고하중의 효율적 리프팅을 위한 머신 스크류 잭과 볼 스크류 잭 비교

모션 시스템 설계자가 전동 리니어 액추에이터의 애플리케이션 유연성과 유압 실린더의 고하중 물건 리프팅, 하강 및 틸팅 기능을 모두 원할 때 스크류 잭을 사용하는 경우가 많다. 전동 액추에이터가 최대 2톤을 처리할 수있는 반면, 스크류 잭은 100톤 이상을 처리할 수 있다. 높은 부하 용량은 모터 또는 수동 입력에서 에너지를 변환하는 웜기어 구성에서 비롯된다.

스크류 잭의 두 가지 주요 유형은 머신 스크류 잭과 볼 스크류 잭이다. (그림 1) 머신 스크류 잭은 청동 너트 또는 볼 베어링 너트로 구동되는 하중에 스크류산 합금 리프트 샤프트를 부착하거나 리프트 샤프트를 구동 기어에 부착하여 하중에 부착되는 트래블 너트를 구동할 수 있다. 비교적 단순한 금속-청동 설계로 인해 머신 스크류의 가격은 저렴하지만 열 발생 마찰이 더 많이 발생하므로 많은 애플리케이션에서 바람직하지 않다.

볼스크류 잭도 스크 류산 금속 리프트 샤프트를 사용하지만 너트에는 롤링 볼이 장착되어 있어 스크류와 너트 사이의 마찰을 거의 95%까지 줄일수 있어 많은 응용 분야에서 상당한 이점을 제공한다.

머신 스크류 잭 또는 볼 스크류 잭 중 어떤 것이 애플리케이 션에 적합한지 결정하려면 △ 필요한 하중 △ 예상 듀티 사이클 △ 작동 중 주변 온도 △ 미립자 또는 부식성 물질의 존재 여부 △ 백드라이브 공차 △ 이동 길이 △ 진동 △ 속도 등의 매개변수를 설계 단계 초기에 고려해야 한다. 에너지 효율, 예측 가능한 수명 주기, 정밀도 및 위치 제어에 대한 요구 사항도 설계에 영향을 미칠 수 있는 다른 요소이다.

<그림1> 머신 스크류 잭(왼쪽)은 스크류산 금속 샤프트와 너트를 사용하여 매우 경제적이지만 높은 마찰과 낮은 효율을 제공한다. 볼 스크류 잭(오른쪽)은 더비싸지만 롤링 볼을 사용하여 마찰을 줄이고 효율성을 개선한다.

부하 처리 요구 사항
 

모션 애플리케이션 개발자는 일반적으로 ¼~100톤의 하중을 견딜 수 있는 스크류 잭을 고려한다. 머신 스크류 잭을 서로 연결하면 더 높은 하중을 처리할 수 있다. 예를 들어 장시간 교량을 지지하는 등 하중이 정적인 경우에는 마찰이 문제가 되지 않으므로 머신 스크류 잭이 가장 효과적이다.

그러나 생산 시설의 두 라인 사이에서 컨베이어 세그먼트를 이동하는 것과 같이 하중 주기가 빈번한 동적 하중의 경우 머신 스크류 잭에 높은 마찰이 발생하므로 볼 스크류 구성이 더 좋다.

충격 하중의 가능성도 고려해야 한다. 공급업체는 충격이 심한 환경에 머신 스크류 잭이나 볼 스크류 잭을 권장하는 경우는 거의 없지만, 두 가지 모두 동적 하중의 경우 일시적으로 정격 용량을 약 10%, 정적 하중의 경우 30% 초과할 수 있다.

듀티 사이클(Duty cycle)
 

하중 조건 다음으로 고려해야 할 가장 중요한 변수는 스크류 잭이 작동하는 시간의 비율인 듀티 사이클(Duty cycle)이다.

머신 스크류 잭의 제한된 열 방출 능력은 듀티 사이클을 제한 한다. 무거운 프레스의 위치를 조정하는 데 필요할 수 있는 약 25% 미만의 시간 동안 잭이 작동하는 경우 머신 스크류 잭이 적절할 수 있다.

높은 주기적 하중 이동으로 인해 높은 듀티 사이클이 요구되는 많은 애플리케이션에서는 볼 스크류 잭이 선호되는 솔루션이 될 수 있다. (그림2)

<그림2> 볼 스크류 잭은 듀티 사이클이 높기 때문에 빠른 속도의 자동 컨베이어 시스템을 생산하려는 설계자에게 이상적인 선택이다.

온도 작동 범위
 

주변 온도는 작동 온도에도 영향을 미친다. 기계 스크류나 볼스크류 모두 웜 기어 근처의 하우징 온도가 200°F(93.3°C)를 초과하면 작동하지 않아야 하며, 주변 온도가 이 수치에 영향을 미친다.

스크류 잭 제조업체는 일반적으로 25% 듀티 사이클의 경우 약 176°F(80°C)의 주변 온도에서, 그 이상의 연속 듀티 사이클의 경우 122°F(50°C) 이하에서 작동할 것을 권장한다. 주변 온도가 높을수록 볼스크류 잭의 저마찰 작동에 대한 필요성이 커진다.

작동에 열을 발생시켜 볼스크류의 열 효율적 작동에 유리한 요인으로는 이동 길이, 진동 운동, 속도 등이 있다. 그러나 설계자는 일반적으로 고속 작업에는 스크류 잭을 사용하지 않는다.

에너지 소비
 

효율적인 에너지 활용은 볼스크류 잭의 비용 절감에도 이점을 제공한다. 볼 스크류 잭은 효율성이 높기 때문에 작동에 필요한 마력이 적고 따라서 에너지 소비도 적다. 이 기능을 통해 설계자는 지속 가능성 목표를 달성하기 위해 더 작은 모터를 지정할 수 있다. 그러나 이러한 선택은 듀티 사이클, 환경, 속도 등 다른 애플리케이션 변수에 따라 달라진다.

간단한 마력 계산을 통해 각 애플리케이션에 사용할 적절한 크기의 스크류 잭을 결정할 수 있다. 또한 하우징 온도를 측정하면 잭의 사용량을 초과하지 않는지 확인할 수 있다. 온도가 스크류 잭의 한계를 초과하는 경우 설계자는 더 비용 효율적인 머신 스크류 잭의 이점을 누릴 수 있지만 더 큰 잭을 사용하거나 모터 입력 속도를 줄이거나 직각 감속기를 사용 해야 할 수 있다.

그렇지 않으면 볼스크류 잭을 사용하여 더 높은 효율을 활용할 수 있다. 잭 내에서 머신 스크류의 높은 마찰 작동에는약 2배의 입력 토크가 필요하므로 더 큰 모터도 필요하다.

시스템에 여러 개의 머신 스크류 또는 볼 스크류 잭이 구성된 애플리케이션에서는 단일 모터로 모든 잭을 구동할 수 있어 에너지 효율이 더욱 향상된다.

예를 들어, 시저스 리프트 (scissor lift)는 연결 샤프트를 사이에 두고 왼쪽과 오른쪽을 구동하는 잭을 배치할 수 있다. 하나의 모터로 두 잭을 모두 구동할 수 있다. (그림3)

<그림3> 이 시저스 리프트의 두 스크류 잭은 하나의 모터로 작동할 수 있다. 듀티 사이클이 25% 미만인 경우 머신 스크류 잭으로 작동할 수 있으므로 에너지 소비가 높아지는 것을 상쇄할 수 있다.

백드라이브 공차
 

특히 수직 방향의 브레이크 또는 기타 유지 메커니즘이 고장 나거나 시스템이 동력을 잃는 경우 리프트 샤프트 또는 트래블 너트에 가해지는 축 방향 압력으로 인해 뒤로 밀릴 수있다.

이러한 경우 머신 스크류의 상대적인 비효율성과 높은 마찰 잠재력은 볼 스크류에 비해 유리하 다. 리프트 샤프트의 기어비와 효율에 따라 머신 스크류 잭은 자동 잠금 장치로 간주될 수 있다. 

수직 구성에 사용되는 볼스크류는 효율이 높기 때문에 전원이 꺼지면 쉽게 뒤로 미끄러질 수 있다. 따라서 볼스크류 잭에는 브레이크 또는 기타 고정 메커니즘이 장착되어야 하며, 비용과 복잡성이 증가한다.

미립자, 부식성 화학물질, 진동 및 소음의 존재
 

볼스크류는 고부하 사이클 애플리케이션에서 유리하지만, 미립자, 독성 화학물질 및 진동이 존재 하거나 과도한 소음이 문제가 될 수 있는 곳에서는 머신 스크류가 유리하다. 

머신 스크류는 오염에 덜 민감하므로 미립자가 공기를 채울 수 있는 공장이나 목공 분야에 더 적합하다. 머신 스크류 잭은 습기가 많은 환경에서 부식을 방지하기 위해 스테인리스 스틸로 제공될수 있다.

볼스크류 잭도 다양한 도금 기술을 활용 하여 유사한 이점을 얻을 수 있다. 머신 스크류 잭은 진동에 덜 민감하고 볼이 재순환하지 않기 때문에 주거 및 의료 환경과 같이 소음에 민감한 환경에서 선호된다.

수명 주기 예측
 

머신 스크류 잭의 마찰 나사는 맞물려 있기 때문에 수명을 예측하기 어렵다. 하지만 동적 하중 하에서볼 베어링의 피로를 유발하는 측정 가능한 비효율을 기반으로 볼 스크류 수명을 계산할 수 있다.

L10 표준으로 알려진이 계산은 주어진 일정한 속도에서 스크류 시스템 베어링 그룹의 90%가 고장 전에 완료하거나 초과할 회전 수 또는 시간을 추정한다. 머신 스크류의 수명을 예측하는 것은 불가능하므로 최종 사용자가 스크류 잭의 수명을 예측할 수 있어야 하는 경우 볼 스크류 잭이 유일한 옵션이다.

정밀성
 

머신 스크류 잭과 볼 스크류 잭은 모두 반복성이 높다. 크기에 따라 0.003~0.020인치 사이의 래시가 있다. 머신 스크류 잭에 클리어런스 볼너트 또는 분할 드라이브 너트를 사용하면 이 문제를 줄일 수 있다.

위치 제어
 

머신 스크류 잭과 볼 스크류 잭 모두 모터 구동이 가능하며 위치 제어 옵션이 제공된다. 그러나 필요한 정밀도가 높고 듀티 사이클이 높을수록 볼스크류 잭을 사용하면 애플리케이션에서 더 많은 이점을 얻을 수 있다. 

예를 들어 대형 비행기 날개 작업 팀을 지원하는 틸트 스테이션 플랫 폼은 CAN 버스 네트워크를 통해 서로 통신하면서 동기화된 여러 개의 볼스크류 잭을 사용할 수 있다. 하지만 일주일에 두세 번만 조정이 필요한 플랫폼이라면 머신 스크류 잭 하나면 충분할 것이다. 후자의 경우에는 샤프트를 사용하여 각 잭을 기계적으로 연결하는 단일 범용 모터가 장착된 머신 스크류 잭도 충분할 수 있다.

<표1> 머신 스크류 잭과 볼 스크류 잭 비교

논리적 선택
 

최대 100톤의 하중을 수반하는 많은 애플리케이션에서 스크류 잭은 유압 실린더를 대체할 수 있는 매우 바람직한 대안이 될 수 있지만, 올바른 유형의 스크류 잭을 지정하는 것이 중요하다.

듀티 사이클이 25% 미만인 정적하중의 경우 일반적으로 머신 스크류 잭이 가장 비용 효율적이다. 듀티 사이클이 더 높은 동적 하중의 경우 볼 스크류 잭이 필요하다.

그러나 이러한 광범위한 매개 변수 내에는 결정에 영향을 미칠 수 있는 다른 많은 요소가 있다. 머신 스크류 잭은 공기중 미립자 및 부식성 화학물질에 대한 저항성이 강하고 소음이 적으며 백래시가 최소화된다.

반면 볼스크류 잭은 수명이더 예측 가능하다. 물론 머신 스크류 잭과 볼 스크류 잭 중 어떤 것이 적합한지는 사용 환경에 따라 달라진다.

어떤 스크류 잭을 선택하든 향상된 제어력, 강력한 파워, 간편한 설치, 환경친화성은 모션 시스템 설계에 자신감을 심어줄 것이다.

자료제공: Thomson(www.thomsonlinear.com)