4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형: 회전하는 두 링크를 연결해서 회전운동 전달하기~기계공학 기구학 실습

더블 크랭크 기구의 개요

4절 링크(크랭크) 기구 중 하나인 더블 크랭크 기구(Double Crank Mechanism)는 네 개의 링크와 네 개의 회전 관절(힌지)로 이루어진 기구로서, 두 개의 링크(크랭크)가 동시에 360도 완전히 회전할 수 있도록 설계된 특별한 형태의 기구입니다.
4절 크랭크 기구 중 일반적으로 많이 사용하는 레버 크랭크 기구(또는 크랭크 로커 기구)의 경우, 각 링크의 길이 비율에 따라 한 개의 링크만 완전히 회전하고 나머지 링크들은 일정 범위 내에서 진동이나 왕복하는 형태를 보입니다. 하지만 더블 크랭크 기구는 입력 링크와 출력 링크가 모두 연속적으로 회전 운동을 수행하는 특징이 있으며, 이를 통해 진동이나 왕복운동이 아닌 연속적이고 안정적인 회전운동을 전달할 수 있습니다.

더블 크랭크 기구의 구조 및 원리

더블 크랭크 기구는 다음의 네 가지 주요 구성 요소로 이루어집니다.
 
1. 고정 링크(프레임): 기구 전체의 기준이 되는 링크로 두 크랭크의 회전축을 지지하는 고정 프레임입니다.
2. 입력 크랭크: 외부에서 동력이 가해지면 회전 운동을 시작하는 링크입니다.
3. 출력 크랭크: 입력 크랭크의 동력을 전달받아 함께 회전하는 링크로, 보통 입력 크랭크의 맞은편에 위치합니다.
4. 연결 링크: 입력 크랭크와 출력 크랭크 사이를 연결하며, 두 크랭크의 회전 운동을 연속적이고 부드럽게 이어주는 링크입니다.
 
입력 크랭크가 일정한 속도로 회전하면, 연결 링크가 이 운동을 출력 크랭크로 원활하게 전달하여 두 크랭크가 모두 완전하게 회전하는 것이 더블 크랭크 기구의 핵심 원리입니다.

더블 크랭크 기구의 조건

더블 크랭크 기구는 임의의 길이로 만들어지지 않으며, 반드시 특정한 길이 조건을 만족해야 합니다. 이를
그라쇼프의 조건 (Grashof’s Condition)이라 하며, 4절 링크 기구에서 최소한 하나의 링크가 연속 회전하기 위한 길이 조건을 의미합니다.

가장 짧은 링크(S) + 가장 긴 링크(L) ≤ 나머지 두 링크 길이 합(P + Q)

이 조건을 만족하면 최소 한 개 이상의 링크가 완전한 회전 운동을 할 수 있습니다.
 특히, 더블 크랭크 기구가 되기 위한 필수적인 조건은 가장 짧은 링크를 고정 링크(프레임)로 설정하는 것입니다. 이렇게 하면 입력 크랭크와 출력 크랭크 모두 완전한 360도 회전이 가능하게 됩니다. 만약 가장 짧은 링크가 아닌 다른 링크를 고정 링크로 설정하면, 두 링크가 모두 회전하지 않고 한 개만 완전 회전하거나(레버 크랭크 기구), 두 링크 모두 왕복(더블 레버 기구)만 하게 됩니다. 

더블 크랭크 기구의 특징 및 장점

● 연속적인 회전 운동 제공
입력 링크와 출력 링크가 모두 360도 회전하여 지속적이고 안정적인 동력 전달이 가능함.
● 상대적으로 단순한 구조
기어 시스템보다 단순한 링크 기구로 비용이 절감되고 제작이 용이함.
● 다양한 산업 분야에서 활용 가능
컨베이어 시스템, 자동화 설비, 특정한 회전 기계 장치 등에서 사용 가능하며, 일정한 동력을 전달하는 용도로 유용함.
● 고속 회전 가능
진동이 생기지 않도록 적절한 설계를 통해 고속 회전에서도 안정적인 동작 유지 가능, 일정한 동력 전달이 필요한 기구에서 유용함.
● 비교적 높은 내구성
마찰부의 윤활이 잘 유지된다면 긴 수명을 가지며 유지보수가 쉬운 편.

더블 크랭크 기구의 한계점 및 고려사항

● 그라쇼프의 조건을 만족해야 작동 가능
링크 길이 비율이 정확히 설계되지 않으면 크랭크가 연속 회전하지 못하고 운동이 제한될 수 있음.
● 조립 정밀도와 제작 공차에 민감
정렬 오차, 링크 길이 편차, 관절부 공차 등이 크면 마찰 증가, 비효율적인 동작, 운동 불안정성이 발생할 수 있음.
● 고속 회전 시 진동 발생 가능
각 링크가 회전하는 동안 속도와 가속도가 변화하는 특성이 있기 때문에, 특정 조건에서는 진동이 발생할 수 있음. 무게 중심이 잘 맞지 않거나 링크 길이가 길어지면 회전 중 진동이 심해질 수 있고, 이로 인해 고속 회전 시 진동과 마찰이 증가할 수 있으며, 베어링과 연결부 마모가 심해질 가능성이 있다.
● 토크(회전력) 전달 한계
기어 전동이나 체인 전동보다 높은 토크 전달이 어려움, 따라서 대형 기계나 중장비에는 적합하지 않을 수 있음.
● 응용 범위의 제한
왕복 직선운동이 필요한 시스템(예: 펌프, 압축기)에는 적합하지 않으며, 특정한 회전운동 시스템에서만 효과적임.
● 지속적인 윤활 관리 필요
회전 관절(힌지)에서 마찰이 지속적으로 발생하므로, 정기적인 윤활 관리와 유지보수가 필요함.
● 구조가 복잡해질 가능성
기본적으로 4개의 링크와 4개의 회전 관절을 가지므로, 추가적인 조정이 필요할 경우 복잡성이 증가할 수 있음.

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G 모형 소개

기계공학 기구학 실습용 키트, A부터 Z까지 26종 메커니즘 모형 중 7번째는 G 모형입니다.

4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형의 3D 모델링

 
◎ 특성

구분	내용
이름 (별명)	G
No	M20-1b4
구조	4절 크랭크 기구 > 더블 크랭크 기구
기능	회전운동 <--> 회전운동
부품수	13개

 
◎ 특징

4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형의 3D 프린팅 #1

 
● 4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형입니다.
● 이 기구의 회전운동을 관찰하면, 세 개의 링크가 360도 연속 회전하는 모습이 마치 빙글빙글 돌면서(Gyrate), 땅(Ground)을 파는 듯한 움직임을 보여줍니다.
● 초록색, 노란색, 빨간색, 두 축을 지지하는 회색 고정 링크(프레임)의 링크 4개로 이루어져 있습니다. 각 링크의 길이는 초록색 30mm, 노란색 30mm, 빨간색 35mm, 회색 15mm이며, 회색 고정 링크의 길이(두 축사이의 길이)가 15mm로 가장 짧고 빨간색 링크가 35mm로 가장 깁니다.

초록색 30mm, 노란색 30mm, 빨간색 35mm, 회색 15mm

 
● 더블 크랭크 기구가 성립되기 위한 길이 조건은 다음과 같습니다. 
회색 고정 링크의 길이 + 빨간색 링크의 길이 < 초록색 링크의 길이  + 노란색 링크의 길이 

더블 크랭크 기구가 성립되기 위한 링크 길이 조건

 

각 링크의 길이를 비교하면 15+ 35 < 30 + 30 이므로 길이 조건을 만족합니다. 모형에서 회색 링크의 길이는 두 축사이의 길이가 되는 것에 주의합니다. 

15+ 35 < 30 + 30

 
 
● 가장 짧은 회색 고정 링크(프레임)에 연결된 2개의 크랭크(초록색 링크와 빨간색 링크)는 360도 회전운동을 할 수 있습니다.

◎ 작동

	입력	출력
부품	초록색 링크	빨간색 링크
운동	시계방향 회전운동	시계방향 회전운동
회전수	1	1

 

4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형의 3D 프린팅 #2

① 초록색 링크가 시계방향으로 1회 회전운동을 합니다.
② 노란색 연결 링크는 평면운동(병진운동하면서 회전운동)을 하면서 운동을 전달합니다.
③ 빨간색 링크는 시계방향으로 1회 회전운동을 합니다.

4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형의 3D 프린팅 #3

◎ 조립 및 작동영상

4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형의 부품 리스트

4절 크랭크 기구 중 더블 크랭크 기구를 활용한 G 모형

 ◎ 관련 모형

N 모형 : 레버 크랭크 기구
Q 모형 : 더블 레버 기구

더블 크랭크 기구의 응용 분야

더블 크랭크 기구는 비교적 간단한 원리로 입력 링크와 출력 링크가 모두 360도 연속 회전하는 특성을 가지므로 다양한 사업분야에서 꾸준히 활용되고 있습니다. 

1. 연속적인 회전 운동이 필요한 기계 장치

자동화된 컨베이어 시스템에서 일정한 속도로 회전 운동을 전달하는 역할이 가능합니다. 또한 지속적이고 정확한 회전 운동을 필요로 하는 자동화 설비에서도 유용하게 사용됩니다. 예를 들면 특정한 동력 전달 장치의 경우 축이음장치처럼 평행한 두 축 사이의 회전 운동을 연계하는 기구로 활용될 수 있습니다. 이러한 경우, 회전 운동 중 발생할 수 있는 진동을 줄이기 위해 추(balance weight)를 추가하여 무게 중심을 맞춥니다. 이를 통해 기계적 안정성을 높이고 원활한 작동을 보장할 수 있다. 다만, 일반적인 축이음장치와는 구조적으로 차이가 있으므로, 해당 용도로 사용할 경우 추가적인 설계와 보완이 필요합니다.

더블 크랭크 기구를 축이음장치처럼 사용한 동력 전달 장치

 
2. 특정한 로봇 시스템에서 활용 가능성

정확한 위치 제어보다는 지속적이고 단순한 회전 운동이 필요한 로봇 시스템(예: 피더 시스템, 패키징 로봇 등)에서 보조적으로 사용될 수 있습니다. 또한 SCARA 로봇처럼 2D 평면에서 빠르게 움직이는 로봇의 일부 기구에서 활용될 가능성도 있습니다.
즉, 로봇 팔과 같은 정밀한 다관절 로봇 시스템에서는 일반적으로 서보 모터 및 감속기가 사용되며, 더블 크랭크 기구가 직접적인 핵심 기구로 활용되는 것은 아닙니다.

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요약

더블 크랭크 기구는 4절 링크 기구 중 하나로, 두 개의 축이 동시에 완전히 회전함으로써 연속적이고 안정적인 회전운동을 제공합니다. 그라쇼프 법칙을 만족할 경우, 상대적으로 단순한 링크 구조로 동력 전달을 효율적으로 구현할 수 있다는 점에서 실용성이 높습니다. 오래전부터 컨베이어, 자동화 설비 등 산업 전반에 걸쳐 다양한 용도로 활용되어 온 이 기구는 기계와 기구학을 공부하는 학생들에게 중요한 메커니즘 중 하나입니다. 링크 길이 비율과 조립 정밀도에 따라 운동 특성이 달라지므로, 설계 초기 단계에서 기구학적 해석(kinematic analysis)과 동적 해석(dynamic analysis)을 통해 최적화하는 것이 중요합니다.