랙 앤 피니언 액추에이터 (Rack and Pinion Actuator)의 구조 및 특징

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랙 앤 피니언 액추에이터의 특징을 알아보자.

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목차

1. 구조 및 동작
2. 토크 특징
3. 장점
4. 단점
5. 포지션 변경

액추에이터의 유형 및 종류를 먼저 보실분은 아래 링크를 확인 하세요.
Actuator의 유형 및 종류 (Valve 구동 용)

Actuator의 유형 및 종류 (Valve 구동 용)

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랙 앤 피니언 액추에이터 (Rack and Pinion Actuator)

구조 및 동작:

랙 앤 피니언 액추에이터는 직선 바인 랙과 원형 톱니바퀴인 피니언으로 이루어진 구조로, 랙과 피니언이 서로 맞물려 선형 운동을 회전 운동으로 변환합니다. 공압 액추에이터에서 랙은 피스톤과 결합되어 공압에 의해 직선운동을 하고, 밸브 샤프트와 결합되는 피니언은 랙과 기어로 맞물려 회전동작을 하게 됩니다.
이 구조는 일반적으로 밸브나 댐퍼와 같은 기계 장치를 자동으로 제어하고 작동하는 데 사용됩니다. 공압을 사용하여 액추에이터에 동력을 공급하고, 피스톤형 랙을 사용하여 피니언에 균형 잡힌 힘을 보장합니다.
 

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랙 앤 피니언 액추에이터의 토크 특성 그래프

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토크 특징:

랙 앤 피니언 액추에이터의 토크 곡선은 DA(Double Acting) 유형과 SR(Spring Return) 유형으로 분류됩니다. DA 유형은 시작점과 끝점에서의 토크가 동일하며, SR 유형은 끝점보다 시작점의 토크가 높습니다. 스프링과 에어 구동 토크는 시작점과 끝점에서 동일합니다. 그러나 토크 변화량이 적어서 다양한 토크가 필요한 경우에는 적합하지 않을 수 있습니다.

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랙 앤 피니언 액추에이터의 구조 및 특징

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반응형

장점:

1. 크기가 작고 간단한 구조로 설치 및 유지 보수가 용이하며, 다양한 용도에 적용 가능합니다.
2. 구동 속도가 빠르며 작동 소음이 적으며, 높은 정확도와 반복성을 제공하며, 정밀한 위치 제어가 가능합니다.
3. 대량 생산이 용이하고 원가가 저렴하여 경쟁력이 높으며, 회전 각도를 최대 ±5%까지 조절할 수 있습니다.
4. 경량화한 AL 재질로 Cylinder 및 Piston 부를 제조하여 Compact 한 구조를 나타낼 수 있으며, 멀티 스프링 구조로 사용자의 필요에 따라 스프링의 수량을 조절하여 Torque를 조절할 수 있습니다.
5. 내부 파트 변경만으로 DA ⇔ SR, F/C ⇔ F/O으로 변경이 용이하며, VDI/VDE 3845(NAMUR), ISO 5211, DIN 79, DIN 3337 and NAMUR 규격으로 Accessory, Valve의 Direct Mounting이 가능합니다.

단점:

1. Torque 변화량이 적어서 다양한 토크가 필요한 경우에는 적합하지 않을 수 있습니다.
2. 랙 앤 피니언 액추에이터의 Torque는 유연하지 못하고 경직되어 있습니다.
3. Rack 구조상 어느 특정 구역에서 Valve가 중간 제어를 하는 Control일 경우 헌팅 현상이 발생할 수 있습니다.
4. 마찰이 발생하는 피니언과 랙의 마모로 인해 수명이 짧아질 수 있습니다.
5. 랙과 피니언 간의 작은 간격 때문에 오염 물질에 민감하며, 청소와 윤활에 대한 주의가 필요합니다.

랙 앤 피니언 액추에이터는 다양한 고급 응용 분야에서 사용 가능한 장점이 있지만, Torque 변화량이 적어 다양한 토크가 필요한 경우에는 적합하지 않을 수 있으며, 헌팅 현상이 발생할 수 있고, 마찰로 인해 수명이 짧아질 수 있으며, 청소와 윤활에 대한 주의가 필요합니다. 따라서 구체적인 사용 목적에 맞게 선택하는 것이 중요합니다. 

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랙 앤 피니언 액추에이터의 포지션에 따른 내부 구조

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포지션 변경

랙 앤 피니언 액추에이터는 본체의 변경이나 추가 부품 없이 Fail Position과 Double & Single Acting의 변경이 자유롭습니다.
위 그림에서 좌측은 일반적인 Close일 경우 사용되는 DA의 구조입니다. 이 구조를 DA에서 SR구조로 변경하려면 단일 스프링이나 멀티 스프링을 피스톤 바깥쪽에 삽입해 Fail Close Mode로 사용할 수 있습니다. 반대로 우측은 일반적인 Open일 경우 사용되는 DA의 구조로서, 이 구조를 DA에서 SR구조로 변경 하려면 동일하게 피스톤 바깥쪽에 단일 or 멀티 스프링을 삽입하면 됩니다.
반대로 SR에서 DA로 변경 시에는 액추에이터 분해 시 스프링이 튕겨져 나가 부상의 위험이 있으므로 반드시 안전한 장치들을 이용해서 분리 되어야 합니다. 결합 부위가 4군데 라면 대각선 2군데의 볼트를 풀고 롱 볼트를 이용하여 잠근 후 분해하는 방법이 하나의 예입니다.
랙 앤 피니언 액추에이터는 다양한 용도에 적용 가능하며, 크기가 작고 구동 속도가 빠르며 정확한 위치 제어가 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 스카치요크 액추에이터에 비해 Torque 변화량이 적어 다양한 토크가 필요한 경우에는 적합하지 않을 수 있으며, 마모로 인한 수명 단축과 오염에 민감하다는 단점도 있습니다. 따라서 사용 목적에 따라 적절한 모델을 선택하고 유지 보수에도 주의해야 합니다.
 

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Actuator의 유형 및 종류 (Valve 구동 용)

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제어 밸브(Control Valve)의 기본 구성 요소

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