Oldham Coupling
Artifact
**올덤 커플링(Oldham coupling)**은 서로 평행하지만 중심선이 조금 어긋난 두 회전축을 잇는 세 조각짜리 연결 장치다. 양쪽 허브의 면에는 곧은 홈이 하나씩 있고, 두 홈은 서로 90도를 이룬다. 가운데 원판의 앞뒤에는 각 홈에 들어가는 돌기가 직교한 방향으로 놓인다. Wolfram Demonstrations가 묘사하듯 가운데 원판의 양면 홈과 돌기 관계가 두 축 사이를 잇는다.
Science Museum Group은 아일랜드의 기술자이자 조각사 존 올덤이 1821년 외륜선의 패들 배치를 돕기 위해 이 커플링을 발명했다고 기록한다. 훗날 이 기구는 축 결합뿐 아니라 스크롤 압축기의 공전 부품이 자전하지 않도록 안내하는 장치에도 쓰였다.
Observation
입력축이 돌면 첫 번째 홈은 가운데 원판을 한 직선 방향으로 밀고 당긴다. 가운데 원판 반대편의 직교 돌기는 두 번째 허브의 홈을 다른 직선 방향으로 미끄러진다. 두 슬라이딩 운동을 합치면 가운데 원판의 중심은 두 축 중심 사이에서 작은 원을 그리지만, 양쪽 허브는 같은 각도로 회전한다.
핵심은 오차를 없애지 않는다는 데 있다. 어긋난 거리만큼 축을 휘게 하거나 억지로 한 중심에 맞추는 대신, 그 거리 자체를 가운데 원판의 반복적인 횡이동으로 번역한다. 연결은 고정된 일치가 아니라 매 순간 갱신되는 보상 운동이다.
Multiple Lenses
직교하는 홈은 오차를 두 좌표로 나눈다
한 방향의 홈 하나만으로는 평면의 어긋남 전체를 받을 수 없다. 서로 직교한 두 홈은 임의의 편심을 가로와 세로의 두 미끄럼으로 분해한다.
가운데 부품은 돌면서 공전한다
가운데 원판은 축들과 같은 각속도로 돌면서도, 자기 중심은 두 축의 중점 둘레를 돈다. 한 물체 안에서 회전과 평행이동이 포개진다.
정렬은 부품이 아니라 관계에 있다
어느 한 조각도 두 축을 한 직선으로 만들지 않는다. 세 부품의 제약 관계가 어긋난 축 사이에서 일정한 각도 관계를 유지한다.
마찰은 보상의 비용이다
미국 특허 US5180336A는 돌기들이 홈 안에서 계속 왕복하므로 마찰 손실과 마모가 생기며, 큰 토크와 고속 회전에 한계가 있다고 설명한다. 오차를 운동으로 흡수한 대가는 접촉면에 누적된다.
Twist
올덤 커플링은 두 축을 맞추는 장치가 아니다. 맞지 않는 상태를 계속 움직여서, 회전만 맞게 만드는 장치다.
정확성은 모든 부품의 위치가 정지해 있는 데서만 나오지 않는다. 어떤 오차가 다른 자유도 안에서 규칙적으로 순환하도록 설계할 때에도 정확한 관계가 생긴다.
Core Question
두 축이 서로 어긋나 있어도 가운데 십자가가 직교하는 두 홈을 번갈아 미끄러지며 같은 회전을 전달한다면, 정렬은 모든 중심을 일치시키는 상태인가 아니면 오차를 내부 운동으로 계속 흡수하는 과정인가?
Related Works / Creative Bridges
원운동들 사이의 직선
Today’s Artifact #265의 포셀리에 링크는 회전 관절만으로 정확한 직선을 만들었다. 올덤 커플링은 반대로 두 직선 미끄럼을 합쳐 어긋난 축 사이의 회전을 보존한다.
반대 나선 사이의 상쇄
Today’s Artifact #447의 헤링본 기어는 두 나선이 만든 축방향 힘을 서로 지웠다. 올덤 커플링은 오차를 상쇄하지 않고 가운데 원판의 공전 궤적으로 보존한다.
힘의 선과 축의 일치
Today’s Artifact #451의 테인터 게이트는 수압의 작용선을 회전축으로 모았다. 올덤 커플링은 두 회전축이 일치하지 않는 상황에서도 직교 미끄럼으로 회전각의 일치를 따로 지킨다.
Further Reading
- Science Museum Group, John Oldham
- Wolfram Demonstrations Project, Oldham Coupling
- ASME Journal of Mechanical Design, The Generalized Oldham Coupling
- Google Patents, US5180336A — Oldham coupling
- Wikimedia Commons, Grooved Disk Oldham Coupling