볼 스플라인은 다른 운동 요소(Motion Element)에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 비슷한 크기의 슬라이드 부싱(볼 슬라이드 또는 선형 베어링으로도 알려져 있는)의 5배에서 12배에 달하는 동하중을 처리할 수 있다는 것과, 극도로 낮은 마찰을 가진 선형 움직임과 토크 전달이라는 두 가지 역할을 동시에 수행한다는 것 등이 대표적 장점이다.
볼 스플라인을 대체하기 위해서는 볼 스플라인의 각각의 역할을 독립적으로 수행하는 두 종류의 자동화 장치가 필요하다. 이 경우 시스템 비용과 복잡성 그리고 공간에 대한 요구사항이 늘어남은 물론이다.
볼 스플라인은 홈이 있는 정밀한 샤프트와 특수한 너트라는 두 개의 요소로 구성되어 있다. 해당 너트는 고정되어 있으며(Captive) 볼 구성요소가 재순환되는 순환로(서킷)를 포함한다. 이 너트는 볼나사 너트와 유사하다. 볼 스플라인의 나사는 0°의 각도를 갖는 것이 차이점이다.
볼 스플라인 샤프트는 일반적으로 샤프트의 길이를 줄이는 홈을 2에서 6개가량 가지고 있다. 홈의 숫자는 장치에 가해지는 부하와 샤프트 직경에 따라 달라진다.
6개의 홈을 가진 카운트 샤프트는 가장 높은 부하용량을 가지고 있다. 하지만 카운트 샤프트를 사용하기 위해서는 6개의 개별적인 트랙을 수용하기 위한 상당히 큰 너트가 필요하다(이는 비용 증가로 이어진다).
스플라인 샤프트 직경은 특정한 한도 이하로 떨어지지 않는다. 4개의 홈이 나 있는 볼 스플라인을 가장 흔하게 볼 수 있는 이유이다. 직경이 짧은 볼 스플라인의 경우 2개의 홈을 가진 구조가 보다 일반적이다.
볼 스플라인은 크게 두 종류의 홈 형상을 가지고 있다. 고딕호(Gothic Arc) 와 원호(Circular Arc)가 그것이다. 고딕호는 그 특유한 모양으로 인해 호의 4개 지점에서 각각 볼베어링과 접촉하게 된다. 샤프트 홈의 2개 지점, 너트 홈의 2개 지점이 그것이다. 원호는 반원 모양과 흡사하다. 원형 홈을 가까이에서 관찰하면 이 홈들이 타원 안쪽으로 가늘고 길게 늘어진 것을 볼 수 있다. 원호 형상은 2개의 지점에서 볼 베어링과 접촉한다. 하나의 지점은 샤프트에, 다른 지점은 너트에 있다.
고딕호는 강성이 높고 백래시가 낮다. 하지만 추가적인 접촉으로 인한 볼 미끄러짐(Slippage)과 더 높은 마찰이라는단점이 있다. 이에 비해 원호는 낮은 관성의 움직임이 있고 적용된 회전력의 광범위한 변화가 발생하지 않는 설계에 적합하다. 반면 백래시가 크다. 고딕호의 홈은 높은 강도를 필요로 하는 응용사례에 적합하며, 볼 스플라인의 토크 등급을 한 단계 높여준다.
샤프트의 종류
볼 스플라인은 일반적으로 정확도 범위에 따라 세 종류의 제품을 사용할 수 있다. 샤프트 제조 방법에 따라 샤프트의 종류가 달라진다.
우선 정밀성과 백래시 측면에서 최소한의 요구사항만 충족하는, 보편적인 용도로의 사용을 고려한 인출형(Drawn Type) 샤프트가 있다. 인출형 샤프트는 강철 샤프트를 끌어 당기는 방식으로 만들어졌다. 인출형 샤프트는 압출가공과 굉장히 유사하다. 차이점이 있다면, 인출형 샤프트는 원하는 형상을 얻기 위해 당기는 방식으로 제조되지만, 압출가공은 가압(Pushed)하는 방식으로 만들어진다.
인출형 샤프트는 제작비용이 가장 저렴하며, 가장 긴 길이로 활용할 수 있다. 간단한 점대점 움직임이 필요하거나 토크 전달만을 필요로 할 경우 인출형 샤프트가 가장 경제적인 선택이다. 정확도가 어느 정도 필요한 경우라면 그라운드 샤프트가 적절한 선택이다. 그라운드 샤프트는 홈과 샤프트 길이를 샤프트 내부에 내장한 제품이다. 인출형 샤프트보다 일관적인 움직임을 보장한다.
정확도가 매우 중요한 응용사례라면 그라운드 볼 샤프트를 사용하는 것이 바람직하다. 그라운드 볼 샤프트는 그라운드 샤프트와 유사한 방식으로, 하지만 보다 섬세한 공정을 거쳐 만들어진다. 이 샤프트는 매우 좁은 공간 내에도 샤프트의 형태를 온전히 유지할 수 있다.
예비하중에 대하여
볼 스플라인의 강도의 대부분은 볼 베어링의 예비하중(Pre-Load)에 의한 제어를 받고 있다.
볼 베어링의 정확한 선택은 예비하중의 정도를 좌우한다. 너트 트랙과 샤프트 홈 사이의 부정적인 영향을 끼치는 간격(Negative Clearance)을 제어할 수 있기 때문이다.
레이디얼 플레이(반지름 방향의 유극遊隙으로 축과 베어링이 헐거워져서 덜걱거리는 것. 자료 기계공학용어사전)은 예비하중 증가에 큰 영향을 받는다. 백래시를 제어하기 위해 볼나사 너트에 큰 볼을 집어넣는 것과 같은 이치다.
볼 스플라인을 장착해보자
볼 스플라인 장착에는 기본적으로 세 가지 방법이 있다. 설계 의도에 따라 가장 적절한 한 가지 방법을 선택하면 된다.
샤프트의 양 끝을 고정하여 회전만을 허용할 수 있다. 샤프트의 양 끝을 특정 장소에 고정하며, 샤프트 끝 부분에는 베어링을 장착한다. 이 경우 샤프트는 회전만을 수행하며, 너트는 샤프트를 따라 앞뒤로 움직인다.
샤프트의 한쪽 끝만 고정하고, 반대쪽 끝은 지지대 없이 그대로 둘 수 있다. 이러한 배치는 필요한 부품 개수를 줄인다는 장점도 있지만, 볼 스플라인의 최대 속도와 기대수명을 낮춘다는 단점도 있다. 지지대 없는 회전축은 진동과 ‘채찍’, 즉 격렬한 움직임에 민감하다. 반면 기계 장치에 좋은 영향을 끼치는 경우는 매우 드물다.
