소음과 진동을 피하는 리드 스크루 구동 설계 방법

Haydon Kerk Pittman
 

리드 스크루(특히 정확도가 높은 나사산을 가진)는 진동이 낮은 : 리니어 모션의 대안이 될 수 있다. 부분적으로 관련된 부하 구성 요소들 사이의 지속적인 접촉 때문이다.

이러한 리드 스크루의 원활한 작동은 다양한 애플리케이션 층에서 없어선 안 될 필수 요소이다. 일부 의료 기기의 경우, 리드 스크루로 작동하는 장비들이 작동 소리가 거의 들리지 않아 진단과 치료 설정의 편의성을 높인다. 이밖에도 인쇄와 스캐닝 머신에서 진동을 최소화 해줌으로써 더 일관성 있는 제품을 출력할 수 있도록 한다.

큰 진동을 줄이거나 제거하기 위한 리드 스크루 너트

리드 스크루는 볼 스크루보다 소음이 적다. 특히 재순환 볼 너트가 있는 볼 스크루(볼이 로드 구역으로 들어오고 나갈 때의 벽과 볼 또는, 볼과 볼 사이의 충돌)와 비교할 때 더욱 그렇다. 이러한 회전과 선형 장치에서, 볼 스크루 축의 미세한 변화조차도 방출되는 소리를 크게 증폭시킨다.

바이올린 줄을 가로지르는 바이올린 활의 마찰이 진동과 소리를 유발하는 것과 마찬가지로, 리드 스크루 샤프트와 너트 사이의 마찰이 발생할 수 있다. 리드 스크루의 슬라이딩 접촉은 마찰 값이 전체 효율, 출력 토크, 마모와 동적 안정성에 영향을 미치고 시스템 성능을 저하시키는 진동을 유발할 수 있음을 의미한다. 리드 스크루의 너트 대 축의 마찰 계수는 속도에 따라 다르다. 시스템 댐핑(damping) 또는 강성(stiffness)과 함께 부분적으로 리드 스크루 시스템 다이내믹을 정의한다.

황동이나 청동의 전형적인 금속 너트를 사용하는 리드 스크루에서 마찰이 유발하는 진동의 일반적인 현상을 고려해보면 알 수 있다. 여기서 대안은 탄소와 아라미드와 유리를 포함한 선택적 섬유 보강재가 있는 아세탈, 나일론, PPS, PEEK의 기본 재료를 비롯해 공학적 자체 윤활 플라스틱과 기타 고분자로 만들어진 정밀 리드 스크루 너트이다.

이 너트는 특히 조용히 작동하며 전반적인 성능을 향상하고 특정 애플리케이션 요구에 맞게 조정할 수 있다. 또, 저마찰 슬라이딩을 통해 소음을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 엔지니어링된 폴리아세탈 너트는 매우 조용한 작동을 위해 너트 대 스크루 마찰 계수를 0.10 미만으로 유지할 수 있으며 윤활의 필요를 없애준다.

그뿐만 아니라 소음과 진동 문제를 해결할 때는 동적(또는 미끄럼) 마찰과 정적 마찰 사이의 차이를 이해하는 것이 중요하다. 동적 혹은 정적 마찰 계수 사이의 델타가 증가함에 따라 스틱 슬립(stic-slip)으로 인한 진동과 소음의 위험도 증가한다. 가능하면 이러한 위험을 최소화하기 위해 정적 혹은 동적 마찰 계수가 비슷한 재료 조합을 선택하는 것이 가장 좋다.

너트가 진동을 최소화하는 또 다른 방법은 공전(lost motion)을 방지하는 것이다. 기계적 리드 스크루 설계 수준이 떨어지는 것은 대개 점차적인 마모로 나타난다. 백래시 방지 너트는 자동으로 이 문제를 보완할 수 있다.

이러한 너트는 매우 가벼운 예압으로 제로 백래시 작동을 보장한다. 리드 스크루 축(다른 기계 설계와 마찬가지로)에서 발생하는 소음은 일반적으로 느슨한 연결로 증가하므로 조용한 작동이라는 문제로 귀결된다.

백래시 방지 너트 설계의 차이점은 소음과 진동을 감소시키는 능력에 영향을 미친다. 백래시 방지 너트가 포함된 리드 스크루의 한 예시(Haydon Kerk의 ZBA 시리즈)를 살펴보고자 한다. ZBA 시리즈의 리드 스크루 어셈블리는 너트에 경방향의 압력을 가하기 위해 O링을 압축하는 데 쓰인다. 다른 표준 Haydon Kerk의 백래시 방지 리드 스크루 너트(예 : NTB나 WDG 시리즈 제품)와 마찬가지로 마모와 백래시 보정을 제공한다.

일반적으로, 경방향 클리어런스(ZBA와 같은)를 제거하는 백래시 방지 너트 기술은 축 방향 클리어런스를 제거하는 백래시 방지 너트 기술보다 유리한 소음과 진동 댐핑 특성을 제공한다. 따라서 스캔, 인쇄, 플로팅과 같이 매끄러운 동작이 필요한 애플리케이션에 특히 적합하다.

더욱 일반적인 것은 Haydon Kerk ZBX 시리즈 리드 스크루이다. 이러한 리니어 장치는 마모 보상을 위해 다양한 산업 분야에서 널리 적용된다.

사실 ZBA와 ZBX는 너트와 나사 사이의 공전(또한 진동)을 제한하기 위해 나사산 뿌리에서 안쪽(방사상)으로 닫힌다. 그러나 ZBX 리드 스크루 어셈블리는 축 스프링을 확장시켜 칼라(collar)를 내부의 손가락을 안쪽으로 닫기 위한 경사로 밀어 올린다. 즉, ZBX 리드 스크루는 궁극적으로 ZBA 리드 스크루보다 수명이 길고 마모 보상이 많다.

Haydon Kerk 리드 스크루 너트의 표준 변형은 풍부하며 특정 적용 요구 사항을 충족하기 위해 종종 수정할 수 있다. 사용자 정의 Haydon Kerk 리드 스크루 옵션은, 애플리케이션의 변수와 볼륨을 인정하는 곳에서 유효하다. 때때로 고급 애플리케이션에서 엔지니어는 수치 시뮬레이션과 시제품을 사용해 축 속도와 하중 범위에 대한 동적 안정성 영역을 예측한다. 그다음 리드 스크루 감쇠와 강성을 조정해 성능을 향상한다.

특히, 소형 기계 설계에는 진동 방지를 위해 소형 시리즈 리드 스크루와 백래시 방지 너트가 있다. Haydon Kerk의 ZBM 시리즈 리드 스크루 너트와 어셈블리가 주요 해결책이다. 다른 Z-name Haydon Kerk 리드 스크루 너트와 마찬가지로, ZBM 시리즈 제품에는 너트를 경방향으로 닫아 경방향 클리어런스를 제거하고 소음을 피할 수 있는 메커니즘이 포함된다.

진동과 소음 최소화를 위한 리드 스크루 샤프트 설계

리니어 나사 축 디자인은 축의 진동 특성에도 영향을 미친다. 모든 리드 스크루(또한 볼 스크루)에는 임계 속도라는 값이 있다. 축의 고유 진동수를 계량화하면(애플리케이션이 초과하거나 흥분하면) 심한 진동과 소음이 발생할 수 있다. 더 구체적으로 말하자면, 임계 속도는 엔드 고정과 리드 스크루 샤프트의 길이와 직경에 의해 정의된다.

임계 속도 S(rpm) = MF x 4.7 x 106 x RD/L2

- MF : 장착 지지대의 영향을 설명하는 요인

- RD : 리드 스크루 루트 직경(in.)

- L : 지지대 사이의 길이(인치)

일반적인 경험 값은 리드 스크루의 1차 임계 속도의 85%를 넘지 않아야 한다는 것이다. 긴 스트로크를 필요로 하는 긴 축은 리드 스크루 진동과 소음의 가능성을 증가시키는 경향이 있다. 긴 리드 스크루의 작동 범위가 고유 진동수를 더 많이 일으킬 가능성이 있기 때문이다. 그러나 리드 스크루 길이는 일반적으로 적용 요구 사항에 따라 달라지므로 임계 속도가 문제 될 경우 일반적으로 직경과 엔드 베어링을 변경한다.

임계 속도 이상이 되면, 다른 리드 스크루 샤프트 기능은 진동과 소음 발생에 영향을 준다. 오늘날의 리드 스크루 샤프트는 회전-직선 운동을 위해 특별히 설계됐으므로 사다리꼴과 버트리스(buttress) 그리고 둥근(너클) 나사산을 포함한다. 둥근 날(Rounded teeth)은 특히 추력 용량을 유지하면서도 너트 대 축 표면 접촉을 감소시킬 수 있다. 이는 진동 발생과 전달을 최소화한다.

때때로 리드 스크루가 임계 속도 이하로 작동하고 정밀하게 설계됐음에도 불구하고 진동할 때면, 축 정렬이나 방향과 관련된 문제가 원인일 수 있다. 삐걱거리거나 덜컹거리는 소리는 일반적으로 이러한 문제의 첫 징후이다. 특히 OEM 또는 최종 사용자가 이 두 구성 요소를 결합하는 작업을 수행하는 경우 리드 스크루 대 모터 연결에서 기본정렬 오류의 근원이 흔들릴 수 있다.

해결책에는 마운팅 액추에이터 정렬 개선, 축 속도 저하, 진동 완화를 위한 하위 구성 요소 통합이 포함된다.

최종 주의 사항은 다음과 같다. 진동과 소음은 시스템 고려 사항이다. 그러므로 리드 스크루에서 이와 같은 문제를 방지하는 것은 전체 조립 사양에 대한 많은 부분 중에 한 단계에 불과하다.

자료 제공 : Haydon Kerk Pittman(www.haydonkerkpittman.com)