더블 슬라이더 크랭크 기구의 개요
더블 슬라이더 크랭크 기구(Double Slider Crank Mechanism)는 슬라이더 크랭크 기구 Slider Crank Mechanism)에서 변형된 기구입니다. 두 기구 모두 총 4개의 링크와 4개의 짝으로 이루어진다는 점에서 모두 4절 링크 기구의 한 형태지만 미끄럼짝의 개수에 차이가 있습니다.
슬라이더 크랭크 기구의 경우 미끄럼짝 1개와 회전짝 3개로 구성됩니다. 3번 링크(슬라이더)와 4번 링크(가이드)가 면 접촉하면서 상대적으로 미끄럼운동을 하는 미끄럼짝을 이루고 있습니다.
더블 슬라이더 크랭크 기구의 경우 미끄럼짝 2개와 회전짝 2개로 구성됩니다. 3번 링크의 경우 한쪽은 2번 링크와 다른 한쪽은 4번 링크와 양쪽에서 미끄럼짝을 이루고 있습니다.
회전짝은 면 접촉을 하면서 상대적으로 회전운동을 하는 한쌍의 기계요소, 미끄럼짝은 면 접촉을 하면서 상대적으로 미끄럼운동(직선운동)을 하는 한 쌍의 기계요소입니다.
회전짝은 원, 미끄럼짝은 4각형으로 표시합니다.
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짚신도 짝이 있다~기계요소와 짝(대우 對偶) 이야기
볼트, 너트, 축, 링크, 기어, 캠 등의 공통점은 무엇일까요? 그것은 바로 기계를 구성하고 있는 가장 작은 단위의 부품이라는 것입니다. 이렇게 기계를 구성하고 있는 최소 단위를 기계요소라고
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왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구의 개요
더블 슬라이더 크랭크 기구는 어떤 링크를 고정 링크로 설정하느냐, 링크 3(슬롯 링크)이 어떻게 움직이느냐에 따라 구조와 기능이 결정됩니다. 4번 회색 링크(또는 2번 노란색 링크)를 고정 링크로 사용하고 3번 빨간색 슬롯 링크가 왕복 직선운동을 할 경우, 왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구(Reciprocating Double Slider Crank Mechanism)라고 합니다. 주된 기능은 회전운동을 왕복 직선운동으로 변환하는 것입니다.
왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구의 구조 및 작동원리
왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구의 구조는 다음과 같은 요소로 구성됩니다.
1. 초록색 크랭크 (Crank): 외부에서 동력이 가해지면 회전운동을 시작하는 링크입니다.
2 노란색 슬라이더: 빨간색 슬롯 링크의 홈을 따라 미끄러운동을 하는 링크입니다.
3. 빨간색 슬롯 링크: 홈 안에서 노란색 슬라이더의 미끄럼 운동을 안내하면서 회색 프레임을 따라 미끄럼 운동을 하는 슬롯 링크(홈이 있는 링크)입니다. 슬라이더와 가이드의 역할을 동시에 합니다.
④ 회색 프레임(Frame): 기구 전체의 기준이 되는 링크로 초록색 크랭크와 빨간색 슬롯 링크를 지지하는 고정 링크입니다.
작동원리는 다음과 같습니다.
회색 프레임에 연결된 초록색 크랭크가 회전하면,
초록색 크랭크에 연결된 노란색 슬라이더가 초록색 크랭크의 회전축을 중심으로 회전운동을 합니다.
노란색 슬라이더는 빨간색 슬롯 링크의 홈 안에서 미끄러지면서 왕복 직선운동을 합니다.
노란색 슬라이더의 회전(공전)하면서 미끄러지는 운동이 빨간색 슬롯 링크로 전달됩니다.
회색 프레임을 따라 빨간색 슬롯 링크가 왕복 직선운동을 합니다.
왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구의 특징 및 장점
1) 회전 운동과 직선 운동 변환 기능
● 왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 기능이 뛰어나며, 펌프나 압축기와 같은 장치에서 효과적으로 활용됩니다.
● 크랭크가 일정한 각도로 회전하면 슬롯 링크가 정확한 스트로크를 유지하면서 움직일 수 있습니다.
2) 유지보수가 용이함
● 구조가 비교적 단순하여 유지보수가 용이하며, 윤활 관리만 잘하면 오랜 기간 안정적으로 사용할 수 있습니다.
● 마찰을 줄이기 위한 적절한 설계와 소재 선택이 이루어진다면 내구성이 더욱 향상될 수 있습니다.
왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구의 한계점 및 고려사항
1) 마찰 및 마모 문제
● 두 슬라이더가 각각 직선운동을 수행하기 때문에, 단일 슬라이더 크랭크 기구보다 접촉 면적이 더 커지며, 그만큼 마찰력도 증가합니다. 마찰력이 증가하면 기계 부품의 표면이 점점 닳게 되는 마모 현상도 더 심화될 가능성이 커집니다.
● 이를 방지하기 위해 지속적인 윤활과 정기적인 유지보수가 필요합니다.
2) 공간적 제약
● 더블 슬라이더 구조로 인해 단일 슬라이더 기구보다 공간을 더 많이 차지할 수 있습니다.
● 크랭크가 너무 길고 슬라이더가 너무 멀리 움직이면 공간을 많이 차지해서 설치가 어려울 수 있습니다. 크랭크의 길이와 슬라이더의 운동 범위를 최적화하는 설계가 필요합니다.
3) 고속 동작 시 진동 문제
고속으로 동작하면 두 슬라이더의 관성력이 증가하여 진동과 소음이 심해질 가능성이 있습니다.
균형을 맞춘 설계와 진동을 줄이기 위한 댐핑(damping) 장치가 필요할 수 있습니다.
왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구에서 댐핑 장치 적용 사례
●고속 회전하는 크랭크 → 점성 댐핑(오일 댐퍼) 적용하여 운동을 부드럽게 조절
● 왕복 운동 시 슬라이더 충격 방지 → 쿠션 댐핑(스프링, 고무 패드) 적용하여 충격을 흡수
●기계적 마찰로 인한 진동 억제 → 마찰 댐핑(브레이크 패드) 적용하여 일정한 저항 부여
●정밀한 속도 제어가 필요한 경우 → 전자기 댐핑(자석+코일) 적용하여 전기적 방식으로 제어
4) 정밀한 조립 및 정렬 필요
● 두 슬라이더가 정확하게 정렬되지 않으면 운동이 비효율적이거나 오작동할 가능성이 있습니다. 예를 들면, 왕복 직선운동이 매끄럽지 못하고 불필요한 마찰과 저항이 발생하여 기구의 성능이 저하될 수 있습니다.
● 초기 설계 단계에서 정확한 가공 공차(Tolerance)와 정밀한 조립 과정이 요구됩니다. 예를 들면, 프레임(고정 링크)의 가이드 레일이 정밀하지 않으면 슬라이더의 직선운동이 왜곡될 수 있습니다.
왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구의 응용 분야
왕복 직선운동을 할 때 위치를 계산하고 제어할 수 있기 때문에, 고압의 오일 또는 가스가 흐르는 파이프라인에 설치되어 밸브를 제어하는 용도, 피스톤의 왕복 직선운동으로 물을 흡수 및 배출 하는 피스톤 워터 펌프 등에 응용됩니다.
1. 펌프 및 압축기
회전운동을 직선운동으로 변환하여 유체를 이송하거나 압축하는 기능을 수행합니다.
공기 및 유체를 압축하는 시스템에서 널리 사용됩니다.
2. 산업 자동화 장비
균일하고 정밀한 왕복 직선운동이 필요로 하는 자동화 기계 및 로봇 시스템에서 활용됩니다.
3. 기타 특수 기계 시스템
정밀한 직선운동이 필요한 고급 기계 장비, 의료 기기, 측정 장비 등에서도 응용될 수 있습니다.
H 모형 소개
기계공학 기구학 실습용, A부터 Z까지 26종 메커니즘 모형 중 8번째는 H 모형입니다.
◎ 특성
| 구분 | 내용 |
| 이름 (별명) | H |
| No | M52-1b4 |
| 구조 | 더블 슬라이더 크랭크 기구 > 왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구 |
| 기능 | 회전운동 <--> 직선운동 조화(단현)운동 |
| 부품수 | 9개 |
◎ 특징
● 왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구 (Reciprocating Double Slider Crank)를 활용한 H 모형입니다.
● 초록색 크랭크가 일정한 토크(회전력)와 일정한 속도로 회전하면 노란색 슬라이더와 빨간색 슬롯 링크는 왕복 직선운동을 합니다. 이 때 빨간색 슬롯 링크의 변위는 삼각함수(사인 또는 코사인 함수)로 표현할 수 있는 조화(단현)운동(Harmonic Motion)을 하게 됩니다.
● 노란색 슬라이더는 초록색 크랭크축을 중심으로 회전하는 동안 알파벳 H자의 양쪽 세로선 처럼 위에서 아래로, 다시 아래에서 위로 미끄럼 운동을 합니다. 빨간색 슬롯 링크는 H자의 가로선 처럼 좌우로 미끄럼 운동을 합니다. 이로 인해 슬라이더와 슬롯 링크의 경로는 전체적으로 H 모양과 유사한 움직임을 나타냅니다.
● 2곳의 접촉부(빨간색 슬롯 링크와 회색 고정 링크, 빨간색 슬롯 링크와 노란색 슬라이더)에서 미끄럼 운동이 발생합니다.
● 빨간색 슬롯 링크는 왕복 직선운동을 하며, 이 운동은 사인파(정현파) 형태로 나타납니다. 왕복 슬라이더 크랭크 기구의 경우 이 기구처럼 비슷한 왕복 직선운동을 하지만, 그 움직임은 약간 왜곡된 사인파 형태를 가집니다. 따라서, 두 기구의 운동 방식은 유사하지만, 슬라이더의 변위 곡선 형태에서 차이가 있습니다.
◎ 작동
| 입력 | 연결 | 출력 | |
| 부품 | 초록생 링크 | 노란색 슬라이더 | 빨간색 슬롯 링크 |
| 운동 | 1회 시계방향 회전운동 | 평면운동 | 1회 왕복 직선운동 |
① 초록색 링크가 1회 회전운동을 합니다.
② 노란색 슬라이더는 검정색 손잡이의 축을 중심으로 회전하면서,
빨간색 슬롯 링크의 홈 안에서 위아래로 미끄러지는 평면운동을 합니다.
③ 빨간색 슬롯 링크는 사인파(정현파) 형태의 왕복 직선운동을 합니다.
◎ 조립 및 작동영상
◎ 관련 모형
H 모형 - 왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구
X모형 : 고정 더블 슬라이더 크랭크 기구
O 모형 : 회전 더블 슬라이더 크랭크 기구
◎ 관련 영상
왕복 더블 슬라이더 크랭크 기구를 토이 모형의 다리 구조에 응용하면 다음 영상과 같이 두다리로 걸어가는 2족보행장치를 만들 수 있습니다.
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