안정적 동력 전달의 구동을 위한 다양한 커플링 선택 방법 2

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애플리케이션에서 커플링을 선택하는 데 사용되는 매개 변수는 속도, 토크, 서비스 팩터, 어셈블리 오정렬 예측 및 홀 크기 등이다. 이러한 변수들은 비용을 낮추고 배송 시간을 단축하며 설치 단순화 등의 요구사항에 걸림돌이 될 수 있다. 모션 제어 및 동력 전달을 위한 다양한 커플링 유형과 그에 따른 선택 및 설치에 대한 모범적 사례를 지난호에 이어 소개한다.

슬리브 커플링의 기초

슬리브 커플링은 동력 전달 애플리케이션, 특히 펌프 및 이와 유사한 전기 모터 구동 장비를 위한 중부하용 커플링이다. 하나의 허브의 토크가 전단력(꼬임)을 통해 다른 허브로 전달되는 방식을 전단 결합 또는 탄성 결합이라고 한다. 슬립이라고도 하는 샌드위치형 요소는 열 축적 없이 부하 방향을 견딜 수 있도록 엔지니어링된 네오프렌, 하이트 렐 또는 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM) 소재로 만들어진다.

전단 슬리브 커플링의 허브(플랜지 및 내부 톱니가 중앙 요소의 톱니와 결합하는 방식)는 설치를 크게 단순화한다. 유연한 탄성 요소가 하중을 받으면 변형되거나 늘어나기 때문에 전단 슬리브 커플링은 이 설계 가이드의 네 가지 유형의 오정렬을 모두 해결한다. 여기에는 충격 하중과 같은 비틀림 변위 측정이 포함된다.

물론 이 동작에는 한계가 있다. 슬리브 커플링의 중앙 요소가 느슨해져서 과도한 충격 부하로 인해 고장이 난다. 이로 인해 예기치 않은 다운 타임이 발생할 수 있지만 연결된 장비를 걸림으로부터 보호하는 안전장치 역할도 한다.

  또한 슬리브 커플링은 약 100rpm 및 85kW 정도의 느리거나 무거운 부하 축에 적용되지 않는다. 대부분은 1,800 ~ 3,600rpm에서 작동하는 축에 적용된다. 적절하게 지정된 슬리브 커플링은 수백만주기 작동후 교체를 검토할 수 있다.

디스크 커플링에 대한 추가 정보

디스크 커플링에는 두 개의 알루미늄 허브, 스테인리스 스틸 또는 디스크 팩을 끼우는 다른 등급의 강철이 포함된다. 디스크 팩의 얇은 요소(디스크 스프링이라고도 함)는 크기가 모두 같다. 이 디스크 스택은 디스크 사이에 토크 전달 마찰을 유발하는 부싱 장착 볼트로 함께 압착된다. 어떤 경우에는 얇은 디스크가 스테인리스 스틸로 만들어진다. 다른 경우에는 엔지니어링된 복합 재료로 만들어진다.

토크는 디스크의 면을 통해 전달되기 때문에 볼트 생크(bolt shanks)만 있는 커플링에서 발생하는 백래시 또는 응력 문제가 없다. 마찰 작동은 비틀림 강성을 부여한다. 죠 커플링과 마찬가지로 디스크 커플링은 내구성이 우수하여 중공업, 송전 및 공정 장비로 특정지어지는 많은 애플리케이션이 있다. 디스크 커플링의 변형은 토크와 속도의 정밀한 전달이 필요한 고성능 모션 애플리케이션에 적용된다.

모든 디스크 커플링의 일반적인 최대 토크는 100 ~ 678,000 Nm이다. 특화된 제품의 최대 속도는 10,000rpm이다.

디스크 커플링 디자인

단일 디스크 커플링은 마찰 디스크가 많은 단일 디스크 팩을 포함하기 때문에 '단일 디스크-팩 커플링'이라고 한다. 업계에서 단일 플렉스 커플링이라고도 불린다.
대조적으로, 이중 디스크 커플링(doubleflex 커플링 이라고도 함)에는 두 개의 디스크 팩이 있으며 그 사이에 추가 센터 허브가 있다. 경우에 따라 이 중앙 스페이서는 두 개의 끝 허브와 동일한 재질이다. 그렇지 않을 경우 부품 공급 업체가 전기 절연을 위해 다른 아세탈로 만들어진 중앙 스페이서를 제공한다. 기타 디스크 커플링 변형은 다음과 같다.

• 적층 디스크
• 원형 또는 육각형 또는 기타 모양의 디스크
• 디스크 팩을 통한 첨부
• 두 허브 플랜지를 번갈아 가며 연결
• API, ATEX 및 기타 표준을 충족하는 기능

강철 디스크를 포함하는 단일 플렉스 커플링은 평행 오정렬을 수용하지 않는다. 복합 디스크가 있는 커플링은 약간의 평행 오정렬을 수용할 수 있다. 이는 이중 플렉스 커플링의 추가 길이를 허용하지 않는 소형 기계 설치 공간에 유용하다.
그러나 더 긴 축이 허용되고 극적인 평행 오정렬이 불가피한 경우 이중 플렉스 커플링은 오프셋을 조정하기 위해 반대 방향으로 구부러지는 두 디스크의 기능을 활용한다.

디스크 커플링 ≠ 다이어프램 커플링

다이어프램 커플링은 디스크 커플링과 완전히 다른 디자인임에도 불구하고 디스크 커플링과 혼동되고 실수로 대체된다.
다이어프램 커플링은 하나 이상의 얇은 다이어프램을 통해 토크를 전달한다. 다이어프램 또는 다이어프램 팩은 내경 근처의 축 허브와 외경 근처의 다른 축 허브에 부착된다. 이 부착 차동 장치의 프리 스팬에 대한 편향은 축 및 각도 오정렬을 모두 수용한다.

비틀림 강성과 반력

비틀림 강성은 토크에서 비틀림이나 비틀림에 대한 저항이다. 커플링의 비틀림 강성은 각 변위 값 당 토크이며 전체 기계 설계에 영향을 미치는 값이다. 약간의 변화라도 포지셔닝 정확도를 저하시키고 사이클 속도를 제한한다.
적당히 높은 비틀림 강성이 어떻게 확인되고 표현되는지에 대한 세부 사항을 고려해야 한다.

비틀림 강성 Ct(Nm/rad 단위) = M/ѱ, 여기서 M = 토크, N m 및 ѱ = 각 변위, rad.
모멘트 암에 적용된 질량은 토크 M = m · g · R,
여기서 m = 질량, kg; R = 모멘트 암; g = 9.81m/sec2의 중력 가속도, m = 0.38m.
테스트 설정 다이얼 표시기의 각도 변위 Δx = 표시기 판독 값(mm), τ = 표시기 모멘트 암(mm), tan(ѱ) = Dx/τ, ѱ = arctan(Dx/τ)(도).
따라서 Nm/rad 단위의 비틀림 강성은 Ct = M/ѱ(Nm/deg) = M · 180/π · ѱ이다.

일반적으로 설계의 모든 구성 요소를 테스트하는 것은 불필요하고 비실용적이기 때문에 엔지니어는 이론적인 시스템 강성 값을 사용한다. 여기서 한 가지 주의 할 점은 측정 방법에 따라 제조업체의 커플링 강성 등급이 다르다는 것이다. 게시된 값과 측정된 값 간에 차이가 있을 수도 있다. 우수한 설계 성능을 위해 강성에 크게 의존하는 모션 기계를 설계할 때는 이를 주의해야 하며, 강성과 기계 조립 성능을 보장하기 위해 성능 특성을 충실하게 모델링하여 평가해야 한다.

실제로 가장 적합한 커플링 선택은 궁극적으로 애플리케이션 요구 사항과 기계 처리량에 따라 달라진다. 축 포지셔닝 및 사이클 시간 개선이 우선이라면 파워 트레인 강성을 높이는 데 집중해야 한다. 비틀림 강성이 높은 커플링을 선택하면 비틀림 감기로 인한 모션 손실을 최소화할 수 있다.

짧은 커플링이나 강화 벨로우즈가 있는 커플링은 비틀림 강성 값을 높일 수 있다. 그러나 더 짧은 커플링은 더욱 높은 강성을 갖지만(60 ~ 70 %까지) 오정렬 보정 기능도 길이에 따라 감소한다.
물론, 아무리 설계해도 커플링은 정렬되지 않은 축을 수정할 수 없다. 플렉서블 커플링은 때때로 설계 엔지니어와 조립 담당자(또는 최종 사용자)가 손상되거나 덜 까다로운 기계 제작에 대한 해결책이라고 착각하게 만든다. 그러나 과도한 오정렬이 있는 설계에 적용된 유연한 커플링은 재료 응력과 조기 고장을 가져온다.

커플링 문제는 다른 설계 문제의 증상으로 나타나는 것이 일반적이다. 모션 설계에 커플링 문제가 있는 경우 해당 커플링을 단순히 업 사이징을 하거나 업그레이드하려는 유혹을 피해야 한다. 이러한 업그레이드는 베어링과 기어 및 모터를 손상의 위험에 처하게 하는 비싸고 수명이 짧은 솔루션이다. 설계를 전체적으로 분석하고 커플링 제조업체에 도움을 요청해야 한다.
모션 시스템이 서비스 실행 후 오랜 시간 동안 커플링 문제가 나타난다면 드라이브 어셈블리의 변경으로 인해 발생하는 경우가 많다. 모터, 드라이브 또는 프로그래밍에 대한 작은 변경 또는 새로운 모션 시퀀스가 높은 모터 토크 전달을 요구하거나 이전에 보유한 전자 시스템을 제거해야 하는 등의 경우에 문제가 나타날 수 있다.

반력이란 무엇인가

오정렬을 보상하는 모든 플렉시블 커플링은 반력을 유발하여 그 효과가 크다. 하지만 반력은 연결된 축과 지지 베어링으로 전달되며 특히 섬세한 베어링과 정밀 설계에서 동작 축에 손상을 줄 수 있다.
커플링은 탄성 편향, 슬라이딩 접촉 및 플렉스 커플링 부재에서 컴플라이언스를 얻지만 본문은 스테퍼 또는 서보 모터를 사용하는 모션 설계에 가장 일반적인 유형에 중점을 둔다. 궁극적으로 반력 크기는 오정렬 수준과 커플링 유형에 따라 달라진다. 디스크 커플링과 같은 멤브레인 커플링이라고 불리는 벨로우즈 커플링과 빔 커플링은 방사형으로 구부릴 수 있는 다양한 디자인의 얇은 섹션을 가지고 있다. 편향 단위당 힘으로 정의되는 스프링 속도의 오정렬에 대한 저항은 축 편향에 비례하여 증가한다. 이러한 커플링은 오정렬을 수용하기 위해 구부러지기 때문에 반력은 요소의 두께에 따라 달라진다.

그러나 벨로우즈 및 빔 커플링에는 다중 코일 또는 컨볼루션이 있어 보완적인 보우를 통과하는 유연한 축으로 작동한다. 토크 전달은 전단의 부재를 통해 이루어지므로 컨볼루션은 반경 방향으로 힘을 낮게 유지하면서 비틀림 강성을 극대화할 수 있다. 대조적으로, 멤브레인 커플링 변형은 굽힘 부재를 통해 토크를 전달하므로 높은 비틀림 강성을 얻으려면 두꺼운 부재가 필요하다.
이러한 커플링의 굽힘은 축의 오정렬을 보상한다.

문제는 이러한 비틀림 강성 커플링이 과도한 오정렬이 존재하는 경우 상당한 반경 반력을 유발할 수 있다는 것이다. 반경 힘의 크기는 굽힘 강도에 따라 달라지기 때문에 굽힘 각도를 최소화하면 지지 베어링에 가해지는 힘이 줄어들지만 오정렬 용량도 줄일 수 있다. 일부 멤브레인 커플링은 부재와 중앙 부재사이의 많은 오정렬을 해결하기 위해 얕은 굽힘(낮은 반경 방향 힘)을 만드는 동안 회전할 수 있는 능력을 부여한다. 실제로, 빔 및 벨로우즈 커플링은 주어진 방사형 축 오프셋에 대해 얕은 굽힘을 얻기 위해 플렉스 포인트 사이의 많은 거리를 활용한다.

설계에 비틀림 강도가 필요한 경우

서보 모터의 새로운 기술로 인해 응답 주파수가 크게 향상되었다. 문제는 설계자가 서보 시스템에 높은 게인 설정을 적용하고 디스크 또는 벨로우즈형 커플링과 같이 비틀림 강성이 높은 고급 커플링을 사용할 때 진동(및 헌팅)이 발생하는 경향이 있다는 것이다.
높은 게인 설정에서 헌팅을 해결하는 한 가지 방법은 진동 감쇠 기능이 있는 커플링을 사용하는 것이다. 수소화 니트릴 부틸 고무(HNBR)요소를 사용한 커플링은 정밀 자동화 작업(반도체 제조)을 위한 서보 시스템의 응답성을 높인다.

고무 커플링이라고도 하는 이 제품은 백래시를 방지하지만 유연성을 유지하기 위해 진동 감소 HNBR로 성형된 양쪽 끝에 알루미늄 허브를 포함하는 통합 구조를 가지고 있다. 고무 라인 클로 구조(rubber-lined claw structure)는 비틀림 강성과 댐핑을 최적화한다.

Bode 플롯은 게인 값이 큰 고무 커플링이 비틀림 강성을 커플링 용량 이상으로 서보 모터 게인을 증가시키는 결과를 보여준다. 0 dB와 Bode 플롯에서 위상 지연이 있는 지점 사이의 게인 폭은 -180° 이며 이를 게인 마진이라고 한다.

서보 시스템에 대한 지침은 10dB에서 20dB 사이의 게인 마진을 권장한다. 서보 모터 게인이 증가하면 게인 마진이 감소한다. 게인 마진이 10dB 아래로 떨어지면 헌팅이 발생하는 경향이 있다.
어셈블리의 한계 게인(헌팅이 발생하는 서보 게인)에는 고무형 커플링의 사용을 고려해야한다. 16dB를 초과하는 값은 다른 커플링 값을 능가한다. 또한 마진이 10dB를 초과하기 때문에 고무 삽입 커플링의 서보 모터 게인은 안정화 시간을 단축하고 처리량을 증가시킨다.

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