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Metal Bellows Couplings : R+W Couplings

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MODE OF OPERATION METAL BELLOWS COUPLINGS

OVERVIEW METAL BELLOWS COUPLINGS FROM R+W

ADVANTAGES METAL BELLOWS COUPLING

DIVERSITY OF METAL BELLOWS COUPLING DESIGNS

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벨 로즈 커플 링

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#002. 벨로우즈 카플링(Bellows coulpling)



지금부터는 커플링의 유형별로 한개씩 정해서 세세하게 들어갈까 합니다.

물론 앞에서 포스팅 내용과 중복될 수 있으나, 실제 현장에서 사용되는 각종 제조사를 거론하며 설명하겠습니다.

첫번째, 벨로우즈 커플링(Bellows couplings)입니다.







안타깝게도 벨로우즈 커플링은 국내에서 제조하는 회사는 아직까지 없는 것 같습니다.



주로 독일, 일본, 미국 정도? 더 있을 수 있겠지만, 자국 시장 판매로 하는 업체까지 알기는 쉽지않네요.



그중에서도 국내에도 많이 유입되고 세계적으로 시장을 갖고 있는 국가는 독일, 미국, 일본이라고 볼 수 있죠.

벨로우즈 커플링(Bellows coupling) 제조사

국가 독일 일본 미국 영국 기타 제조사 R+W KTR Mayr Gerwah Jakob KBK KWD NBK Misumi Miki Pulley Ruland Lovejoy Servometer GAM – –



각 제조사별 비교 분석을 쓰려다가, 주제에 벗어난 것 같아 다음으로 미루고…

벨로우즈와 경쟁할 비틀림에 강한 커플링의 종류는 디스크 커플링과 헬리컬 커플링이 있죠.



[ 비틀림 강성 커플링의 종류 참고 : http://rotho.blog.me/140191897417 ]

분류 벨로우즈 커플링 디스크 커플링 헬리컬 커플링 토크 전달 범위 0.05~10만 Nm 0.5~28만 Nm 0.1~25 Nm

디스크 커플링도 100만 Nm이 넘는 것도 있지만, 표준품이 아니므로 표준 카달로그 기준으로…

초대형 장비를 제외하고는 벨로우즈 커플링의 커버 범위는 넓다고 볼 수 있습니다.



사실상 95%가 저 범위에 든다고 봐야죠

벨로우즈 커플링의 구조를 보면

크게 두개의 구조로 되어있습니다.

(1~2번) 허브 + (3번) 벨로우즈 (일반적으로 스테인레스 강 재질)

벨로우즈의 재질은 다양합니다. 인청동, 폴리에스터 등

허브는 철(Steel), 알루미늄(Aluminium), 스테인레스 강(Stainless steel)로 제작됩니다.





벨로우즈 커플링의 특징을 하나씩 나열하면서 설명할게요.

#A. 정밀 장비에 제격인 금속 벨로우즈 커플링

대부분 스테인레스 강을 사용한 벨로우즈는 무엇보다 비틀리는 힘에는 강하고, 휘어짐에는 유연해서 커플링에는 제격인 형태입니다.

(대부분의 일본 제품은 인청동 또는 플라스틱 재질을 사용한 소형 제품 생산)

금속(스테인레스 강)으로 된 벨로우즈 커플링과 죠 커플링과 비틀림 각도를 비교해 보면

스캔한 그래프를 보면 가로축은 토크 / 세로축은 비틀림 각도입니다.

토크가 올라감에 따라 비틀리는 각도를 나타냅니다.

파란선이 죠 커플링으로 실험한 값이고, 녹색선이 벨로우즈로 실험한 값입니다.

예를 들어 75Nm의 토크로 비틀면 벨로우즈는 0.05° 보다 훨씬 미만이라는 겁니다.

탄성체가 들어간 죠 커플링과 비틀림을 비교하는 것은 무리겠지만, (극과 극을 비교)

정밀한 제어를 위해 비틀림 강성(Torsional rigidity)은 높아야 합니다.

예를 들어, 18,000 인크리먼트(Increment)의 스테퍼 모터에 사용한다고 가정해보겠습니다.

이런 스테퍼 모터의 경우 1 인크리먼트 당 0.02 ° (360 ° ÷ 18,000)의 정확성을 갖고 있죠.

즉, 커플링의 비틀림 각도가 0.02 ° 보다 몇배는 작아야 정상적인 위치제어를 할 수 있다는 겁니다.

[ 비틀림 강성(Torsional rigidity)에 관한 포스팅 참고 : http://rotho.blog.me/140192023403 ]

#B. 같은 “벨로우즈” 커플링이라도 성능의 차이

벨로우즈 커플링에서도 분명 성능의 차이가 존재합니다.

벨로우즈 자체만 본다면 훌륭한 형태의 소재이며 적격인건 알겠는데, 문제는 벨로우즈와 허브를 어떻게 붙일거냐 입니다.

여기서 제조사들의 기술력이 차이가 납니다. 벨로우즈 제조사가 제한적인 이유가 아닐까 싶네요.

1. 용접 부착 : 커플링이란 회전을 전제로한 부품이라 발란싱에 문제가 생길 수 있고…

2. 본드 부착 : 온도에 약할 수 있고…

3. 기계적 부착 : 일종의 조립 형태, 비틀림 힘에 약할 수 있고…

용접 결합 (Welding) 높은 토크(500 Nm) 이상의 장비 또는 높은 온도 (150℃) 이상의 장비 와 같은 대형 장비에서 주로 사용됨 본드 결합 (Bonding) 토크 500 Nm 미만의 장비 사용 온도 : -30 ~ +100 ℃ 일반 범용 장비에서 사용 기계적 결합 (Assembly) 본드 대신 금속 링을 넣어 마찰력 이용 소형 토크 ~150Nm 이하의 장비 ~200℃ 의 사용온도

기계적 결합은 위의 사진처럼 링을 넣은 조립방식도 있지만, 리벳으로 연결하는 방식도 있습니다.

어떤 결합을 했던 간에 중요한 것은 장비의 환경 온도와 사용하는 토크를 소화해 낼 수 있어야 합니다.



#C. 축의 얼라이먼트 보정

앞서 포스팅했다시피, 아무리 정확하게 조립을 한다고 해도 축과 축이 100% 일치할 수는 없습니다.

또한 사용하면서 축의 변형까지 일어나기에 커플링은 스스로 축의 비정렬 상태를 흡수해야 하죠.

경쟁 모델인 디스크 커플링과 헬리컬 커플링과 비교할 때, 벨로우즈 커플링은 축의 비정렬 상태를 커버하는 범위가 넓습니다.

Axial Misalignment 축간 비정렬 Angular Misalignment 편각 비정렬 Lateral Misalignment 편심 비정렬 일반적인 표준품의 경우 ±1~2mm 일반적인 표준품의 경우 ~2° 일반적인 표준품의 경우 ~0.35mm

우선, 축간 비정렬(Axial misalignment)의 경우

모든 물체가 갖는 고유의 온도상수로 인해 0.1~1mm 까지 변하게 할 수 있고, 장비의 외부 요인에 의해서도 변하기도 합니다.

스프링의 역할을 하는 벨로우즈의 탄성이 이를 커버하죠.

무엇보다 벨로우즈의 두께나 주름(Corrugation)의 수(=길이) 등의 변화로

가능한 미스얼라이먼트의 범위를 넓힐 수도 있습니다.

#D. 벨로우즈의 낮은 복원력(restoring force)

축의 비정렬 중에서 가장 커플링에 심한 손상을 주는 것은 편심 비정렬입니다. (위의 그림 3번째)

원래의 형태로 돌아가려는 복원력 때문이지요.

커플링의 복원력이 클수록 장비에도 압박이 가해 집니다. 아래의 사진처럼…

편심 비정렬이 생기면 모터나 엔코더에 축에 힘을 가하게 된다는 겁니다.

모든 물체는 복원력을 갖고 있습니다.

하지만, 벨로우즈는 이런 복원력이 낮습니다.

구부리는 빨대의 주름진 부분을 똑같이 벨로우즈라고 하는데, 이런 빨대를 예를 들면,

한번 원하는 각도로 구부린 빨대가 원래의 모습으로 돌아가지 않는 것처럼

다른 커플링과 비교해 벨로우즈 커플링은 낮은 복원력으로 장비에 무리가 덜가게 합니다.

이외에도 벨로우즈 커플링이 갖은 특징은 (벨로우즈만 유일하게 갖고있는 특징은 아니지만…) 

대칭적인 구조로 인해 발란스가 좋고, 무게가 가벼운 벨로우즈 덕분에



100,000 rpm 이상의 회전 속도를 가능하게 합니다.

기어 커플링, 슈미트 커플링, 유니버셜 조인트 등과 같은 것과 비교할 때,

유지/보수가 필요없는 영구적인 수명을 갖고요

비틀림에 강하니깐…

제로 백래쉬 (zero backlash)와 정밀한 각도 및 토크의 전달력

원하는데로 만들어서 갖다 붙이면 되니깐…

다양한 형태의 허브 제작 가능

이상 벨로우즈 커플링에 관한 포스팅이었습니다.

다음은 벨로우즈 커플링의 설치와 해체에 관한 포스팅을 쓸게요.

FAQ of Flexible Bellows Couplings

벨로즈 커플링이 알고 싶다

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?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.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.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.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?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.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.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?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.

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