축 정렬 불량의 세 가지 유형과 헬리컬 기어에 미치는 영향
이상적인 헬리컬 기어 한 쌍의 기어는 두 축의 중심선이 완벽하게 평행하고 동일 평면(설계 중심 거리)에 있으며 기어 면 폭 사이에 상대적인 축 방향 변위가 없는 상태에서 작동합니다. 이러한 이상적인 조건에서 벗어나면 정렬 불량이 발생하여 접촉 압력 분포가 왜곡됩니다. 정렬 불량은 독립적으로 또는 조합하여 세 가지 유형으로 발생할 수 있습니다.
두 축의 중심선은 평행하지만 설계 중심 거리 C와는 다른 거리만큼 떨어져 있습니다. 실제 중심 거리가 설계 거리보다 작으면 백래시가 감소하고 기어 쌍이 걸릴 수 있습니다. 반대로 중심 거리가 크면 백래시가 증가하고 기어 쌍 간의 하중 분담이 달라집니다. M5 기어 쌍에서 중심 거리 오차가 0.1mm일 경우 백래시는 약 0.07mm만큼 변하는데, 이는 DIN 3967 e/f 등급의 허용 오차 범위 내에 있습니다.
축 중심선이 평행하지 않고 면 폭을 가로질러 수렴하거나 발산합니다. 각도 불일치로 인해 접촉 영역이 치아의 한쪽 끝에 집중됩니다. 즉, 간극이 가장 작은 끝부분이 전달되는 하중을 모두 받게 되고 다른 쪽 끝은 하중을 받지 않게 됩니다. 결과적으로 발생하는 모서리 하중은 접촉 응력을 설계값보다 훨씬 높게 만듭니다. 정밀한 DIN Class 5 규격에서는 0.02mm/100mm 정도의 작은 각도 불일치만으로도 감지 가능한 모서리 하중이 발생할 수 있습니다. 헬리컬 기어.
한 기어가 상대 기어에 비해 축 방향으로 어긋나 있어 두 기어의 면폭이 완전히 겹치지 않습니다. 이러한 불일치로 인해 맞물림 시 유효 면폭이 줄어들어 접촉 응력이 전체 면폭과 유효 맞물림 폭의 비율만큼 증가합니다. 축 방향으로 5mm 어긋난 100mm 면폭 기어의 경우, 유효 면폭은 95mm가 되어 하중 지지력이 5% 감소합니다. 면폭이 10%를 초과하면 노출된 치단 모서리에서 발생하는 모서리 하중이 상당한 피로 집중 현상이 됩니다.
헬리컬 기어의 허용 오차 범위
허용 가능한 각도 오차는 다음과 같습니다. 헬리컬 기어 각도 정렬 불량은 리드 편차와 동일한 접촉 효과, 즉 접촉 영역이 한쪽 면 끝으로 체계적으로 이동하는 현상을 일으키기 때문에 기어의 DIN 리드 편차 허용 오차(Fβ)와 직접적인 관련이 있습니다. 전체 정렬 불량 허용치는 기어의 제조 리드 편차와 하우징으로 인한 정렬 불량을 모두 고려한 후 허용 오차 범위 내에 있어야 합니다.
| DIN 정확도 등급 | 일반적인 Fβ 허용 오차(M5, b=100mm) | 최대 허용 각도 오차 | 최대 중심 거리 편차 |
|---|---|---|---|
| DIN 5등급(연삭, 정밀) | 8 µm | 0.008mm/100mm (8µm/100mm) | 공칭 C에서 ±0.03 mm |
| DIN 클래스 6 (지면, 표준) | 12 µm | 0.012mm / 100mm | ±0.05 mm |
| DIN 7등급(정밀 호빙 가공) | 18 µm | 0.018mm / 100mm | ±0.08 mm |
| DIN 클래스 8 (표준 호빙 가공) | 25 µm | 0.025mm / 100mm | ±0.12 mm |
기어 구동 장치의 레이저 축 정렬 절차
기어 하우징 내경 평행도 검증 — 기어 하우징 내경의 정렬 상태에 따라 실제 각도 오차가 결정됩니다. 헬리컬 기어 한 쌍입니다. 정밀 하우징 가공과 설치 중 레이저 정렬은 모두 Fβ 허용 오차 범위 내에 머무르는 데 기여합니다.
PRÜFTECHNIK ROTALIGN 또는 이와 유사한 레이저 정렬 시스템은 두 평면에서 축의 실제 위치를 동시에 측정하여 수평 및 수직 방향의 평행 오프셋과 각도 오차를 모두 제공합니다. 헬리컬 기어 드라이브 설치 시 정렬 절차는 다음 네 단계를 따릅니다.
정렬 전 소프트풋 체크
측정 전에 기계의 네 발이 모두 바닥에 단단하고 고르게 접촉하고 있는지 확인하십시오. 발 하나가 완전히 접촉하지 않으면 볼트를 조일 때 프레임이 비틀어져 측정 중에 변동하는 것처럼 보이는 반복적인 정렬 불량이 발생합니다. 모든 발에 0.05mm 미만의 쐐기목을 사용하여 틈이 없는지 확인하십시오.
냉간 시 현재 상태를 측정합니다.
레이저 헤드를 양쪽 샤프트에 장착하고 세 위치(9시, 12시, 3시 방향)로 회전시킨 후 시스템이 현재 평행 오프셋과 각도 오정렬을 계산하도록 합니다. 보정 전의 냉간 정렬 상태를 기록합니다. 이는 열팽창 보정을 계산하기 위한 기준선입니다.
열팽창 보정을 적용합니다.
계산된 열팽창 오프셋(하우징 재질 계수 × 중심 거리 × 온도 상승)을 입력하여 시스템이 작동 온도에서 정확한 정렬 상태를 목표로 하도록 합니다. 중심 거리가 200mm이고 온도 상승이 50°C인 주철 하우징의 경우 수직 열팽창은 11µm/m × 0.2m × 50°C = 0.11mm입니다. 이 값은 냉간 정렬 시 미리 보정해야 합니다.
수정 및 검증
레이저 시스템에서 지시하는 대로 심 보정을 적용합니다. 평행 오프셋과 각도 오차가 위 표의 허용 오차 범위 내에 들어올 때까지 재측정합니다. 최종 냉간 정렬 값이 지정된 DIN 등급의 허용 오차 범위 내에 있는지 확인합니다. 헬리컬 기어 쌍으로 작동시키십시오. 부하 상태에서 작동하기 전에 문서화하고 서명하십시오.
리드 크라운 — 잔여 정렬 불량에 대한 엔지니어링 보정
정밀한 레이저 정렬 후에도 작동 부하 하에서의 축 처짐으로 인해 냉간 정렬 측정 시에는 존재하지 않았던 잔류 각도 오차가 발생합니다. 직경 d, 길이 L(베어링 사이)인 기어 축에 접선력 F_t가 전달될 때, 부하 하에서의 각도 처짐은 다음과 같습니다.
θ_편향 ≈ F_t × L² / (3 × E × I) [라디안, 여기서 I = π × d⁴ / 64]
이러한 편향으로 인한 각도 기울기는 접촉 영역을 한쪽 면 끝으로 이동시키는데, 이는 잘못된 설치로 인한 각도 정렬 불량과 정확히 동일한 효과입니다. 리드 크라운(치 리드에 의도적으로 형성된 포물선형 곡선으로, 면 중심이 면 양 끝보다 일반적으로 5~20µm 정도 약간 높게 위치함)은 이러한 편향을 미리 보정합니다. 작동 하중이 가해지면 편향으로 인해 크라운이 형성된 치면이 모서리 접촉이 아닌 면 전체 접촉을 하게 됩니다. 최적의 크라운 크기는 축 형상과 전달 하중을 기반으로 계산된 정격 토크에서의 최대 편향 유발 접촉 이동량과 같습니다. 한국 에버파워는 횔러 연삭 사이클 동안 치 리드에 지정된 크라운 프로파일을 연삭하며, 이는 기어 분석기의 리드 트레이스에서 직선 리드에서 벗어난 부드러운 포물선형 편차로 나타납니다.
커플링 선택과 정렬 불량 보정에서의 역할
모터와 연결부 헬리컬 기어 입력축과 출력부의 커플링은 기계와 기어박스 하우징 사이의 정렬 불량이 커플링에 의해 흡수되는지(정상) 아니면 축을 통해 기어 맞물림으로 전달되는지(부정상)를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 가장 중요한 세 가지 커플링 유형은 다음과 같습니다. 헬리컬 기어 드라이브:
| 결합 유형 | 각도 오정렬 용량 | 축 방향 변위 | 가장 적합한 대상 |
|---|---|---|---|
| 강성 디스크 커플링 | 거의 0에 가까움 — 정렬 불량을 기어 샤프트에 직접 전달합니다. | 거의 0에 가깝습니다 | 레이저를 이용하여 축간 정렬이 DIN Class 5 공차 이내로 확인되는 정밀 고속 구동 장치에만 사용되며, 일반적인 용도의 커플링으로는 절대 사용하지 않습니다. |
| 유연 조/스파이더 커플링 | 1~2° 각도 용량 | 적당한 축 방향 순응도 | 표준 산업용 헬리컬 기어 약간의 정렬 불량이 예상되는 드라이브; 엘라스토머 스파이더의 손쉬운 교체 |
| 기어 커플링(크라운드형 톱니) | 요소당 0.5~1.5° | 일부 축성; 치관에 의해 제어됨 | 토크가 큰 중공업 및 크레인 구동 장치에서, 플렉시블 커플링으로는 정격 토크를 전달할 수 없는 경우에 기어 커플링은 굽힘 모멘트를 전달하지 않고 적당한 축 정렬 불량을 수용할 수 있습니다. 헬리컬 기어 샤프트 |
| 유니버설 조인트(카르단 조인트) | 큰 각도 차이(5~30°) | 슬립 조인트로 연결됨 | 의도적으로 축 오프셋이 큰 구동 장치(압연기 주 구동 장치, 차량 추진축)는 큰 각도에서 축 주파수의 두 배에 해당하는 주기적인 속도 변화를 발생시킵니다. |
한국 에버파워 - 정렬 및 리드 크라운 사양
한국 에버파워는 모든 제품에 대해 필요한 설치 정렬 허용 오차(각도 및 평행도)를 명시합니다. 헬리컬 기어 기어의 DIN 정밀도 등급과 면폭을 기준으로 주문이 결정됩니다. 하중을 받을 때 축의 처짐이 큰 경우, 한국 에버파워는 최적의 리드 크라운 크기를 계산하여 HÖFLER 연삭 장비의 표준 기능으로 톱니 리드에 연삭합니다. 헬리컬 기어 제조업체한국 에버파워는 모든 기어 주문에 대한 엔지니어링 문서에 설치 정렬 공차, 리드 크라운 사양 및 허용 작동 온도 범위를 포함하여 설치 팀이 기어 설치 전에 필요한 정보를 얻을 수 있도록 합니다. 즉, 엣지 로딩 고장이 발생한 후에 정보를 얻는 것이 아닙니다.
자주 묻는 질문
축의 각도 정렬 불량 헬리컬 기어 구동 장치는 기어 톱니의 체계적인 리드 편차 오차와 접촉 효과 측면에서 동일합니다. 기어 형상이 완벽하더라도 면폭 100mm당 0.02mm의 각도 오정렬이 발생하면 접촉 영역은 한쪽 면 모서리로 이동합니다. 이는 Fβ = 20µm인 기어의 경우와 같습니다. 두 효과는 합산됩니다. DIN 클래스 7 기어(Fβ = 18µm 공차)에 0.015mm/100mm의 오정렬로 설치하면 총 유효 리드 오차가 약 33µm가 되어 DIN 클래스 8을 초과합니다. 이로 인해 발생하는 피팅은 제조 과정에서 발생하는 모서리 하중 피팅과 동일하게 보이지만, 정렬 기록 이력을 통해서만 실제 원인을 파악할 수 있습니다.
네, 한계는 있습니다. 리드 크라운이 커지면 접촉면 중앙의 좁은 폭에 접촉이 집중되어 유효 접촉 길이가 줄어들고 접촉 응력이 증가합니다. 재정렬로 수정할 수 없는 0.02mm/100mm의 정렬 불량(예: 하중을 받을 때 하우징의 고유한 휨)의 경우, 15~20µm의 리드 크라운을 지정하면 과도한 접촉 응력 증가 없이 정렬 불량을 적절히 보정할 수 있습니다. M5 기어의 경우 30~40µm를 초과하는 크라운은 접촉 폭 감소로 인해 접촉 응력이 너무 많이 증가하여 리드 분산 효과를 상쇄하게 됩니다. 이러한 정렬 불량 수준에서는 크라운을 늘리는 것보다 정렬 불량을 줄이는 것이 올바른 해결책입니다.
일반적인 바닥 설치형 기어박스에서 기어축은 수평입니다. 하우징과 모터 받침대의 열팽창은 세 축 모두에서 발생하지만, 정렬에 가장 큰 영향을 미치는 것은 수직 방향의 열팽창입니다. 중력이 아래쪽으로 작용하므로 기계의 무게는 바닥 설치부에 실립니다. 수평 방향의 열팽창은 기계가 복원력을 발생시키지 않고 베이스 프레임 위에서 미끄러지는 능력에 의해 흡수됩니다. 그러나 수직 방향의 열팽창은 모터축과 기어박스축의 열팽창이 같지 않을 경우 모터축을 기어박스축에 비해 들어 올려 수직 방향의 각도 정렬 불량을 초래합니다. 상단 설치형 모터 구성은 열팽창의 영향이 다르므로 별도의 분석이 필요합니다.
~을 위해 헬리컬 기어 표준 백래시 등급(DIN 3967 e/f 등급)에서 맞물리는 기어 사이의 축 방향 변위는 기어면 폭의 약 3~5πT까지 허용됩니다. b = 100mm인 경우, 이는 노출된 치면 모서리에서 상당한 응력 집중이 발생하기 전 최대 축 방향 오프셋이 3~5mm임을 의미합니다. 실제로는 맞물림 부위에서 축 방향 변위가 발생하지 않도록 스러스트 베어링이 축 방향 추력을 흡수해야 합니다. 스러스트 베어링이 없는 자유 부동 기어 쌍은 기어 쌍이 축 방향으로 자체 중심을 유지하는 이중 헬리컬(헤링본) 기어에만 허용됩니다.
모든 헬리컬 기어 주문 시 정렬 공차 관련 문서 제공
한국 에버파워는 모든 정밀 헬리컬 기어 주문 시 설치 정렬 공차, 리드 크라운 사양 및 열팽창 지침을 제공하여 설치팀이 고장 발생 후가 아닌 설치 전에 필요한 정보를 얻을 수 있도록 지원합니다.
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편집자: Cxm
