볼 스플라인 선택 시 고려할 사항

Nippon Bearing

볼 스플라인은 고속 회전을 처리하는 직선 운동 장치이다. 스플라인과 재순환 볼 베어링이 들어 있는 너트로 구성된다. 볼 스플라인은 토크로 설계할 수 있다. 그루브(grooves)는 로드 용량을 증가시켜 비슷한 크기의 리니어 베어링의 5~12배 되는 하중을 견딘다.

이런 장점으로 볼 스플라인을 픽 앤 플레이스(pick-and-place) 작업과 제품 조립, 용접, 리베팅, 공구 교환과 같은 다양한 애플리케이션에서 사용할 수 있다.
또한 검사와 측정, 금형 설정과 성형, 운반과 적재, 회전, 코팅과 도금 작업에서도 찾아볼 수 있다. 엔지니어는 애플리케이션에 적합한 볼 스플라인을 선택하려면 스플라인과 너트 설계의 세부 사항, 원하는 성능, 제품 설치 방법 등 여러 가지 관련성을 고려해야 한다.

스플라인 설계

볼 스플라인의 너트와 스플라인은 함께 작동한다. 그러나 각각 고유한 설계 세부 사항이 있다. 직경 4~100mm와 길이 5m까지 지정할 수 있는 스플라인은, 샤프트의 길이와 그루브 자체의 형상을 축 방향으로 연장하는 그루브 개수가 가장 중요한 설계 요소이다.
스플라인에는 6개나 2개의 그루브가 있다. 4개가 가장 일반적이지만, 그루브 2세트를 나란히 배치하거나, 스플라인 둘레에 그루브를 90도 간격으로 두는 등 다양하게 배치할 수 있다.

설계자는 최고 성능을 내기 위해 일정한 간격으로 배치된 6개의 그루브를 선택한다. 표면적이 크면 무거운 하중을 정확하게 전달한다. 그러나 강성을 보장하려면 스플라인의 최소 직경이 커져야 한다.
또한 너트 형상에도 영향을 미친다. 가벼운 작업이나 작은 샤프트가 필요하다면, 그루브 스플라인 2개로도 직선 운동과 회전 안정성을 얻기에 충분하다.

백래시

설계자는 그루브 자체의 기하학적 특성을 고려해야 한다. 스플라인 그루브는 원형 또는 고딕 아치 모양이다.
원형 그루브는 실제로는 타원형이다. 샤프트 원주와 나란히 있는 축은 스플라인과 너트 사이에서 공유되는 반경 축보다 약간 더 길다. 이 디자인은 각 재순환 볼에 두 접촉 지점을 제공한다. 하나는 너트가 있고 다른 하나는 스플라인이 있다.

볼은 접촉이나 마찰 지점이 적으므로 관성이 낮다. 이것의 이면(flip side)은 샤프트 회전의 변화가 불필요한 반발이 생길 수 있으므로 토크의 작은 변화를 평가해야 한다는 것이다.
설계자는 높은 강성과 낮은 백래시를 위해 볼마다 4개의 접점을 달성하는 고딕 아치 그루브를 선택한다.

고딕 아치 형태는 정사각형의 측면이 볼을 수용하기 위해 약간 바깥쪽으로 구부러져 있는 것을 제외하면, 두 각이 방사형으로 정렬된 정사각형과 유사하다. 4개의 접점(사각형의 각 면에 하나씩)이 관성을 증가시키고 백래시를 줄이면 더 많은 마찰이 생긴다. 더구나 볼의 내부와 외부에서 회전 속도가 다르므로 미끄러짐이 발생하고 마찰과 마모가 증가한다.

너트 설계

너트에는 스플라인과 일치하는 그루브 형상이 있어야 한다. 그러나 너트의 길이와 외경, 궤도 구성, 틈새(clearances)의 다른 기하학적 특징도 고려해야 한다. 볼 스플라인 너트의 길이는 12~248mm이다. 더 긴 너트는 넓은 면으로 하중을 분산시키므로 더 큰 하중을 전달할 수 있다.

접촉이 많으면 강성은 커지고 백래시는 작아진다. 그러면 관성이 커지고 마찰과 마모가 발생한다. 단일 스플라인에 너트 2개를 설치해도 하중 용량이 증가한다.
너트 직경은 스플라인 직경에 따라 다르며 축 직경이 커지면 그 차이도 커진다.
4그루브 스플라인이나 2그루브 스플라인의 너트 비율에 견주어, 6그루브 스플라인의 너트 외경은 훨씬 커진다. 너트 둘레에는 6그루브의 모든 비활성 볼이 전동면의 하중 받침 부분과 함께 재순환되는 공간이 없다.

따라서 볼이 반경 방향으로 재순환하므로 너트의 외경도 증가한다. 거의 모든 너트의 로드 베어링 볼은 비활성 볼과 평행한 궤도에서 재순환된다. 가용 하중이 클수록 하중 용량이 커지므로 궤도는 볼 베어링의 수를 최대화하는 방향으로 설계돼야 한다.

궤도의 예압

궤도 설계에서 예압도 중요하다. 엔지니어는 선택한 궤도면에 맞는 볼보다 약간 큰 볼을 선호하고 그에 맞춰 너트의 외부 직경을 조정한다.
궤도면 내의 음의 클리어런스(clearance)는 그루브의 설계에 따라 각 볼이 항상 궤도면과 2~4개의 충분한 접촉점을 유지하도록 한다. 접촉면이 증가하면 직접 하중 용량이 증가하고 반경 방향 운동이 제한된다.

너트를 하중에 연결하는 것

마지막으로 너트를 하중에 어떻게 연결할지 고려해야 한다. 보통 키 홈이 있는 너트와 플랜지가 있는 너트, 키가 없는 너트가 있다. 대개 키로는 너트에 페이로드나 하우징을 장착한다. 원통형 너트는 별도의 키와 축 방향으로 가공된 키 홈을 보유한다. 결합 하우징에는 키에 맞는 가공된 키 홈이 있어야 한다. 하우징이 키로 너트에 장착되면 스냅 링이나 기타 고정 방법으로 부품을 고정한다.

이 기술에서 키는 하우징과 너트를 반지름 방향으로 고정해 하중을 스플라인을 따라 이동시킨다. 또, 작은 백래시로 스플라인과 함께 회전시킨다. 각 부품을 정밀하게 연결하면 진동을 최소화한다.
플랜지가 있는 너트는 프레스를 끼워 맞추는 대신, 나사나 볼트로 하우징을 너트의 플랜지에 고정하므로 정밀도가 떨어진다.
소형 애플리케이션을 위해 키 없는 실린더 너트를 선택할 수 있다. 이때 너트의 한쪽 끝에 근접한 원주 슬롯은 잠금 플레이트를 수용한다. 이것은 나사나 볼트로 하우징을 고정하는 정사각형의 와셔와 유사하다.

성과 요소

토크 변화가 필요한 환경에서 볼 스플라인은 고성능을 유지한다. 엔지니어는 정확성과 강성, 환경 요인에 대한 대응을 고려해야 한다. 볼 스플라인의 정확도는 주로 샤프트와 그루브의 제조 공차에 달려 있다. 이것들은 제조 방법으로 결정된다.

압출된 샤프트는 가격이 저렴하지만 다른 유형보다 정밀도가 떨어진다. 따라서 일반 산업용으로 쓰인다. 토크 전달이나 선형, 회전 운동에 경제적인 선택이 가능하다. 재료 취급 분야에서는 주로 길이가 긴 것(최대 5m)을 사용한다. 엔지니어가 그라운드 샤프트용 너트를 압출된 샤프트에 작동시키면, 하중비가 공칭 하중의 약 70%로 낮아진다.

그라운드 샤프트는 품질과 정밀도로 분류된다. 엔지니어는 샤프트 직경 공차와 직진도, 직각도, 동심도를 기준으로 정밀도를 판단한다. 예를 들어, Nippon Bearing은 부품 조립 영역의 반경 방향 흔들림과 스플라인 축 끝의 직각도, 플랜지 너트 사용 시 플랜지의 직각도, 스플라인 외면의 반경 방향 런아웃을 측정한다. 너트는 스플라인 축 지지 면적을 기준으로 한다.
강성은 볼 스플라인 성능의 핵심 요소이다. 회전 속도가 샤프트의 공진 주파수에 도달하는 임계 속도 NC는 다음과 같이 결정된다.

여기에서 NC는 분당 회전 수(RPM)의 임계 속도, L은 지지대 사이의 거리(mm), E는 종 탄성 계수(N/mm2), λ는 장착 방법 관련 계수, γ는 밀도 kg/mm3, A는 모든 스플라인 그루브가 가공된 경우 남게 될 최소 직경을 사용해 계산된 스플라인 샤프트의 최소 단면적을, 제곱 밀리미터로 나타낸 것이다.

I  d는 다음과 같은 d의 동일한 정의를 사용해 계산된 mm4단위 면적의 최소 관성 모멘트이다.

엔지니어는 일반적으로 임계 속도의 80%로 최대 작동 속도를 결정한다.

유지 보수 관리

설치 후에는 볼 스플라인을 최적의 성능을 유지하기 위해 사후 관리가 중요하다. 너트에 볼을 고정하는 수지 리테이너가 손상되지 않도록 작동 온도는 80°C 이하로 한다.
또한 먼지는 볼을 손상하고 마찰을 증가시키며 궤도면에 들어가면 수명을 단축시킨다. 그러므로 먼지가 많은 환경에서는 볼 스플라인 수명 연장을 위해 먼지 제거 벨로즈를 사용하는 것이 좋다.

윤활 역시 중요하다. 고온이거나 윤활유가 볼 속도와 올바르게 연결되지 않으면 볼 스플라인은 시간이 지나면서 손상된다. 많은 스플라인 너트는 사전 윤활 처리된다. 리튬 비누화 그리스가 널리 쓰이며, 제조업체는 이를 계속 사용해야 한다.

결론

오랫동안 높은 하중으로 토크와 직선 운동을 안정적으로 전달하려면, 볼 스플라인을 선택할 때 고려해야 할 사항이 많다. 설계자는 길이와 지름과 같은 단순한 애플리케이션 형상을 선택하는 것 외에도 그루브와 경주 형상, 장착 방법, 동적 하중 등을 고려해야 한다.

자료 제공: Nippon Bearing(www.nb-linear.co.jp)