톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 작동 원리

톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 원주면에 성형된 wave 등의 형상은 스프링처럼 압축되며 이는 간단한 스프링 이론으로 요구되는 지지력이 생성됩니다:

스프링 이론

훅의 탄성 법칙은 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 작동 방식에 대한 기본 이해를 보여주며 왼쪽의 방정식으로 요약됩니다.  이 법칙에서는 스프링을 인장하거나 압축하는 데 필요한 힘은 변위에 정비례한다고 설명합니다. (실제로는 모든 재료에 대해 설명하지만 여기서는 스프링에 대한 내용입니다)

 

톨러런스 링 (Tolerance ring) 기준으로는 가장 주요 인자가 스프링 상수 K입니다. K는 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 강성을 의미하며 강성이 클수록 톨러런스 링 (Tolerance ring) 을 같은 양으로 압축하는 데 더 많은 힘이 필요합니다. 

톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 강성은 다음을 포함한 여러 가지 방법으로 변경할 수 있습니다. 

• Young’s modulus of the material
• Material thickness
• Shape of the waves

간단한 톨러런스 링 (Tolerance ring) 은 아래의 방정식으로 스프링 상수를 근사화 할 수 있습니다.:
K = 4.8 E w (t/p)³

 

• E is the Elastic Modulus for the material [kN/mm²]
• w is the width of the wave [mm]
• t is the material thickness [mm]
• p is the wave pitch [mm]

실제로 이 방식은 너무 단순하여 많은 요인들이 배제됩니다. Saint-Gobain에서는 톨러런스 링 (Tolerance ring) 을 계산하는데 정밀한 예측이 가능한 설계 방식을 사용합니다. 자세한 내용은 RENCOL^® 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 설계 방법 에서 확인하실 수 있습니다.

 

스프링 이론의 실제 적용 방법

위의 스프링 이론을 톨러런스 링 (Tolerance ring) 설계에 적용하면 다양한 application과 요구 사항에 맞게 스프링 강성을 조정할 수 있습니다.  예를 들어 높은 반경 하중 또는 토크가 요구되는 제품을 위해 강한 wave 형상을 개발할 수도 있고 부드러운 wave 형상을 적용하면 낮은 하중 또는 토크가 요구되는 application용의 낮은 강성의 톨러런스 링 (Tolerance ring) 을 개발할 수도 있습니다. 

복잡한 링 형상, 재료 두께, 경도 및 작동 압축 범위 등 다양한 인자의 조합이 가능한 높은 설계 자유도를 통해 각 application에 맞게 톨러런스 링 (Tolerance ring) 의 스프링 상수가 설계됩니다. 이러한 제품들은 각각의 요구 사항에 맞게 지지력, 토크 등의 성능을 구현합니다.

실제 스프링 상수 측정을 위해서는 톨러런스 링 (Tolerance ring) 을 인장 시험기에 넣고 압축하는 시험이 진행됩니다. 이 시험은 특정 변위의 압축에서 톨러런스 링 (Tolerance ring) 이 생성하는 힘을 보여줍니다. 결과값을 이용하여 성능을 예측, 검증하고 다른 성능 기준(토크, slip등)을 계산할 수도 있습니다. 

축방향 힘과 토크 계산 방법

위의 방법으로는 톨러런스 링 (Tolerance ring) 이 상대품에 얼마나 많은 힘을 가하는지 검토하는데 유용한 반경 방향 하중 F_R 검토가 가능하지만 추가로 축방향 힘 F_A 과 토크에 대한 검토도 필요합니다. 이는 이론적으로 매우 간단한 계산으로 반경 방향 힘 F_R 에 마찰 계수를 곱하여 계산할 수 있습니다. 

F_A = F_R * µ

그리고 토크는 축 방향 힘에 반경을 곱하여 계산됩니다.

T = F_A * r

이러한 공식은 성능에 대한 대략적인 지표를 확인할 수 있지만 실제로는 재료 변형, wave의  ‘ploughing’ 효과 등과 같이 많은 요소에 의해 영향을 받습니다. Saint-Gobain은 이러한 요소들을 고려하여 성능을 훨씬 더 정확하게 예측할 수 있는 정교한 설계 방법을 개발했습니다.

더 자세한 내용은 저희에게 문의하시기 바랍니다. contact us.