커플링 Q&A;

커플링에 관한 기술 용어 및 자주 묻는 기술 관련 질문을 안내해 드립니다. 그 외의 자주
묻는 질문은 이곳을 참조해 주십시오.
원하는 질문을 찾지 못하신 경우, 번거로우시겠지만 ‘문의 양식’을 통해 문의해 주시기 바랍니다.
 

A. 동력을 전달하기 위해 축과 축을 연결하는 커플링은 두 축의 상대적 위치나 장착 오차(편심, 편각, 축방향 변위)의 흡수 방식, 휨 재질의 유무 및 종류에 따라 분류됩니다. 고정
커플링: 장착 오차를 보정할 수는 없지만 가격이 저렴합니다. 반력이 커서 저속 회전에 적합합니다. 휨
커플링: 축간 장착 오차를 흡수할 수 있습니다.
휨 커플링 중에서도 기어, 체인, 금속 스프링, 고무 등이 있습니다. 당사에서는 주로 휨 축 연결 장치를 취급하고 있습니다.
또한 용도에 따라 종류를 달리해야 합니다. 예를 들어 구동기가 엔진인 경우에는 진동 흡수성이 좋은 고무나 플라스틱 제품이 사용되며, 서보 모터 등의 정밀 기계에서는 비틀림 강성이 높은 금속 제품이 사용됩니다.

→ 더 자세한 종류에 대해서는 「커플링의 종류와 특징」을 참조해 주십시오.
 

A. 커플링의 장착 오차는 크게 세 가지로 나뉩니다.
① 편심: 축과 축의 중심이 일치하지 않아, 축과 축의 중심선이 어긋난 상태입니다.
② 편각: 축과 축의 중심선이 일정한 각도를 이루며 어긋나(굽어) 있는 상태입니다.
③ 축방향 변위: 축과 축의 중심선은 일치하지만, 축 방향으로 이동하는 상태입니다.

A. 개별 물체가 가진 고유 진동수에, 외부에서 그 고유 진동수와 동일한 주파수로 진동을 가하면, 그 물체는 가해진 진동보다 훨씬 더 크게 진동합니다. 이 현상을 공명이라고 합니다.

즉 고유 진동수와 가진 주파수가 일치할 때 발생하며, 커플링의 공진 경우 회전 방향으로 진동이 발생하므로 비틀림 진동에 의한 공진이라고 합니다.
(모터는 회전 불균형이 적고 발생하는 비틀림 진동이 작기 때문에 공진 현상은 별다른 문제가 되지 않습니다. 스테핑 모터의 경우 가끔 공진 현상이 발생합니다)

고유 진동수는 그 물체가 가지고 있는 고유한 것으로 진동수는 변하지 않습니다. 그러나 가진 주파수는 엔진 회전수와 비례하여 변화합니다.

따라서 특정 회전수에서 고유 진동수와 가진 주파수가 겹치는 지점에서 공진이 일어나는 것입니다.
따라서 해당 물체의 고유 진동수를 아는 것도 중요하며, 당사의 엔진용 커플링 카탈로그에는 고유 진동수를 구하기 위한 간이 계산식이 수록되어 있습니다.
참고로 인간의 고유 진동수는 2~3Hz라고 알려져 있습니다. 공진
상태에서는 진동하는 진폭(흔들림 정도)이 증폭되어, 평소에는 상상할 수 없을 정도로 커집니다. 타이어
밸런스가 맞지 않은 차로 고속도로를 주행할 때, 특정 속도에서 진동이 커지다가 그 속도 이상으로 올라가면 진동이 작아지는 경험을 해보신 적이 없으신가요? 진동이 커지는 지점이 공진점이며, 이때의 속도가 공진 속도이자 공진 회전수입니다.

A. 먼저 코일 스프링을 사용한 탄성 계수를 생각해 봅시다. 천장에 코일 스프링을 매달았을 때, 아무런 추를 달지 않고 자연스럽게 늘어져 있는 상태를 A:m이라고 합시다. 이때 W:N의 하중(추)을 달아 매달면, 코일 스프링은 Bm이 되었습니다.

탄성 계수란, 어느 정도의 하중을 가했을 때 스프링이 얼마나 늘어나는지를 나타내는 단위입니다.
 

탄성 계수 = W N ÷ (Bm – A:m)

라는 공식으로 나타내며, 단위는 N/m입니다. 비틀림
스프링 계수란, 지금까지 직선으로 생각했던 것을 회전 방향으로 대체한 것입니다. 어떤 물체를 어떤 힘으로 회전 방향으로 비틀었을 때의 힘과 비틀림 각도의 관계를 비틀림 스프링 계수라고 합니다.

예를 들어, 어떤 커플링에 C Nm의 토크를 가했을 때, 커플링이 그 힘을 받아 D deg 비틀어졌을 때의 비틀림 스프링 계수는 비틀림 스프링 계수 =
C Nm / D deg로 나타내며, 단위는
Nm/deg가 됩니다.
 

당사 카탈로그에는 비틀림 스프링 상수의 단위가 몇 가지 기재되어 있습니다. 일반적으로
비틀림 스프링 상수의 단위로는 Nm/rad가 사용됩니다. rad(라디안)은 각도를 나타내는 단위로, 1rad = 180/π deg = 57.3deg입니다.

커플링의 경우 일반적으로 고무 커플링처럼 회전 방향에 대해 유연한 것은 비틀림 스프링 상수가 낮고, 금속 판 스프링 커플링처럼 회전 방향에 대해 단단한 것은 비틀림 스프링 상수가 높습니다.

A. 예를 들어, 탁구공과 탁구공과 같은 크기의 철구를 어느
속도까지 굴리는 경우를 생각해 봅시다. 탁구공은 가벼운 힘으로도 굴러가기 시작하지만, 철구를 움직이려면 탁구공보다 더 큰 힘이 필요합니다.
반대로 어느 속도로 굴러가고 있는 탁구공과 철구 중에서는 자연스럽게 멈출 때까지 철구가 훨씬 더 많은 시간과 거리가 필요합니다. 이를 억지로 멈추게 하려고 하면 철구 쪽에 더 많은 힘이 필요합니다.
이처럼 물체를 어느 속도까지 움직일 때의 움직이기 쉬움, 물체를 어느 속도에서 멈추게 하려고 할 때 얼마나 힘이 남아 있는지를 관성이라고 부릅니다.

관성 모멘트는 물체를 회전시켰을 때 발생하는 관성으로, 회전하기 쉬움, 멈추기 쉬움, 회전 중 힘의 가하는 방법 등을 파악하는 중요한 단위입니다. 관성 모멘트는 회전체의 중심에서 어떤 형태로 회전하는지에 따라 계산식이 달라집니다.
단위는 ‘Kg·m²’로 표기합니다.

왜 관성 모멘트를 알아야 하느냐 하면, 예를 들어 당사의 SFS(금속판 스프링 커플링) 등은 서보 모터에 사용될 때 그 위치 결정 정밀도를 높여줍니다. 그러나 관성 모멘트가 커지면 기동 및 정지 시의 반응이 나빠져 위치 결정 정밀도에 영향을 미치게 됩니다.

→ 관성 모멘트의 계산식은 ‘관성 모멘트 J 계산식 목록’을 참조하십시오.
→ 관성 모멘트를 알고 싶으신 경우 ‘관성 모멘트 J 일람표’를 참조하십시오.

당사에서는 두 가지 방식이 있습니다. 하나는 기준이 되는 토크(상용 토크)를 결정하고, 그 약 2배의 토크를 최대 토크로 설정하며, 최대 토크는 하루에 수십 회 정도 사용한다는 것을 전제로 하는 방식입니다.
다른 하나는 금속판 스프링 커플링처럼 허용 가능한 최대 토크를 정하고, 그 이하의 토크로 사용한다는 것을 전제로 하는 방식입니다.

이러한 차이는 커플링의 구조와 종류에 따라 구분하여 적용하고 있습니다. 일반적으로 금속판 스프링 커플링은 허용 토크라는 표기를 채택하고 있습니다.
금속판 스프링은 서보 모터와의 결합이 많은데, 서보 모터는常用 토크에 비해 약 3배 이상의 최대 토크가 발생합니다. 또한
빈번한 기동 및 정지가 발생하므로 커플링은 이러한 최대 토크를 허용할 수 있어야 합니다. 따라서 커플링의
허용 토크를 기준으로 선정하면 됩니다.

반면, 범용 모터나 엔진의 경우 일반적으로 상용 토크로 사용되며, 하루에 수십 회 정도의 기동 및 정지 시 최대 토크가 가해지는 정도입니다.
이러한 사용 방식을 전제로 커플링의 전달 토크를 표현하면 상용 토크, 최대 토크와 같은 표시가 됩니다.

어느 경우든 커플링의 최대 토크 및 허용 토크를 초과하여 사용할 수는 없습니다.

JIS에서는 밸런스를 “균형 상태”로 규정하고 있습니다. (→균형 상태에 대한 자세한 자료는 여기)

① 회전체의 균형이란, 회전체(커플링 등)가 회전할 때 발생하는 질량 분포의 불균형을 말합니다. 예를 들어, 팽이 끝에 추를 달아 돌리면, 그 추의 질량만큼의 불균형이 팽이에 발생합니다.
반대로, 그 질량의 불균형분을 불균형량이라고 부르며, 최종적으로는 질량으로 표현합니다.

② 불균형량이 큰 경우, 일반적으로 밸런스가 나쁘다고 말하지만, 이러한 상태에서 회전시키면 진동이 발생합니다.
또한, 이 진동의 크기는 불균형량의 크기와 회전수의 차이에 따라서도 달라집니다. 불균형량이 클 때 회전수를 높이면 진동은 커집니다. 반대로
불균형량이 작고 회전수가 적은 경우에는 진동은 작아집니다.

③회전체가 가지고 있는 불균형량을 수정하여 작게 만드는 것을, 일반적으로는 밸런스 조정이라고 하며, JIS에서는 ‘균형 맞추기’라고 부릅니다.
균형 맞추기에는 회전체의 불균형량을 한 곳에서 수정하는 1면 균형 맞추기와, 두 곳에서 수정하는 2면 균형 맞추기가 있습니다.

④JIS에서는 균형 조정 규격을 G□□로 표기하며, 이를 균형 등급이라고 부릅니다. 예를
들어 G6.3, G100, G4000과 같이 G 뒤의 숫자에 폭이 있습니다. 이
숫자가 등급을 나타내며, 숫자가 작을수록 균형이 좋다고 여겨지며, 균형 등급이 높다고 간주됩니다.
등급이 높을수록 정밀 기계의 회전체에 사용됩니다.당사에서 취급하는 커플링의 균형 조정은 G2.5~G16 사이의 등급으로 균형 조정을 실시하고 있습니다.

⑤ 밸런싱은 불균형량에 해당하는 질량을 제거하면서 진행합니다. 균형 등급에 맞는 불균형량의 질량은 계산을 통해 구합니다.
균형 등급이 높을수록 제거해야 할 불균형량에 해당하는 질량이 작아지므로, 밸런싱 작업에 시간이 더 소요됩니다.
또한, 밸런싱 기계로 수정한 커플링을 한 번 분리했다가 다시 장착한 후 측정하면 불균형량이 달라질 수 있습니다. 이는 커플링의 장착 및 중심
맞추기 정밀도에 따라 달라집니다. 이를 밸런스의 재현성이라고 합니다.

사용 온도 범위는 커플링의 재질이나 사양에 따라 다릅니다. 예를
들어, 당사의 고무 커플링에 사용되는 천연 고무는 -40℃의 저온에서는 유리화되고, 120℃의 고온에서는 표면이 경화되어 주름이나 균열이 생기기 쉽습니다. 따라서 고무 커플링의 사용 온도 범위는 -30℃~95℃로 설정되어 있습니다.

마찬가지로 알루미늄이나 스테인리스를 사용한 커플링은 고온에서 열팽창이 발생할 수 있으므로, 안전을 고려하여 최고 120℃로 제한하고 있습니다.
조건에 따라 사용 온도 범위 밖에서도 사용이 가능한 경우가 있지만, 수명이 단축되는 등 본래의 사양을 충족하지 못할 우려가 있습니다.

→ 커플링별 자세한 사용 온도에 대해서는 각 제품 페이지에서 카탈로그를 다운로드하거나, ‘무료 카탈로그 요청’을 통해 카탈로그를 요청해 주십시오.

있습니다. 탄성
커플링의 경우, 그 장착 오차는 휨 재료(고무, 플라스틱, 금속)의 변형에 의해 흡수되지만, 휨 재료의 변형으로 인해 베어링 등에 반력이 발생합니다. 즉
, 모터에서 발생한 동력은 커플링 부분에 의한 베어링으로의 반력으로 인해 다소 손실되는 것입니다.
따라서 동력을 다소 잃게 되므로, 전달 효율은 저하됩니다.
이상과 같이 전달 효율을 고려할 때, 설치 오차가 작을수록 전달 효율은 좋아지며, 설치 오차로 인한 베어링에 가해지는 반력이 작을수록 전달 효율은 좋아집니다.

각속도 변화란, 구동 측이 등속 회전(일정한 회전)하고 있음에도 불구하고, 커플링을 통해 전달되는 과정에서 발생하는 출력 측 회전 속도의 미세한 불규칙성을 말합니다. 일반적인
커플링의 경우, 어느 정도의 설치 오차가 존재하면 전달 측에 다소간 각속도 변화가 발생합니다. 그러나
1° 미만의 편각에서는 각속도 변화율이 1% 정도에 불과하므로 큰 문제가 되지 않습니다.
(등속성이 요구되는 특수 장치는 예외입니다.)

편심량과 편각량을 0에 가깝게 함으로써 각속도 변화를 억제할 수 있습니다. 특히
서보플렉스 커플링의 더블 엘리먼트 모델은 장착 오차에 따른 각속도 변화가 적어 각도 검출기 용도로 가장 적합합니다. 장착
오차가 크면서도 등속성이 요구되는 경우에는 등속 조인트 등을 권장합니다.

일반적으로 고무나 수지 계열의 커플링은 절연 효과가 있습니다.
다만, 절연성에도 등급이 있어 무턱대고 절연성이 있다고 단정할 수는 없습니다.
재료나 형상에 따라 고무 및 수지 커플링 중에서도 절연성이 낮은 제품이 있으므로 확인이 필요합니다. 예를
들어, 당사의 CF-X(수지 커플링)의 절연성은 ∞Ω인 반면, CF-A(고무 커플링)는 0.04~0.3×10^6Ω입니다.일반적으로 10^14Ω이면 절연성이 있다고 알려져 있습니다.

기본적으로 클린룸에서 사용하는 조건으로는 재료의 마찰로 인해 발생하는 미세 분진이나 유분, 그리고 녹이 생기지 않아야 한다는 점이 꼽힙니다.
다만, 클린룸의 조건에 따라 어느 정도의 미세 분진 수준은 허용되기도 합니다. 커플링과 같은
동력 전달 관련 장비는 부품의 집합체이므로, 반드시 마찰로 인해 닳는 부분이나 응력을 받는 부분이 존재합니다.

또한 알루미늄이나 스테인리스 재질은 표면에 녹이나 부식이 잘 생기지 않지만, 일반 철을 사용한 재료 중 표면 처리를 하지 않은 것은 녹이 발생하며, 그러한 부분에서 반드시 미세한 재료 마모 분진이나 녹 가루 등이 발생합니다. 수준
차이는 있지만, 클린룸에서 사용하는 다른 기계와 유사한 상태라고 가정할 경우, 스테인리스제나 특수 표면 처리를 한 커플링을 권장합니다. 자세한
내용은 문의해 주십시오.

최소 구멍 직경이란, 마무리 가공을 거친 구멍 직경을 말합니다. 따라서 바로 사용할 수 있는 구멍 직경의 최소값입니다.
또한, 예비 구멍이란 구멍 직경을 마무리하기 전 단계로, 중심을 맞춘 후 드릴 가공을 수행한 구멍 직경을 말합니다. 구멍
직경을 마무리하는 데 가공이 용이하기 때문에, 일반적으로 예비 구멍을 뚫어 둡니다.

첫째는 재료 강도에 따라 결정됩니다.
커플링에서 가장 약한 부분의 재료 강도를 바탕으로 허용 가능한 원주 속도를 구하고, 커플링 재료의 직경과 허용되는 원주 속도를 바탕으로 최대 회전수를 결정합니다.

또 다른 요인은 밸런스 문제입니다. 일반적으로 최고 회전수는 밸런스를 고려하지 않습니다. 따라서
고속으로 사용될 경우 밸런스 문제를 별도로 검토해야 하며, 이러한 한계를 바탕으로 최고 회전수를 설정하는 경우도 있습니다.

물리학에서는 이를 모멘트라고 표현합니다. 토크란 어떤 회전체를 돌리려는 힘을 말하며, 힘과 회전 중심으로부터의 거리의 곱으로 나타냅니다. 반지름
1m인 팽이를 팽이 외곽의 접선 방향으로 1N의 힘으로 돌리려고 할 때의 토크는
‘1m × 1N = 1Nm’이 됩니다.
토크의 단위는 Nm로 표기합니다.

볼트의 조임 토크가 규정 토크에 미치지 못하면 볼트가 본래의 기능을 발휘할 수 없습니다. 또한 볼트가 풀릴 우려도 있습니다. 그 결과 볼트에 전단력이 가해져, 결국 볼트가 파손됩니다.

반대로 볼트를 규정 토크보다 강하게 조이면 볼트에 과도한 응력이 가해져 파손되거나, 볼트 접촉면의 재료가 좌굴하여 축력이 저하됨으로써 볼트가 파손되기도 합니다.

이처럼 볼트를 규정된 조임 토크로 조이지 않으면 커플링의 정상적인 성능을 발휘하지 못할 수 있으며, 최악의 경우 제품이 파손될 수도 있습니다.

과도한 장착 오차, 과도한 토크, 과도한 토크 변동, 사용 환경 온도 범위 외에서의 사용 등이 있습니다. 이러한
조건에서는 커플링이 정상적인 성능을 발휘하지 못할 수 있습니다. 일반적으로
커플링의 수명이 단축됩니다. 또한 최악의 경우 제품이 파손될 수도 있습니다.

커플링과 축을 결합하는 방법에는 다음과 같은 것이 있습니다.

종류	사진	특징
키 체결		키를 이용한 결합으로, 커플링 구멍과 축에 각각 키 홈을 만들어 키를 삽입함으로써 토크를 전달하는 방식입니다. 이때 세트 나사로 조이면 축이 커플링 구멍의 측면에 밀착되어 토크 전달 효율이 높아집니다. 키 결합은 키 홈과 키 사이, 구멍과 축 사이에 틈이 생겨, 부하에 따라 이 틈에서 흔들림이 발생하여 백래시가 생길 수 있습니다.
세트 나사(세트 비스) 에 의한 체결		키를 설치하지 않고 세트 나사의 조임만으로 구멍과 축을 결합시키는 방법입니다. 세트 나사의 축력이 전달 토크의 크기에 영향을 미칩니다. 일반적으로 세트 나사를 이용한 결합은 충분한 토크를 얻을 수 없으므로, 축에 평면을 가공하여 전달 토크를 확보하도록 설계합니다. 토크가 작거나 구멍 직경이 작은 커플링(최대 φ20 정도)에 사용됩니다.
싱글 클램프를 이용한 체결		・정역전 서보 용도에 적합. ・설치가 간편. 축 직경은 35mm 이하인 경우가 많습니다.
더블 클램프를 이용한 체결		・축 유지력은 싱글 클램프보다 높습니다. ・축 심이 잘 드러나 미세 조정이 가능하며(일체형) 고정밀입니다. ・축 직경 40mm 정도까지
쐐기 체결 (테이퍼 체결)		・축 유지력은 더블 클램프보다 훨씬 높음. ・조임 볼트 수가 많으며, 축 방향 공간이 필요함. ・2만 회전 이상의 고속 대응 가능.

백래시는 커플링이 갖는 기계적인 유격입니다. 기계 부품을 조합하면 키나 축의 결합부, 또는 부품 간의 틈새에서 회전 방향으로 유격이 발생할 수 있습니다. 이를
백래시라고 합니다. 예를 들어 정회전에서 역회전으로 회전 방향을 전환했을 때, 특정 각도 범위 내에서 토크가 전달되지 않는 부분을 말합니다. 회전 및 위치 결정 정밀도가 요구되는 서보 모터 등에 사용되는 커플링에는 백래시가 적합하지 않습니다.
비틀림 지연은 백래시와 엄밀히 말해 다릅니다.
비틀림 지연은 특히 비틀림 강성이 낮은 커플링에서 두드러지게 나타납니다. 예를
들어, 고무 커플링 등은 토크가 가해진 후 토크를 전달할 수 있는 상태가 될 때까지 고무가 회전 방향으로 압축됩니다. 구동 측이 회전을 시작하면 고무는 토크가 전달될 수 있는 상태까지 압축되고, 그 후에야 피구동 측이 회전을 시작합니다.
구동 측이 회전을 시작한 초기 상태에서 부하를 받아, 피구동 측이 회전을 시작하는 상태로 전환되기까지의 과정을 비틀림 지연이라고 합니다.
백래시든 비틀림 지연이든 커플링에 위치 결정 정밀도가 요구되는 경우에는 사용할 수 없습니다. 다만
비틀림 지연은 반대로 그 특성상 회전 시의 변동 토크나 진동을 흡수하므로, 위치 결정 정밀도와 관계없는 엔진 등에 사용하는 커플링에 활용됩니다.

JIS 규격에서는 구멍과 축, 키와 키 홈 등의 맞물림에 대해 규정하고 있습니다.
(→맞물림 공차 일람표)

맞물림이란, 구멍과 축을 조합하기 전의 치수 차이로 인해 발생하는 관계를 말합니다.
맞물림에는 등급이 있으며, 기호 IT에 등급을 나타내는 숫자를 붙여 표기합니다. 그
등급에 따라 맞물림의 틈새가 결정됩니다.
크게 나누어 끼움에는 틈새 끼움, 중간 끼움, 꽉 끼움이 있습니다. 중간
끼움이나 꽉 끼움은 조립할 때 압입하거나 두드려 넣어야 하므로, 미키 풀리의 커플링의 경우 틈새 끼움으로 사용해 주시기를 부탁드립니다.

우리가 평소에 사용하는 평행 키의 경우, 현재의 JIS(신 JIS) 규격에서는 키의 치수를 규정하고, 이에 대응하여 키 홈의 치수를 2종류로 나누어 규정하고 있습니다. 이
공차는 P9(정급), Js9(병급)입니다.

그러나 미키 풀리의 표준 구멍 가공 규격에서는 H9급으로 가공하고 있습니다. P9급, Js9급 모두 키와 키 홈이 조임 끼움, 중간 끼움이 되기 때문에 권장하지 않습니다.
H9급은 틈새 끼움으로 조립하기 쉽고, 성능상 문제가 없기 때문입니다.
JIS 규격은 1976년에 키 규격이 변경되었습니다. 그 이전의 규격을 구 JIS 규격, 그 이후의 규격을 신 JIS 규격이라 부르며 구분하고 있습니다. 구
JIS 규격에는 1종, 2종이 있으며, 미키 풀리의 표준 구멍 가공 규격에서는 공차가 큰 2종을 채택하고 있습니다. 이
키 홈 폭이 E9급입니다. 이는 틈새 결합이므로 사용상 문제가 없습니다.

또한 신규격 모터 대응 규격이 신 JIS, 구 JIS 외에 규정되어 있습니다.
이는 새로운 규격으로 제작된 모터의 키 치수가 JIS 규격과는 다소 다른 것입니다. 신
JIS, 구 JIS, 신규격 모터 대응 규격은 구멍 직경에 대한 키 폭, 공차 등이 다르므로 혼동하지 않도록 확인이 필요합니다.

→ 미키 풀리 커플링 표준 구멍 가공 규격

결합 방식이나 재질 등에 따라 결과는 달라지지만, 일반적으로 안전 계수를 고려하여 설계되므로, 장착 오차의 크기에 따라 다르긴 하지만 즉시 파손되지는 않습니다. 그러나 수명은 단축되며, 구성 부품이 파손되어 회전하는 부품이 파편으로 흩어질 가능성이 있어 매우 위험합니다. 따라서 최대 장착 오차 이상으로 사용해서는 안 됩니다.