기계 설계: 축이음(2), 클러치(1)

한쪽 플랜지의 볼트 구멍에 고무링을 넣어 진동 충격 변형을 고무의 탄성으로 흡수케 할 수 있다. 볼트와 고무링 사이의 마찰로 인해 고무의 마멸이 커 수명이 짧은 것이 흠이라 할 수 있으나 플렉시블 커플링에서 가장 많이 쓰이고 있다. 벨트의 탄성을 이용한 플렉시블 커플링으로 양축 단에 고정된 원판형 플랜지의 외주에 각각 다수의 돌기 턱을 만들어 이에 따라 한 개의 벨트를 파형으로 연결한 것이다. 장시간 사용하면 탄성이 감소하는 단점을 지니고 있으나 유연성과 전기적 절연 작용이 좋아 수력원동기, 발전기 등에 널리 쓰이고 있다. 외치 내통을 각각 축에 고정하고 이것과 물림을 같이 하는 내치 외통의 플랜지를 볼트로 연결한 플렉시블 커플링이다. 이 커플링은 기어의 백래시와 이 끝 틈새에 의해 축의 편심을 완화해 커다란 토크를 전달할 수 있지만, 치 면의 허용 면 앞에 따라 전달 동력이 정해지기 때문에 설계상 치 면의 윤활에 특별히 주의하여야 한다. 두축이 평행하면서 약간 어긋나고 있는 경우, 각속도의 변화 없이 회전력을 전달할 수 있는 커플링을 올 덤 커플링이라 한다. 서로 직교할 수 있는 홈을 판 플랜지와 돌기가 있는 플랜지를 각축에 고정하고, 두 플랜지의 사이에 양측 면에 돌기와 홈을 가진 십자 원판을 끼워 한쪽 축을 회전시키면 중앙 십자 원판이 홈에 따라 미끄러지면서 다른 한쪽 축에 회전을 전달한다. 이때 중앙원판은 양축의 중심 사이의 거리를 지름으로 하는 원주운동을 하게 되고 그 속도의 제곱에 비례하는 원심력으로 인해 진동을 일으키기 때문에 고속 회전에는 부적합하다. 두축이 교차할 때 사용되는 축이음 요소를 유니버설 커플링이라 하며 두 축이 같은 평면 내에 있고 그 중심선의 교차각이 30도 이하인 경우가 적합하며 공작기계, 자동차의 추진축, 압연 롤러의 전동축 등에 쓰이고 있다. 유니버설 커플링은 구면삼각 크랭크기구를 응용한 것으로 원동축과 종동축의 각속도와 원동축의 회전각 사이에 관계가 있다. 

 

원동축의 회전운동을 종동축에 전달하면서 운전 중에 착탈이 가능한 클러치의 종류는 살펴보자. 물림 클러치의 턱은 용도에 따라 선정할 수 있다. 일반적으로 널리 쓰이고 있는 것은 스파이럴 물림 클러치이다. 스파이럴 물림 클러치는 서로 물리는 한 쌍의 턱이 있어서 한쪽은 원동축에 고정하고 다른 쪽은 종동축에 미끄럼 키 또는 스플라인에 의해 끼워져 축 방향으로 이동할 수 있게 되어 있다. 그러나 물림은 축이 정지된 상태에서 이뤄져야 한다. 마찰 클러치는 원동축과 종동축 사이의 마찰 접촉면에 의해 운전 중에 단속이 가능한 축이음으로서 공작 기계와 자동차, 그 밖의 일반 기계에 널리 사용되고 있다. 운전하고 있는 원동축에 정지된 종 도축을 처음 물릴 때 약간의 미끄럼이 생기지만 서서히 가속되어 일체가 된다. 그러나 과대한 하중 저항이 종동축에 생기면 접촉면의 미끄럼으로 인해 마모와 과열은 피할 수 없다. 마찰 면이 1개인 클러치로 마찰 원판을 축 방향의 힘으로 밀어붙이면, 새 클러치 원판에서는 마모가 균일하지 않지만 균일하게 분포한다. 그러나 약간 사용 후에는 미끄럼마찰에 의한 클러치 원판의 마모가 균일하다고 가정할 수 있다. 그런데 원판의 마모율은 마찰 일률에 비례한다. 비 역전 클러치는 원동축이 종동축보다 속도가 느릴 경우, 종동축이 자유로 공전할 수 있도록 한 것이다. 원동축에서 1방향의 토크만을 종동축에 전달시키고, 반대 방향의 토크는 전달할 수 없는 클러치로서 비 역전 클러치라고 부른다. 비 역전 클러치에는 롤러 클러치와 래칫 클러치의 두 가지 형식이 있다. 롤러 클러치인데 종동축의 둘레에 품을 경사지게 만들어서 원동축이 오른쪽으로 회전하면 롤러가 경사진 좁은 곳에 들어가서 쐐기에 견고하게 밝혀진다. 이때 마찰력이 생겨서 종동축을 수동 시키지만 역회전할 때는 롤러는 넓은 곳에 들어가 접촉하지 않게 된다. 즉, 이때는 종동축이 원동축보다 빨리 회전하는 경우이다. 이 클러치는 자전거의 자유 휠에 응용되고 있다. 래칫 클러치는 롤러 대신에 폴(pawl)에 의하여 롤러 클러치와 같은 작용을 하는 것으로서 원동축이 오른쪽으로 흰 저는 경우에는 종동축에 있는 폴이 결려서 동력이 전달된다. 그러나 원동축이 반대로 왼쪽으로 횢너하면, 스프링이 폴을 안쪽으로 잡아당겨서 종동축에 동력이 전달되지 않는다. 원심 클러치는 축이 왜 전할 때 생기는 원심력을 이용하여 원동축의 동력을 종동축에 전달하는 것으로 접촉 편 클러치와 분체 클러치를 들 수 이싿. 접촉편 클러치인데, 원동축이 고속 회전할 때 원심력에 의해 원동축의 접촉 편이 종동축 드럼 내부에 접촉하여 발생한 마찰 저항으로 동력을 전달한다. 그러나 원동축의 회전이 늦을 때는 접촉 편이 스프링의 힘으로 안쪽으로 수축하여 종동축 드럼에서 분리되어 동력이 전달되지 않는다. 이것은 직 문 기계나 제지기계에 사용되고, 또 부하가 걸리고 있어서 시동할 수 없는 내연기관 등에 사용된다. 분체 클러치는 원동축에 날개가 6개인 바퀴를 설치하고 종동축에 원통이 고정되어 있다. 원통과 날개 사이에 분체와 같은 볼을 넣는다. 분체 대신에 상당히 큰 볼 또는 롤러를 넣는 수도 있다. 원동축이 회전하면 원심력에 의하여 분체(볼 또는 롤러)는 종동축 원통의 내벽에 압착하게 되어 마찰력으로 동력을 전달하게 된다. 유체 클러치는 원동축에 고정돼 펌프의 날개바퀴, 종동축에 고정돼 터빈의 날개바퀴와 그사이에 충만한 유체로 구성되어 있다. 원동축의 회전에 따라 펌프가 구동되어 유체에 에너지를 공급하고, 이것을 터빈에 흘려보내 터빈을 회전시키는 것이다. 그 원리는 선풍기 두 대를 나란히 맞대어 놓고, 한편을 회전시키면 그 회전에 의하여 생기는 공기릐 흐름으로 다른 편의 선풍기도 돌아가는 것과 같다.