모션 제어를 정밀하게 하기 위해 제로 백래시를 찾는다면 벨로우즈 커플링이 유용하다. 벨로우즈 커플링을 적용할 때 고려해야 할 사항은 무엇일까? 서보미터는 벨로우즈 커플링 적용 시 살펴야 할 필수적인 핵심 요소로 ▲환경 ▲허브 ▲오정렬 ▲토크 등 네 가지를 지목했다.
커플링이 적용되는 환경의 온도 범위는 커플링의 수명을 보장하기 위한 중요한 요소이다. 이는 벨로우즈 커플링Bellow Coupling에서도 마찬가지이다.
전기도금된 벨로우즈 커플링의 경우, 일반적으로 최고 온도가 350°F 이내여야 하며, 저온에서는 한계점이 없다고 알려진다. 그래서 국제 우주 정거장을 비롯한 극저온 환경에서 주로 사용된다. 또 매우 높은 진공 환경이나 고압 환경에서도 전기도금 벨로우즈 커플링은 고려된다.
그렇지만 또다른 변수가 있다. 바로 커플링의 조립 방법(접착제, 솔더링 등)이다. 솔더링을 활용한 경우에 전기도금 벨로우즈 커플링은 300°F의 최대 작동 온도를, 접착제를 사용한 경우에는 240°F의 최대 작동 온도를 지닌다.
그런데 전기도금은 염분 스프레이 또는 기타 부식 매체가 자주 접촉되는 환경에서 수명이 크게 저하될 수 있다. 따라서 환경에 따라 금도금 등의 특수 코팅을 고려해야 한다.
Tip 2 ｜허브
엔드 피스 또는 허브는 모션 컨트롤 장치에서 동일하거나 다른 크기의 샤프트를 페어링하는 데 사용된다. 커플링은 샤프트 크기에 맞게 제작될 수 있으며, 맞춤형 엔드 피스 구성을 샤프트의 특정 형상과 일치하도록 제작하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
샤프트를 엔드 피스에 고정하기 위한 방안으로는 고정 나사 또는 일체형 클램프가 보편적으로 사용된다. 고정 나사Set screw의 경우에는 보통 120도 간격으로 배치된 나사를 렌치로 조여 고정하는 방법이며, 일체형 클램프Integral clamp는 구성 요소와 클램프를 분리함으로써 샤프트 주변의 엔드 피스 직경을 줄여 고정시키는 방법이다. 둘 모두 설치가 용이하므로 설계자의 선호도에 따라 선택된다.
엔드 피스의 재료로는 알루미늄이나 스테인레스 강이 주로 사용된다. 강도, 작동 조건, 가격 등을 살펴 선택하면 된다.
벨로우즈 커플링을 선택할 때 오정렬의 지원이 중요한 요소이다. 벨로우즈 커플링은 설계 한계 내에서 측면과 축 방향으로 구부러질 수 있어 오정렬에 대응이 가능하며, 실제로 이러한 오정렬 능력 때문에 선택되는 경우가 많다. 따라서 오정렬의 유형과 이것이 커플링 성능과 수명주기에 미치는 영향을 이해할 필요가 있다.
예를 들어 축이 평행하지만 오프셋이 있는 샤프트의 오정렬은 커플링에 적용할 수 있는 가장 가혹한 하중 조건으로, 커플링의 벨로우즈 부분을 계산하여 샤프트 간의 차이를 보정해야 한다. 이외에도 각도 불일치나 굽힘도 병렬 오프셋과 결합되면 성능을 바꿀 수 있는 요소이며, 벨로우즈는 압축 상태에서는 정격 토크값의 75%만 가능하기 때문에 확장이나 압축에 대한 이해도 필요하다.
제시된 벨로우즈 커플링 사양 차트(표 참조)에서 병렬 오프셋, 각도 조절, 축력 확장/압축 기능은 상호 배타적으로 지정되며, 각 성능의 사양에 대한 값을 설정할 때에는 동일한 백분율 값을 자체적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 커플링의 각도 오프셋이 31도의 각도로 지정되고 사용자가 31도의 정렬이 필요한 경우에는 추가적인 병렬 오프셋 또는 확장 또는 압축 편향을 위한 공간이 없다. 하지만 사용자가 각도 오프셋(15.5도)의 절반만 필요한 경우, 사용 가능한 성능의 동일한 비율을 사용할 수 있다.
토크는 일반적으로 자동차 산업에서 언급되고 피트/파운드로 표시된다. 반면 모션 컨트롤 장비는 일반적으로 인치-온스 또는 mN-m 단위를 사용한다.
실제 최대 토크의 결정은 커플링 실패를 방지할 수 있는데, 클러치 스타트 또는 브레이크 스톱이 있는 경우 최대 순간 토크 값을 측정해야 한다. 기어 감속으로 저관성 모터가 커플링을 통해 큰 부하를 구동하는 경우, 최대 토크는 모터의 시동 토크에 기어 감속비를 곱한 값이다. 또 회전 관성력의 가속은 저항 토크를 발생시키므로 이를 고려하여 계산해야 한다.
