RENCOL^® 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 설계 방법

RENCOL^® 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 작동 방식은 매우 간단하지만 실제 설계 및 사양은 훨씬 더 복잡합니다. RENCOL^® Bearing Mount 와 같이 간단한 범용 톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계는 상대적으로 쉽지만 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 작동을 위해서는 상대 부품의 적합한 설계가 중요하기 때문에 일반적으로는 고객사와 협력하여 설계하고 있습니다.

이러한 경우의 RENCOL^® 톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계는 양사 설계자간 협업을 통해 진행됩니다. 최상의 결과를 위해서는 톨러런스 링 (Tolerance ring) 에 맞도록 시스템 구성 요소를 변경해야 하는 경우가 많으므로 가능한 시스템 설계 초기 단계에서 톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계를 시작해야 합니다.(아래 섹션 참조) 시스템의 성능은 아래 세 가지 구성 요소에 따라 달라질 수 있습니다;

• Inner (male) mating component
• Outer (female) mating component
• Tolerance ring

시스템 설계가 확정된 상태에서는 설계 변경에 대한 유연성이 줄어들어 톨러런스 링 (Tolerance ring) 적용이 복잡해질 수 있습니다.

Design Process Overview

일반적인 설계는 아래와 같이 진행 됩니다; 

• Capture and review system requirements – 성능 요구 사항과 상대 부품 정보를 모두 취합합니다. 현지 기술 영업 담당을 통한 RENCOL^® 엔지니어와의 conference call 및 PIR 작성이 진행 됩니다. 
• Design the tolerance ring – FEA등과 같은 설계 도구를 사용하여 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 성능을 예측, 확인하고 톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계 제안과 상대 부품 설계 고려 사항을 전달합니다.
• Prototypes – 성능 확인을 위한 샘플 제작 
• Testing activities – 단품 및 시스템 성능 시험. 압축 시험, 진동 시험, 토크 측정과 내구 시험 등이 진행되며 시스템 검증을 통한 톨러런스 링 (Tolerance ring) 평가가 중요합니다. 
• Industrialisation – 시스템에서 설계가 검증되면 부품 양산 준비를 진행합니다. 단순 공급부터 자동차 공인 APQP 진행도 가능합니다.

 

톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계 시 주요 고려 사항

톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계시 몇 가지 고려해야 하는 사항들이 있습니다. – 톨러런스 링 (Tolerance ring) 사용 경험이 없다면 이 중 일부는 명확하지 않을 수도 있습니다.

상대품 치수 변경:

톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 조립을 위해 상대품 사이 공간(일반적으로 반경방향 0.4-1.2mm)이 필요합니다. 경우에 따라 볼베어링과 같은 특정 부품은 치수 변경이 불가한 경우도 있습니다. 이러한 사항들은 톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계시 필수 정보입니다.

 

상대품 공차:

반경 방향 공차 범위에 따라 영향 받을 수 있는 톨러런스 링 (Tolerance ring) 성능 검토에 필요한 사항입니다. 최악 조건에서의 최소(혹은 최대) 성능 확인에 사용됩니다.

 

작동 온도 조건:

이종 재질 간 조립에 사용되는 경우 온도에 따라 상대품 공차에 의한 영향과 동일한 효과를 가지므로 설계 단계에서 검토가 필요한 사항입니다. 

 

톨러런스 링 (Tolerance ring) 조립에 사용할 수 있는 폭:

톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 폭은 wave 설계에 영향을 줍니다. 폭이 작은 톨러런스 링 (Tolerance ring) 은 반대의 경우 보다 더 작은 양의 힘을 가지기 때문에 요구 사항 검토를 위해서는 치수 적인 제약에 대한 확인이 필요합니다. 

 

시스템에 가해지는 반경 방향 하중:

고장으로도 이어질 수 있는 시스템에 가해지는 하중은 톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계에 매우 중요한 요소입니다:

• Nature of the load – 작동 중 시스템의 동일한 위치에 지속적 하중 부하 여부. 고정된 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 집중 하중 및 회전 작동시 주기적 하중 부하 검토에 사용됩니다. 
• Axial / In-line or Radial – 시스템에 가해 지는 하중의 방향과 시간. 과도한 축방향 하중은 부품의 상대적 위치 변동을 발생시킬 수 있습니다.
• Component tilt from loading – 하중에 의한 조립 상태 대비 misalignment, tilting 여부.  이러한 하중은 wave의 압축 상태를 변경하여 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

토크 전달 혹은 slip clutch용 톨러런스 링 (Tolerance ring) 

이러한 용도의 제품은 아래의 추가 정보를 필요로 합니다.

토크 전달

• How much torque is needed to transfer? – 요구 안전 계수 확인이 중요합니다. 
• Radial Loads – 반경 방향 하중 여부. RENCOL^® 톨러런스 링 (Tolerance ring) 보호를 위해 단차와 같은 형상 적용이 필요할 수도 있습니다.

 

슬립 클러치

Slip clutch 시스템의 요구 사항은 시스템에 가해지는 토크가 일정 수준을 초과할 때 구성 부품이 상대적으로 움직이는 것입니다. 시스템 특정 부품 혹은 외부 사용자를 보호하기 위해 사용됩니다. 

• Torque slip – Slip 발생 토크 
• Torque slip variation – Slip 발생 토크에 허용되는 공차. 일반적으로 기준값의 백분율 (예 : ± 15 %)로 표시되거나 실제 값 (예 : ± 5Nm)으로 표시 될 수 있습니다. 
• The amount of slip cycles required – 요구 slip 회수에 따라 톨러런스 링 (Tolerance ring) 과 상대 부품의 설계는 달라질 수 있습니다. 또한 회전 속도와 각도 및 회전 방향에 대한 요구 조건도 필요합니다. 
• The type & specification of grease to be used – 그리스 특성은 Slip 발생시 톨러런스 링 (Tolerance ring) 과 상대품 사이의 마찰력에 큰 영향을 미칩니다.

 

상대품 형상 요구 조건

일반적으로 요구 사항과 구성 부품 강도 및 톨러런스 링 (Tolerance ring) 에 가해지는 반경 방향 하중에 따라 달라질 수 있습니다. 아래는 일반적인 3가지 조립 배치에 대한 설명입니다. 

Free Arrangement

상대품에 대한 단차 가공이 없어 비용적으로 가장 유리한 조립 배치로 톨러런스 링 (Tolerance ring) 이 시스템에 가해지는 모든 반경 방향 하중을 지지하지만 조립시 위치 고정을 위한 도구가 필요할 수도 있습니다.