캠샤프트(Camshaft) - 엔진의 숨통을 쥐다

캠 샤프트 Camshaft - 엔진의 숨통을 쥐고 있는 핵심 열쇠

이전부터 엔진과 각 부품에 대해서 알아보고 있습니다. 엔진이 숨을 쉬게 도와주는 장치 캠 샤프트 입니다. 엔진은 말 그대로 폭발력을 이용해서 동력을 얻어내는 장치이니만큼 산소가 필수적입니다. 그렇기에 신선한 공기를 꾸준히 공급해 주어야만 엔진이 강력한 동력을 만들어 낼 수 있죠. 이를 위해 존재하는 것이 캠 샤프트 입니다. 이번 글에선 캠 샤프트에 대해서 간략하게 알아보겠습니다.

 

목차

• 캠샤프트의 구조
• 캠샤프트의 작동원리
• 캠샤프트의 종류
• 캠샤프트와 크랭크 샤프트
• 고장 증상과 예방법
• 캠샤프트의 수리비용
• 마치며

 

캠샤프트의 구조

캠샤프트를 이해하기 위해선 먼저 구조에 대해서 간단하게 알고 넘어가는 것이 좋습니다. 캠 샤프트는 다음과 같이 구성되어 있습니다.

• 캠 로브(Cam lobe) : 캠샤프트에서 돌출된 부분입니다. 밸브를 직접 누르거나, 로커 암을 통해 밸브 개폐를 조절하죠. 캠 로브의 모양이나 크기가 밸브의 개폐시기, 열리는 정도 등을 결정합니다.
• 캠 저널(Cam jornal) : 캠샤프트가 실린더 헤드에서 회전이 가능하도록 장착되는 베어링 부분입니다. 마찰을 줄이고 안정성을 높이는 역할을 하죠.
• 캠 힐(Cam heel) : 캠 로브의 반대쪽으로, 캠 로브가 밸브를 열 때, 캠 힐 부분은 닫힌 상태로 유지합니다.
• 쓰러스트 플레이트(Thrust) : 캠샤프트의 세로 방향 움직임을 제한하여 캠샤프트의 위치를 고정합니다.
• 캠샤프트 포지션 센서(Camshaft Position Sensor): 캠샤프트 말단 쪽엔 캠샤프트 포지션 센서가 위치합니다. 캠샤프트의 회전을 감지하여 이를 ECU에 전달하고 이 정보를 통해서 연료 분사, 점화 시기 등을 제어하는 데 활용합니다. 이 센서의 작동 방식은 다양한데, 자기장 변화를 이용한 방식(가장 흔한 홀 효과 센서), 자석을 이용한 방식, 빛을 이용한 방식 등이 있습니다.

 

파일명: Nockenwelle 2005.jpg 원본 이미지 출처: Wikimedia Commons, Own work 저작자: Stahlkocher 편집 및 수정: 차알 원본 링크: [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nockenwelle_2005.jpg] 라이선스: CC BY-SA 3.0

 

캠샤프트의 작동원리

캠샤프트는 기본적으로 엔진의 힘으로 작동합니다. 엔진 내부에서 폭발이 일어나 크랭크 샤프트가 회전하게 되면 크랭크 샤프트가 회전하는 힘으로 캠샤프트도 돌아가게 됩니다. 여기서 크게 나눠 볼 수 있는 것이 전에 말씀드렸던

OHC방식과 OHV방식 입니다.

• OHC : 캠샤프트가 엔진 위에 있기 때문에 타이밍 밸트로 연결하여 작동됩니다. 직접 캠 로브가 밸브를 작동하기도 하고 로커 암을 통해 작동하기도 하죠.

OHC: 크랭크 샤프트 → 타이밍 벨트/체인 → 캠샤프트 → 밸브

• OHV : 캠샤프트가 엔진 블록 내에 위치하고 있고, 기어 방식으로 맞물리게 하거나, 체인 방식을 이용합니다. 그리고 푸시로드라는 긴 막대기를 이용하여 밸브를 작동시키죠.

OHC: 크랭크 샤프트 → 타이밍 벨트/체인 → 캠샤프트 → 밸브

위에서 잠깐 언급한 것처럼 캠샤프트는 쉽게 말하면 차량에 공기를 공급해 주는 것이지만, 좀 더 자세히 말한다면, 흡기로 들어온 공기를 적절한 때에 적절한 양을 넣어주는 장치라고 생각하시면 됩니다. 배출도 마찬가지죠. 그래서 캠샤프트 작동의 핵심은 밸브 타이밍입니다.

캠샤프트에서 가장 중요하다고 할 수 있는 것이 바로 캠 로브입니다. 캠 로브의 모양과 회전 타이밍이 엔진의 공기 유입량을 결정하는 것이니까요. 따라서 캠 로브의 높이, 폭, 곡률까지 모든 것이 중요하고, 이를 밸브 타이밍이라고 합니다.

엔진의 핵심 부품 – 실린더 헤드

 

캠샤프트의 종류

캠샤프트는 엔진이 발전해 오면서 다양한 종류를 가지게 되었습니다.

• OHV : 위에서 언급했으므로 넘어가겠습니다.
• SOHC : 실린더 헤드 당, 하나의 캠샤프트를 사용하는 방식으로 구조가 간단하고 저렴합니다.
• DOHC : 실린더 헤드 당, 2개의 캠샤프트를 사용하는 방식으로 더욱 정밀한 조정이 가능합니다. 고성능 엔진에서 사용되죠.
• VVT (variable valve timing) 가변 밸브 타이밍 : 캠샤프트의 일을 2개로 나눈다고 해도, 한계가 있었습니다. 그래서 탄생 한 것이 가변 밸브 타이밍입니다. 엔진의 회전 속도, 부하 정도에 따라서 캠샤프트의 타이밍을 필요에 따라 조절하는 기술이죠. 연비도 좋아지고, 배기가스도 저감 할 수 있으며, 성능 또한 올라가게 됩니다. 따라서 최근 많은 제조 회사들이 채택하는 경향이 늘고 있습니다.

 

캠샤프트와 크랭크 샤프트

이 둘은 엔진에 필수적인 부품이지만, 얼핏 이름도 비슷한 것 같고, 헷갈리죠

캠샤프트와 크랭크 샤프트는 엔진의 필수적인 회전 부품이지만, 각자의 역할이 다릅니다.

	캠샤프트	크랭크 샤프트
역할	밸브 개폐	피스톤의 운동을 회전운동으로변환
위치	실린더 헤드, 엔진 블록	엔진 블록
연결	타이밍 벨트 or 체인	커넥팅 로드, 플라이 휠
회전 속도	크랭크 샤프트의 절반	엔진 RPM과 동일

쉽게 말해 크랭크 샤프트는 피스톤의 운동으로 회전을 하고, 캠샤프트는 그 회전력을 받아 밸브를 조절하는 것입니다.

 

고장 증상과 예방법

캠샤프트를 쭉 알아보면서 느끼셨을 겁니다. 상당히 중요한 장치라는 것이죠. 그렇기 때문에 고장 나면 엔진에서 바로 심각한 문제들이 일어납니다.

• 엔진 출력저하 : 밸브 타이밍이 무너지면서 연료 연소가 제대로 일어나지 않게 되어 출력이 낮아집니다.
• 이상 소음 : 캠샤프트가 마모되거나 상태가 안 좋으면 엔진에서 심각한 마찰음이 들리게 됩니다.
• 연비감소 : 밸브 타이밍이 이상해지고 출력이 낮아지면 이를 보상하기 위해 연료를 더 쓰게 됩니다.
• 시동 불량 : 당연하게도 캠샤프트가 심각하게 고장 나면 시동이 걸리지 않죠.
• 진동증가

이러한 문제들이 생기면서 엔진 경고등이 들어오게 됩니다. 그럼 바로 정비소로 가셔야 해요!

반복적으로 당연한 말씀을 드려 죄송하지만, 예방법은 정기적 오일 교환이 일단 그 최우선입니다. 오일을 교환하면서 타이밍 밸트의 상태 점검과 배출된 오일의 상태를 점검하여 미리 예방하는 것만이 답입니다.

 

캠샤프트의 수리비용

국산차 기준 대략적 금액입니다. 수입차의 경우 훨씬 더 많은 비용이 발생 할 수 있습니다.

고장 증상	예상 원인	수리 방법	수리비용
아이들링 시 탁탁거리는 금속 소리	캠샤프트 롭(LOB) 마모 or 유격 발생	캠샤프트 및 베어링 교체	100만 ~ 200만
출력 저하 + 미스파이어 현상	캠샤프트 타이밍 이상, 센서 오작동 포함	캠샤프트 점검 및 타이밍 조정/교체	80만 ~ 180만
시동 지연 + 엔진 부조	캠샤프트 위치센서 고장 또는 캠 타이밍 어긋남	센서 교체 또는 캠샤프트 정렬	30만 ~ 70만
엔진오일 내 금속가루 발견	캠샤프트 마모 또는 윤활 불량	캠축 교체 및 오일라인 점검	120만 ~ 220만
엔진 과열 및 밸브 작동 이상	캠샤프트 손상으로 밸브 타이밍 엇갈림	캠샤프트 및 밸브트레인 교체	200만 ~ 350만
고속 주행 중 엔진 멈춤	캠샤프트 파손 또는 타이밍 체인 끊김	엔진 손상 여부에 따라 오버홀 or 교체	300만 ~ 600만

 

마치며

이번 글에선 캠샤프트에 대해서 알아보았는데요. 캠샤프트는 여전히 엔진의 성능을 강화하고 배출 가스를 잡기 위해서 발전하고 있는 부품입니다. 그중의 하나가 VVT가 될 수 있죠. 이러한 장비다 보니 캠샤프트만 튜닝을 해도 출력과 성능이 개선되는 것을 쉽게 느낄 수 있는 부품이기도 합니다. 캠 샤프트에 대한 글은 여기까지 입니다. 복잡한 내용을 최대한 간단히 설명하려고 하다보니 길어졌음에도 불구하고 미흡한점이 많았던 것 같습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!

 

크랭크 샤프트 (Crankshaft) - 회전운동으로의 전환(크랭크 샤프트 센서)

 

엔진의 뼈대 – 엔진 블록(Engine Block)