진은 매우 큰 직경의 피스톤을 가졌기 때문에, 피스톤 무게를 지지하고 실린더 마모를 방지하는 문제가 다시 중요해졌다. 이 문제를 해결하기 위해 큰 피스톤을 지지하는 두 번째 트렁크를 테일 로드로 사용했다.2. 6. 단동식 증기 기관 (Single-acting steam engines)
일부 후기 증기 기관, 주로 고속 증기 기관은 단동식이었다. 이들은 새로운 형태의 트렁크 피스톤을 사용했다. 이 엔진은 수직형이었으며, 별도의 트렁크 없이 길쭉한 피스톤 측면을 크로스헤드 베어링 표면으로 사용하는 단순한 피스톤 설계를 사용했다.이 트렁크 피스톤 설계는 내연 기관에 거의 보편적으로 사용되게 된다.
3. 증기 기관차
거의 모든 증기 기관차는 실린더 옆에 크로스헤드 슬라이드가 장착되고 그 사이에 짧은 피스톤 로드가 있는 비슷한 실린더 설계를 사용했다.
어떤 경우에는 테일 로드도 사용되었다. 테일 로드는 영국에서는 드물었지만, 적어도 대형 기관차의 경우 유럽에서는 비교적 흔했다.
4. 디젤 기관
내연 기관은 증기 기관보다 더 빠른 속도로 작동하므로, 왕복 질량 감소와 피스톤과 커넥팅 로드 사이의 짧고 견고한 연결이 중요하다. 이러한 이유로, 대부분 디젤 기관은 피스톤 로드 대신 트렁크 피스톤을 사용한다. 다만, 일부 대형 저속 디젤 엔진, 특히 선박용 엔진은 크로스헤드와 피스톤 로드를 사용하기도 한다.
4. 1. 크로스헤드 타입 디젤 엔진
일부 대형 저속 디젤 엔진, 특히 선박용 엔진은 크로스헤드와 피스톤 로드를 사용한다. 중속 및 고속 디젤 엔진은 더 빠른 속도로 작동하므로 더 가벼운 트렁크 피스톤을 사용한다.
4. 2. 트렁크 피스톤 타입 디젤 엔진
내연 기관은 증기 기관보다 더 빠른 속도로 작동한다. 따라서 왕복 질량 감소와 피스톤과 커넥팅 로드 사이의 더 짧고 견고한 연결을 통해 이점을 얻는다. 양면 작동 엔진은 매우 드물지만, 이러한 엔진은 피스톤 로드를 사용했다. 고속 증기 기관의 경량 트렁크 피스톤은 곧 채택되어 오늘날까지 사용되고 있다. 주요 변화는 밀봉 링의 변화와 피스톤을 더 가볍게 만들기 위한 알루미늄 합금의 채택이었다.일부 대형 저속 디젤 엔진, 특히 선박용 엔진은 크로스헤드와 피스톤 로드를 사용한다. 중속 및 고속 디젤 엔진은 더 빠른 속도로 작동하므로 더 가벼운 트렁크 피스톤을 사용한다.
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