안정적 동력 전달 구동을 위한 다양한 커플링 선택 방법

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특정 애플리케이션에서 커플링을 선택하는 데 사용되는 매개 변수는 속도, 토크, 과부화율, 어셈블리 오정렬 예측 및 홀 크기 등이 포함된다. 이러한 변수는 장비 전체 비용을 높이고 배송 시간을 지연하며 설치를 복잡하게 만들 수 있다. 본문은 모션 제어 및 동력 전달을 위한 다양한 커플링 유형과 크기 조정, 선택 및 설치에 대한 모범적 사례를 소개한다.

서보 애플리케이션 커플링 선택을 위한 9가지 매개 변수

벨로우즈 커플링은 인장이나 압축이 아닌 적절한 길이로 설치해야 한다. 또한 오정렬과 충격 부하에 견딜 수 없다.

서보 애플리케이션용 커플링은 정밀 드라이브를 민감한 부하에 연결하므로 오류를 유발할 수 없다. 이것이 바로 서보 커플링이 타이밍 및 예측 가능성 문제를 방지하기 위해 제로 백래시이어야 하는 이유이다. 서보 애플리케이션용 커플링은 전달된 rpm을 모터 출력 rpm에 일정하게 유지하는 동안에도 회전축의 오정렬(사양 내에서)에 대한 약간의 용인을 제공하면서 높은 비틀림 강성을 가져야한다. 그러나 이는 서보 커플링에 대한 몇 가지 고려사항일 뿐이다.

서보 모터를 볼 스크류에 연결하기 위해 서보 커플링의 애플리케이션을 고려해야한다. 여기에서 관성이 낮은 커플링을 사용하면 전체 시스템 효율성을 불필요하게 저하시키지 않고 축이 빠른 가속 및 감속할 수 있다.

실제로, 서보 설계를 위한 커플링은 오류를 1 arcmin 이하까지 최소화하기 위해 동력 전달 문제를 보상해야 한다. 서보 시스템이 정확한 포지셔닝 축의 형태를 취하는 경우에는 더욱 그러하다. 다음은 이러한 설계의 커플링 작동을 위해 고려해야 할 매개 변수들이다.

1. 커플링 유형: 적절한 서보

기계 기능을 위해서 적절한 커플링이 필요하다. 비틀림 강성 옵션(모션 설계에 이상적)에는 특수 벨로우즈 커플링, 고무-죠 커플링 및 디스크 커플링이 포함된다. Curved-jaw 커플링은 빠른 가속 및 감속으로 축의 성능을 최적화하는 우수한 감쇠 특성을 가지고 있다. 또한 디스크형 커플링과 특정 벨로우즈 커플링이 모두 고속 축에서 탁월하다. 다른 설계 목표를 위한 제품들도 많다.

커플링 유형에 대한 한 가지 주의 사항: 자주 고장 나는 것처럼 보이는 축에서는 유연한 서보 커플링을 교체하기 위해 고정식 커플링을 사용해서는 안 된다.
여기서 문제는 모터 출력 축과 동력전달의 구성 요소 간 정렬이 불충분할 가능성이 높다는 것이다. 강성 커플링이 매우 강력해서 이러한 상황에서 문제를 해결할 수 있다는 생각하지만, 실제로 강성 커플링은 축이 완벽하게 정렬된 경우에만 작동된다.

2. 토크 및 속도 사이징

커플링 유형을 선정한 후 설계 엔지니어는 커플링 크기를 선택해야한다. 이는 축 속도(rpm)와 전달해야 하는 토크 수준 및 애플리케이션에 필요한 서비스 팩터에 크게 좌우된다. 일정한 토크를 전달하는 축은 선정하기가 간단한다. 반대로, 가변 토크를 전달하는 축은 추가적인 고려사항이 필요하다. 즉 애플리케이션의 평균 작동 토크와 피크 토크를 정의해야 한다.

서보 커플링 오버 사이징 방지를 위한 팁: 실제 시스템 요구 사항과 해당 값에 대한 기본 커플링 선택을 정량화하고, 연결된 기어 모터의 피크 토크 출력으로 전체 축을 정의해서는 안 된다.

3. 강성

위치, 힘 또는 출력 속도의 정확한 제어와 함께 높은 효율성을 유지하는 것이 필수적이다. 와인드업 또는 백래시를 나타내는 커플링은 이동주기마다 부하 관성을 극복해야하기 때문에 이 효율성을 저하시킨다. 이는 일부 설정에서 중요한 단점이 될 수 있다. 이것이(특히 강체 변형을 사용하는 축에서) 커플링이 실수로 플라이휠로 작동하지 않도록 방지해야 하는 이유이다.

커플링의 비틀림 강성이 불충분하면 다른 시스템 기능이 보상해야 한다. 한 가지 솔루션은 PID 제어를 조정하고 서보 게인을 줄이는 것이다. 하지만 이 경우 시스템 응답과 성능이 저하된다.
반대로 과도한 비틀림 강성은 축이 빠르게 역전되는 하중을 견디는 능력을 손상시킨다. 과도한 강성을 지닌 서보 커플링은 자주 그리고 갑작스러운 방향 전환을 해야 하는 까다로운 축에서 부서지고 고장이 발생하기 쉽다.

서보 애플리케이션에 대한 팁: 과도한 비틀림 강성은 조기 고장을 유발할 수 있다. 반면에 타이밍을 유지해야하는 축(포지셔닝 명령의 경우)은 비틀림 강성 커플링을 통합하는 것이 좋다.

4. 관성

이는 중요한 매개 변수이다. 특히 공격적인 모션 프로파일을 가진 애플리케이션은 무엇보다도 낮은 서보 커플링 관성에 의존한다.

5. 댐핑 기능

디스크 커플링, 특정 벨로우즈 커플링 및 고무 유형 커플링은 모두 서보 애플리케이션에서 커플링 기반의 댐핑을 위한 옵션이다. 가장 까다로운 서보 애플리케이션에서의 진동은 비틀림 강성 커플링을 사용하는 어셈블리에서 높은 게인 설정으로 발생한다.

6. 축 연결

대부분의 서보 커플링은 키홈이 아닌 클램핑 또는 잠금 메커니즘으로 축을 연결한다. 키홈은 축 미끄러짐을 방지하기위한 옵션으로 제공되는 경우가 많지만 사실은 응력 집중, 불필요한 비용, 불균형 위험 및 기타 잠재적인 단점을 커버할 수 있다.

7. 변환 처리 능력

빠른 방향 변경이 필요한 서보 애플리케이션에는 특별한 고려가 필요하다. 여기에서 시스템 관성의 시작 및 중지와 관련된 토크를 고려해야 한다. 요인은 이 값이 어셈블리 역학에 영향을 미치기 때문이다. 고려해야 할 역방향 하중의 또 다른 측면은 커플링 재료다. 수년 동안 작동하는 일부 서보 커플링은 변환 조건에서 강제로 동력을 전달해야 하는 경우 더욱 고장이 자주 발생한다.

8. 비싼 하위 구성품을 보호하는 기능

시스템 고장을 피하는 것이 가장 좋지만 기계 충돌이나 치명적인 과부하가 발생하면 파손되므로, 액추에이터 또는 모터 및 감속기를 보호하도록 커플링을 설계해야 한다. 이는 갑작스러운 충격 시 동력전달 및 부하와 운동 에너지를 처리할 만큼 빠르지 않은 고속 서보 애플리케이션에서 특히 유용하다.

9. 허용 가능한 오정렬에 대한 현실적인 이해

서보 애플리케이션을 위한 유연한 커플링은 오정렬을 수용한다. 그러나 실제 주어진 축에 대해 허용 가능한 오정렬 수준을 고려해 현실적으로 보다 높은 커플링 등급을 지정해야 한다. 그렇지 않으면 커플링 또는 다른 구성 요소에서 오류가 발생할 수 있다.

죠 커플링에 대한 정보

죠 커플링은 다양한 애플리케이션에 적합하며 동력 전달 또는 서보 설계에 적합한 유형이다. 3~150mm 이상의 축 직경을 수용할 수 있는 다양한 크기로 제공된다.
죠 커플링에는 두 가지 주요 유형이 있다.

• 표준 산업용 죠 커플링에는 직선 스파이더 암이 있는 스파이더가 있으며 이 형상은 조립을 용이하게 한다. 이러한 죠 커플링은 매우 정밀한 하중 포지셔닝 축을 제외한 많은 애플리케이션에서 탁월한 역할을 한다. 일부 제조업체에서는 이러한 표준 커플링을 L- 죠 커플링이라고도 한다. 전기 모터, 유압 모터 및 터빈, 심지어 가솔린 및 디젤 엔진을 사용하는 프로세스에 사용된다.

• 대조적으로, 제로 백래시 죠 커플링에는 프로파일이 있는 스파이더 암이 포함되어 있다. 압입이 필요하므로 스파이더 암과 죠 사이에는 간격이 없다. 일부 제조업체에서는 이러한 곡선형 암 커플링을 C- 죠 커플링이라고 한다.

이러한 죠 커플링의 대표적인 용도 중 하나는 하중 포지셔닝을 위한 벨트 구동 리니어 액추에이터다. 이러한 스텝 및 서보 모터 구동 액추에이터는 벨트 풀리와 모터를 결합할 수 있지만, 서보 컨트롤러의 사용이 공명을 유발하는 경우, 죠 커플링이 탁월하다. 축을 감쇠하고 축 작동 주파수를 어셈블리 공진 주파수에서 멀리 이동시킨다.

가장 큰 제로 백래시 죠 커플링은 무거운 프레스 핏으로 제로 백래시를 유지한다. 까다로운 조립에도 불구하고 대형 제로 백래시 죠 커플링은 모션 손실을 방지하여 조립에 도움이 된다.

표준 죠 커플링이 충격 하중을 어떻게 완만하게 처리하는지를 고려해보자. 현재 애플리케이션에서 결합된 축이 신속하게 시작 및 중지 되어야하는 경우, 고정식 커플링(또는 제로 백래시 죠 커플링과 같은 완충 또는 댐핑 특성이 없는 커플링)은 충격을 전달하고 실제로 볼 스크류 입력 또는 모터에 장착된 베어링의 파괴를 가속화 할 수 있다. 반대로, 죠 커플링은 정지가 빈번한 축에서도 충격 부하를 매우 잘 처리하고 높은 처리량을 유지한다.

여기서, 단지 벨로우즈 커플링 또는 강성 커플링을 수용하기 위해 축이 부드럽게 감속하거나 부드러운 이동 프로파일을 실행해야 하는 것은 허용되지 않는다. 여기에서 죠 커플링은 모터 또는 액추에이터에 탁월한 보호 기능을 제공하고 축이 손상을 입지 않으면서 공격적인 모션 프로파일을 실행할 수 있도록 한다.

스파이더의 재료들은 다양하다. 예를 들어, 98 Shore A, 92 Shore A 및 85 Shore A가 있으며 때로는 85 경도계로 자연스럽게 표현된다. 축에 필요한 완충 또는 댐핑의 양에 따라 설계 엔지니어는 이러한 다양한 스파이더 재료 중에서 전략적으로 선택하여 적합한 커플링 동작을 미세 조정할 수 있다.

죠 커플링은 본질적으로 오류 방지를 위해 설계됐다

죠 커플링의 스파이더가 치명적인 손상을 입으면 암이 찢어지고 커플링이 금속 대 금속으로 이동하고 계속 구동된다. 이는 오류 방지 설계 또는 포지티브 드라이브가 중요한 애플리케이션에 유용하다. 제로 백래시 죠 커플링도 이러한 방식으로 작동한다.

예를 들어, 반도체 핸들링 기계의 수직(Z 축)은 웨이퍼 처리를 위해 값 비싼 웨이퍼 보트를 들어 올리고 내리는 역할을 할 수 있다. 여기서 부하를 갑자기 떨어뜨리는 것은 비용이 많이 드는 오류를 발생시킬 수 있다. 따라서 고장 시(스크류 백 드라이브가 있는 경우) 부하가 떨어지는 것을 방지하기 위해 죠 커플링이 포지티브 드라이브로 작동하면 된다.

죠 커플링의 단점

죠 커플링의 한 가지 단점은 오정렬 능력이 상당히 낮다는 것이다. 따라서 설치 시 정밀 정렬이 필요하다. 약간의 오정렬은 허용하지만 빔 커플링이나 다른 커플링과는 다르다. 따라서 축의 절반이 죠 커플링이 수용할 수 있는 범위 이상으로 잘못 정렬되면 커플링의 허브가 전단되고 스파이더 성능이 저하되어 축 베어링에 과도한 하중이 가해진다.

특히 스파이더에 문제가 발생하면 그렇다. 시스템이 계속 실행되는 동안 이 문제가 발생하면 어셈블리가 금속-금속 커플링 결합을 통해 커플링 스파이더가 분해된 것을 발견할 때까지 불량 제품이 생길 수 있다.

전기 절연을 위한 죠 커플링

죠 커플링은 저전압 애플리케이션에 충분한 적당한 수준의 전기 절연을 제공한다. 이는 스파이더(일반적으로 폴리우레탄 또는 폴리머로 만들어 짐)가 커플링의 금속 죠가 다른 쪽의 허브면에 닿지 않도록 방지하기 때문이다.

제조업체는 고전압 애플리케이션을 전기적으로 절연하기 위해 죠 커플링을 권장하지 않는다.
실제, 저전압 신호가 커플링을 뛰어 넘는 것을 방지하는 데는 죠 커플링, Oldham 커플링 및 비금속 중심의 디스크 커플링을 사용하면 된다.

동력 전달용 커플링

위에 언급했듯이 모든 커플링은 구동 토크와 속도를 전달하는 역할을 한다. 그러나 모션 제어를 위한 애플리케이션(예: 부하 위치를 지정하는 축)에는 디스크, 슬릿 또는 빔, 곡선 죠, 벨로우즈 및 토크를 정밀하게 전달할 수 있는 제로 백래시 커플링을 사용한다. 반대로 동력 전달을 위한 애플리케이션(연삭기, 펌프 및 자재 기계)에는 일반적으로 디스크, 기어, 체인, 엘라스토머 타이어, 그리드, 죠 및 Oldham 커플링을 사용한다.

이러한 PT 커플링은 모션 제어용으로 설계된 커플링보다 더 많은 토크를 전달한다. 또한 까다로운 환경을 견딜 수 있을 만큼 견고하다. 이 외에도 uni-lat, finger, K-flex 및 유체(유압 또는 유체 역학) 커플링은 물론 Cardan 또는 범용 또는 U 조인트라고도 하는 유연한 축 및 Hooke의 조인트가 있다.

체인 커플링

스프로킷 체인의 최대 랩 길이에서 최대 토크가 220,000lb-in 인 커플링으로서 특정 엘라스토머 타이어 커플링은 천연 고무 요소를 사용한다. 이 요소는 토크를 340,200lb-in으로 전달한다. 이러한 동력 전달 커플링은 최대 2° 및 0.01 인치 각도 및 평행 오정렬 수정이 필요한 축의 고 마력 애플리케이션에서 탁월하다.

다이어프램 커플링

일반적인 최대 토크가 500,000lb-in ~ 21,000,000lb-in 인 다이어프램 커플링은 금속 멤브레인을 통해 최대 전달 출력을 제공한다(때로는 두께가 다양하거나 배열로 묶여 있음).

다른 옵션보다 비용이 많이 들지만 베어링과 같은 커플링 장비에 힘과 모멘트를 전달하는 문제를 완화하고 방지한다. 프로파일에는 직선 스포크 다이어프램, 테이퍼 다이어프램 및 어레이로 조립된 복잡한 다이어프램이 포함된다. 이러한 올바른 오정렬 조합은 최대 1° 및 0.1 인치 각도 및 평행 오정렬을 포함한다. 또한 다이어프램 커플링은 최대 1 인치의 축 방향 이동이 가능하다.

탄성 타이어 커플링

커플링의 두 허브를 연결하는 타이어 모양의 고무 요소를 통해 최대 전달 출력에서 최대 토크가 550,000lb-in 인 탄성 타이어 커플링이다. 이러한 오정렬 조합은 최대 4° 및 0.2in 각도 및 평행 오정렬을 수용한다.

죠 커플링

최대 토크가 최대 550,000lb-in 인 죠 커플링에는 직선 및 곡선 변형이 모두 포함된다. 디스크 커플링과 마찬가지로 이 디자인은 동력 전달 및 백래시없는 모션 제어에 모두 적합하다. 커플링 허브는 청동, 엘라스토머 또는 기타 재료로 만든다. 동력 전달은 최대 1° 및 0.01 인치 각도 및 평행 오정렬을 포함해 안정적이다.

Oldham 커플링

최대 토크가 최대 550,000 인치인 Oldham 커플링에는 각 면에 90° 오프셋된 슬롯이 있는 금속 또는 폴리머 디스크가 포함된다. 허브 핀 또는 장부는 토크를 전달하는 동안에도 자유롭게 미끄러질 수 있는 슬롯 디스크와 맞물린다. 각도 오정렬을 수용하기위한 Oldham 커플링은 6° 및 0.05 인치를 통해 전달될 수 있다. 병렬 오정렬을 주로 해결하기위한 Oldham 커플링은 0.15 인치 이상 0.5° 정도를 처리할 수 있다.

Oldham 커플링의 디스크는 실제로 평행 오정렬을 수용하기 위해 위아래로 움직이며 이러한 움직임을 허용하려면 특정 방식으로 설치해야 한다. 중앙 디스크를 삽입하기 전에 장부가 90°가 되도록 허브를 축에 밀어 넣고 조이지는 않아야 한다. 한 허브에 디스크를 놓고 손으로 중앙에 놓는다.

적절한 간격을 두기 위해 커플링의 축 방향 두께의 심을 사용한다. 많은 설치자는 커플링의 허브를 함께 조이는 것이 옳다고 생각한다. 그러나 이 접근 방식은 Oldham 디스크를 가두어 오정렬을 수용하기 위해 움직이는 것을 방지한다. 이 커플링에 여유 공간이 없으면 디스크의 수명이 제한되고 디스크가 움직이기 위해 충돌하기 때문에 어셈블리에 진동 문제를 발생시킨다.

설치 팁: 커플링 설치를 위해 올바른 도구를 사용하는 것이 중요하다. 정밀 커플링의 클램프 나사를 적절한 토크로 조이려면 토크 렌치를 사용한다. 설치 중에 토크 렌치를 사용하면 시간과 문제를 줄일 수 있으며 경우에 따라 부적절한 토크로 인한 커플링 실패를 방지할 수도 있다. 필러 게이지 및 다이얼 인디케이터 또는 레이저 시스템과 같은 축 정렬 측정 도구도 큰 도움이 된다.

디스크 커플링

최대 토크가 최대 6,000,000lb-in 인 디스크 커플링은 모션 제어 또는 동력 전달 애플리케이션을 만족시키기 위한 유형 중 하나이다. 단일 또는 다중 디스크 팩(금속 또는 엔지니어링 복합재로 만들어 짐)이 허브를 연결한다. 대표적인 이중 플렉스 설계에서 디스크는 최대 2°(디스크 팩당 1°)의 오정렬을 해결하면서 토크를 전달할 수 있는 유연성을 제공한다. 특수 디스크가 있는 특정 플렉스 디스크 커플링은 최대 0.05 인치의 각도 오정렬도 수용할 수 있다.

주의: 강철 디스크를 포함하는 단일 플렉스 커플링은 평행 오정렬을 수용하지 않는다. 이중 플렉스 디스크 커플링이 추가할 수 있는 평행 오정렬(오프셋이라고도 함)은 다음과 같이 정의된다.

• 두 개의 플렉스 요소 사이의 거리
• tan(1°) = 0.0175 in./in 인 무 차원 값 정격 각도의 tan. 따라서 18 인치 커플링의 경우. 1° 정격 각도, 허용 오프셋 = 0.3 인치

그리드 커플링

최대 토크가 1,500,000lb-in(특수 버전에서 최대 5,000,000lb-in. 전달 가능)인 그리드 커플링에는 커플링 허브의 슬롯 사이를 짜는 무거운 스프링이 포함된다. 규정을 준수하는 연결은 0.3 ° 및 0.30 인치 각도 및 평행 오정렬에도 불구하고 비틀림 진동 및 충격 부하를 완화한다.

기어 커플링

최대 토크가 최대 55,000,000lb-in인 기어 커플링에는 각 허브에 유연한 조인트가 포함된다. 대부분 스핀들은 둘을 결합한다. 각 조인트에는 1:1 비율로 결합되는 기어셋이 포함된다. 톱니 측면과 외부 기어링의 외경은 회전 스플라인 동작을 허용하고 평균 1.5° 및 0.04 ~ 0.4 인치의 오정렬을 수용할 수 있도록 크라운 처리되어 있다.

최종 설치: 일부 제조업체는 커플링 설치의 약 25% 만 완벽하게 수행되는 것으로 추정한다. 다행히 대부분의 응용 프로그램은 이를 수용할 수 있거나 문제를 방지할 수 있다.

기어 커플링 애플리케이션은 석유 및 가스 산업의 수압 파쇄 펌프에 사용된다. 여기에서 트럭 장착 펌프는 기존 디젤 엔진 대신 전기 모터로 작동한다. 기어 커플링은 모터(2,000rpm의 속도로 수천 마력을 출력)를 펌프에 연결한다.

이러한 디자인의 기어 커플링은 차량 운송 중 드라이브 트레인 손상을 방지하기 위해 드라이브 모터에서 빠르게 분리할 수 있다.
크라운이 있는 기어 톱니는 최소 크기와 긴 수명으로 최대 하중을 지지한다. 설계에서 기어 메시를 분리하면 평행 오프셋 용량은 높아진다.

자료 제공: Altramotion(www.altramotion.com)