캠-종동절 기구 (Cam-Follower Mechanism)
쉽게 풀면
둥글지 않고 울퉁불퉁한 모양의 바퀴를 회전시키면서 그 표면에 막대를 대고 있으면, 막대는 바퀴 모양에 따라 위아래로 움직이게 됩니다. 이때 울퉁불퉁한 바퀴를 캠, 위아래로 움직이는 막대를 종동절이라고 부릅니다. 캠-종동절 기구는 이렇게 캠의 윤곽 모양을 설계하는 것만으로 종동절이 원하는 순서와 속도로 움직이도록 만들 수 있는 간단하면서도 강력한 운동 변환 장치입니다.
왜 중요한가
내연기관의 밸브 개폐, 자동화 기계의 반복 동작, 재봉틀이나 인쇄기 등 정밀한 타이밍이 필요한 반복 운동을 전자 제어 없이 기계적으로 구현할 수 있게 해주기 때문에 산업 기계 설계에서 널리 쓰입니다. 내연기관의 밸브 개폐, 재봉틀의 바늘 구동처럼 정해진 운동 곡선을 정밀하게 반복해야 하는 기계 요소에서, 캠 윤곽 설계만으로 원하는 종동절 운동을 구현할 수 있게 해 줍니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
캠 형상을 개선해 종동절이 더 부드럽게 움직이도록 설계했다는 뜻입니다.
캠과 종동절 접촉면의 응력을 계산해 내구성을 평가했다는 의미입니다.
조금 더 깊게 보면
캠-종동절 기구는 종동절의 형태에 따라 롤러형, 평면형, 뾰족형 등으로 나뉘며, 캠의 윤곽선은 원하는 변위-각도 선도(변위 곡선)로부터 역산되어 설계됩니다. 고속 운전 시 종동절이 캠 표면에서 떨어지는 도약 현상을 방지하기 위해 스프링 예압이나 곡선 설계가 중요하게 다루어집니다. 종동절의 운동 곡선을 사이클로이드 곡선이나 다항식 곡선으로 설계하면 정지 구간과의 연결부에서 가속도가 불연속적으로 튀는 지점을 없앨 수 있어(단순조화운동 곡선은 이 연결부에서 가속도 불연속이 남습니다), 고속 작동 시 발생하는 충격과 진동을 크게 줄일 수 있습니다. 종동절의 형태는 크게 나이프에지형, 롤러형, 평면형으로 나뉘며, 롤러형은 마찰과 마모가 적어 고속 및 고하중 조건에 널리 쓰입니다.
주의할 점
캠 윤곽 설계가 부적절하면 종동절의 가속도가 급격히 변해 진동과 소음, 접촉면 마모가 심해질 수 있으므로 변위 곡선의 매끄러움이 중요합니다. 설계된 캠 프로파일과 실제 종동절의 운동이 고속에서 어긋나는 현상을 팔로워 점프라고 하며, 이는 스프링 힘이 관성력을 충분히 이기지 못할 때 발생합니다. 이를 막으려면 최대 음(-)의 가속도 구간에서도 접촉이 유지되도록 복귀 스프링의 예압과 강성을 정해야 합니다.