두 축을 연결하는 커플링은 종류에 따라 구조가 다릅니다.
그런데 일부 커플링은 가운데 부분이 끊어지기도 합니다. 왜 이런 현상이 발생하는 걸까요?
이번 편에서 빔 커플링을 중심으로 그 구조와 파손 원인을 알아보겠습니다.
커플링은 어떤 역할을 할까?
커플링은 모터의 회전축과 다른 축을 연결해 회전력을 전달하는 부품입니다.
커플링에는 여러 종류가 있으며, 그중 빔 커플링은 가운데에 나선형 홈이 있는 금속 부품입니다.
이 홈은 스프링처럼 휘어지면서 두 축의 어긋남을 받아내도록 설계되어 있습니다.
두 축은 항상 완벽한 일직선으로 연결되는 것은 아닙니다.
빔 커플링이 허용 범위 내에서 받아낼 수 있는 어긋남은 크게 세 가지로 구분됩니다.
- 각도 어긋남 : 두 축이 서로 기울어진 상태
- 평행 어긋남 : 두 축이 나란하지만, 중심이 비켜난 상태
- 축방향 변위 : 두 축이 길이 방향으로 움직이는 상태
커플링 가운데는 왜 끊어질까?
빔 커플링의 양쪽 끝은 회전축을 고정하지만, 가운데 나선형 부분은 휘어지면서 회전력을 전달합니다. 이 과정에서 휘어지는 힘과 비틀리는 힘을 함께 받습니다.
작동 조건에 따라 견딜 수 있는 회전력도 달라집니다.
예를 들어 Ruland의 MIS25 제품은 정적·단방향 하중에서 최대 3.39N·m의 토크(축을 비트는 힘)를 허용하지만, 회전 방향이 역전되는 동적 조건에서는 0.85N·m으로 낮아집니다. 약 4배의 차이입니다.
반복되는 변형도 파손에 영향을 줍니다.
축이 어긋난 상태로 회전하면 나선형 부분에 반복적인 힘이 작용해 금속 피로(반복되는 힘으로 손상이 쌓이는 현상)가 발생하고, 균열로 이어질 수 있습니다.
한편, 과도한 회전력은 직접적인 파손으로 이어질 수 있습니다.
Ruland는 허용 토크를 초과하는 힘을 가해 빔 커플링의 가운데 부근이 끊어지는 사례를 재현했습니다. 이는 앞서 살펴본 허용 토크가 실제 파손 위험과도 연결되는 수치임을 보여줍니다.
커플링, 무엇을 확인해야 할까?
커플링을 사용할 때는 먼저 두 축의 정렬 상태를 확인해야 합니다.
예를 들어 커플링 제조사 NBK는 자사 제품의 정렬 기준에서 두 가지 이상의 축 어긋남이 동시에 발생하면 각각의 허용값을 절반으로 낮춰 적용하도록 안내합니다.
또한 장비 작동 중에 발생할 수 있는 진동과 열팽창 등을 고려해, 허용값의 3분의 1 미만으로 유지할 것을 권장합니다.
축의 삽입 깊이도 중요합니다. 너무 얕게 삽입하면 고정이 불안정해질 수 있으며, 지나치게 깊으면 제품 구조에 따라 내부 간섭이 발생할 수 있습니다.
사용 중에는 비정상적인 진동이나 소음이 발생하지 않는지, 나선형 부분에 균열이나 변형이 생기지 않았는지 점검해야 합니다.
휘어지도록 만든 부품에도 한계는 있습니다.
빔 커플링처럼 움직임을 받아내도록 설계된 부품도 사용 조건에 따라 수명이 달라질 수 있습니다.
따라서 부품을 교체하거나 재제작할 때는 외형과 치수뿐 아니라 힘이 가해지는 방향과 반복되는 움직임 등 실제 사용 조건까지 고려해야 합니다.
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