모터 커플링을 선택하는 것은 기계가 작동하기 전까지는 간단해 보입니다. 세 가지 커플링은 데이터시트에서 동일한 보어 크기와 토크 등급을 공유할 수 있으며 정렬 불량, 진동 및 열 증가가 발생하면 여전히 완전히 다르게 작동합니다.
이 가이드는 귀하의 응용 분야에서 커플링이 살아남는지 여부를 실제로 결정하는 사양을 사용하여 조, 클램프(강성) 및 벨로우즈 커플링을 비교하고 - 토크 용량, 오정렬 허용 오차, 비틀림 강성, 속도 제한 및 실패 동작 - 중에서 선택할 수 있는 프레임워크를 제공합니다.
빠른 답변
| 조 커플링 | 클램프 커플링 | 벨로우즈 커플링 | |
|---|---|---|---|
| 백래시 | 낮음(백래시가 없는 버전-사용 가능) | 영 | 영 |
| 비틀림 강성 | 낮음~보통 | 매우 높음 | 높음(1,000~50,000Nm/rad) |
| 오정렬 공차 | 셋 중 가장 높음 | 거의 0에 가까운 (<0.05mm) | 보통(평행 0.25~0.5mm, 각도 1~2도) |
| 일반적인 토크 범위 | ~2.5~300Nm | 주로 샤프트/보어 크기에 따라 제한됩니다. | ~0.5~500Nm |
| 일반적인 속도 제한 | 최대 ~40,000RPM | 높지만 열 성장 보상이 없음- | 최대 ~10,000RPM |
| 충격 흡수 | 최상의 | 없음 | 최소한의 |
| 실패 행동 | 거미는 점차적으로 분해됩니다. 거미가 완전히 파손되면 턱이 금속-과-금속을 맞물릴 수 있습니다. | 커플링에 마모 부품이 없습니다. - 오정렬 응력이 다른 곳에서 베어링 고장으로 나타납니다. | 오정렬 또는 설치 길이가 정격을 초과하는 경우 벨로우즈 피로/균열 |
| 최적의 핏 | 일반 자동화, 충격-심함, 중간 정밀도 | 정렬을 엄격하게 제어할 수 있는 정밀 축 | 약간의 정렬 불량이 불가피한 정밀 서보/CNC 축 |
커플링이 실제로 살아남기 위해 필요한 것
세 가지 유형을 비교하기 전에 "오정렬"이 한 가지가 아니기 때문에 커플링이 무엇을 흡수하는지 정확하게 파악하는 것이 도움이 됩니다.
- 각도 정렬 불량- 두 샤프트 중심선이 평행하지 않고 비스듬히 만납니다.
- 평행(방사형) 정렬 불량- 샤프트 중심선은 평행을 유지하지만 좌우로 오프셋되어 있습니다.
- 축 운동- 일반적으로 열팽창이나 베어링 플로트로 인해 샤프트 끝 사이의 간격이 늘어나거나 줄어듭니다.
모든 커플링은 이 세 가지 하중을 다르게 처리하며 제조업체 데이터시트에는 각 -에 대한 별도의 공차가 나열되어 있습니다. 2도 각도 오정렬 등급의 커플링은 훨씬 적은 평행 오프셋을 허용할 수 있습니다. 이들을 혼합하는 것은 가장 일반적인 커플링 선택 오류입니다.
정렬 불량만큼 중요한 네 번째 요소가 있습니다.비틀림 강성, Nm/rad 단위로 측정됩니다. 하중이 가해지면 완벽하게 견고한 커플링을 제외한 모든 커플링이 약간 비틀립니다. - 이를 와인드업이라고 합니다. 서보 포지셔닝 시스템에서 와인드업은 포지셔닝 오류로 직접 나타나며 모터-커플링-부하 시스템에서 공진을 일으킬 수 있습니다. 해당 시스템의 대략적인 고유 진동수는 다음과 같습니다.
fn ≒ (1 / 2π) × √(Kt / J)
어디Kt커플링의 비틀림 강성과J반영된 하중 관성입니다. 서보의 명령 주파수가 fn에 가까워지면 튜닝 문제처럼 보이지만 실제로는 커플링 강성 문제인 진동이나 불안정성을 볼 수 있습니다. 이것이 바로 토크 등급 -뿐만 아니라 비틀림 강성 -도 처음부터 선택 체크리스트에 포함되는 이유입니다.
조 커플링
기구:서로 맞물린 조가 있는 두 개의 금속 허브에 스파이더라고 불리는 다중 -엽 엘라스토머 인서트가 끼워져 있습니다. 토크는 각 허브의 조 페이스를 교대로 압축하면서 스파이더를 통과합니다. 표준 직선-조 디자인에는 고유한 플레이가 있습니다. 곡선형-조 설계는 조와 스파이더 사이의 압입식을 사용하여 제로 백래시를 달성합니다. 이는 오늘날 거의 모든 서보 및 모션 제어 애플리케이션에 사용되는 버전입니다-.
일반적인 사양:
- 토크 용량: 표준 카탈로그 크기에서 약 2.5Nm ~ 300Nm
- 속도: 균형 잡힌 설계에서 최대 40,000RPM까지 정격
- 오정렬: 세 가지 커플링 유형 중 가장 관대하지만 여전히 제한적입니다. - 큰 평행 또는 각도 오정렬은 벨로우즈 또는 디스크 커플링보다 베어링 하중을 더 빠르게 증가시킵니다.
- 비틀림 강성: 세 가지 중 가장 낮습니다. 이것이 바로 충격 흡수 특성을 부여하는-원인입니다.
실패 동작:거미는 설계상 마모되는 부분이므로 성능 저하가 갑작스럽지 않고 점진적으로 이루어집니다. 열, 오일 노출 또는 순환 압축으로 인해 - 노화됨에 따라 - 강성이 점차적으로 변경되어 백래시가 0이었던 시스템에 조용히 백래시 또는 와인드업이 발생할 수 있습니다-. 스파이더가 완전히 작동하지 않으면 턱은 일반적으로 금속-대-끼리 맞물려 완전히 풀리지 않고 토크를 계속 전달합니다. 이것이 안전 기능인지 위험인지 여부는 전적으로 컨베이어에 대한 애플리케이션 -에 따라 다르며 계속 작동하는 것은 괜찮습니다. 커플링 실패 시 정지해야 하는 시스템의 경우에는 그렇지 않습니다.
공명 고려사항:스파이더는 기본적으로 비틀림 스프링이므로 잘못된 부하 관성과 결합된 조 커플링은 서보의 작동 대역에서 바로 공진을 생성할 수 있습니다. 두 가지 일반적인 수정 사항: 더 단단한 스파이더 재료로 전환하거나(예: 92 Shore A 대신 98 Shore A를 사용하면 비틀림 강성이 두 배로 늘어나고 공진 주파수가 높아집니다) 드라이브 튜닝에 노치 필터를 추가합니다.
다음과 같은 경우에 조 커플링을 사용하십시오.애플리케이션에 빈번한 충격 부하, 방향 반전 또는 시작-정지 사이클링이 있고 절대 제로 백래시가 최우선 순위가 아닙니다. - 일반 자동화, 컨베이어, 포장 장비 및 펌프/압축기 드라이브가 일반적으로 적합합니다.
다음과 같은 경우에는 조 커플링을 피하십시오.축에는 고정밀의 진정한 제로{0}}감기 위치 지정이 필요합니다. 그렇지 않으면 스파이더의 성능이 빠르게 저하될 만큼 환경이 충분히 뜨겁습니다(일반적으로 표준 엘라스토머의 경우 120도 이상).
클램프 커플링(리지드 커플링)
기구:두 개의 허브는 직접 볼트로 고정되거나 양쪽 샤프트 끝 주위에 단단히 고정되는 단일 분할 허브로 형성됩니다. 어셈블리 어디에도 유연한 요소가 없습니다. - 토크 전달은 두 샤프트 사이의 직접적이고 견고한 연결입니다.
일반적인 사양:
- 토크 용량: 일반적으로 주어진 보어 크기에 대해 세 가지 중 가장 높으며 주로 커플링 자체보다는 샤프트와 패스너 강도에 의해 제한됩니다.
- 비틀림 강성: 모든 커플링 유형에서 가장 높으며 하중 시 감김이 본질적으로 0입니다.
- 오정렬 허용 오차: 각도 오정렬에 대한 사실상 제로 허용 오차와 함께 안정적인 장기 작동을 위한 평행 오프셋 0.05mm(0.002")보다 훨씬 낮은 정의 한계 -{3}}
- 속도: 커플링 설계 자체에는 고유한 속도 상한선이 없지만 정렬 불량이 있는 고정식 커플링을 고속으로 작동하면 유연한 유형에 비해 베어링 마모가 불균형적으로 가속화됩니다.
실패 동작:이것은 잘못된 실패로 인해 가장 자주 비난받는 커플 링 유형입니다. 클램프 커플링에는 오정렬을 흡수하는 마모 요소가 없으므로 샤프트가 공차 내에서 정렬되지 않으면 일반적으로 커플링 자체는 살아남지만 - 응력은 모터 베어링과 볼 스크류의 지지 베어링으로 직접 전달됩니다. 증상은 조기 베어링 고장이나 구동 소음 증가로 나타나며, 근본 원인이 커플링의 흡수 능력이 없는 상류 정렬 불량일 경우 베어링이나 볼스크류 결함으로 오진하기 쉽습니다.
다음과 같은 경우 클램프 커플링을 사용하십시오.장착 설계는 정확하고 검증 가능한 샤프트 정렬(일반적으로 수백 분의 1밀리미터 이내로 정렬된 레이저-정렬 또는 고정 장치-)을 허용하며 해당 응용 분야에서는 최대 비틀림 강성- CNC 축, 정밀 스테이지 및 정렬이 기계의 수명 동안 표류하지 않는 짧고 잘 지지되는 구동계를 요구합니다.-
다음과 같은 경우에는 클램프 커플링을 사용하지 마십시오.설치 시 및 시간이 지남에 따라 긴밀한 정렬을 보장할 수 없거나 구동계의 열팽창으로 인해 작동 중에 샤프트 간격이 변경되는 경우 - 고정식 커플링은 축방향 성장을 흡수할 방법이 없습니다.
벨로우즈 커플링
기구:벽이 얇은-금속 벨로우즈-는 일반적으로 하이드로포밍 스테인레스 스틸이며 때로는 매우 가벼운-정밀 작업을 위한 전착 니켈-이 두 허브 사이에 용접되거나 접착됩니다. 주름진 벽은 회전 시에는 단단하지만 각도, 평행 또는 축 정렬이 어긋나면 쉽게 구부러지는 비틀림 스프링처럼 작동합니다. 이는 아코디언이 비틀림 없이 구부러지는 것과 유사합니다.
일반적인 사양:
- 토크 용량: 벽 두께, 플라이 수, 벨로우즈 직경에 따라 약 0.5Nm ~ 500Nm
- 비틀림 강성: 1,000-50,000 Nm/rad - 모든 유연한 커플링 유형 중에서 가장 높으며 디스크 또는 고정식 커플링에 이어 두 번째입니다.
- 오정렬 공차: 일반적으로 각도 1~2도 및 평행/축 0.25~0.5mm(0.010"~0.020") - 클램프 커플링보다 훨씬 관대하지만 조 커플링보다는 적습니다.
- 속도: 일반적으로 균형 잡힌 설계에서 최대 10,000RPM까지 평가됩니다.
- 위치 정확도: 정밀 서보-등급 벨로우즈 커플링에서 -아크-분 미만
설치 감도:벨로우즈 커플링은 장착 중에 늘어나거나 압축되지 않은 지정된 자유 길이 -로 설치해야 합니다. 축 방향 장력이나 압축 상태에서 설치하면{2}}벨로우즈에 사전 하중이 가해지며 작동 오정렬이 사양 내에 있더라도 피로 수명이 단축됩니다. 이는 커플링 선택과 관련이 없고 설치 절차와 모든 관련이 있는 조기 벨로우즈 고장의 일반적이고 피할 수 있는 원인입니다.
실패 동작:조 커플링의 점진적인 스파이더 마모와 달리 벨로우즈 커플링은 오정렬이나 설치 응력이 충분한 하중 주기에 걸쳐 정격 한계를 초과하면 피로 균열로 인해 파손되는 경향이 있습니다. - 기본 피로가 점진적으로 축적되더라도 파손이 갑작스럽게 나타날 수 있습니다. 품질이 떨어지는 엘라스토머 거미가 제공하는 것과 같은 "부드러운" 중간 상태는 없습니다. 회선에 균열이 생기면 커플 링은 토크 전달을 잃습니다.
다음과 같은 경우 벨로우즈 커플링을 사용하십시오.축에는 높은 비틀림 강성과 진정한 오정렬 공차가 모두 필요합니다. - 이는 클램프 커플링이 제공할 수 없는 조합이고 조 커플링은 강성에 있어서 일치할 수 없습니다. 정밀 CNC 축, 반도체 및 연구실 자동화, 고속-서보-구동 볼 스크류 축이 핵심 사용 사례입니다.
다음과 같은 경우에는 벨로우즈 커플링을 피하십시오.응용 분야에는 규칙적인 충격 부하 또는 충격이 수반됩니다. - 위치 정확도를 제공하는 것과 동일한 강성은 충격 부하를 모터 베어링에 직접 전달하며, 반복적인 충격은 벨로우즈 피로 파손의 주요 원인입니다.
비교표
| 요인 | 조 커플링 | 클램프 커플링 | 벨로우즈 커플링 |
|---|---|---|---|
| 토크 범위 | ~2.5~300Nm | 최고, 샤프트-제한됨 | ~0.5~500Nm |
| 비틀림 강성 | 낮음~보통 | 최고(거의-무한) | 높음(1,000~50,000Nm/rad) |
| 각도 정렬 불량 | 최고의 내성 | ~0도 | ~1~2도 |
| 평행 오정렬 | 높은 내성 | <0.05mm | 0.25~0.5mm |
| 축 운동 공차 | 좋은 | 없음 | 좋은 |
| 최대 속도 | ~40,000RPM | 높음(정렬-제한됨) | ~10,000RPM |
| 백래시 | 낮음(곡선-턱 유형에서는 0) | 영 | 영 |
| 충격 흡수 | 최상의 | 최악의 | 가난한 |
| 마모부분 | 엘라스토머 스파이더 | 없음 | 없음(피로-제한됨) |
| 실패 모드 | 점진적인 거미 분해; 가능한 금속-대-금속 메시 | 시스템의 다른 곳에서 베어링 손상 | 갑작스런 피로 균열 |
| 오류에 대한 설치 허용 오차 | 용서하다 | 매우 빡빡함 | 보통의 |
| 상대 비용 | 낮은 | 낮음~보통 | 보통 – 높음 |
선택 프레임워크
다음을 순서대로 진행하세요.
1. 기계 수명 동안 수백 분의 1밀리미터 이내의 샤프트 정렬을 보장하고 유지할 수 있습니까?
예 → 클램프 커플링은 가장 간단하고 견고하며 가장 비용 효율적인-옵션입니다.
아니요 → 질문 2로 이동하세요.
2. 축에 높은 비틀림 강성(포지셔닝 정확도를 위해)과 실제 오정렬 공차가 모두 필요합니까?
예 → 벨로우즈 커플링. 두 가지를 동시에 제공하는 유일한 유형입니다.
아니요, 중간 정도의 정밀도가 좋습니다. → 질문 3으로 이동하세요.
3. 애플리케이션에서 빈번한 충격 부하, 역전 사이클 또는 시작-작동 중지가 발생합니까?
예 → 조 커플링. 엘라스토머 스파이더는 벨로우즈 또는 클램프 커플링이 직접 전달하는 충격으로부터 모터와 구동{1}}측 베어링을 보호합니다.
4. 공진을 유발할 수 있는 서보 명령 주파수 근처에서 커플링이 작동하고 있습니까?
어떤 유형으로 기울고 있는지에 관계없이 드라이브의 작동 대역에 대해 fn ≒ (1/2π)√(Kt/J)를 확인하세요. - 토크와 오정렬이 올바른 커플링은 강성이 범위 내에서 공진을 생성하는 경우 여전히 불안정성을 유발할 수 있습니다.
요약
조, 클램프 및 벨로우즈 커플링은 모터 샤프트를 구동 샤프트에 연결하는 동일한 기본 문제 -를 해결하지만 비틀림 강성, 오정렬 허용 오차 및 충격 흡수를 겹치지 않는 방식으로 절충합니다. 클램프 커플링은 가장 높은 강성을 제공하지만 가장 엄격한 정렬을 요구합니다. 벨로우즈 커플링은 더 높은 비용과 더 적은 충격 내성으로 강성과 실제 오정렬 허용 오차를 모두 제공합니다. 조 커플링은 최고의 충격 흡수와 가장 편안한 설치를 위해 약간의 강성을 포기합니다. 커플링을 토크 등급 -뿐만 아니라 얼라인먼트 기능 및 듀티 사이클 -에 맞추는 것이 기계의 수명이 지속되는지 아니면 6개월 후에 베어링 고장의 숨겨진 원인이 되는지 결정하는 것입니다.
