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커플링 (기계)
커플링(coupling)은 동력을 전달할 목적으로 양끝에 2개의 샤프트(shaft)를 연결하기 위해 사용하는 장치이다. 커플링의 주된 목적은 어느 정도의 어긋남을 허용하면서도 두 회전기 부분을 결합시키는 것이다. 즉, 커플링은 접합부나 물체의 끝부분을 연결하는 기계적 장치라고 할 수 있다. 커플링은 보통 작동 중에 샤프트의 단절을 허용하지는 않지만 일부 토크 제한을 초과할 때 단절이 가능한 토크리미팅 커플링이 존재한다.
목차
개요
커플링(Coupling)은 2개의 다른 회전체(전동기 축/볼나사 등)을 연결하여 토크 전달을 목적으로 한 부품이다. 회전체 사이에서 발생하는 미스얼라이먼트(편감/편각/엔드플레이)를 흡수해서 장착 조정해 부하를 경감시키며, 예기치 못한 부하가 걸렸을 때에는 커플링을 파단하고 회전체 간 연결을 해제해 동력부나 장치 전체를 보호해준다.
커플링에는 토크를 전달하는 힘과 미스얼라이먼트의 허용이 요구되는데 (미스얼라이먼트는 커플링으로 연결되는 2축의 축심 오차를 뜻한다.) 미스얼라이먼트에는 편각, 편심, 엔드플레이가 있다. 2축의 미스얼라이먼트가 기재된 허용값 이하가 되도록 축의 얼라이먼트를 조정(센터링)해야 한다.
축과 축을 맞추려면 정확한 심 조정(얼라이먼트 조정)이 필요하지만 커플링에 유연성 및 굴곡성을 부여하면 미스얼라이먼트를 흡수할 수 있게 된다.
커플링의 구조
그림과 같이 일반적으로 커플링은 2개의 허브와 1개의 엘리먼트로 구성되어 있다. 허브 사이에 있는 엘리먼트의 종류에 따라서 커플링의 종류와 기능이 바뀌게 된다. 벨로우즈(Bellows)를 엘리먼트로 사용하는 커플링은 벨로우즈 커플링으로 불리고 기어(Gear)를 엘리먼트로 사용하는 커플링은 기어 커플링으로 불린다.
물론 그림과 같은 구조가 아닌 커플링도 있지만 일반적인 커플링의 구조이다. 거의 90%이상의 커플링이 그림과 같은 구성을 지니고 있다.
커플링의 기능
- 1. 회전 동력 전달
커플링의 가장 핵심적인 역할은 구동축(모터)의 동력과 모션을 종동축에 전달하는 것이다.
- 2. 미스 얼라인먼트 흡수 - 구동축과 종동축 사이의 비정렬
미스 얼라인먼트는 결국 구동축과 종동축 사이의 취부 오차를 뜻한다. 기계적 공차, 정밀도 및 작업자의 숙련도에 따라 필연적으로 발생하게 된다.
- 비정렬 : 편각, 편심, 엔드플레이를 보통 지칭한다. 이로 비롯되는 진동, 소음 및 기계요소적인 마찰은 과도한 부하를 유발한다. 커플링은 이런 비정렬을 흡수하는 역할을 한다. 단, 커플링 기종 별로 흡수할 수 있는 비정렬 수준이 다르니 각 규격 및 성능은 꼭 확인해야 한다.
- 3. 충격, 진동, 소음 흡수
장비의 구동 시 진동이나 충격이 가해질 경우가 있다. 이때 충격이 모터, 감속기 또는 볼스크루 등에 직접적으로 전달되면 기계 성능에 문제가 생기게 된다. 뿐만 아니라 상대적으로 고가의 부품들을 보수해야 하는 경우가 생기고 이들의 부품의 수명도 이론적 수명에 비해 현저히 떨어지게 된다. 커플링은 이런 충격 및 진동 등을 흡수하는 역할을 한다. 리지드 타입 커플링을 제외한 모든 기종에 이와 같은 기능이 있다. 다만, 상대적으로 커플링 중앙부에 완충 역할을 하는 플라스틱 부품이 있 는 기종들의 흡수능력이 뛰어나다.
- 4. 열 및 미세 전류 차단
이송을 위해 볼스크류를 사용하는 경우 모터를 장시간 가동하게 된다. 이때 다량의 열이 발생하게 되며, 때로는 미세 전류를 방출하기도 한다. 열이 종동축에 전달될 경우 부품의 열팽창을 일으켜 장비의 정밀도를 떨어트리는 경우가 있다. 커플링은 열과, 전기를 차단해 기계 성능을 보호하는 역할을 한다.
- 5. 장치의 성능 향상
커플링의 감쇠 기능은 기계요소적인 성능 향상에 큰 도움이 된다. 특히 방진고무 커플링의 경우는 탁월한 감쇠 기능으로 인해 서보모터의 Gain 값을 상대적으로 높일 수 있게 한다. 이는 안정화 시간을 단축시켜서 장비 효율을 높이는 역할을 한다.
샤프트 커플링
샤프트 커플링은 동력을 전달하기 위해 모터 등의 구동축과 종동축을 연결하는 기계 부품이다. 샤프트 커플 링은 일반적으로 모터, 펌프, 발전기 및 압축기와 같은 기계 기기에 사용된다.
- 샤프트 커플링의 작동 원리
결합 장치의 작동은 보통 일반인도 쉽게 이해할 수 있을 정도로 덜 복잡하다는 것을 알 수 있다. 샤프트 커플링의 주요 작업은 직경이 같거나 직경이 다른 두 개의 샤프트를 함께 연결하는 것이다.
모터는 구동측에서 동력을 전달하는 역할을 하고, 구동부에 있는 프로펠러를 말하는데 여기서, 커플링이 모터의 열을 구동측에 전달하지 않는다는 것을 아는 것이 중요하다. 유연한 커플링은 두 그룹으로 분리되어 하나는 금속으로 알려져 있고 다른 하나는 엘라스토머로 분리되어 있다. 금속 유형은 서로에 대해 구르거나 미끄러지는 것으로 발견되는 자유롭게 장착된 부품을 사용하는 데 책임이 있는 것으로 밝혀졌다. 이 외에 모든 움직이지 않는 부품은 정렬 불량을 해결하기 위해 구부러져 있다.
반면에, 엘라스토머 유형은 금속 허브 내에서 토크를 전달하는 역할을 하는 모든 움직이지 않는 탄성 또는 플라스틱 요소로부터 유연성을 얻는 역할을 한다. 커플링의 과정으로 두 축을 함께 연결하는 범위가 있다. 샤프트 지름이 달라도 제약이 없다. 중요한 것은 구동측의 프로펠러와 함께 구동측의 모터이다. 커플링 업소버는 전달되는 진동뿐만 아니라 충격을 흡수하는 역할을 한다. 이는 주변 구성 요소가 손상되지 않도록 보호하는 데 도움이 된다.
- 샤프트 커플링의 용도
샤프트 커플링은 아래에 설명된 다양한 용도를 가지고 있다.
- 모터와 제너레이터와 같이 별도로 제작되는 Unit의 축을 연결하기 위한 용도.
- 샤프트의 정렬이 잘못된 경우.
- 기계적 유연성을 제공한다.
- 충격 하중의 전달을 흡수한다.
- 과도한 하중으로부터 보호한다.
커를링의 종류
커플링에는 디스크형, 올댐형, 슬릿형, N형 커플링 등이 있다. 각 종류별 특징과 대표적인 타입은 하기 표와 같다.
사용 예
- 디스크형 : 볼나사 등 고속도 및 고정밀도가 요구되는 용도에 최적이다.
- 슬릿형 : 일체 구조이며, 백래시 제로로 스테핑 모터에서의 위치 결정에 최적이다.
- 올댐형 : 미스얼라이먼트의 허용범위가 크며 편심을 허용하지 않아 반발력이 발생하는 경우에 최적이다.
다양한 유형의 커플링
리지드 커플링
리지드 커플링은 서로 완벽하게 정렬된 것처럼 보이는 두 개의 샤프트가 있을 때마다 일반적으로 사용되는 커플링이다. 이 커플링은 근접 정렬에서만 적합하다. 예를 들어 머프 커플링, 분할 머프 커플링 및 플랜지 커플링은 강성 커플링의 잘 알려진 예이다.
슬리브 또는 머프 커플링
머프 또는 슬리브 커플 링은 일반적으로 주철로 구성되는 것으로 알려진 가장 단순한 유형의 강성 커플 링 중 하나이다.
- 슬리브 또는 머프 커플링의 구성
머프 커플링은 샤프트, 키, 슬리브 또는 머프로 구성된 것으로 확인되며, 이와 함께 샤프트와 동일한 치수의 내경을 갖는 중공 실린더가 있는 것으로 확인된다. 이러한 유형의 커플 링은 일반적으로 깁 헤드 키를 사용하여 수행되는 두 샤프트의 끝 부분에 고정되어 있다.
이러한 커플 링의 동력 전달은 키와 슬리브를 사용하여 한 샤프트를 사용하여 다른 샤프트로 수행된다. 토크를 전달하려면 모든 요소가 충분히 강해야 함을 아는 것이 매우 중요하다.
분할 머프 커플링
샤프트의 양쪽 끝은 샤프트의 키 홈에 끼워진 키를 사용하여 서로 연결되어 있다. 가장 일반적으로 머프의 한쪽 끝은 아래에서 고정되는 반면 다른 쪽 끝은 위에서 부착된 것처럼 보인다. 양쪽 끝은 볼트와 너트를 사용하여 함께 고정되어 있다.
이 커플링은 고장을 피하기 위해 상당히 책임이 있으며 고하중 속도에서도 널리 사용된다. 커플링을 조립하거나 분해하기 위해 샤프트의 위치를 변경할 필요가 없다.
클램프 또는 분할 머프 또는 압축 커플링
클램프 또는 스플릿 머프 또는 압축 커플 링은 일반적으로 스플릿 머프 커플링이라고도 한다. 이러한 유형의 커플 링에서 머프 또는 슬리브는 두 개의 반쪽으로 만들어진 다음 함께 볼트로 고정된다. 두 반쪽 모두 스터드 또는 볼트를 사용하여 함께 연결된 주철로 만들어진 것으로 밝혀졌다.
부시 핀형 커플링
Bushed Pin-type 커플링은 두 샤프트 중 하나의 약간의 평행 오정렬, 각도 오정렬 또는 모든 유형의 축 오정렬에 가장 일반적으로 사용되는 것으로 언급된다. 이 유형의 커플 링은 강성 플랜지 커플링의 수정된 버전으로 밝혀졌다. 이들은 일반적으로 핀으로 알려진 건설 볼트에서 유사하지 않은 두 개의 반쪽으로 구성되어 있으며, 핀 위에 사용되는 고무 부시이다.
커플링의 양쪽 반쪽 면 내에 약 5mm의 여유 공간이 있다. 압축 고무 또는 가죽 부시를 통해 드라이브가 수행되는지 여부에 관계없이 내부에 단단한 연결이 없다.
플랜지 커플링
플랜지 커플링은 일반적으로 두 개의 주철 플랜지로 구성된 커플링으로 각 샤프트의 끝 부분에 의무적으로 고정되어 있다. 두 개의 플랜지는 드라이브를 완성하기 위해 다른 볼트와 함께 볼트로 고정된다. 플랜지 커플링은 결합된 밀봉 방식으로 두 개의 튜브를 함께 연결하는 커플링이다.
플랜지 중 하나에는 돌출된 부분이 있는 반면 다른 플랜지에는 유사한 홈이 있다. 각 플랜지에는 끝을 함께 구입하여 통과하는 재료에 저항을 일으키지 않고 올바른 정렬을 수행할 수 있다.
올바른 정렬을 유지하기 위해 샤프트를 동일한 라인으로 가져오는 데 도움이 된다. 두 개의 플랜지는 볼트뿐만 아니라 너트를 사용하여 함께 결합되어 있다. 이 커플링은 일반적으로 배관 시스템에 압력을 가하기 위해 사용되는 것으로 확인된다. 또한 이러한 커플링은 고하중에서 사용되므로 큰 샤프트에 매우 유리하다.
기어 커플링
기어 커플링은 플랜지 커플링의 변형된 버전으로 이빨의 크기가 크기 때문에 높은 토크를 전달할 수 있다. 이러한 유형의 샤프트 커플 링에서는 플랜지와 허브가 플랜지 커플링으로 단일 부품 대신 개별적으로 함께 조립된다.
구성하는 동안 각 조인트는 외부 기어 쌍과 함께 1:1 기어 내부 비율을 갖는 것으로 나타났다. 그리고 기어 커플링은 2도 각도뿐만 아니라 평행으로 약 0.01-0.02인치의 각도 오정렬로 제한되는 것으로 밝혀졌다.
기어 커플링과 유니버셜 조인트는 유사한 용도로 사용된다. 이들은 토크 전달이 가장 높아야 하는 중부하 작업에 주로 사용되는 커플링이다.
플렉시블 커플링
플렉시블 커플링은 측면 및 각도 오정렬이 모두 있는 두 개의 샤프트를 연결하는 데 사용되는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어 부시 핀형 커플링, 유니버설 커플링, 올덤 커플링, 기어 커플링, 벨로우 커플링, 조 커플링, 다이어프램 커플링 등
유니버설 커플링
범용 커플링은 교차하는 작은 각도에서 교차하는 두 개의 샤프트 축이 있을 때마다 사용되는 Hooke의 커플링으로도 알려져 있다. 두 샤프트의 기울기는 상당히 일정하지만 실제로는 한 샤프트에서 다른 샤프트로 모션이 전달되면 기울기가 변경된다.
유니버설 조인트는 동력 전달에 널리 사용된다. 유니버설 커플링은 기어박스를 모든 유형의 자동차의 차동장치에 전달하는 것으로 발견되는 커플링이다. 이러한 유형의 경우 대부분 양쪽 유니버셜 조인트가 양쪽 끝에 사용되는 것으로 확인된다. 그 중 하나는 프로펠러 샤프트 끝에서 기어박스로 연결되고 다른 하나는 다른 쪽 끝의 차동 장치에 사용된다.
범용 커플링은 여러 드릴링 머신 및 기타 밀링 머신의 스핀들을 서로 다르게 하기 위해 동력을 전달하기 위한 목적으로 사용된다.
다이어프램 커플링
다이어프램 커플링은 고성능 터보 기계에 사용되는 가장 윤활되지 않은 커플링 중 하나로, 토크를 전달하고 장비 샤프트 내에서 정렬 불량을 제공한다.
이러한 유형의 커플링은 토크를 외부에서 내부 직경으로 전달한 다음 내부 직경에서 외부 직경으로 전달한다.
다이어프램 커플링은 유연한 부재의 유형에 대해 단일 또는 일련의 플레이트를 사용한다. 다이어프램 커플링은 각도, 축 방향 또는 평행 오정렬을 허용하는 것으로 밝혀졌다. 이 커플링은 더 높은 토크와 더 높은 속도가 필요한 곳에서 사용된다.
올덤 커플링
올덤 커플링은 2개의 샤프트가 사용되는 곳 어디에서나 사용되는 커플링을 지칭하며 측면 오정렬이 있는 것으로 확인된다. 중간 부분은 플로팅 부분뿐만 아니라 플랜지에 장착된 핀을 사용하여 고정된 것으로 확인되었다. 회전할 때 조정되는 샤프트의 측면 정렬 불량을 초래하는 두 가지 다른 속도 구성 요소가 있다.
벨로우 커플링
벨로우즈 커플링은 허브로 알려진 트윈 커플링 끝단과 함께 가장 유연한 커플링 중 하나인 것으로 알려져 있다. 이 커플링은 속도, 각도 위치 및 토크를 정확하게 전달하기 위해 비틀림 강성이 우수한 것으로 나타났다. 이들은 일반적으로 스테인리스 스틸로 구성되어 고정밀 위치 지정이 필요한 모든 곳에서 사용되는 커플링이다.
유체 커플링
유체 커플링은 유압 커플링이라고 하며, 유압유의 가속과 감속을 통해 회전하는 기계적 동력을 전달하기 위해 사용하는 유체역학적 장치이다. 구동축에 입력으로 있는 임펠러와 출력으로 구동축에 있는 러너로 구성되어 있다. 임펠러는 러너가 터빈 역할을 하는 펌프 역할을 한다.
축 근처에서 발견되는 임펠러에서 접선 성분은 더 낮은 것처럼 보이는 절대 속도 중 하나이다. 그것의 가까운 주변에서 접선 성분은 상당히 더 높은 것처럼 보이는 절대 속도인 것으로 밝혀졌고 따라서 임펠러가 가속하는 동안 유체 속도는 증가하는 것으로 나타났다.
속도가 증가할수록 운동 에너지도 증가한다. 유체는 또한 러너 블레이드를 때리고 에너지를 전달하고 러너를 낮은 속도로 떠나는 임펠러에서 더 높은 속도로 나돈다.
커플링 용어
- 허용토크 : 커플링이 연속으로 전달할 수 있는 토크이다. 사용할 부하 토크가 커플링의 허용 토크이하가 되도록 선정 방법에 따라 선정해주세요. 서보 모터용 커플링은 형식마다 권장하는 보정 계수를 설정하고 있다.
- 축 슬립 토크 : GCPW · GCPS/C–SCPW · C–SCPS를 선정할 경우, 체결한 축과 커플링이 공회전하여 미끄러져 버리는 토크이다. 축 슬립 토크가 허용 토크 이하인 경우는 사용할 부하 토크가 커플링의 축 슬립 토크 이하가 되도록 커플링 선정 방법에 따라 선정해 준다.
- 미스얼라이먼트 : 커플링으로 연결되는 2축의 축심 오차이다. 미스얼라이먼트에는 편각, 편심, 엔드 플레이가 있다. 2축의 미스얼라이먼트가 기재된 허용값 이하가 되도록 축의 얼라이먼트 조정(센터링)을 해 준다. ２개 이상의 미스얼라이먼트가 복합될 경우, 각각의 허용값은 1／2이다.
- 정적 뒤틀림 스프링 정수(뒤틀림 강성) : 커플링의 비틀림에 대한 강성ㅣ다. 커플링에 토크를 가한 때에 입력축과 출력축 회전 방향의 위상차를 의미한다. 카탈로그값은 커플링 전체의 뒤틀림 강성을 나타낸다. 이 값이 클수록 응답성이 높아 고정밀도로 회전 제어가 가능하다.
- 최고 회전수 : 사용 가능한 최대 회전수입니다. 동적 밸런스를 고려하고 있지 않으므로 고속 회전에서 사용할 때는 밸런스를 맞춰야 하는 경우가 있다.
- 관성 모멘트 : 커플링의 회전 관성의 크기로, 이 값이 클수록 회전 관성이 커진다.
- 백래시 : 커플링 각 부분의 회전 방향에 대한 틈새이다. 서보 모터 사용 시의 고정밀도 위치 결정이나 정회전, 역회전이 있는 용도에서는 백래시 제로인 디스크 형이나 슬릿형을 검토해 준다.
- 체결 토크 : 축에 커플링을 체결할 때의 볼트의 체결 토크이다. 토크 렌치를 사용해서 소정의 토크로 체결해준다.
- 온도 보정 계수 : 수지 스페이서를 사용한 올댐형이나 죠형 커플링은 사용 온도에 따라 허용 토크가 변동한다.
기타
기계전기 공학에서 회전하는 물체와 고정되는 물체(혹은 서로 회전하는 물체) 사이의 전기공급을 위한 기기. 가장 쉽게 볼 수 있는 장비는 포크레인의 회전축이라고 할 수 있다. 커프링, 카플링이라고 부르기도 하지만 발음상의 차이로 인하여 어느 쪽으로 발음해도 상관없다.
이외에도 파이프 연결용 커플링이 있다. 선급협회의 분류에 따르면 기계식 이음(mechanical joint) - 삽입 이음(slip-on joint)에 해당한다. 파이프와 파이프를 연결함에 있어 용접, 플랜지, 그루브조인트(홈조인트 groove joint), 유니온 이음 등을 대체할 수 있는 방법이다. 주로 스테인리스강의 케이싱과 볼트, 환봉으로 이루어진 잠금장치부, 고무 재질의 실링가스켓으로 이루어져 있다. 유체의 종류와 온도에 따라 EPDM, NBR, 실리콘, FKM 등 그에 맞는 가스켓을 선택할 수 있으므로 수도배관, 공조배관, 연료배관 등 다양한 배관에 사용이 가능하며, 사용할 수 있는 관의 종류도 강관, 주철관, 스테인리스강관, 동관, 플라스틱관, 콘크리트관, 알루미늄관, 유리섬유관 등 다양하다. 그루브조인트처럼 파이프 끝단에 홈을 가공할 필요가 없고, (토크)렌치만을 사용하여 체결이 가능하기에 작업이 간편하며, 화재나 폭발의 위험이 없다. 커플링을 변형한 누설 보수용 클램프("멀티조인트"라고도 불린다)도 있는데 누수, 누유 등의 누설을 보수(복구)하기 위해서 케이싱 및 가스켓이 개방되는 것이 커플링과의 차이점이다. 배관이 운용 중일 때에도 중단 없이 신속하게 보수할 수 있다. 배관 내부의 잔존가스를 제거할 필요없이 보수가 가능하며 렌치만 사용하므로 화재, 폭발의 위험이 없다. 국내 수도배관에 사용하는 경우, 수도법 제 14조 제1항 및 제3항에 따라 위생안전기준 KC인증과 적합인증 등의 인증을 모두 획득한 제품을 사용하여야 한다.
전자 회로 신호 필터의 일종
전자 회로에서의 커플링 타입은 DC 커플링과 AC 커플링 타입이 있는데, DC 커플링은 DC와 AC의 신호를 모두 포함하여 수집하는 필터를 말하는 반면 AC 커플링은 DC의 신호를 제거하고 입력된 신호의 AC 신호만을 입력받는 것을 말한다. 그중 AC 커플링 회로를 구현하기 위한 방법은 회로 입력단에 직렬로 커패시터를 달아 DC 입력 임피던스 성분을 무한대(open)로 만드는 것이다.[2] 결국 AC 커플링 회로를 설계하는 것은 HPF(High-Pass Filter)를 설계하는 것과 같다고 할 수 있다.
화학에서의 반응
유기화학, 무기화학에서 보이는 반응의 일종. 탄소간 결합을 이어주는데에 쓰이는 반응인 경우가 대부분이다. 유기화학의 전통적인 반응들과는 차별되는 특이한 성질들이 있으므로, 매우 관심을 받은 부분이기도 하다. 제일 유명한 경우를 말하자면, 노벨화학상/수상자에서 확인할 수 있는 팔라듐에 의한 C-C 커플링 반응(2010 스즈키 아키라, 헥, 네기시 에이이치)을 들 수 있다. 실험실에서 가장 유용하게 사용되는 커플링 반응은 스즈키 커플링이다. 환경 친화적이고, 공기중에서 안정한 반응물이고, 만들기도 쉽다는 점이 매력적이라고 한다.
금융시장에서의 동조현상
어느 한 금융시장의 시황이 다른 금융시장의 시황에 따라 움직인다면 두 시장은 서로 이어져 있고, 이 경우를 커플링이 되어 있다고 표현한다. 예를 들어 미국의 주식시장인 다우 존스 산업평균지수/나스닥/S&P 500 전일 시황의 결과에 따라 한국의 주식시장인 코스피/코스닥 지수가 변동하고 이것이 다시 미국의 세 주식시장의 지수변동에 영향을 준다면 미국과 한국의 주식시장은 커플링 시장이라고 할 수 있다. 반대말은 디커플링으로, 다른 시장의 동향과는 별로 관계없이 움직이는 금융시장의 상태를 지칭하는 표현이다.
동영상
참고자료
- 〈커플링 (부품)〉, 《위키백과》
- 〈커플링〉, 《나무위키》
- 기계쟁이입니다, 〈<기계> 커플링이란? / 커플링의 구조와 기능 및 종류 (Feat. 미스얼라이먼트) / 기계부품〉, 《티스토리》, 2020-05-19
- 한국미스미, 〈기계부품 커플링의 용도, 종류별 특징 및 용어〉, 《네이버 블로그》, 2019-09-02
- 메카럽, 〈샤프트 커플링: 정의, 유형, 용도, 작동 원리 및 장점〉, 《네이버 블로그》, 2022-09-09
같이 보기
