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고성능 커플링(COUPLING)의 기초기술
 
축과의 체결 요소
 
월간 기계기술기자 | 2004.03.01 | 2004년 3월호
 
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액추에이터와 기계를 결합하는 고성능 커플링은 기계성능을 좌우하고 기계 시스템 평가에 큰영향을 미친다. 본 고에서는 금속 커플링을 중심으로 종류와 특성, 커플링 전달능력을 결정짓는 토크 및 노백래시의 선택 등에 대해 살펴본다.
  미키플리금속 커플링프로덕트팀(자료제공)
고성능 커플링(COUPLING)의 기초기술
6. 축과의 체결 요소
 커플링에 있어서 축과의 체결요소로는 키, 스플 라인, 핀, 각(角)형스플라인, 인벌류트 세레이션 등의 기계적 강도(전단력)에 의해 토크를 전달하는 방식과 고정나사, 클램프, 슈판링 등의 마찰력에 의해 토크를 전달하는 방식이 있다. 이러한 체결요소에는 여러가지 특징이 있는데 실제로 설계함에 있어 서는 그 특징을 충분히 이해해서 선정한다 .
 여기서는 커플링에 대표적인 체결 요소에 대해설명한다.
1.체결요소의 종류와 특징
(1)고정나사 방식
 <그림1>에서는 일반적인 고정나사방식을 나타낸다. 체결원리는, 허브에 삽입된 육각구멍붙이 고정 나사를 조이면 고정나사의 선단부 분과 축 외주면 접촉해, 육각구멍붙이 고정나사의 축력과 마찰계 수에 비례한 유지보전력이 생긴다. 그 유지보전력에 의해 커플링과 축을 체결시킨다. 고정 나사 방식의 주요특징은 다음과 같다.
 1)설계가 용이하고 제작비도 저렴하다.
 2) 스페이스 절감
 3)토크 변동, 진동, 충격, 정역회전으로 의해 고정나사가 느슨해지기 쉽다.
 4)축표면에 압흔이 생겨 커플링의 탈착이 어렵다.
 5)표면 경도가 높은 축에서는, 유지보전력이 매우 작다
 6)체결시에 축이 한쪽으로 치우쳐 설치되기 때문에 불균형이 생긴다
 7)탈착이 용이하다
 
 기타 고정나사 방식에서는 일반적으로 육각 구멍 붙이나사를 1개 또는 2개를 삽입한다.
  육각구멍붙이 고정나사를 2개 사용할 경우에는 나사의 열림각도에 따라 체결력이 변화하기 때문에 체결력을 고려하면 나사의 열림각도는 0도~120도의 범위가 일반적이다(그림1-1,그림1-2). 고정나사 방식의 커플링에서 불균형을 감소 시키는 방법은 허브형상을 선대칭으로 하는 것이 기본 이기 때문에, 나사의 열림 각도를 180도로 설계하는 것이 좋지만, 유지보전력을 고려하면 선대칭 설계는 좋은 대책이 아니다 또한, 선대칭의 형상을 설계했다 하더라도, 아주 작은부분에서는 재료 밀도의 불균일 등의 요인으로 인해 물체의 불균형이 발생하는 것은 피할수 없다.
  즉, 고정나사방식의 커플링에는 재료의 불균일 등으로 인한 불균형과 고정나사의 열림 각도에 의한 불균형이 존재한다.
  불균형이 존재하는 커플링을 고속회전으로 사용 하면 , 불균형으로 인한 원심력 때문에 진동이나 소음 등이 발생하고, 그 결과 기기의 성능이 저하된다. 위와 같은 불량의 대책으로는 카플링 자체및 어셈블리 부품에서 미리, 균형을 잡는 것이 가장 효과적인 방법이다. 그러나, 모든 커플링에 있어서 균형을 맞출 필요는 없고, 사용하는 기기가 필요로 하는 균형의 정도에 따라서 판단하는 것이 중요 하다.
 
 (2)클램프 방식
 <그림2>는 종전형의 클램프 방식을 나타낸다. 그림2의 클램프 허브는 슬리팅 가공에 의해 형성되는 탄성변형이 용이한 C형의 링부에, 육각구멍붙이볼 트가 삽입되었다. <그림 3>에서는 고강성형 클램프 방식을 나타낸다. <그림3>의 클램프 허브는 종전형 클램프 허브와 유사하나 탄성변형이 가능한 C링부를 선대칭으로 형성하여 육각구멍붙이볼트의 위상을 180도 비켜서 삽입되어 있다.
  각각의 체결원리는 기본적으로 동일하고 육각구 멍붙이볼트를 체결함으로서 C형의 클램프부를 변형시켜 축표면에 접촉시키고 축 외주면과 클램프축 내주면과의 사이에 유지보전력을 발생시킨다. 그유지보전력에 의해 커플링과 축을 체결한다.
 각 클램프 방식의 주요 특징은 다음과 같다.
  (종전형 클램프 방식)
 -스페이스 절감
 -논백래시(nonbacklash) 체결
 -비틀림강성이 낮다
 -구조상 불균형이 크다
 -체결시 축이 치우쳐서 설치되기 때문에 불균형이 발생한다(틈새량에 의해 결정된다)
 -탈착이 용이하다 (고강성형 클램프방식)
 -논백래쉬 체결
 -비틀림강성이 높다(종래형에 비교해서)
 -구조상 불균형이 작다
 -체결시에 축이 한쪽으로 치우쳐서 설치되기 때문에 불균형이 발생한다(틈새량 및 체결순서의 영향을 받는다).
  각각의 클램프 방식을 비교했을 경우, 강성, 불균 형량, 축의 치우침량 이 3가지 항목에서 차이가 생긴다.
  제1항목의 강성에 대해서는, 재료의 탄성계수, 슬리터형상 등의 요인이 영향을 준다 재료의 탄성계수로서는, 강과 알류미늄과의 탄성 계수비에 의해 클램프허브부만의 강성은 추측가능 하기 때문에, 저관성보다도 고강성을 중시하는 경우는 강 재질의 커플링을 선정한다.
  또, 슬리터형상으로는 슬리터잔여부의 축방향 단면적은 각각 90도 정도이지만, 종전형은 1개소에 단면이 집중하기 때문에 비틀림강성이 낮고 고강성 형은 선대칭으로 단면이 분할되어 있기 때문에, 종전형보다 고강성으로 된다.
  제2항목의 불균형량에 대해서는, 클램프 방식의 형상에 따른 영향이 주가 되어 고강성형에서는 슬리터형상이 선대칭으로 형성되고, 육각구멍붙이볼 트의 위상도 180도 비켜져 있기 때문에, 종전형보 다도 클램프허브부의 불균형량이 적고 우수하다.
 제 3항목 축의 치우침량에 대해서는, 종전형은 축외경 수치와 클램프 허브의 내경수치와의 틈새 량에 의해 거의 결정되고 고강성형은 종전형과 마찬가지로 치수차에 의한 틈새량과, 볼트죄임 순서에 의해 축의 치우침량이 거의 결정된다.
  고강성형에 있어서는 2개의 볼트를 균일하게 죄이면 축의 치우침량은 적어지는 경향이 있으나 두개의 볼트를 동시에 균일하게 죄이기는 어렵다.
 그 때문에 어느 한쪽의 볼트를 먼저 죄이게 되고, 경우에 따라서는 틈새량 이상으로 축이 치우쳐 설치될 가능성이 있다.
  그밖에 클램프 허브의 재질로서는 고강도 알루미 늄합금 또는 강재가 사용되고 있는데 현재는 알류 미늄재 클램프허브가 주류를 이루고 있다.
  알류미늄재의 표면처리로서는 알로마이트 처리 (부도체피막처리)가 되고 있고 강재의 표면처리로는 검은염처리(흑색산화피막처리)가 실시되어 있는 것이 일반적이다.
  재료의 구분 사용법으로는 여러가지 항목을 생각 할수 있는데 커플링으로는 주로 관성과 비틀림강성이 2항목으로 구분 사용하고 있다.
  저관성을 중요시 하는 경우에 있어서는 알루미늄 재가 좋으나, 높은 비틀림강성을 중요시 하는 경우에 있어서는 철재가 좋다.
  현재, 클램프 방식은 여러가지 형상이 확립되어 있고 커플링으로서의 성능향상에 크게 관여하고 있기 때문에, 설계자는 커플링의 성능, 특징 및 용도를 충분히 이해 한후에 체결 방식을 선정하도록 한다.
  참고로, 종전형클램프 방식의 체결력 계산식을 나타낸다. 엄밀하게는 각부의 스프링정수 등을고려해야 하나 실용상으로는 아래의 계산식이면 충분 하다.<그림4>
 T=μ×d×Q×a/b
  T:전달토르크(kgf/cm)
  μ:축과 클램프허브 내주면과의 마찰계수
  d :구경(cm)
  Q: 볼트 축력
 
 (3) 슈판링 방식
 <그림5-1>에 슈판링방식을 나타낸다.슈판링방식은 커플링은 물론 계식마찰 체결요소로 넓게 적용되고 있어, 형상도 2개의 테이퍼링과 테이퍼링에 축력을 작용시키기 위한 가압플랜지 그리고 체결용볼트로 구성된다.
  체결원리는 기본적인 쐐기작용<그림5-2>을 이용 하는데 2개의 테이퍼면으로 형성된 슈판링을 설치하고 가압 플랜지를 게재하여 죄임용 볼트를 죄이면 축과 커플링이 체결된다.
  슈판링을 사용할 때는 주의 할 점은 슈판링의 성능을 충분히 발휘하게 하기 위해서, 삽입하기 전에 회전축외주면, 허브의 내주면에 이물질, 칩 등이 없도록 충분히 청소를 하지 않으면 안된다. 충분한 청소가 완료된 후 쐐기작용과 볼트축력을 안정시키기 위해, 축외주면, 허브내주면, 슈판링, 체결용볼트에 머신오일을 바른다. 단, 마찰계수에 영향을 주는 2황와몰리브덴계 그리스나 극압첨가제가 들어간 그리스는 바르면 안된다.
  슈판링방식의 주요한 특징으로서는 아래의 내용을 들수 있다.
 - 높은 체결력
 - 논백래쉬 체결
 - 내외경비가 작다
 - 체결시 축이 기울어져 체결되기 때문에, 불균 형이 발생한다.
 - 상대부품의 재료 강도에 따라서는 사용불가능한 경우가 있다(저강도재료의 경우)
 - 축방향으로 어느정도의 설치공간이 필요하다.
  그밖에 슈판링방식은 중형, 대형의 커플링에 사용되고 있다. 소형커플링에 사용되지 않는 이유는 가격, 재료강도, 관성, 작업성 등의 문제가 있다.
 
 (4)테이퍼 방식
 <그림 6>에 대표적인 테이퍼 체결 방식을 나타낸다. 그림의 테이퍼방식은 보스부에 테이퍼 가공된 플랜지허브, 그 테이퍼가공부에 삽입되는 테이퍼 스리브, 테이퍼 스리브를 가압하기 위한 육각볼트로 구성된다.
  체결원리는 플랜지허브에 테이퍼스리브, 육각볼 트의 순서로 삽입한 후, 육각 볼트를 죄이면 플랜지 허브의 내주면은 쐐기작용에 의해 축에 접촉해, 축외주면과 플랜지내주면과의 사이에 유지보전력이 발생한다. 그 유지보전력에 의해 커플링과 축이 체결된다. 테이퍼 방식의 주요한 특징으로서는 아래의 내용을 들수 있다.
 - 높은 체결력
 - 논백래쉬 체결
 - 고정밀도의 설치가능
 - 불균형이 작다(선대칭설계이기 때문에)
 - 착탈에 의한 재현성이 양호하다
 - 착탈에 시간이 걸린다
 - 축방향으로 해체용 공간이 필요
 - 축지름의 허용 범위가 좁다
  그 외에 테이퍼방식으로 고정밀도의 설치가 가능한 이유는 테이퍼 스리브 외주면과, 그것과 접촉하는 후렌지허브의 내주면이 스트레이트 형상으로 되어 있고, 또한 서로의 틈새량은 매우 작게 설계되어 있다. 그러므로 불균일한 육각볼트를 죄어서 발생 하는 테이퍼스리브의 기울기는 상호간의 스트 레이트형상과 아주 작은 틈새량에 의해 교정되고그 결과 플랜지 허브 내주면이 균일하게 탄성변형 되어 접촉한다.
  위의 원리에 의해, 축의 치우침량이 아주 작고, 회전축심에 커플링을 고정밀도로 설치할 수 있기 때문에, 고속회전에 사용하는 커플링으로서 적합 하다.
  또한, 그림의 테이퍼 방식은 플랜지허브가 선대 칭의 형상으로 설계되어 있기 때문에 초기 불균형이 작아서, 커플링으로서 균형잡기도 쉽다.
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TAG :  고강성클램프방식  슈판링방식  잠금나사방식  잠금나사열림각도  종래형클램프방식  테이퍼방식
 
 
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