기어박스 소음의 원인 및 제안된 해결 방안

기존에는 기어 감속기 성능을 평가하는 세 가지 주요 요소로 하중 용량, 피로 수명 및 작동 정확도를 들며, 종종 전달 소음은 간과되어 왔습니다. 그러나 ISO 14000 및 ISO 18000 표준이 차례로 제정됨에 따라 기어 감속기의 전달 소음 제어의 중요성이 점점 더 뚜렷해지고 있습니다. 산업 발전과 수요는 기어 감속기의 전달 오차에 대해 더욱 엄격한 요구사항을 제시하며, 소음 제어에 대해서도 높은 수준의 요구를 하고 있습니다.

현재 속도 감속기 기어박스의 소음을 유발하는 요인들은 내부 및 외부 맞물림 기어의 설계, 제조, 설치, 사용 및 유지보수 등 여러 측면에서 분석할 수 있습니다.

설계상 원인 및 대책

1. 기어 감속기 내부 기어의 정밀도 등급

기어 감속기를 설계할 때 설계자들은 종종 경제적 요소를 고려하여 기어 정밀도 등급을 가능한 한 경제적으로 결정하곤 하지만, 정밀도 등급이 기어의 소음과 백래시(backlash)를 나타내는 지표라는 점을 간과하는 경우가 많다. 미국 기어 제조자 협회(GMA)는 광범위한 기어 연구를 통해 고정밀 기어가 저정밀 기어보다 훨씬 낮은 소음을 발생시킨다는 것을 입증하였다. 따라서 조건이 허락한다면 전달 오차와 소음을 모두 줄이기 위해 기어 정밀도 등급을 최대한 높여야 한다.

감속기 내부의 기어 폭

감속기의 전달 공간이 허용할 경우, 기어 폭을 증가시키면 일정한 토크 하에서 단위 부하를 줄일 수 있다. 이는 톱니의 처짐을 감소시키고, 소음 유발 요인을 낮춰 결과적으로 전달 소음을 줄이는 데 기여한다. 독일의 H. Opaz가 수행한 연구에 따르면, 일정한 토크 조건에서 작은 톱니 폭은 큰 톱니 폭보다 더 높은 소음 곡선 기울기를 나타낸다. 기어 폭을 증가시키면 기어의 하중 지지 능력도 향상되어 감속기의 토크 용량을 개선할 수 있다.

3. 감속기 내부의 톱니 피치 및 압력 각

작은 톱니 피치는 동시에 더 많은 톱니가 접촉하도록 하여 기어 오버랩을 증가시키고, 개별 기어의 처짐을 줄이며, 전달 소음을 낮추고 전달 정밀도를 향상시킨다. 압력 각이 작을수록 기어 접촉 각과 측면 중첩 비율이 커져 작동 소음이 낮아지고 정밀도가 높아진다.

4. 감속기 내부의 기어 수정 계수 선택

수정 계수를 정확하고 합리적으로 선택하면 중심 거리를 조정할 수 있을 뿐라, 기어 언더컷을 피하고 동심도를 보장하며, 기어 전달 성능을 향상시키고, 허용 하중을 증가시키며, 기어 수명을 연장할 수 있을 뿐라, 백래시, 온도 상승, 소음을 효과적으로 제어할 수도 있다. 폐쇄형 기어 장치에서, 경도가 350 HBS 이상인 경화 처리된 이의 표면을 가진 기어의 주요 손상 형태는 이뿌리의 피로 파괴이다. 이러한 유형의 기어 장치 설계는 일반적으로 굽힘 피로 강도를 기준으로 한다. 변위 계수를 선택할 때는 맞물리는 기어의 굽힘 강도가 동일하도록 해야 한다. 이의 표면이 연질인 기어(경도 <350 HBS)의 경우 주요 손상 형태는 피로 피팅(피치)이다. 이러한 유형의 기어 장치 설계는 일반적으로 접촉 피로 강도를 기준으로 하며, 변위 계수를 선택할 때는 가능한 한 높은 접촉 피로 강도와 긴 피로 수명을 보장해야 한다.

변위 계수를 합리적으로 선택하기 위한 제약 조건은 다음과 같다.

(1) 절삭하는 기어가 언더컷(undercut)이 발생하지 않도록 해야 한다.

(2) 기어 전달의 평탄성을 보장해야 하며, 피치비(overlap ratio)는 1보다 커야 하고, 일반적으로 1.2 이상이어야 한다.

(3) 톱니 끝부분이 일정한 두께를 가지도록 해야 한다.

(4) 한 쌍의 기어가 맞물릴 때, 한 기어의 톱니 끝 인벌류트 곡선이 다른 기어의 톱니 근원부 전이 곡선에 접촉하면, 전이 곡선은 인벌류트가 아니므로 두 톱니 프로파일 접촉점에서의 공통 법선이 고정된 피치점(pitch point)을 지나지 않게 되어 전달 비율이 변할 수 있으며, 이로 인해 두 기어가 걸릴 수 있다. 이러한 '전이 곡선 간섭(transition curve interference)'은 변위 계수를 선택할 때 반드시 피해야 한다.

5. 감속기 내부의 기어 톱니 프로파일 트리밍(엣지 트리밍 및 루트 트리밍)과 톱니 끝부분의 챔퍼 가공

이끝 부분의 톱니 프로파일은 정확한 인벌류트 곡선보다 약간 볼록한 형태로 절삭된다. 기어 톱니면이 외력에 의해 변형될 경우, 맞물리는 기어와의 간섭을 피할 수 있으며, 소음을 줄이고 기어 수명을 연장시킬 수 있다. 지나친 트리밍은 피해야 하는데, 이는 과도한 트리밍이 톱니 프로파일 오차를 증가시키고 맞물림 특성에 부정적인 영향을 미치기 때문이다.

6. 기어 음향 복사 특성 분석

서로 다른 구조 형식의 기어를 선택할 때, 특정 구조에 대해 음향 복사 모델을 수립하고 동적 해석을 수행하여 기어 전동 시스템의 소음을 사전 평가한다. 이를 통해 사용자의 다양한 요구사항(사용 위치, 무인 여부, 도심지 여부, 지상 또는 지하 건물에 대한 특별 요구사항, 소음 보호 요건, 혹은 기타 특별 요구사항 없음)에 따라 적절한 기어를 선택할 수 있다.

7. 기어 감속기 동력원 작동 속도

기어 감속기의 다양한 속도 조건에서의 시험 결과, 기어 감속기의 입력 속도가 증가함에 따라 소음도 증가하는 것으로 나타났다.

8. 기어박스 외함 구조

실험 연구를 통해 원통형 외함을 사용하는 것이 진동 저감에 효과적임을 확인하였다. 동일한 조건에서 원통형 외함은 다른 유형의 외함보다 평균적으로 5dB 낮은 소음 수준을 보인다. 기어 감속기 외함의 공진 테스트를 수행하여 공진 위치를 파악하고, 적절한 리브(판)를 추가함으로써 외함의 강성을 향상시키고 진동을 줄이며 소음을 감소시킬 수 있다. 다단 변속 장치의 경우 순간적인 전달비 변화를 최소화하여 부드러운 동력 전달과 낮은 충격 및 진동, 저소음을 달성해야 한다.

제조 요인 및 대책

1. 감속기 내부 기어 오차의 영향

이상 제조 오차에는 이의 프로파일 오차, 베이스 피치 편차, 이 방향 오차 및 기어 링의 반경방향 런아웃 오차가 포함되며, 이러한 오차들은 행성기어 감속기의 소음 발생 주요 원인이며, 동시에 행성기어 감속기의 전달 효율을 제어하는 핵심 요소이기도 합니다. 이제 이의 프로파일 오차와 이 방향 오차에 대해 간략히 설명하겠습니다.

이의 프로파일 오차가 작고 이면 조도가 낮은 기어는 동일한 시험 조건에서 일반 기어보다 약 10dB 낮은 소음 수준을 나타냅니다. 이의 피치 오차가 작은 기어는 동일한 시험 조건에서 일반 기어보다 약 6~12dB 낮은 소음 수준을 나타냅니다. 그러나 이의 피치 오차가 존재할 경우 하중이 기어 소음에 미치는 영향은 감소하게 됩니다.

이의 방향 오류는 전달 동력이 이의 전체 폭에 걸쳐 전달되지 않도록 한다. 접촉 영역이 이의 한쪽 끝면 또는 다른 쪽 끝면으로 몰리게 된다. 국부적인 응력 증가로 인해 이가 휘어지게 되어 소음 수준이 증가하게 된다. 그러나 고하중 조건에서는 이의 변형이 이의 방향 오류를 부분적으로 보상할 수 있다.

2. 조립 동심도 및 동적 밸런스

조립 시 정렬 불량은 축계통의 불균형을 초래하며, 기어의 불균등한 맞물림(한쪽은 느슨하고 다른 쪽은 조임)이 소음을 더욱 악화시킨다. 고정밀 기어 구동장치의 조립 시 불균형은 전달 시스템의 정확도에 심각한 영향을 미친다.

3. 감속기 내 기어 표면 경도

기어 경화 기술의 발전으로 인해 높은 하중 지지 능력, 소형, 경량, 높은 전달 정밀도를 갖춘 기어의 응용 범위가 점점 더 넓어지고 있다. 그러나 경화된 톱니면을 얻기 위해 사용되는 침탄 경화 공정은 기어의 변형을 유발하여 기어 전달 소음 증가 및 수명 단축을 초래한다. 소음을 줄이기 위해 톱니면은 정밀 가공이 필요하다. 현재 전통적인 기어 연마 방법 외에도 경화된 톱니면을 긁어내는 방법이 개발되었다. 이 방법은 톱니끝과 톱니뿌리를 수정하거나 구동기어와 피동기어의 톱니형상을 축소함으로써 기어의 맞물림 및 해제 충격을 줄여 기어 전달 소음을 감소시킨다.

4. 변속기 시스템 성능 검증

부품의 가공 정밀도와 조립 전 부품 선정 방법(완전 호환성, 그룹 선별, 단일 품목 선별 등)은 조립된 시스템의 정밀도 수준에 영향을 미치며, 소음 수준 또한 이 영향 범위에 포함된다. 따라서 조립 후 다양한 시스템 지표를 검증(또는 보정)하는 것은 시스템 소음을 제어하는 데 매우 중요하다.

설치 원인 및 대책

1. 진동 감소 및 차단 조치

기어박스 설치 시, 기어박스 본체와 기초 지지대 및 연결 부품 간의 공진(resonance)이 발생하지 않도록 최대한 피해야 하며, 이는 소음 발생을 방지하기 위함이다. 공진은 특정 속도 범위 내에서 기어박스 내 하나 이상의 기어에서 자주 발생한다. 설계상 이유 외에도, 무부하 테스트 중 공진 위치를 파악하지 못하고 이에 상응하는 진동 감소 또는 진동 격리 조치를 취하지 않은 것이 직접적인 원인이다. 낮은 전달 소음과 진동을 요구하는 일부 기어박스의 경우, 소음을 줄이고 진동을 감소시키기 위해 고강성 및 고감쇠 특성을 가진 기초 재료를 선택해야 한다.

2. 부품 기하학적 정확도 조정

설치 시 기하학적 정확도가 표준 요구사항을 충족하지 못하면, 기어박스 부품의 공진이 발생하여 소음이 유발될 수 있다. 이는 설치 공정 개선, 공장 설비(툴링) 증대 및 조립 작업자의 전체적인 품질 보장을 직접적으로 관련된다.

3. 느슨한 부품

설치 중에 베어링 프리로드 메커니즘, 샤프트 위치 고정 장치 등과 같은 개별 부품이 느슨해지면 시스템의 정확한 위치 결정 불가, 비정상적인 맞물림, 샤프트 이동, 진동 및 소음이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 메커니즘 간 안정적인 연결을 보장하고 다중 연결 방법을 활용하는 구조적 설계 접근이 필요합니다.

4. 손상된 변속 장치 부품

설치 과정에서 부적절한 조작은 변속 장치 부품을 손상시켜 시스템의 움직임이 부정확하거나 불안정해질 수 있으며, 고속으로 움직이는 부품의 손상은 오일 필름 진동을 유발할 수 있고, 인위적 오류는 회전 부품의 동적 불균형을 초래할 수 있습니다. 이러한 모든 원인은 설치 시 신중하게 고려되어야 하며 피해야 합니다. 복구가 불가능한 손상 부품은 반드시 교체하여 시스템의 안정적인 소음 수준을 확보해야 합니다.

사용 및 유지보수 시 원인 및 대책
감속기의 올바른 사용과 유지보수는 시스템 소음 수준을 줄이거나 전달 정확도를 보장할 수는 없지만, 성능 저하를 방지하고 수명을 연장할 수 있습니다.

1. 내부 청소

감속기 내부 부품의 청결도는 정상적인 작동을 위해 매우 중요합니다. 이물질이나 오염물질이 유입되면 전동 시스템에 영향을 미치거나 손상을 일으켜 소음 발생의 원인이 될 수 있습니다.

2. 작동 온도

과도한 온도 상승으로 인한 부품의 변형을 방지하고 기어의 적절한 맞물림을 보장하여 소음 증가를 막기 위해 감속기가 정상 온도에서 작동되도록 하십시오.

3. 수시로 윤활 및 올바른 오일 사용

윤활이 부적절하거나 윤활 그리스를 잘못 사용하면 감속기의 막대한 손상을 초래할 수 있습니다. 고속 운전 시 기어 이의 마찰로 인해 많은 열이 발생합니다. 부적절한 윤활은 기어 이의 손상으로 이어져 정밀도에 영향을 주고 소음을 증가시킵니다. 설계상 기어 페어에는 적절한 클리어런스가 필요하며(맞물리는 기어의 비작업 표면 사이의 간격으로, 열 변형을 보상하고 윤활 그리스를 저장하기 위함) 올바른 윤활 그리스의 사용과 선택은 안전하고 효과적인 시스템 작동을 보장하며 열화를 늦추고 소음 수준을 안정화시킬 수 있습니다.

4. 감속기의 올바른 사용

감속기를 올바르게 사용하면 부품의 손상을 최소화하고 소음 수준을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 감속기의 소음은 하중이 증가함에 따라 커지므로 정상 하중 범위 내에서 사용해야 합니다.

5. 정기적인 점검 및 유지보수

정기적인 유지보수(오일 교체, 마모된 부품 교체, 느슨한 고정장치 조임, 내부 잔해 제거, 부품 간극을 표준 값으로 조정 및 기하학적 정확도 검증 등)는 감속기의 소음 수준 저하에 대한 저항성을 향상시키고 안정적인 운전 조건을 유지할 수 있다.

감속기 전달 소음 제어는 기어, 하우징, 연결 부품, 베어링 등으로 구성된 전달 시스템의 설계, 제조, 설치, 사용, 유지보수, 심지어 교체에 이르는 전체 과정을 아우르는 체계적인 프로젝트이다. 이는 설계자와 제조업체뿐 아니라 설치자, 사용자 및 유지보수 담당자에게도 다양한 요구를 하며, 이들 중 어느 하나라도 효과적으로 관리되지면 기어 전달 소음 제어는 실패하게 된다.