고속 고정밀 모션을 위한 벨로우즈 커플링

R+W

벨로우즈 커플링은 정밀회전, 고속 및 동적 모션이 전달되어야 하는 곳에 사용된다. 백래시가 없으며 높은 비틀림 강성으로서 뚜렷한 이점을 제공한다. 벨로우즈 커플링의 구현에 있어서 적절한 사이징과 핸들링이 매우 중요하다. 본문에서는 벨로우즈 커플링의 역사부터 주요기능과 설치까지 전반에 대해 다룬다.

배경
벨로우즈 커플링은 20세기 중후반부터 공작 기계 제조업체에서 처음으로 널리 사용되기 시작했다. CNC 기술의 출현으로 기계 엔지니어는 기존 동력전달 커플링이 정밀 회전 〮 선형 모션 시스템에 미칠 수 있는 부정적인 영향을 개선하기 시작했다.
  

CNC 기계 성능을 향상시키려는 유연한 금속 벨로우즈는 자연스러운 균형, 연속 대칭, 높은 비틀림 강성 및 낮은 관성 모멘트를 포함한 매력적인 기능의 조합을 제공한다. 유연한 벨로우즈를 사용하면 기계적 강성이 증가할 수 있을 뿐만 아니라 더 공격적인 서보 튜닝이 가능해져 기계 성능이 빠르고 정확해진다.
  

1980년대와 1990년대에 독일의 많은 제조업체가 성형 금속 벨로우즈를 약 0.05~100,000Nm의 토크 등급에 해당하는 크기 범위의 다양한 백래시 없는 플렉시블 커플링 시스템에 적용하기 시작했다. 벨로우즈 커플링의 적용 분야는 인쇄 및 포장 기계용 서보 드라이브 시스템으로 확장되었다. 벨로우즈 커플링은 여전히 많은 사람들이 유럽 스타일의 기술로 간주하고 있지만 현재 전 세계 시장으로 크게 성장했으며 북미에서는 고성능 애플리케이션 분야에 많이 적용되고 있다.

구조 샤프트 커플링 응용분야에 사용되는 대부분의 벨로우즈는 하나 이상의 고급 스테인리스 강판층으로 만들어지고, 이음매가 없는 튜브로 성형 및 플라즈마 용접되며, 롤링 또는 하이드로 포밍되어 유연성을 위한 깊은 주름(컨볼루션)을 형성한다.
모양은 연속적으로 대칭이며 회전축에 대해 매우 단단하면서도 평행, 각도 및 축의 다른 세 축에 걸쳐 유연하게 유지된다. 벨로우즈는 크림핑, 용접 또는 본딩을 통해 허브에 결합된다. 엔드 허브와 벨로우즈는 조립 중에 단일 맨드릴에 장착되며 맨드릴의 끝이 커플링 허브의 각 보어 직경과 일치하여 동심도를 보장한다.

결합은 1980년대 후반부터 사용됐으며, 결합제가 경화될 때까지 벨로우즈가 스트레스없이 두 허브 사이에 떠있을 수 있다는 장점이 있다. 이는 벨로우즈에 변형이나 응력 집중을 방지하는 데 도움이 되며, 일단 설치되면 일관된 출력 회전으로 원활하게 작동한다. 커플링이 부식성 환경에 적용되거나 접합이 파손될 수 있는 극한 온도에 노출되는 경우 용접된 벨로우즈허브 연결을 선호한다.

오정렬 보상

벨로우즈 커플링은 엔지니어가 저렴한 죠 커플링 및 디스크 팩 커플링 대신 선택된다. 그러나 벨로우즈 커플링은 샤프트 오정렬이 없어야 잘 작동한다. 벨로우즈 커플링은 기존의 유연한 커플링만큼 오정렬을 처리하지 않지만, 상대적으로 낮은 복원 하중을 인접한 샤프트와 베어링에 전달하여 오정렬을 보상하게 설계되었다.

일반적으로 평행 0.2-0.4mm 이내에서 적절하게 정렬되면 유지 보수가 필요 없다. 그러나 다른 유형의 커플링을 벨로우즈 커플링으로 교체하기 전에 샤프트 정렬, 특히 평행 오정렬을 고려하지 않으면 실패할 수 있다. 이때 오정렬 정도 감소는 단점으로 볼 수 있지만, 동력 전달 분야의 대부분의 전문가는 사용되는 커플링 스타일에 관계없이 적절한 샤프트 정렬이 모든 구동 라인 구성 요소의 수명을 연장하고 회전을 부드럽게 한다는 데 동의한다.
벨로우즈 커플링은 전체 오프셋을 보상하기위한 것이 아니라(특별히 높은 정렬 불량이 존재하지만) 오히려 적절하게 잘 정렬된 샤프트 사이의 복원력을 완화하는 동시에 강성상태를 유지한다.

애플리케이션

고정밀 포지셔닝
회전 포지셔닝과 관련하여 제로 백래시와 높은 비틀림 강성에 대한 큰 이점이 있다. 백래시로 인한 손실 모션이 제거되고 커플링의 입력과 출력 사이의 비틀림 편향이 최소화된다. 벨로우즈 커플링은 일반적으로 시판되는 플렉시블 샤프트 커플링 중 가장 높은 비틀림 강성을 갖는다.

대부분의 유연한 동력 전달 요소에는 일종의 비대칭이 있다. 즉, 정렬 불량으로 인해 커플링이 단일 회전 주변의 서로 다른 지점에서 서로 다른 응력을 받게 된다. 다양한 각도로 정렬 불량 하에서 회전하면서 에너지를 축적하고 방출하며 출력 속도에 약간의 차이가 있다. 대부분의 응용 프로그램에서 이것은 거의 눈에 띄지 않다. 그러나 위치 정확도가 최적화되어야 하는 정밀 응용 분야에서는 벨로우즈 커플링의 연속 대칭이 측정 가능한 기능이 필요하다.

높은 동적 모션
벨로우즈 커플링은 매우 동적인 모션 프로필에도 적합하다. 높은 비틀림 강성은 하중이 갑작스럽게 시작, 중지 및 반전될 때 안정화 시간이 단축된다. 직접 구동 시스템에서 약한 커플링은 일반적으로 전체 구동축의 강성을 결정한다. 더 높은 비틀림 강성을 가진 커플링은 시스템 고유 주파수를 증가시키고 진동 진폭을 감소시켜 더 빠른 움직임을 가능하게 한다. 적절한 크기의 벨로우즈 커플링을 사용하면 설계자가 캠 및 리버싱 애플리케이션에서 사이클 속도를 높일 수 있다. 벨로우즈 커플링은 질량이 낮은 관성 모멘트 구성으로 제공되는 경향이 있기 때문에 부하 관성을 최소화하는 역할도 한다.

높은 회전 속도
경량, 연속 대칭 및 균일 한 응력 분포는 모두 고속에서 부드럽고 안정적인 주행을 가능하게 한다. 표준 벨로우즈 커플링은 10,000 rpm에서 작동하도록 평가되며 제한 요소는 클램핑 허브다. 커플링 어셈블리의 밸런싱을 통해 훨씬 더 빠른 속도가 가능히다. 경우에 따라 벨로우즈 커플링은 100,000 rpm을 초과하는 속도로 작동하도록 만들 수 있다.

극한 온도에 대한 내구성
기계가 극한 온도에 노출될 때, 금속 커플링은 일반적으로 탄성 커플링보다 선호된다. 그 이유는 기계적 특성이 광범위한 온도에서도 크게 변하지 않기 때문이다. 접합 조인트를 용접 조인트로 교체하면 벨로우즈 커플링이 이 요구 사항을 충족한다.
벨로우즈 커플링의 장점은 다른 유형의 유지 보수가 필요없는 금속 커플링과 달리 축 방향 이동에 대해 높은 내성을 갖는다는 것이다. 이를 통해 드라이브 샤프트의 열 성장과 기계 프레임 워크의 기타 구조적 변화로 인해 발생할 수 있는 축 방향 움직임을 흡수할 수 있다. 이러한 이유로 고 토크 벨로우즈 커플링은 중장비의 구동축 구성에 자주 사용된다.

사이징과 선택
벨로우즈 커플링 사이징은 일반적으로 네 가지 공식으로 구성된 DIN 740에 의해 수행된다. R+W는 사이징 프로세스를 단순화하는 데 도움이 되는 사이징 도구를 제공한다. 참고로 아래 네 가지 주요 사이징 공식은 다음과 같다.

토크에 따른 선택
서보 드라이브 시스템에 설치되기 때문에 벨로우즈 커플링은 정기적으로 전송되는 피크 토크에 맞게 크기가 조정된다. 애플리케이션의 피크 토크는 커플링의 정격 토크를 초과하지 않아야 한다. 다음 계산은 필요한 최소 커플링 크기의 안전한 근사치를 제공하며 최대 속도 및 정렬 불량이 애플리케이션에 존재하도록 허용한다.

가속 토크에 따른 선택
보다 상세한 계산은 가속과 주행 및 구동 관성 모멘트를 고려한다. 애플리케이션의 역학에 따라 1-4 범위의 충격/부하 계수가 적용된다. 3-4 범위의 요인은 초당 다중 인덱스 또는 빈번한 로드 반전이 있는 고도로 역동적인 애플리케이션의 경우에 해당한다. 구동 관성 비율에 유리한 구동은 크기 계산에서 충격/부하 계수의 영향을 감소시킨다.

비틀림 편향에 따른 선택
벨로우즈 커플링은 위치 정확도가 중요한 상황에서 적용되기 때문에 다음 계산은 비틀림 응력으로 인한 전송 오류를 결정하는 데 유용하다.

공진 주파수에 따른 선택
드물게 드라이브가 기계 시스템의 고유 주파수를 자극하는 방식으로 부하를 펄스 할 수 있는 경우가 있다. 이를 방지하려면 기계 시스템의 비틀림 고유 주파수가 드라이브의 여기 주파수보다 상당히 높거나 낮아야 한다. 비틀림 강성 벨로우즈 커플링의 경우 비틀림 고유 주파수는 모터의 진동 주파수보다 상당히 높아야 한다. 커플링의 비틀림 강성은 전체 시스템의 비틀림 고유 주파수를 결정한다. 따라서 커플링의 비틀림 강성은 기계 시스템의 고유 진동수를 결정하는 데 중요한 요소가 된다. 다음 두 질량 시스템 계산에서 fe ≥ 2fer 값은 부드럽고 안정적인 주행을 위한 적절한 강성을 보장하는 데 도움이 된다.

설치와 취급

샤프트 정렬
수명이 올바르게 정렬되면 이론적으로 무한하다. 많은 유형의 상업용 전자 기계 장비에는 설치 중에 정밀 정렬을 보장하는 데 도움이 되는 기능이 프레임에 포함되어 있다. 이들은 모터, 감속기, 선형 액추에이터의 원형 센터링 파일럿이며 각 샤프트와 수 센터링 파일럿에 동심이며 구동 장비는 프레임이 함께 볼트로 고정되어 있다.

이 센터링 파일럿은 벨로우즈 커플링이 약간의 오정렬을 보상한다. 남아있는 장비는 추가 단계없이 별도의 표면에 장착된다. 샤프트 정렬 도구 간의 정렬 및 목표 정렬 수준에 도달할 때까지 그에 따라 조정된다. 이러한 경우, 샤프트를 정렬한 후 설치할 수 있으므로 완전 분할 클램핑 허브가 있는 벨로우즈 커플링이 자주 사용된다. 정밀한 샤프트 정렬이 단순히 실용적이지 않은 경우, 최대 1mm의 평행 샤프트 정렬 불량을 수용할 수 있는 특수 고 정렬 불량 벨로우즈 커플링을 사용할 수 있다.

샤프트 잠금
고성능 애플리케이션에서 사용되는 경향이 있기 때문에 대부분의 벨로우즈 커플링은 마찰 클램핑 시스템에 의해 각각의 샤프트와 플랜지에 장착된다. 이는 백래시와 응력 집중을 방지하는 데 도움이 된다. 많은 경우 키홈이 여전히 클램핑 허브로 쳐져 있어 좋은 샤프트 잠금을 보장한다.

대부분의 정밀 커플링 보어는 H7이므로 언더 사이징이 없고 0.01에서 오버 사이징이 가능하다. 0.04mm, 더 큰 기어 박스와 리니어 액추에이터의 공차 범위가 증가하고 크기가 약간 작아졌다. 이것은 설치에 도움이 된다. 클램핑 시스템이 있는 커플링을 설치할 때 나사 강도 및 조임 나사에 대한 설치 지침을 따르는 것이 중요하다. 이렇게 하면 최대 토크와 장력이 적용될 수 있으므로 샤프트에 대한 안전한 잠금이 보장된다.

장착 옵션
지난 30년 동안 벨로우즈 커플링용으로 매우 다양한 크기와 장착 부착물이 개발되었다. 소형 및 중형의 경우 일반적인 드라이브 부착물은 단일 나사 클램핑 칼라다. 이것은 제로 백래시로 빠르고 쉽게 설치할 수 있다. 1,000Nm 이상의 토크 수준을 전달하는 더 큰 크기의 경우 샤프트와 허브 사이에 더 큰 클램핑 압력을 제공하기 때문에 원추형 클램핑 부싱이 일반적이다. 플랜지는 벨로우즈 커플링을 부착하는 또 다른 인기 있는 방법이다. 벨로우즈 커플링은 매우 콤팩트하고 좋은 응력 분포와 높은 수준의 마찰 유지력을 허용하기 때문이다.

결론

두 개의 고정 샤프트 사이에서 동적 정밀 모션을 전달하기 위해 유연한 벨로우즈 커플링은 높은 비틀림 강성, 낮은 관성 모멘트, 연속 대칭 및 오정렬 그리고 낮은 반력 등의 장점들을 제공한다. 사이징 시, 정렬 불량 허용 오차 및 적절한 핸들링이 기계를 더 빠르고 정확하게 작동하게 한다.

자료 제공: R+W(www.rw-america.com)