벨로즈 커플링은 장치와 장치를 이어주는 커플링의 일종이다. 커플링은 샤프트와 샤프트를 잇는 것이 주 목적으로, 두 축을 연결하여 힘을 전달해주는 역할을 한다. 벨로즈 구성은 커플링 중에서도 유연함과 강성이 조화를 이루는 것이 장점이다. 벨로즈 커플링을 보다 쉽게 활용할 수 있는 정보 및 지침을 제공한다.
자료 | Servometer(www.servometer.com)

Q. 벨로즈 커플링이란 무엇인가?
A. 벨로즈 커플링은 축이음(샤프트 커플링) 장치의 일종이다. 축과 축, 즉 샤프트와 샤프트 간에 힘을 전달할 때 쓰인다. 
커플링은 비틀림에 강해야 하고, 정확한 회전 위치를 전달하면서도 측면 방향으로 유연해야 하며, 다소의 축 어긋남에도 원활하게 작동할 수 있어야 한다. 
벨로즈 구성은 커플링 기술 중에서 유연함과 강성의 조화가 두드러지는 것이 특징이다.

Q. 피로 파괴(Fatigue Failure)는 어떤 영향을 미치는가?
A. 샤프트의 정렬이 어긋나있으면 장치에 압박 및 긴장이 가해진다. 그 결과 모터 베어링의 마모를 높이고 샤프트에 균열을 만드는 등 다양한 형태의 피로 파괴 현상이 발생한다.
커플링은 또한 응력을 집중(Stress Concentration)시키는데, 이로 인해 장치가 작동에 실패할 위험이 높아진다. 장치의 정렬이 중요한 이유이다.
하지만 정렬이 불량한 커플링이라 할지라도 구조적인 짜임새가 튼튼하다면 피로 파괴의 위험을 줄일 수 있다. 적절한 정렬이 중요한 사항이기는 하지만, 이에 앞서 고장에서 안전한(Failsafe) 장치를 구축하는 것이 마모와 고장을 방지하는 핵심 요소이다. 
고장 방지 기능을 탑재한 장치의 대표적 예가 벨로즈 커플링이다.

Q. 대표적인 활용 분야는?
A. 엔코더·서보·액추에이터·로봇·CNC 장비 등, 벨로즈 커플링을 사용하는 분야는 다양하다. 
벨로즈 커플링은 신축성이 뛰어나고, 백래시가 낮다. 뿐만 아니라 회전 중 주기적인 속도 변화가 적고, 측면 하중을 최소화하며, 끝편(End Pieces)을 사용자의 입맛에 맞출 수 있다. 벨로즈 커플링을 활용하면 작은 직경의 샤프트도 역동적으로 활용할 수 있다.

Q. 정렬 불량(Misalignment)이란 무엇인가? 벨로즈 커플링을 통해 이를 보상할 수 있는가?
A. 일부 업체는 특정한 상황 및 조건을 충족할 수 있도록 금속 벨로즈를 맞춤 제작한다. 
벨로즈 커플링 중에서는 토크를 전달하는 과정에서 평행축의 어긋남을 0.068in.까지, 각 변형(Angular Misalignment)을 최대 31°까지, 축 운동의 어긋남을 0.230in.까지 흡수(Absorbing)할 수 있는 제품도 있다. 이러한 커플링은 작게는 온즈 당 2in.(㎝ 당 1.4N)부터 크게는 온즈 당 400in.(㎝ 당 2825N)에 달하는 토크를 전달한다. 
전기 증착(Electrodeposited)된 니켈 벨로즈는 보통 최대로 확장된 길이의 약 40% 가량을 압축할 수 있으며, 특수 설계를 도입하면 최대 60%까지 압축할 수 있다.

Q. 벨로즈 커플링을 유용하게 사용할 수 있는 분야가 있다면?
A. 벨로즈 커플링의 주요 활용 분야로 항공우주 산업이 있다. 현재 미국항공우주국(NASA)의 모든 우주왕복선과 수많은 군사용 제트기에 벨로즈 커플링을 탑재하고 있다. 
작은 크기와 경량의 구조 그리고 매우 넓은 작동온도 범위(약 -50℃부터  126.6℃) 등의 장점을 바탕으로 벨로즈 커플링은 새로운 시장을 창출하였다. 
금속 벨로즈는 압력 및 온도 측정 장치부터 고도계와 액추에이터 그리고 축압기(어큐뮬레이터)에 이르기까지, 항공우주 산업에서 필요로 하는 여러 엄격한 요구사항을 충족한다.

Q. 커플링을 선택할 때 고려해야 하는 특성 혹은 문제점은 무엇인가?
A. 커플링을 선택하는 과정에 필요한 정보로는 다음과 같은 것들이 있다.

1. 최대 토크를 계산한다. 모터의 시작 토크를 구하고 여기에 기어의 감속비(Speed Reduction Ratio)를 곱하여 최대 토크를 구할 수 있다.
2. 평행축에 대한 정렬 오차 및 각도(호 굽힘Arc Bend)에 대한 정렬 오차를 구해야 한다.
3. 커플링이 장치를 연결할 때, 확장 및 압축에 따라 외부에 노출되는 지점을 찾아야 한다.
4. 온도나 부식성 환경 등 다양한 환경적 요소를 고려해야 한다.

이러한 기준을 통해 찾아낸 다양한 표준형 벨로즈 커플링 중에서 작업에 가장 적합한 제품을 고른다. 적절한 제품을 찾는 과정에서 선택한 제품 끝편의 크기가 샤프트의 크기와 부합하는지 확인한다. 경우에 따라 벨로즈 크기를 샤프트 직경에 부합하도록 맞춤 제작해야 하는 경우도 있다.

Q. 표준형 혹은 맞춤형 커플링을 결정하는 데에 필요한 정보는?
A. 다섯 가지의 성능 특성이 있다.

1. 가장 먼저 고려해야 할 변수는 토크비 결정(Torque Rating)이다. 
2. 장치가 작동 혹은 정지할 때 발생하는 최대 순간 토크를 정해야 한다. 토크를 정확하게 정의하는 것은 커플링 작업의 신뢰성에 필수적이다.
3. 최대 평행 정렬 오차 및 각도 오차를 구해야 한다. 불안요소에 대한 최대 허용치를 지정해주어야 하는 것. 길이가 짧거나 직경이 긴 커플링을 활용하면 불안요소를 줄일 수 있다.
4. 축 방향의 확장 및 압축에 대한 사항 역시 생각해보아야 한다.
5. 작업환경을 고려해야 한다. 온도나 부식 등 다양한 환경적 요소들을 살핀다. 
전기 증착이 되어 있는 벨로즈는 산(酸) 혹은 바닷물 등 부식이 우려되는 환경에서 활용하기 어렵다. 이러한 상황에서는 저항력을 높이기 위해 도금 처리를 할 수 있다. 
경우에 따라 응용사례 최적화 및 적절한 설치를 위해 특정한 크기의 제품이 필요할 수도 있다.
공급업체는 이러한 사항을 결정하는 과정에 도움을 주며, 나아가 작업에 가장 적합한 커플링의 선택을 돕는다.

Q. 벨로즈 커플링의 리드 타임은 어떠한가? 관련 비용은?
A. 리드 타임(제품의 기획 단계부터 최종 생산까지 걸리는 시간)을 결정하는 주된 요인은 표준형 제품을 구입할지, 맞춤형 설계를 활용할지의 여부에 달려 있다.

표준형 커플링은 제품 적용과 사용이 비교적 편리하다. 표준형 커플링이 배송까지 걸리는 기간은 생산 완료 시점으로부터 적게는 일주일 정도이다(이는 해외 배송 및 배송 수단 등의 여부에 따라 달라진다). 하지만 맞춤형 설계를 적용하면, 즉 기존의 설계에 수정을 더하면 리드 타임이 보다 길어진다.

표준형 커플링의 가격은 주문 수량에 따라 정해지는 것이 일반적이다. 대량구매의 경우는 가격이 크게 낮아진다. 

하지만 실험 및 연구개발을 위해 단 한 개의 제품만을 구입하는 경우도 있다. 이 경우에는 가격의 인하를 기대하기 어렵다.

맞춤형 설계를 구현하기 위해 필요한 시간과 금액은 부품이 얼마나 복잡한지, 주문한 물량이 얼마나 되는지에 따라 결정된다. Servometer의 경우, 사용자 정의 제품을 설계하고 최종 생산하는 데까지 최소 6주 내지 8주 정도가 소요된다.

일부 업체의 경우 각 산업에 대한 광범위한 설계 라이브러리를 가지고 있다. 라이브러리를 참조하면 설계 기간을 크게 줄일 수 있다.