동력전달 방식과 축이음

1. 개요

• 축이음: 축과 축을 연결하는 기계요소(커플링, 클러치)
• 커플링: 운전 중에 결합을 끊을 수 없는 영구 축이음, 장착 후에는 분해하지 않는 한 분리 불가능
• 클러치: 운전 중 필요에 따라 결합을 끊을 수 있는 탈착 가능 축이음

2. 직접 동력전달 장치

• 직접 동력전달장치: 회전차가 직접 맞물려서 회전하여 동력을 전달하는 기계요소
• 종류: 기어, 마찰차, 축이음(커플링 및 클러치), 유니버설 조인트 등

(1) 기어

• 맞물려 회전하는 두개의 치차는 기어 이에 의해 확실한 동력전달이 가능하다
• 강력한 동력의 전달이 확실하다
• 기어 잇수의 조합에 따라 가속 및 감속이 가능하다.
• 소음이 발생한다.

(2) 마찰차

• 운전이 정숙
• 전동의 단속에 무리가 없음
• 무단변속이 용이
• 일정 속도비를 얻을 수 있음
• 과부하 시 미끄럼에 의한 기타 부분의 손상 방지

(3) 축이음

커플링

• 원통 커플링: 실린더 모양의 원통을 양 축과 고정하여 동력을 전달하는 이음
• 플랜지 커플링: 플랜지 모양의 커플링을 양축과 고정하여 동력을 전달하는 이음
• 기어 이음: 기어 백래쉬를 이용하여 클러치 이음에 신축성을 추가한 클러치 이음
• 체인 이음: 롤러체인과 한 쌍의 스프래킷 휠의 연결로 토크를 전달한다, 롤러 체인과 스프래킷의 맞물림 틈새에 의해 허용 신축량을 결정한다.
• 타이어 이음: 타이어 또는 타이어 형상의 고무 완충제와 함께 체결이 되어 동력전달이 부드럽고 수명이 길다. 설치 및 분해가 간단하고 보존이 용이하다. 전기 절연이 완벽하다.
• 플렉스블 커플링: 축선이 다소 불일치하는 경우에 사용된다. 스프링 또는 고무 완충제와 함께 체결되어 온도 변화에 인한 신축, 변형에 자유롭고, 두축 사이의 약간의 상호 이동이 허용된다.
• 올덤 커플링: 평행한 두축의 각속도 변화 없이 동력전달이 가능하다.
• 유니버셜 커플링: 두축이 교차하고 운전 중 각도가 변화여도 동력전달이 가능하다.
• 유체 커플링: 액체(광물유)에 의해 동력을 전달하거나, 차단하므로 출발이 부드럽고 유연하며, 기계적 접촉부가 없으므로 눌어붙음 및 마모가 없고, 고장이 없으며 내구성이 크다.

클러치

• 물림 클러치: Jaw로 맞물려서 동력을 전달한다. 저속, 중하중으로 사용된다.
• 마찰 클러치: 마찰면의 마찰력에 의한 동력을 전달한다. 고속 회전용으로 사용된다.
• 원심 클러치(토크 컨버터):

개요

• 펌프 날개차(입력축), 터빈 날개차(출력축), 스테이터(외부 케이싱에 고정)으로 구성되어 있다.
• 입력축이 회전하면 펌프로 송출된 작동유가 터빈을 지나 출력축을 회전시키고 안내 깃을 지나 펌프로 복귀하며, 안내 깃은 토크를 받아 일정량만큼 입력축과 출력축의 토크차를 발생시켜 무단계 토크 변환이 가능하다.
• 엔진의 회전 속도가 낮을 때는 동력을 전달하지 않고, 회전 속도가 높아지면 동력이 전달되는 특성을 가진다.
• 유압 조작의 다판 클러치와 함께 사용된다.

장점

• 무단계 연속토크변환 성능이 상당히 광범위하여, 작업 능률이 향상되고 고효율이다.
• 조작이 간편하고 원격제어가 용이하다.
• 유체가 충격하중을 흡수하여, 원동기의 시동이 용이하고, 출발이 유연하며, 기계 수명이 연장된다.

단점

• 에너지 손실로 효율이 60~80% 정도로 낮고 연료비가 증가한다.
• 정속도 운전이 곤란하다.
• 고가이다

유니버설 조인트

• 축이음(커플링)의 일종. 두 축이 비교적 떨어진 위치에 있는 경우나 두 축의 각도(편각)가 큰 경우에 이 두 축을 연결하기 위하여 사용되는 축이음(커플링)의 일종이다. 자동차의 프로펠러 샤프트나 드라이브 샤프트 등의 연결부, 자동차의 스터어링 기구 등에 쓰인다.

3. 간접 동력전달장치

• 회전차가 전달 매개체에 의해 회전하여 동력을 전달하는 기계요소 (벨트, 체인, 와이어로프 전동 등)

(1) 벨트 전동: 두개의 활차로 직물, 가죽등의 벨트에 의해 동력을 전달하는 요소이다.

• 평벨트: 단면이 평형인 벨트와 풀리의 접촉면의 마찰력에 의해 동력을 전달하는 벨트 장치이다. 두 축간의 거리가 비교적 멀 때 사용이 가능하다. 진동 및 소음 완화 효과가 있으며 운전이 정숙하다. 고속 운저과 대동력전달에는 적합하지 않다. 미끄럼 손실이 발생하므로 정확한 회전비를 필요로 할때는 적합하지 않다.
• V- 벨트: 단면이 사다리꼴 무한궤도인 V형 벨트를 V홈의 풀리에 걸어 감아서 쐐기작용에 의한 마찰력으로 동력전달, 접촉각이 작아도 되며, 축간거리가 짧고 속도비가 큰 경우 유리(1: 7~10), 비교적 적은 동력으로 큰 동력전달이 가능, 축간거리가 짧아 설치 공간이 절약, 베어링에 작용하는 하중이 적고, 운전이 정숙하며 충격 완화작용을 한다. 사용중 길이가 변하므로 장력 조정이 필요하다. V-벨트 교체시 한조를 동시에 교체해야한다.
• 타이밍 벨트: 기어와 같이 이를 가진 풀리와 벨트에 이홈과 맞물려 돌아갈수 있는 돌기가 구성되어 이의 맞물림에 의해 동력을 전달하는 벨트 전동장치. 회전비가 일정하고 동력전달이 확실하다. 소형 정밀 장치에 주로 이용된다.

 

(2) 체인 전동: 보통 축간거리 4m 이하에서 사용, 속도비는 일반적으로 1:8 정도

• 장점: 미끄럼이 없고, 속도비가 일정하며, 축간거리가 자유롭다. 초기장력이 필요 없고, 정지 시 장력이 작용하지 않으며 베어링에 하중이 작용하지 않는다. 내열, 내유, 내습성이 강하다. 대동력전달이 가능하고 효율은 95~98%로 높다. 유지 보수가 용의하다. 탄성에 의해 충격하중 흡수가 가능하다.
• 단점: 진동 및 소음이 심하다. 기어에 비해 수명이 짧다. 최대 속도가 V-벨트, 기어보다 작고 제한을 받는다. 급격한 속도 변화 및 부하변동에는 사용이 곤란하다.

(3) 와이어 로프 전동: 로프는 보통 1개의 심강 주위에 6본의 스트랜드를 일정 피치로 꼬아서 만든 것이다.

• 장점: 큰 동력전달에는 평벨트나 V벨트보다 유리하다. 장거리 동력전달이 가능하다. 원동 풀리 하나에 다수의 종동 풀리 사용이 가능하다. 벨트에 비해 미끄럼이 적다. 고속 운전에 적합하다. 전동 경로가 직선이 아닌 경우에도 사용이 가능하다. 인장강도와 유연성이 크다.
• 단점: 장치가 복잡하다. 조정이 어렵고 절단시 수리가 곤란하다. 미끄럼은 적으나 동력전달이 불확실하다. 신장이 비교적 크다. 단면의 모양이 변한다.
• 설계상 주의사항: 안전성이 특히 중요한 경우에는 병렬식으로 감아서 전동 할 수 있다. 로프 풀리 홈 밑바닥이 평탄하거나 과도하게 둥근 경우 로프 수명이 저하된다. 권상로프의 하중과 균형을 잡기 위해 균형 로프의 사용이 권장된다. 가역성이 큰 와이어로프는 내마모성이 약하다. 시브 휠 지름이 너무 작으면 로프가 상하므로 로프 직경의 30배 이상으로 한다.

 

4. 축이음 설계시 고려사항

 

1) 개요.

축을 설계하려면  주어진 운전조건과 하중조건 상태에서 파손하지 않게 하기 위한 충분한 강도를 갖게 할것, 휨과 비틀림이 어느한도 내에 있도록 필요한 강도를 갖게 할것, 위험속도로 부터 20% 이상 떨어진 상태에서 사용 할 수 있는 조건 요구

2) 고려인자

• 강도: 축은 정하중, 동하중, 충격하중 등 하중의 종류에 따라 충분한 강도로 설계,  특히 키홈, 원주홈 등 응력 집중부를 고려하여 설계, 그리고 축은 굽힘과 비틀림을 동시에 받는데 양쪽을 고려하여 축경을 구한다.
• 강성도: 동력을 전달할때 강성이 부족하면 어느 한도 이상으로 비틀림과대 이는 진동의 원인이 됨.
• 위험속도: 회전체에서 회전자가 공진주파수와 일치하는 속도로 회전하면 공진현상이 유발되어 위험한 상태가 되는데 이 회전 속도를 위험 속도라함
• 열응력: 고온상태에서 장시간 사용되는 축에 있어서 열응력, 열팽창 등에 주의하여 설계하여야 한다.
• 부식: 펌프 축과 같이 항상 액체 중에 접촉하고 있는 축은 전기적 또는 화학적 부식이 있으므로 축 설계시 고려
• 열팽창: 고온에서 운전되는 가스터빈등의 축은 온도 상승으로 축의 길이가 변화하고 베이링 하중이 증가
• 변형: 휨변형과 비틀림 변형 고려하여 축 설계

 

(1) 커플링

• 센터의 맞춤이 완전할것
• 회전 균형이 완전할것
• 설치 분해가 용이할 것
• 진동에 이완되지 않을 것
• 트크 전달에 충분한 강도를 가질 것
• 회전부 돌기물이 없을 것
• 신뢰성이 높을 것

(2) 클러치

• 마모 발생 시 수정이 용이할 것
• 관성력을 적게 하기 위해 소형, 경량일것
• 마찰계수가 적당하고 마찰면의 열 발산이 우수하여 열에 의한 변형이 없을 것
• 원활한 단속이 가능할것
• 회전력의 균형상태가 좋을 것