벨로우즈 타입 커플링에 대한 올바른 선택 방법

Servometer


낮은 와인드업(wind up)과 제로 백래시(zero backlash)를 찾는다면 벨로우즈형 커플링이 가장 좋은 선택이다. 50년 이상의 설계 경험을 바탕으로 최적의 벨로우즈 선택에 필수적인 네 가지 핵심 요소를 소개한다.

Tip 1 : 환경적 요인

커플링의 수명을 보장하는 면에서, 벨로우즈 커플링 적용 시에 받을 온도 범위를 아는 것은 중요하다. 전착된 벨로우즈(Electrodeposited Bellows)는 일반적으로 350°F의 최대 온도성능을 갖는 것으로 명시됐다.

최저온도에는 제한이 없다. 전착된 벨로우즈와 엔드 피스(end piece)의 조립방법(예 : 접착제, 솔더링 등)은 최대 및 최소 온도를 고려할 때 또 다른 변수가 된다. 전착된 벨로우즈 커플링의 최대 작동온도는 솔더 어셈블리가 300°F, 접착성 어셈블리는 240°F이다.

일반적으로 전착된 벨로우즈 커플링은 국제우주정거장을 비롯한 극저온 환경에서 사용된다. 이외에도 매우 높은 진공 및 양압(positive pressure) 환경에도 고려될 수 있다.

염분 스프레이 또는 기타 부식매체가 커플링과 자주 접촉하면 커플링 수명이 짧아질 수 있다. 환경 조건에 대처하기 위한 또 다른 솔루션으로는 금도금과 같은 특수 코팅이 있다. 이는 Servometer의 커플링에 따른 옵션 사항이다.
 

Tip 2 : 허브(hub) 요인

엔드 피스와 허브는 모션컨트롤 장치에서 동일하거나 다른 크기의 샤프트를 페어링하는 데 사용된다.

글로벌 시장에서 컴포넌트 소싱이 일어나고 있기 때문에, 샤프트는 영국식과 미터법 치수를 더 자주 사용한다. 커플링은 샤프트 크기에 맞게 구멍 크기로 제작할 수 있다. 또한 맞춤형 엔드 피스 구성으로 샤프트의 특정 형상과 일치하도록 제작해, 설치자가 엔드 피스가 일치하는 면을 인식하고 시스템 내에서 성능이 향상될 수 있도록 한다.

샤프트를 엔드 피스에 고정하기 위해 고정 나사 또는 일체형 클램프를 사용하는 게 가장 보편적인 방법이다. 고정 나사는 육각렌치로 조여지고 120° 간격으로 배치된다. 일체형 클램프는 부품 및 클램프가 분리돼 샤프트 주변의 엔드 피스의 직경을 줄여준다.

각 스타일은 선호도에 따라 다르며 설치하기 쉽다. 엔드 피스에 쓰이는 보편적인 재료 두 가지는, 강도와 가격 및 작동기능에 따른 알루미늄과 스테인레스강이다.

Tip 3 : 오정렬(Misalignment) 요인

벨로우즈 커플링은 설계한계 내에서 측면 및 축 방향으로 구부러질 수 있다. 때문에 벨로우즈 커플링 선택을 고려할 때 정렬 기준이 출발점이 된다.

벨로우즈 커플링은 대개 오정렬 수용성을 위해 선택된다. 오정렬 유형과 커플링 성능 및 수명에 미치는 영향에 대한 이해가 설계 엔지니어에게 매우 중요하다. 축의 평행은 있으나, 옵셋된 샤프트의 오정렬은 커플링에 적용되는 가장 가혹한 하중조건이다. 커플링의 벨로즈 부분은 샤프트 간의 차이를 보정하므로 계산해봐야 한다. 각도 오정렬 또는 아크 굽힘은 병렬 옵셋과 결합할 때 성능이 변경될 수 있는 중요한 요소다.

마지막으로, 벨로우즈의 인장 또는 압축을 이해하는 것도 중요하다. 벨로우즈가 압축된 상태에서 작동되면 정격토크의 75% 값만 가능하다.

아래 표에서 평행 옵셋과 각도 오정렬, 축 방향 연장, 압축 기능은 상호 배타적으로 지정된다. 각 성능 사양에 대해 값이 설정되면 동등한 백분율 값을 자체적으로 사용해 적용할 수 있다.

예를 들어, 커플링의 각도 옵셋을 31°의 각도 오정렬로 지정하면, 사용자는 31°의 오정렬만 필요하다. 추가적인 평행 옵셋과 연장 또는 압축 처짐의 여분이 없다.

반면에 사용자가 각도 정렬의 절반(15.5°)만 필요한 경우, 사용자는 사용 가능한 성능의 동일한 비율을 사용할 수 있다.(도표 참조)
 

Tip 4 : 토크 요인

토크는 일반적으로 자동차 산업에서 언급되며 피트·파운드로 지정된 용어다. 모션컨트롤 장비는 보통 인치, 온스, mN-m 단위의 치수를 사용한다.

클러치 스타트나 브레이크 스톱이 있는 경우 최대 순간의 토크 값을 측정하면 된다. 기어 감소가 있는 저관성 모터가 커플링을 통해 거대한 부하를 구동하는 경우, 최대 토크는 모터의 시동 토크(starting torque)에 기어 감속비를 곱한 값이 된다.

회전 관성력의 가속은 저항 토오크를 발생시키므로 엔지니어는 이를 고려해 계산해야 한다. 최대 토크의 결정은 조기에 커플링 고장을 방지할 수 있다.

자료 제공 : Servometer(www.servometer.com)