비효율적인 동력 전달은 수많은 기계를 괴롭히고, 에너지 손실, 정렬 불량, 조기 고장으로 이어집니다. 스플라인 샤프트는 안전하고 높은 토크 연결을 가능하게 하여 이 만연한 문제에 대한 해결책을 제공합니다.
이 포괄적인 가이드에서는 스플라인 샤프트의 세계를 깊이 파고들어 다양한 유형, 프로필 및 작동 원리를 살펴봅니다.
스플라인 샤프트란 무엇인가
스플라인 샤프트는 동력 전달 시스템에서 두 부품 사이의 토크를 전달하는 데 사용되는 기계 부품입니다. 스플라인 샤프트는 기어 허브나 커플링과 같은 맞물리는 부품의 해당 홈과 맞물리는 스플라인이라고 하는 등간격의 톱니 또는 융기부를 가지고 있습니다. 이러한 스플라인 연결은 효율적인 토크 전달과 정밀한 정렬을 가능하게 하며, 필요 시 축 방향 이동도 가능하게 합니다.
스플라인 샤프트의 종류
내부 스플라인
내부 스플라인(암컷 스플라인이라고도 함)은 기어 허브와 같은 원통형 구성 요소의 내부 직경에 홈이 파여 있습니다. 결합 샤프트에는 이러한 홈에 맞는 해당 외부 스플라인 섹션이 있습니다. 내부 스플라인은 외부 스플라인에 비해 더 컴팩트한 설계가 가능하므로 공간이 제한될 때 일반적으로 사용됩니다.
외부 스플라인
외부 스플라인 또는 수컷 스플라인은 샤프트의 외경에 능선이나 이빨이 있습니다. 기어 허브나 커플링과 같은 결합 구성 요소에는 외부 스플라인과 맞물리는 해당 내부 홈이 있습니다. 외부 스플라인은 제조가 쉽고 더 높은 토크 부하를 전달할 수 있기 때문에 내부 스플라인보다 더 널리 사용됩니다.
일반적인 스플라인 프로필
스플라인 프로파일은 샤프트의 스플라인 모양과 기하학을 나타냅니다.
인벌류트 스플라인
인벌류트 스플라인은 업계에서 가장 널리 사용되는 스플라인 프로파일입니다. 이는 기어 이빨에서 발견되는 것과 유사한 인벌류트 곡선 프로파일을 가진 이빨이 특징입니다. 인벌류트 스플라인은 높은 강도, 감소된 응력 집중, 사소한 정렬 오류를 보상하는 기능을 포함한 여러 가지 장점을 제공합니다. 이는 일반적으로 자동차 및 항공우주 응용 분야에서 사용됩니다.
직선(평행) 스플라인
직선 스플라인은 평행 스플라인이라고도 하며, 샤프트 축과 평행한 이빨을 가지고 있습니다. 인벌류트 스플라인에 비해 제조가 간단하고 토크 요구 사항이 낮은 응용 분야에 적합합니다. 직선 스플라인은 종종 농업 기계, 전동 공구 및 일반 산업 응용 분야에 사용됩니다.
톱니형 스플라인
톱니형 스플라인은 삼각형 또는 톱니형 프로필의 이빨을 특징으로 합니다. 이는 긍정적인 잠금을 제공하고 결합 구성 요소 간의 상대 회전을 방지하도록 설계되었습니다. 톱니형 스플라인은 일반적으로 스티어링 칼럼 어셈블리에 사용되며, 의도치 않은 회전을 방지하면서 각도 조정을 허용합니다.
나선형 스플라인
나선형 스플라인은 샤프트 원주를 따라 나선형 경로를 따르는 이빨을 가지고 있습니다. 각진 이빨은 직선 스플라인에 비해 더 부드러운 결합 및 분리를 제공하여 충격 하중과 진동을 줄입니다. 나선형 스플라인은 농업 장비 및 산업 기계와 같이 빈번한 결합 및 분리가 필요한 응용 분야에 사용됩니다.
볼 스플라인
볼 스플라인은 원형 홈이 있는 스플라인 샤프트와 볼 베어링으로 채워진 해당 홈이 있는 맞물리는 외부 슬리브로 구성됩니다. 볼 베어링은 저마찰 인터페이스를 제공하여 샤프트가 토크를 전달하는 동안 축 방향으로 미끄러질 수 있도록 합니다. 볼 스플라인은 공작 기계 및 로봇과 같이 회전 동력 전달과 결합된 정밀한 선형 운동이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다.
스플라인 샤프트의 작동 원리
스플라인 샤프트는 축 방향 슬라이딩 운동을 허용하면서 샤프트와 허브 사이에 토크를 전달하도록 설계된 기계 구성 요소입니다. 스플라인 샤프트의 작동 원리는 샤프트의 스플라인이라고 알려진 균일한 간격의 이빨과 결합 허브 또는 기어의 해당 홈의 상호 잠금에 의존합니다.
스플라인 샤프트가 결합 구성 요소와 맞물리면 토크는 스플라인 톱니와 홈 사이의 접촉을 통해 전달됩니다. 이러한 직접 맞물림은 회전력을 효율적으로 전달할 수 있게 합니다. 동시에 톱니가 홈 안팎으로 미끄러져 들어갈 수 있으므로 축 방향 이동의 자유도가 유지되어 샤프트와 허브가 서로에 대해 선형적으로 움직일 수 있습니다.
스플라인 샤프트의 장점
- 효율적인 토크 전달: 여러 개의 맞물리는 이빨은 더 넓은 접촉 면적을 제공하여 더 높은 하중 용량을 제공하고 응력 집중을 줄여줍니다.
- 정렬 지정: 스플라인 샤프트의 균일한 간격의 이빨은 샤프트와 허브 사이의 정확한 각도 정렬을 보장합니다. 스플라인 이빨의 자체 중심화 특성은 동적 하중 조건에서도 이 정렬을 유지합니다.
- 더 긴 서비스 수명: 여러 개의 치아에 응력을 분산함으로써 국부적인 피로나 마모의 위험이 최소화됩니다. 또한 스플라인의 매끄러운 슬라이딩 동작은 마찰과 긁힘을 줄여 내구성을 더욱 향상시킵니다.
- 균일한 부하 분산: 스플라인 샤프트는 샤프트 길이를 따라 하중을 고르게 분산하는 데 뛰어납니다. 단일 지점에 응력을 집중시키는 키나 핀과 달리 스플라인은 더 넓은 영역에 걸쳐 맞물려 국부적인 변형이나 고장을 최소화합니다.
- 마모 감소: 맞물리는 스플라인 톱니는 샤프트와 허브 사이의 상대적인 움직임을 최소화하여 다른 연결 방법에 비해 마모와 손상을 줄입니다.
- 백래시 제어: 밀착된 이빨은 샤프트와 허브 사이의 틈새나 움직임을 없애 토크 입력에 즉각적이고 정확하게 반응합니다.
- 더 높은 회전 속도와 더 나은 균형: 스플라인 샤프트의 대칭적 디자인은 키웨이와 같은 비대칭 연결에 비해 더 나은 균형을 촉진하고 더 높은 회전 속도를 허용합니다. 균일한 질량 분포는 진동을 줄이고 높은 속도에서 더 부드러운 작동을 허용합니다.
스플라인 샤프트의 단점
- 비용: 스플라인 샤프트를 제조하려면 호빙, 브로칭, 롤링과 같은 정밀한 가공 공정이 필요하며, 이는 간단한 연결 방법에 비해 비용이 더 많이 들 수 있습니다.
- 윤활제/루브리컨트: 스플라인 샤프트는 맞물리는 표면 사이의 마찰과 마모를 최소화하기 위해 적절한 윤활이 필요합니다.
- 디자인 복잡성: 스플라인 샤프트를 시스템에 통합하려면 적절한 핏, 하중 용량, 내구성을 보장하기 위해 신중한 설계와 분석이 필요합니다.
스플라인 샤프트의 제조 공정
꿰매
브로칭은 브로치라고 하는 톱니 도구를 사용하여 선형 운동으로 재료를 제거하는 가공 공정입니다. 브로치에는 일련의 절단 톱니가 있어 각 패스마다 소량의 재료를 점진적으로 제거합니다. 브로칭은 일반적으로 내부 스플라인을 생산하는 데 사용되는데, 단일 패스에서 필요한 프로파일을 효율적으로 만들 수 있기 때문입니다. 대량 생산에 적합하며 엄격한 공차를 유지할 수 있습니다.
호빙
호빙은 호브라고 불리는 회전 절삭 공구를 사용하여 샤프트에 외부 스플라인을 생성하는 가공 공정입니다. 호브는 원하는 스플라인 프로파일과 일치하는 나선형 나사산 프로파일을 가지고 있습니다. 호브가 회전하고 작업물에 공급되면 점차적으로 스플라인 이빨을 절단합니다. 호빙은 표면 마감과 정확도가 좋은 고품질 외부 스플라인을 생산할 수 있는 연속 작업입니다.
형성
셰이핑은 왕복 단일 포인트 절삭 공구를 사용하여 스플라인 프로파일을 생성하는 가공 프로세스입니다. 공구는 공작물이 회전하는 동안 선형으로 이동하여 일련의 절삭을 통해 스플라인 이빨을 만듭니다. 셰이핑은 내부 및 외부 스플라인 모두에 적합하며, 특히 소량 생산 또는 프로토타입 제작에 적합합니다. 스플라인 형상 측면에서 유연성을 제공하지만 다른 방법에 비해 사이클 시간이 더 길 수 있습니다.
갈기
밀링은 회전하는 멀티 포인트 절삭 공구를 사용하여 작업물에서 재료를 제거하는 다재다능한 가공 공정입니다. 스플라인 샤프트 제조의 경우 원하는 스플라인 프로파일을 갖춘 특수 밀링 커터가 사용됩니다. 작업물은 분할 헤드 또는 회전 테이블에 장착되어 절단 사이의 정확한 각도 인덱싱을 보장합니다. 밀링은 내부 및 외부 스플라인 모두에 적합하며 복잡한 프로파일과 소규모 배치 크기를 처리할 수 있습니다.
냉간성형/압연
냉간 성형, 롤링이라고도 알려진 것은 재료를 제거하지 않고 작업물을 성형하기 위해 압축력을 사용하는 금속 가공 공정입니다. 스플라인 샤프트의 맥락에서 롤링은 원하는 스플라인 프로파일의 부정적인 인상을 가진 두 개의 다이 사이에 샤프트 재료를 누르는 것을 포함합니다. 높은 압력으로 인해 재료가 흐르고 다이 지오메트리에 맞게 되어 스플라인 톱니가 생성됩니다. 냉간 성형은 우수한 재료 활용도와 빠른 사이클 시간을 제공하는 대량 생산 방법입니다.
스플라인 샤프트에 사용되는 재료
- 합금강: 합금강은 높은 강도, 인성 및 내마모성으로 인해 스플라인 샤프트에 널리 사용됩니다. 이러한 강에는 기계적 특성을 향상시키는 크롬, 니켈 및 몰리브덴과 같은 합금 원소가 포함되어 있습니다.
- 탄소강: SAE 1045 및 SAE 1060과 같은 탄소강은 고강도와 내마모성이 필요하지만 비용이 고려되는 응용 분야의 스플라인 샤프트에 사용됩니다. 이러한 강의 탄소 함량은 0.45%~0.60%로 강도와 가공성의 좋은 균형을 제공합니다.
- 스테인리스 강: AISI 304 및 AISI 316과 같은 스테인리스 스틸은 부식성 환경에서 작동하거나 높은 내식성이 필요한 스플라인 샤프트에 사용됩니다. 이러한 스틸은 최소 10.5%의 크롬을 함유하고 있어 표면에 보호 산화층을 형성하여 녹과 부식을 방지합니다.
- 알루미늄 합금: 6061 및 7075와 같은 알루미늄 합금은 항공우주 및 자동차 응용 분야에 사용됩니다. 이러한 합금은 높은 강도 대 중량 비율, 우수한 가공성 및 내식성을 제공합니다. 그러나 강철에 비해 하중 지지 용량이 제한될 수 있습니다.
스플라인 샤프트의 고장 모드
- 표면 마모: 표면 마모는 샤프트의 스플라인 이빨과 결합 구성 요소 사이의 상대 운동과 접촉으로 인해 발생합니다. 시간이 지남에 따라 반복적인 슬라이딩 동작으로 인해 재료가 제거되어 백래시, 진동이 증가하고 토크 전달 효율이 감소할 수 있습니다.
- 프레팅 부식: 프레팅 부식은 스플라인 이빨 표면 사이에 작은 진동 운동이 있을 때 발생하는 일종의 마모입니다. 상대 운동은 보호 산화층을 파괴하여 신선한 금속 표면을 산화에 노출시킵니다.
- 전단 파괴: 전단 파괴는 적용된 토크가 스플라인 이빨 재료의 전단 강도를 초과할 때 발생합니다. 이는 하나 이상의 스플라인 이빨이 갑자기 파손되어 토크 전달이 완전히 손실되는 것이 특징입니다.
- 치아 파손: 이빨 파손은 하나 이상의 스플라인 이빨이 샤프트에서 완전히 분리되는 치명적인 고장 모드입니다. 과도한 토크, 충격 하중 또는 피로로 인해 발생할 수 있습니다.
- 피로 실패: 피로 파괴는 스플라인 샤프트가 반복적인 하중을 받을 때 발생하며, 균열의 시작과 전파로 이어집니다. 교대로 발생하는 응력으로 인해 재료가 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력 수준에서 파괴될 수 있습니다.
