■ 기어
가. 기어의 종류
기어란 동력을 전달하는 장치로서 힘의 방향과 속도를 바꾸는 역할을 하고 한쌍의 기어에서 작은 것을 피니언(Pinion), 큰 것을 기어라고 칭하며 상대기어의 위치와 회전방향에 다라 일반적으로 다음과 같이 그 종류를 분류하고 있다.
1) 스퍼기어(Spur Gear)
스퍼기어는 축에 붙어 있는 면이 평행하게 잘려진 톱니를 갖는 표면이 원통, 휠(Wheel) 또는 디스크(Disk)인 기어를 말한다. 스퍼기어는 산업기계에 널리 사용되고 있으며 평범한 조건에서 작업되고 완만한 속도와 보통 압력으로 톱니에 의해 작동된다. 스퍼기어는 회전축의 움직임이 율동을 갖는 타원형 기어나, 회전이 때때로 끊기는 기어와 움직임이 잠시 멈춰 공백상태를 갖는 기어등 여러가지의 변형이 있다.
2) 랙과 피니언기어(Rack and Pinion Gear)
평평한 톱니받침 위에 톱니바퀴가 맞물리는 스퍼기어의 변형으로서 왕복운동을 하는 특징을 가지고 있다.
3) 헬리컬리어 (Helical Gear)
이 나선형 기어는 톱니를 원통에 새겨 놓은 점에서 스퍼기어와 공통점이 있으나 스퍼기어나 축과 평행하게 톱니에 갖고 있는 것과는 달리 원통주위의 톱니가 나선형이다.
4) 헤링본기어(Herringbone Gear)
헤링본 기어는 나선형이 아니고 직선을 갖는 것을 빼고는 헬리컬기어와 공통점을 가지고 있으며, 톱니는 양쪽이 갈매기형을 나타낸다. 일반적으로 나선형기어와 헬링본기어는 평행한 축으로 사용된다. 헤링본형에서는 양쪽 직선의 끝을 갈아서 나선형 톱니로 한다. 헤링본기어는 일반적으로 윤활유가 사용 가능한 밀폐형으로 쓰여진다.
5) 직선베벨기어(Straight Bevel Gear)
직선베벨기어의 톱니는 원형 끝에 의해 움직일 수 있도록 각도있게 잘려져 있다. 이 기어의 양축이 서로 교차되는 각도로, 축사이의 움직임으로 사용되고 이것은 통상 서로 마주보이는 위치에서 90。각도의 축이 이루어진다.
6) 스파이럴 베벨기어(Spiral Bevel Gear)
이 기어는 역시 평행하지 않은 축에 사용되며 이 기어의 톱니는 거의 곧은 나선형이라는 점이 특징이다.
7) 내부스퍼기어와 피니언(Internal Spur Gear and Pinion)
고리모양의 이 기어는 톱니가 평행인 점에서 스퍼기어와 비슷하나 테두리 쇠의 톱니가 안쪽으로 나있고, 짝인 작은 톱니바퀴는 표준기어이다. 이 형의 기어는 트렉터 등에 사용되고 있다.
8) 윔기어(Worm Gear)
이 기어는 나사바퀴와 나사의 두 부분으로 되어 있으며 나사는 나사못과 같은 모양을 가지고 있다. 실제로 나선형 기어의 특수한 형이고 톱니는 나선줄로 되어 있다. 나사는 대개가 강철로 제조되며 나사바퀴는 나사표면에 부분적으로 나선줄이나 곡선형을 제외하고는 나선형 기어와 공통성이 있고 좋은 베어링성질을 갖는 청동종류로 제조하는 것이 효과적이다. 나사는 정상적으로 돌고 나사기어의 속도는 너트에 나사못을 끼는 것과 같이 매우 작다. 기어톱니 나선줄의 쐐기같은 움직임으로 이 형의 기어조작은 매우 쉬운 편이며 느린속도를 갖는다.
9) 하이포이드기어와 퍼니언(Hypoid Gear & Pinion)
이 기어는 서로 다른 면에서 직각의 축 사이에서 힘을 전달하기 위해 사용되며, 톱니는 쌍곡선 모양을 가지고 있다.
이 기어의 작동은 아주 큰 전형적인 스파이럴 베벨기어와은 대조적이다. 쌍곡선 톱니는 작은 톱니바퀴와 링기어 사이의 톱니 움직임이 길이로 미끄러지듯하며, 쌍곡선기어에서 이 미끄러지는듯한 톱니사이의 움직임은 톱니의 높은 압력으로 씻어내는 효과 때문에 무거운 하중에 견딜 수 있는 윤활제의 선택이 필요시된다.
■ 기어의 윤활기구
1) 기어의 맞물림 상태
기어에는 여러가지 형태의 것이 있고 각각 맞물림면의 상태는 어느정도의 차이가 있다. 평기어에서의 접촉점의 이동은 구동기어(소기어)의 이 뿌리에서 시작하여 이끝으로 이동하고 이끝에서 끝나게 된다. 반대로 縱動기어(大기어)에서는 이끝에서부터 시작되어 이뿌리에서 끝난다. 그와 같이 접촉점이 이동하는 속도는 이뿌리에서는 작고 이끝에서는 크게 되며 치형에 따리서 미끄럼을 발생한다. 피치(Pitch)점에서 미끄럼 속도가 0이 되고 구름만의 접촉이 있다. 미끄럼 방향에서 보면 치형에 따라서만 미끄럼이 작동하는 것과, 치형, 치근방향의 두개의 미끄럼이 작용하는 것 등 2종류로 대별된다
① 치형에 따라서만 미끄럼이 작용하는 것
평기어와 같이 치형방향의 미끄럼만을 수반하는 기어에서 볼 수 있다.
② 치형과 치근방향의 두가지 미끄럼이 작용하는 것
윔기어 및 하이포이드기어가 여기에 속하며 윔기어를 예로 살펴보면, 맞물림은 휠기어에서는 이끝에서 치방향으로, 윔기어에서는 회전에 따른 쐐기를 박는 듯이 미끄러져 들어가서 치면을 누르며 접촉은 반대로 치에서 이끝으로 이동한다. 그렇지만 이의 맞물림은 꼬임상태로 되어 치형방향 외에 치근방향의 미끄럼이 발생한다.
2) 기어의 종류에 따른 유막형성
유막의 형성관계는 전술한 바와 같이 기어의 종류에 따라 미끄럼방향이 서로 다르며 매우 복잡하다. 그래서 평기어에는 치의 접촉선의 이동방향과 미끄럼방향이 같은 방향을 나타내고 있다. 그러나 치합(맞물림)부터 피치점까지는 대기어의 치면이 상대방 치면에 대해 회전하면서 치면에 묻는 오일을 끌어들인다.
피치점에서는 구름만이 유막을 형성하며 피치점보다는 소기어의 기어가 회전하면서 밀려들어가며 같은 치면에 묻은 오일을 맞물림면(치합면)에 끌어넣어 유막을 형성하는 것으로 비교적 유막의 형성이 용이하다.
치가 山모양 혹은 斜形(사형)인 기어에는 치의 접촉선이 치면을 사선방향이 되어 미끄럼방향과 어느 각도(Helical angel)를 이루기 때문에 유막의 형성은 평기어에 비하여 약간 어렵다.
그러나 하중의 변화가 점진적으로 상승하면 하중분담치수가 평기어에 비해 많으며 유막의 유지가 용이하고 실질적으로 평기어의 경우와 별차이가 없다.
웜기어의 경우에는 유막형성관계는 전혀 다른 관계를 가지고 있다. 윔기어의 주속도가 휠기어의 주속도에 비해 매우 빠른 경우이다. 그것은 치근방향으로의 미끄럼속도가 큰 것을 의미하는 것이다. 또 접촉개소의 이동방향과 거의 직작방향으로 치근방향의 미끄럼운동이 이루어지지 않기 때문에 형성되는 유막은 즉시 배제되며 떨어져 나가는 상태로 되기 때문에 유막의 형성은 매우 곤란하다.
3) ηV/P의 PVT치와 윤활유의 관계
미끄럼 맞물림면에 있어서 마찰계수를 μ, 미끄럼속도를 V, 윤활유의 점도를 η이라 하면 ηV/P와 μ사이에는 그림2.18에 표시한 바와 같은 관계가 성립한다.
기어에 있어서 하중P의 값이 크면 유체윤활을 하는 것이 매우 곤란할 때가 많다. 그렇지만 적을 경우 ηV/P값이 적을 경우에는 경계윤활상태로 되어 유막파단에 의한 금속접촉을 일으키며 융착마모를 일으키는 원인이 된다. 그렇지만 저속•중하중인 기어에는 고점도의 윤활유를 선택한 필요성이 있다. 기어의 경우에는 여러가지 요소가 영향을 끼치며 그림2.18에 표시한 바와 같이 직선관계가 되지 않는 경우도 있다.
융착마모를 일으키는 원인도, 유막의 파단은 여러가지 조건에 따라 치접촉면에 발생되는 열 때문에 생기는 것이며 또 미끄럼면에 발생하는 열은 ηPV치로 표시되고 PV치의 대소가 치면손상의 위험척도로 사용된다.
AGMA에서는 순광유로 윤활한 경우의 위험을 표시하는 척도로서 PVT치=1.5×106 이 설계의 한도이다.
T는 피치점에서 치합점(맞물림점)까지의 거리이다.
■ 기어의 마모
기어의 마모는 크게 나누어 다음과 같이 분류할 수 있다.
1) 정상마모
2) 이상마모
① 접촉응력에 따른 재료의 항복 또는 피로에 의한 것
② 유막파단에 의한 고체접촉에 의한 것
③ 화학적 부식에 의한 것
기어의 이상마모는 윤활유의 부적정에 의한 것, 윤활유 이상의 원인에 의한 것(예들들면 조립시 중심선이 어긋남, 축의 힘, 가혹한 하중, 설계의 오차, 오일중의 불순물 등)이 있다.
그러므로 그 원인에 대해서는 종합적으로 검토하는 것이 바람직하다.
① 의 경우 : 직접적으로 윤활유의 종류에는 영향이 없으며 미끄럼을 수반하는 구름접촉에 의한 기어재질의 전동피로현상에서 생기지만 점도를 올려줌으로써 어느 정도 억제 가능하다.
② 의 경우 : 하중, 미끄럼속도 또는 윤활유중의 이물질등이 원인으로, 유막이 파단되고 직접 금속이 접촉하여 융착마모를 일으키는 것이다.
③ 의 경우 : 극압첨가제가 들어있는 윤활유는 기어재질과의 반응에 의해 파단압력이 적은 무기물피막을 만들어 녹아붙음이나 마모를 줄이는 것이 있으나 첨가제의 종류에 따라서는 반응의 촉진, 부식에 의한 마모를 초래하는 것도 있다.
■ 기어의 치면손상
1) 정상마모(Normal Wear)
기어가 회전하면 치면에 윤활제가 충분히 공급되더라도 장기간중에 경미한 마모가 완만히 진행되며 치면의 연삭이나 절삭 모양이 점차로 마모된다. 그러나 그 정도는 기어의 성능이나 수명에는 거의 악영향을 미치지 않으며, 도리어 치면의 맞물림이 잘되도록 안정된 작동을 하는 것과 같다.
2) 리징(Ridging)
치면의 외관이 삼나무 무늬 또는 魚尾(어미)와 같은 미세한 홈과 퇴적상이 마찰방향과 평행으로 거의 동일한 간격으로 된 것이 특징이다.
이 현상은 극대하중이 걸려 윤활이 불량한 경우에 치면이 소성유동하여 미끄럼 방향으로 평행한 고상의 요철이 발생하는 것이 있으며 특히 치면의 가공변화가 큰 경우에는 심한 파손이 원인이 되기도 한다.
3) 리플링(Rippling)
위의 리징은 摩耗跡(마모적)이 접동방향과 평행하게 되지만 리플링은 접동방향과 직각으로, 잔잔한 파도 혹은 鱗狀(린상)의 모양이 되며 소성항복의 일종이다.
이 현상은 윤활분량이나 극대하중 또는 진동등에 의해 치면에 스틱슬립(Stickslip)을 일으켜 리플링이 되기 쉽다.
4) 긁힘(Scratching)
치면간에 마모분, 먼지 그 밖의 고형물 입자가 침입하여 마모방향에 크게 손상되는 현상을 말한다. 이 현상은 기어의 성능에 큰 손상은 없으며, 진행성도 없고, 표면적인 것이라고 생각해도 무관하다. 그러나 이 현상이 발생하는 것은 기어나 윤활제가 마모분 등이 고형물에 오염되어 있음을 표시하는 것으로서 기어를 세척하고 윤활제를 교환할 필요가 있다.
5) 스코어링(Scoring)
고속•고하중기어에서 치면의 유막이 파단되어 국부적으로 금속접촉이 일어나 마찰에 의해 그 부분이 용융되어 뜯겨나가는 현상으로 摩耗跡은 활동방향에 생긴다. 심한 경우는 운전불능을 초래하기도 하며 일명 스커핑(Scuffing)이라고도 부른다. 이 현상을 방지하는데는 軸의 부착, 치면의 다듬질 등에도 주의하여야 하지만 치면에 걸린 하중과 접동속도에 적합한 점도 및 극압성을 가진 윤활유를 선정하는 것도 매우 중요한 것이다.
6) 피팅(Pitting)
치면에 높은 압력이 반복작용된 결과 치면상에 국부적으로 疲勞(피로)된 부분이 박리되어 작은 구멍을 발생하는 현상을 말한다.
그 원인으로서는 두가지 경우로 생각할 수 있으며 하나는 초기피팅이라 형 운전초기에 치의 피치라인 부근에 많이 발생하는 것으로서 치면의 거칠음, 윤활유의 점도, 접동속도 등에 기인된다. 치의 표면으로부터 진입하는 미세한 틈으로, 비교적 적은 扇형(선형)의 박리를 발생하는 것이 특징이며 대부분의 경우 별로 진행발전되지 않고 성능에도 영향을 미치지 않는다.
또 다른 하나는 破壞(파괴) 피팅이라고 부르는 것으로서 불규칙한 큰 형상의 박리를 발생하는 것으로, 표면으로 부터의 틈은 수반치 않으며 한 개소에 박리가 발생하면 그 주변으로 진전되어, 결국에는 운전불능의 위험성을 초래한다.
이 현상은 윤활유의 성상, 치면의 거칠음 등에는 거의 무관하다. 표면이 경화된 기어에서 경화층이 얇아지면 이와 같은 현상이 일어나기 쉽다.
7) 스폴링(Spalling)
피팅과 같이 치면의 국부적인 피로현상에서 나타나지만 피팅보다 약간 큰 불규칙한 형상의 박리가 발생하는 현상을 말한다. 그 원인으로서는 치면의 표면 표면에 있는 재료의 결함과 열처리에 기인한 과잉내부압력의 발생등에 의한 것이라고 생각된다. 열처리하여 표면경화된 기어등에 발생하기 쉽다.
8) 부식(Currosion)
윤활제중에 함유된 수분, 산분, 알칼리성분 그 밖의 불순물에 의해 치면의 표면이 화학적으로 침해되는 현상을 말하며, 부식을 일으키게 되면 기계가공 특유의 광택을 잃고, 표면 거칠음을 발생하며 높은 온도의 분위기에서의 운전, 해수, 부식성산 등과의 접촉이 많은 경우에는 이와 같은 현상이 발생하기 쉽다. 또 윤활유의 중의 극압첨가제의 기어재질과 반응해서 피막을 형성하지만 그것도 일종의 부식이며 극압첨가제의 질이나 양이 적합치 않을 경우는 문제가 되기도 한다.
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