기어 전동장치의 소음 저감 설계 방법

기어 종류 및 재료

1. 기어 종류

원활한 전달과 낮은 소음을 기준으로 볼 때, 헬리컬 원통기어는 동시에 접촉하는 이가 더 많아 전반적인 맞물림 강성의 변화가 더욱 안정적이다. 따라서 직각 원통기어보다 진동과 소음이 낮을 수 있으며, 때때로 약 12dB 정도까지 낮출 수 있다. 헤링본 기어의 경우 정확한 정렬이 요구되므로, 미세한 오차나 불균일한 마모라도 하중 분포와 전달의 원활함에 영향을 줄 수 있다. 따라서 원통기어 중에서 소음을 줄이기에는 헬리컬 원통기어가 가장 적합하다. 1969년부터 1987년까지, 이집트 카이로에 있는 아인샴스 대학교의 A. 압피아 교수는 인벌류트 헬리컬 기어, 단일원호 기어, 이중원호 기어에 대한 실험 연구를 수행하였다. 그는 이 세 가지 이형상이 서로 다른 하중과 속도 조건에서 발생하는 소음을 비교하였다. 연구 결과에 따르면, 이 세 가지 이형상 중 인벌류트 헬리컬 기어가 소음이 가장 낮았으며, 전달 하중과 작동 속도의 영향을 가장 적게 받았고, 다음으로 단일원호 기어가 그 뒤를 이었으며, 이중원호 기어가 가장 열등한 성능을 보였다.

2. 기어 재료

열처리 및 윤활 방법: 이러한 요소들은 모두 시스템 소음에 영향을 미친다. 일반적으로 댐핑 특성이 우수한 재료를 기어 제조에 사용하면 소음을 줄일 수 있다. 그러나 댐핑 특성이 좋은 재료는 일반적으로 강도가 낮아 모든 상황에서 사용할 수 없다. 예를 들어 페놀 수지와 나일론은 미싱기 등 경공업 기계의 경하중용 기어 제조에만 자주 사용된다. 소음을 줄이기 위해 하중을 받는 강재 기어의 이면에 황화 처리 또는 구리 도금을 적용할 수 있다. 이면의 황화 처리 목적은 마찰 계수를 감소시키는 것이다. 터빈 기어에는 기어 간 접촉 정밀도를 향상시키기 위해 구리 도금이 사용된 바 있다. 기어의 열처리 역시 소음에 영향을 미친다. 예를 들어 담금질 후 기어의 댐핑 특성이 악화되어 소음이 3~4dB 증가한다. 따라서 강도 및 내마모성 요구 조건이 낮은 기어는 담금질이 필요하지 않다. 윤활유와 주입 방법의 영향에 관해서는 일반적으로 유량과 점도가 증가함에 따라 소음이 감소한다고 여겨진다. 이는 윤활유가 댐핑 효과를 가져, 맞물리는 기어 이들의 직접적인 접촉을 방지할 수 있기 때문이다. 오일 밧드 윤활 방식을 사용할 경우 기어 소음은 오일 레벨에 따라 달라지며, 즉 각각의 기어박스마다 최적의 오일 레벨이 다를 수 있다.

기어의 기하학적 파라미터

1. 모듈
큰 하중을 전달할 때, 기어 맞물림의 동적 외란은 주로 기어 톱니의 굽힘 변형에 의해 발생하며, 기어 톱니의 굽힘 강성은 모듈에 비례한다. 따라서 모듈을 증가시키면 기어 톱니의 동적 외란을 줄일 수 있고, 이로 인해 소음을 감소시킬 수 있다. 그러나 작은 하중 또는 무하중 상태에서 전달할 때는 상황이 달라진다. 이때는 기어 톱니의 변형보다 기어 톱니 오차의 영향이 훨씬 더 크다. 따라서 소음에 대한 모듈 크기의 영향을 기어 가공 오차 측면에서 고려해야 한다. 예를 들어, 피치 오차 ΔP는 다음 식으로 구할 수 있다:
δP＝C1 +C2M+C3 (1)
어디
do——기어 피치 원 지름
M——모듈
C1, C2, C3——관련 상수
또한 톱니 형상 오차 Δf는 다음 식으로 계산할 수 있다:
δf＝C4M+C5 (2)
여기서 C4 및 C5는 관련 상수이다.
식 (1) 및 (2)에서 알 수 있듯이, 위의 두 오차는 모듈과 직접적으로 관련되어 있으며, 모듈이 클수록 톱니형상 오차가 커지고 소음도 더욱 증가한다. 따라서 기어 강도가 허용하는 한도 내에서 소량 또는 무부하 전달 시에는 모듈을 가능하면 작게 하는 것이 바람직하다.

2. 기어 톱니수
모듈이 동일하게 유지된다면 톱니수를 변경하면 기어 지름과 기어 표면적도 변하게 된다. 따라서 기어의 소음 복사 면적이 변화하면서 소음에도 영향을 미치게 된다. 일반적으로 소음의 크기는 진동원의 에너지보다는 소음 복사 면적이 주로 결정한다. 음향학 원리에 따라 기어를 원형 판으로 간주할 경우 공기 중으로 복사되는 음파 출력 WR은 다음 식으로 계산할 수 있다.
다음 공식:
(3) 여기서: F——사인 법칙에 따라 변하는 외란력의 실효값
R——원형 판의 지름
o——표면 밀도
p——공기 밀도
ω——각주파수
C——상수
공식 (3)에서 알 수 있듯이, 원판의 지름이 커질수록 소음이 급격히 증가한다. 따라서 기어 설계 시에는 기어 지름을 가능하면 작게 하는 것이 바람직하다. 또한 공식 (1)과 (2)에서 알 수 있듯이, 톱니 피치 오차는 기어 지름과 관련이 있으나, 톱니 프로파일 오차는 지름과 무관하다. 따라서 지름을 줄인다 하더라도 기어 가공 정밀도를 확보하는 난이도가 증가하지 않는다.

3. 톱니 폭
톱니 폭의 변화가 소음 변화를 유발하는 이유는 에너지 감쇠 특성이 다르기 때문이다. 따라서 톱니 폭이 큰 기어일수록 감쇠 성능이 우수하여 소음이 낮아진다.

4. 접촉 비
접촉비를 증가시키는 것: 접촉비를 높이면 기어 전달의 소음을 줄일 수 있다. 첫째로, 접촉비를 증가시키면 한 쌍의 톱니에 가해지는 하중을 줄일 수 있다. 이는 맞물림 및 해제 시 톱니에 가해지는 하중 충격을 감소시켜 기어 소음을 낮춘다. 둘째로, 접촉하는 톱니의 수가 증가하면 단일 톱니 쌍의 전달 오차가 평균화되어 톱니의 동적 여기를 줄일 수 있다. 또한, 기어 소음에 영향을 주는 거의 모든 기어 파라미터는 실제로는 접촉비에 미치는 영향 때문이라고 볼 수 있다. 예를 들어, 접촉비가 1-3인 원통형 기어의 경우, 압력각을 줄이고, 모듈을 줄이며, 덧니 높이를 약간 증가시키는 것은 접촉비가 증가하기 때문에 기어 소음을 감소시킨다. 물론, 압력각을 줄이면 톱니의 유연성이 증가하고 동적 여기도 감소하여 소음 저감에 유리하다.

5. 나사각
나선형 기어는 치아의 한쪽 끝에서 서서히 맞물리기 때문에 맞물리는 충격이 작고 소음이 낮다. 일반적으로 나선각이 커질수록 접촉비가 증가하고 소음은 감소한다. 그러나 나선각이 더 클수록 소음 저감 효과는 더 작아진다. 이는 나선각이 크면 가공 및 설치가 더 어려워져 실제 중첩에 영향을 주기 때문이다.

6. 치형 수정, 성형 및 이동
기어의 실제 작동 상태에서 치아, 구동축 및 기어박스의 변형은 맞물림 중 간섭과 충격을 유발하여 강한 진동과 소음을 발생시킨다. 따라서 진동 및 소음을 줄이기 위해 맞물림 변형을 보상하는 치형 수정, 성형 및 이동을 사용할 수 있다.