기구학적 커플링

한쪽 부품에 장착된 3개의 볼들이 다른 쪽 부품의 표면에 설치되어 있는 사면체 홈, V-그루브, 그리고 평면 위에 안착되도록 설계된 커플링을 I형 켈빈 클램프라고 부른다. 표준 기구학적 커플링의 또 다른 형태인 II형 켈빈 클램프에서는 한 쪽 부품에 장착된 3개의 볼들이 다른 쪽 부품의 표면에 설치되어 있는 3개의 V-그루브들 위에 안착된다. I형 클램프의 기하학적 구조는 사면체 홈의 위치에 기초하여 병진위치의 결정에 뛰어난 성능을 가지고 있지만, 비대칭 구조를 가지고 있다. II형 켈빈 클램프의 그루브들은 세 개의 구체들이 이루는 삼각형의 도심 위치를 향하도록 그루브들이 120도 각도로 배치되어 있으며, 이로 인하여 열팽창의 영향을 받지 않는다. 또한 II형 클램프의 기하학적 형상은 제작이 용이하다.이들 두 가지 형태의 클램프 모두 시편의 설치에 일반적으로 사용되며, 계측기에서 탈착 후 정확한 위치에 다시 설치할 수 있다. 접촉을 유지하기 위해서 일반적으로 중력, 자석 또는 스프링 등이 사용된다. 그런데 경위의 마운트나 다양한 환경하에서 사용되는 여타의 계측기기와 같은 용도에 대해서는 II형 클램프가 더 일반적으로 사용된다. 
 사면체 홈은 일반적인 가공기법을 사용해서는 제작하기 어렵다. 실제의 경우, 이 사면체 홈을 다른 구조로 대체하는 것이 가능하다. 세 개의 구체들 위에 네 번째 구체를 올려놓으면 각각의 접촉점들이 공통접선을 이룬다. 마찬가지로, V-그루브 대신에 평행한 두 개의 실린더가 실제에서는 매우 자주 사용되고 있다. 
 기구학적 커플링의 성능은 일부 중요한 설계인자들에 이존하므로 설계과정에서는 이에 대해서 세심한 고려가 필요하다. 순순한 기구학적 커플링들에 대해서만 설계 시 고려사항을 제시하였지만, 모든 기구학적 커플링에 대해서 이 개념들을 적용할 수 있다.
 기구학적 커플링의 하중지지용량은 헤르츠 접촉응력에 직접적인 영향을 받는다. 사실, 헤르츠접촉은 점접촉이나 선접촉을 이루는 물체들 사이에 발생하는 높은 응령을 통칭한다. 헤르츠 접촉응력은 국북적으로 매우 높게 발생하기 때문에 스폴링, 크랙성장, 그리고 여타의 파손메커니즘이 발생하는 위치로 작용한다.
 기구학적 커플링에서는 점접촉이 이루어지므로, 이론적으로는 정확한 구속이 구현되며, 하중이 작은 한도 내에서는 실제적인 모든 용도에 대해서 적용이 가능하다. 그런데 물체의 자중이나 예하중에 의해서 더 큰 하중이 부가되면, 접촉점에 발생된 높은 헤르츠응력이 국부변형을 유발하며, 이는 추가적인 직각방향 구속으로 작용한다. 표면마찰도 표면접촉에서 중요한 역할을 한다. 마찰은 커플링의 초기조립 과정에서 반복도를 현저히 저하시킨다. 더 커플링의 표면들이 서로 접촉하면, 표면들 사이에 마찰이 증가하여 커플링이 가장 낮은 에너지상태로 안착되는 것을 방해하는 힘이 생성된다. 커플링을 탈착할 때마다 각 접촉점의 초기위치와 부가된 힘의 정확한 방향 사이의 복잡한 상관관계에 기초하여 서로 다른 위치에 커플링이 안착된다. 따라서 기구학적 커플링의 가장 큰 제한은 접촉영역의 표면조도이며, 하중지지용량과 강성은 헤르츠 접촉응력에 의해서 제한된다.
 마찰은 기구학적 위치의 반복도를 제한하기 때문에 경질표면과 낮은 계면전단강도가 커플링 설계에 있어서 이상적이다. 커플링 표면에 지방산을 함유한 오일 피막을 도포하거나 폴리머 박막, 저강도 금속 또는 층상박막을 코팅하여 이를 구현할 수 있다.
 높은 수준의 반복도를 구현하기 위해서는 커플링의 접촉계면에서의 변형과 마찰을 관리하는 것이 중요하다. 경질연마 강철표면을 사용하면 수 마이크로미터~마이크로미터 이하 수준의 반복도를 구현할 수 있다. 질화티타늄과 같은 경질금속을 코팅하면 부식을 방지할 수 있지만 탄성계수의 차이로 인하여 고응력하에서 파손이 유발될 우려가 있다. 커플링 표면에는 경질폴리싱 가공된 세라믹이나 탄화텅스텐 표면이 선호된다. 탈착 횟수가 많은 경우에는 스테인리스 강철, 탄화물 또는 세라믹과 같은 내부식성 소재들을 사용하는 것이 커플링 계면설계에 도움이 된다. (스테인리스 강철을 제외한)강철 소재는 프레팅 마모에 취약하기 때문에 탈착횟수가 작은 용도에만 국한하여 사용해야 한다.