커넥팅 로드 역할이 뭔지 궁금하셨나요? 우선 커넥팅 로드 뜻은 무엇이며 3가지 커넥팅 로드 역할에 이어 베어링을 포함한 4가지 커넥팅 로드 구조와 4가지 커넥팅 로드 재질에 이어 커넥팅 로드 파손 원인과 관리 방법을 통해 평소에 잘 관리하여 파손되지 않도록 주의하시기를 바랍니다.
자동차 보닛을 열고 엔진 소리를 듣고 있으면 우리는 터보차저나 연료 분사 인젝터를 떠올리기 쉬운데 엄청나게 뜨거운 온도와 100바 이상의 압력을 견뎌내며 엔진의 힘을 자동차 바퀴로 전달하는 커넥팅 로드에 대해 관심을 가질 필요가 있습니다.
게다가 최근 자동차 시장에서는 하이브리드 시스템과 다운사이징 내연기관이 서로 결합하면서 엔진 부품이 더 작고 견고한 내구성을 지니도록 요구하는데 그로 인해 커넥팅 로드의 기술이 더 중요해졌습니다.
따라서 이 글에서는 커넥팅 로드 뜻부터 시작하여 역할과 구조 그리고 재질과 파손에 대해 자세히 정리하였으니 이 글을 통해 커넥팅 로드에 대해 자세히 알아보시기를 바랍니다.
커넥팅 로드 뜻
커넥팅 로드는 연결하다는 의미의 Connecting과 막대 또는 지지대를 의미하는 Rod를 합한 단어로 무엇인가를 연결해주는 막대기라고 볼 수 있습니다. 또한 커넥팅 로드의 한국어 기계 용어로는 연접봉(連接棒)이라고 불리며 현장에서는 편하게 부르기 위해서 컨로드(Con-Rod)라고 줄여서 부르기도 합니다.
그렇다면 커넥팅 로드는 무엇과 무엇을 연결하는 걸까요? 커넥팅 로드는 엔진의 실린더 안에서 엄청난 힘을 받아 위아래로 움직이는 피스톤과 이 직선 운동을 회전 운동으로 전환하여 자동차 바퀴가 돌아갈 수 있게 하는 크랭크샤프트를 연결합니다.
조금 더 쉽게 이해하기 위해 자전거를 예로 들어 설명해 드리겠습니다. 우리의 다리가 피스톤이라고 한다면 발을 얹고 돌리는 페달 암이 크랭크샤프트입니다. 또한 무릎의 누르는 힘을 전달하는 정강이뼈가 바로 커넥팅 로드라고 보면 됩니다. 이처럼 커넥팅 로드는 엔진 상단부의 폭발력을 하단부의 구동력으로 이어주는 연결 고리 역할을 수행하는 것입니다.
커넥팅 로드 역할
커넥팅 로드 역할은 크게 3가지로 동력을 변환하여 전달하고 압축력과 인장력을 견디며 엔진 오일을 공급하는 통로 역할을 수행합니다.
첫 번째 역할은 동력을 변환하여 전달하는 것으로 직선 운동을 회전 운동으로 바꿔주는 것입니다.
실린더 안에 있는 공기와 연료의 혼합기가 폭발하면 그 팽창 압력은 피스톤을 아래로 밀어내는데 이때 커넥팅 로드는 피스톤이 내려오는 직선 운동 에너지를 크랭크샤프트의 회전 운동 에너지로 변환하여 전달합니다. 그렇기 때문에 만약 엔진이 1분에 약 6천 번의 회전을 한다면 커넥팅 로드는 1초에 100번이나 상하 운동의 방향을 바꿔 전달하고 있는 셈입니다.
두 번째 역할은 엄청난 압축력과 인장력을 견디는 것입니다.
압축력(Compressive Force)의 경우 폭발 행정에서 피스톤이 위에서 아래로 가하는 수 톤의 압력을 크랭크샤프트로 밀어내야 합니다.
인장력(Tensile Force)의 경우 배기 행정이나 흡기 행정에서 빠르게 위로 올라가는 피스톤을 다시 크랭크샤프트가 아래로 당겨야 하는데 이때 커넥팅 로드는 엄청난 인장력을 견뎌야 합니다. 게다가 터보 직분사 엔진들은 압축비와 폭발 압력이 엄청나게 강해졌기 때문에 커넥팅 로드는 압축력과 인장력을 버텨내야 하는 강성이 중요합니다.
세 번째 역할은 윤활유인 엔진오일의 공급 통로 역할을 수행하는 것입니다.
정밀하게 설계된 엔진일수록 윤활이 중요합니다. 그렇기 때문에 일부 커넥팅 로드의 안에는 작은 구멍이 있는데 크랭크샤프트로 인해 발생한 높은 압력의 엔진오일이 이 작은 구멍을 타고 올라가서 커넥팅 로드와 피스톤이 연결되는 피스톤 핀에 계속해서 윤활유를 공급하게 됩니다. 따라서 그로 인해 금속 간 발생하는 마찰을 줄이고 높은 온도로 가열된 피스톤의 온도를 낮춰주는 역할을 합니다.
커넥팅 로드 구조
커넥팅 로드 구조는 크게 4가지로 상단, 중단, 하단과 이 부분들을 보조하는 베어링으로 이루어져 응력을 분산하며 마찰을 줄이고 질량 중심을 고려하는 등 세밀하게 설계되어 있습니다.
첫 번째 구조는 소단부(Small End)로 커넥팅 로드에서 가장 위에 있으면서 피스톤과 연결되는 작은 원형 구멍을 의미하며 소단부의 구멍 안에는 피스톤 핀이 관통하여 조립됩니다.
소단부에서는 피스톤과 함께 실린더 안에서 엄청난 상하 운동을 하면서 피봇팅이라고 하는 까딱거리는 동작을 해야 하기 때문에 마찰을 줄이기 위해서 부싱이 들어 있는 경우가 많습니다. 또한 최근에는 피스톤 핀이 자유롭게 회전하는 풀 플로팅 방식이 사용되어 마찰 손실을 줄이고 있습니다.
두 번째 구조는 몸체 또는 생크(Body or Shank)로 소단부와 대단부를 이어주는 커넥팅 로드의 기둥입니다.
따라서 엄청난 폭발 압력을 견뎌야 하기 때문에 그 무엇보다 가장 튼튼해야 하지만 동시에 엔진의 응답성을 높이기 위해 가벼워야 합니다. 그렇기 때문에 이는 단순히 둥근 봉 형태가 아니라 응력을 효율적으로 분산시키는 독특한 단면 구조를 지니고 있으며 이는 I-빔 구조와 H-빔 구조로 나뉩니다.
우선 I-빔 구조는 단면을 잘랐을 때 알파벳 I 모양을 지닌 구조로 가벼우면서 위에서 아래로 누르는 압축력을 잘 견딜 수 있어 현재 생산되는 자동차 엔진의 90% 이상에서 사용되고 있습니다. 반면, H-빔 구조는 단면이 알파벳 H 모양을 지닌 것으로 I-빔보다 무겁다는 단점이 있지만 좌우 비틀림 강성이 강하고 인장력을 잘 견딘다는 장점이 있어 레이싱 자동차 등에 사용됩니다.
세 번째 구조는 대단부(Big End)로 커넥팅 로드의 가장 아래에 있으며 크랭크 샤프트 구조 중 크랭크 핀과 연결하는 것을 의미합니다.
대단부는 크랭크샤프트를 감싸안으면서 조립되어야 하기 때문에 반원 모양의 본체와 뚜껑 역할을 하는 베어링 캡으로 나누어져 있는 2피스 구조가 일반적으로 많이 사용됩니다.
네 번째 구조는 커넥링 로드 베어링과 볼트입니다. 우선 메탈 베어링이라고도 불리는 커넥링 로드 베어링에 대해 살펴보면 대단부와 크랭크샤프트 사이에는 얇은 반달 모양의 합금 베어링 2개가 들어가는데 이때 중요한 사실은 엔진이 돌아갈 때 커넥링 로드와 크랭크샤프트가 직접 닿지 않는다는 것입니다. 왜냐하면 얇은 베어링 틈새로 엔진오일이 높은 압력으로 나와 유체 윤활막을 형성하고 그로 인해 미끄러지듯 회전하기 때문입니다.
그다음으로 커넥링 로드 볼트의 경우 쪼개어진 대단부와 베어링 캡을 연결하는 특수 고장력 볼트를 의미합니다. 엔진 안에서 풀렸다가 조여지기를 반복하는 엄청난 힘을 받는 부품으로 우주항공 등급의 합금강으로 제작되며 만약 한 번이라도 규정 토크 이상으로 늘어난 볼트는 다시 재사용할 수 없다는 특징이 있습니다.
커넥팅 로드 재질
높은 회전과 엄청난 폭발 압력을 견디기 위해 커넥팅 로드 재질은 계속해서 발전해 왔으며 현재 어떻게 하면 강성을 유지하면서 더 가볍게 만들지 고민하고 있는데 커넥팅 로드가 가벼우면 엔진의 진동이 줄어들고 회전 질량이 감소하여 연비가 늘어나기 때문입니다. 그렇다면 대표적인 커넥팅 로드 재질 4가지에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째 재질은 탄소강 및 합금강 단조(Forged Steel)로 가장 신뢰성이 높은 재질입니다. 쇳물을 틀에 부어서 굳히는 주조 방식은 안에 작은 기포가 발생할 수 있어 엄청난 폭발력을 견디기는 무리일 수 있습니다. 하지만 뜨거운 금속을 엄청난 압력으로 두드려서 만드는 단조 공법은 금속 안에 있는 조직을 치밀하고 연속적으로 만들어서 강도를 높일 수 있는데 크로몰리 등 특수 합금을 첨가한 단조 커넥팅 로드는 일반 자동차는 물론 스포츠카에서도 널리 사용되는 재질입니다.
두 번째 재질은 분말 야금 또는 분말 단조(Powder Forged / Sintered)로 하이브리드 엔진 등 최근에 대량으로 생산되는 높은 효율의 엔진은 대부분 이 방식으로 만들어지는데 금속 가루를 틀에 넣어서 뭉친 후 높은 온도에서 구워내고 나서 다시 압축하는 방법입니다.
이 재질의 가장 큰 특징은 파단 분할 공법을 적용할 수 있다는 것입니다. 이는 대단부를 하나로 만든 후 레이저로 작은 흠집을 내서 물리적인 힘을 가해 부러뜨리는데 이때 부러진 단면은 불규칙한 요철이 생겨나며 이를 다시 조립하면 좌우 흔들림 없이 딱 들어맞게 됩니다. 따라서 이 기술로 인해 나사를 결합하기 위해 핀을 사용하지 않아도 되어 무게를 줄이는 것은 물론 생산 단가도 낮출 수 있다는 장점이 있습니다.
세 번째 재질은 알루미늄 합금(Aluminum Alloy)으로 무게가 철의 3분의 1 수준으로 매우 가볍다는 장점이 있습니다. 하지만 열팽창률이 높고 내구성이 부족하여 일반 승용차에서는 거의 사용되지 않습니다. 다만, 엔진 수명보다 조금이나마 가속을 더 빨리 하는 것이 중요한 단거리 레이싱 경기에서 사용되는 자동차에서는 폭발적으로 RPM을 높이기 위해 소모성 부품으로 사용되곤 합니다.
네 번째 재질은 티타늄 합금(Titanium Alloy)으로 단조 강철만큼 튼튼하면서도 가벼워서 현존하는 커넥팅 로드 재질 중 가장 좋은 재질로 손꼽힙니다. 다만, 가공 난이도가 매우 높고 재료비가 비싸다는 단점이 있습니다. 따라서 페라리나 포르쉐 GT 모델 그리고 멕라렌 등 일부 레이싱 자동차에서만 제한적으로 사용됩니다.
커넥팅 로드 파손 원인
아무리 좋은 재질로 만들어진 튼튼한 커넥팅 로드라 하더라도 특정 상황에서는 휘어지거나 파손될 수 있습니다. 하지만 이런 커넥팅 로드 파손은 실린더 블록을 뚫고 나와 엔진에 창문이 생기는 현상이 발생하는 등 엔진 고장으로 이어지기 때문에 어떤 이유로 커넥팅 로드가 파손되는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째 이유는 워터 해머링으로 침수에 의한 파손이며 커넥팅 로드가 휘어지는 가장 주된 원인입니다. 폭우로 인해 침수된 도로를 무리하게 지나갈 때 자동차 흡기구를 통해 공기가 아닌 물이 실린더 내부로 들어와 발생하는 것입니다.
공기는 피스톤이 올라오면 압축되지만 물은 액체이기 때문에 압축되지 않습니다. 따라서 피스톤이 물을 압축하려고 위로 올라가는 순간 엔진의 회전 관성은 그대로인 반면 공간은 줄어들지 않아서 가장 약한 부위인 커넥팅 로드가 그 압력을 그대로 받아서 꺾이거나 부러지게 됩니다.
두 번째 이유는 윤활이 부족하거나 엔진오일 관리를 소홀하게 한 경우입니다. 커넥팅 로드 대단부에 있는 베어링은 엔진오일의 얇은 유막 위를 떠다니는데 만약 엔진오일이 부족하거나 엔진오일 교환 주기를 너무 길게 가져가면 오일 점도가 깨져서 유막이 찢어질 수 있습니다.
그로 인해 유막이 사라지면 1초에 수십 번 회전하는 금속이 서로 마찰하여 엄청난 고열을 발생하는데 그로 인해 베어링이 녹아서 크랭크샤프트에 붙어버리며 그로 인해 커넥팅 로드가 부러지게 됩니다.
세 번째 이유는 엔진이 과회전하는 것으로 엔진 설계 허용치인 레드존을 넘어서서 비정상적으로 빠르게 회전하는 것입니다. 이는 수동 변속기 차량에서 높은 속도로 달리고 있을 때 저단 기어로 잘못 변속한 경우에 종종 발생하곤 합니다.
따라서 RPM이 한계를 초과하면 배기 행정에서 위로 올라가던 피스톤을 크랭크샤프트가 억지로 끌어 내리는 과정에서 관성 인장력이 커넥팅 로드의 강도를 넘어서게 되어 끊어지거나 연결 볼트가 터지게 됩니다.
네 번째 이유는 이상 폭발로 노킹 현상을 의미합니다. 연료와 공기 혼합기가 피스톤이 가장 높은 지점에 도달하기 전에 뜨거운 엔진의 내부 온도나 옥탄가가 낮은 불량 연료로 인해 제멋대로 폭발하는 현상을 의미합니다.
특히 직분사 터보 엔진에서 낮은 속도의 고부하 상황에서 발생하는 LSPI는 위험할 수 있는데 그 이유는 피스톤이 계속 위로 올라가는데 엄청난 폭발력으로 인해 피스톤이 더 많이 갑자기 올라가기 때문에 커넥팅 로드에 비정상적인 굽힘 응력이 발생하여 부러지게 되는 것입니다.
이처럼 커넥팅 로드가 파손될 때는 로드 노킹음이라는 전조 증상이 발생할 수 있습니다. 커넥팅 로드가 완전이 파손되기 전에 유막이 먼저 깨지면서 베어링이 마모되면 엔진 깊은 곳에서 특유의 소음이 발생할 수 있습니다. 이 소음은 공회전에서는 잘 들리지 않다가 엑셀을 밟아서 RPM이 올라갈 때 엔진 하단부에서 “딱딱딱딱” 또는 “따라라락”하는 묵직하면서 날카로운 금속 타격음이 들리며 이 소음이 엔진 회전수에 비례하여 빨라진다면 즉시 시동을 끄고 견인 처리를 해야 합니다.
이 소리는 커넥링 로드 베어링이 크랭크샤프트를 때리는 소리로 이때 바로 시동을 끈다면 크랭크샤프트 연마 등 엔진 오버홀로 인해 조금이나마 살릴 수 있으니 이런 소음이 발생하였다면 지체없이 바로 시동을 끄고 차를 견인하여 근처 자동차 정비소로 이동하여 정밀 검사받으시기를 바랍니다.
커넥팅 로드 관리 방법
커넥팅 로드 파손되었다면 수리 비용이 최소 수백만 원에서 수천만 원까지 발생할 수 있지만 평소 올바른 습관을 잘 지킨다면 높은 확률로 커넥팅 로드가 파손되는 것을 막을 수 있습니다. 그렇다면 어떻게 하면 커넥팅 로드를 잘 관리할 수 있는지에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째는 정기적으로 엔진오일을 점검 및 교환하는 것으로 가장 중요한 것입니다. 제조사 권장 규격에 맞는 높은 품질의 엔진오일을 제때 갈아주는 것만으로도 커넥팅 로드를 잘 관리할 수 있습니다. 그렇기 때문에 딥스틱이나 전자식 오일 게이지를 통해 오일량이 부족하지 않은지 주기적으로 확인하시기를 바랍니다.
두 번째는 침수 도로 근처에 절대로 가지 않는 것입니다. 범퍼 하단보다 더 높은 물이 있는 도로에는 가까이 가지 않는 것이 중요합니다. 워터 해머링은 1초 만에 엔진을 파손할 수 있으니 도로가 침수되었다면 우회하여 다른 도로를 이용하는 것이 중요합니다.
세 번째는 예열과 후열하는 습관으로 특히 터보 차량에서는 더 중요합니다. 차가운 겨울에 처음 시동을 걸 때 엔진 오일이 끈적하기 때문에 잘 퍼지지 않습니다. 따라서 시동을 걸고 나서 바로 출발하는 습관을 버리고 30초에서 1분 정도 예열 또는 후열하여 엔진오일이 순활할 수 있는 시간을 확보하는 것이 중요합니다.
네 번째는 권장 옥탄가의 연료를 주유하는 것입니다. 만약 고급유 권장 차량에 일반유를 계속해서 주유한다면 노킹 현상이 발생하여 커넥팅 로드에 지속적으로 손상을 입힐 수 있습니다. 따라서 자동차 제조사 매뉴얼에 적혀 있는 옥탄가 규격을 잘 지키시기를 바랍니다.
지금까지 커넥팅 로드 역할과 뜻 그리고 구조와 파손 원인 및 관리 방법에 대해 자세히 알아보았습니다. 커넥팅 로드 역할은 직선 에너지를 회전 에너지로 전환하는 데 중요한 역할을 수행합니다. 따라서 아무리 자동차 공학이 발전하여 모터와 배터리가 내연기관을 보조한다고 하더라도 실린더가 있는 이상 커넥팅 로드의 역할은 빛을 발할 수밖에 없습니다.
따라서 이 글을 통해 커넥팅 로드 뜻과 구조에 대해 제대로 이해했다면 아마도 평소에 자동차를 대하는 마음가짐이 달라질 것입니다. 평소에 도로가 침수되어 있을 때 이 정도는 충분히 건너가도 괜찮을 것이라 생각하던 것에서 벗어나 조금 돌아가더라도 자동차가 침수되지 않도록 신경 쓰는 것은 물론 제때 올바른 엔진오일을 교체하는 것 등으로 커넥팅 로드가 파손되지 않게 평상시에 관리하는 것이 중요합니다.
저도 평소에는 작은 물웅덩이가 있을 때 이 정도는 충분히 건너가도 괜찮을 것이라 생각하고 가속 페달을 더 강하게 밟았으며 엔진오일 교환도 귀찮아서 잘 하지 않았는데 이번 기회에 자동차가 침수되지 않도록 더 각별한 신경을 쓸 것이며 엔진오일도 주기적으로 점검받고 교환하는 등 신경을 더 많이 쓸 것이니 여러분들도 함께 동참하면 좋을 것 같습니다.