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문제 정의
- 본 연구에서는 서로 다른 회전속도로 운전되는 동력전달용 플라스틱기어의 마멸특성 변화를 연구하기 위하여 플라스틱피니언의 피치선속도로서는 고속영역에 속하는(2) 4m/s인 경우에 대한 내구성실험을 수행하고 그 실험결과를 김충현 등(13)의 연구와 비교하고 마찰마멸특성을 분석하였다.
제안 방법
- 6(a), (b)에 보인 것처럼 피치선속도와 상관없이 회전수가 증가하여도 치면의 마멸깊이는 크게 증가하지 않았다. 그러나, 하중이 19.6N/mm, 29.4N/mm인 경우에는 이가 절손되었으며, 이러한 절손은 한 쌍만의 치형이 물림을 가지는 구간에서 치변하중이 극대화되면서 반생하게 되므로(13) 나일론피니언 치형의 절손위치를 파악하기 위하여 한 쌍의 치형만이 물림을 갖는 단일치접촉 구간의 양쪽 경계위치인 최고 단일치접촉점(Highest Point of Single Tooth Contact, HPSTC)과 최저 단일치접촉점 (Lowest Point of Single Tooth Contact, LPSTC)을 통과하는 원을 표시하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1에 보인 것과 같은 기어내구성 실험장치를 설계, 제작하여 실험을 수행하였다. 이 실험장치는 두 축 사이의 중심거리가 75mm로 고정된 동력순환식 기어실험장치로서 피니언 축에는 토크와 회전수를 측정하는 토크계측기(torque detector)가 설치되어 있다.
- 실험 전후에 피니언의 중량을 측정하여 마멸량을 계측하였고, 투영기(profile projector)를 이용하여 총회전수에 따른 치형변화를 관찰하였으며, 비마별량(specific wear rate)을 바탕으로 하여 플라스틱 피니언의 마멸특성을 고찰하였다.
- 2에 나타내었다. 여기에서는 물림이 시작되는 물림시작점(starting point of action, K), 피치점(pitch point, P), 이끝점(tip of tooth, Ti), 최고 단일치접촉점(H), 그리고 최저 단일치접촉점(L)을 마멸위치 파악을 위한 기준점으로 선정하였다.
- 전술한 피치선속도의 차이에 따른 피니언 치형변화를 보다 자세하게 비교하고 마멸발생 위치를 세부적으로 파악하기 위하여 접촉치면상의 위치에 따른 마멸깊이의 변화를 고찰하였으며 그 결과를 Fig. 7부터 Fig. 2에 나타내었다. 여기에서는 물림이 시작되는 물림시작점(starting point of action, K), 피치점(pitch point, P), 이끝점(tip of tooth, Ti), 최고 단일치접촉점(H), 그리고 최저 단일치접촉점(L)을 마멸위치 파악을 위한 기준점으로 선정하였다.
- 피니언 재질의 운전조건에 따른 마멸특성의 변화를 파악하기 위해서 플라스틱피니언의 마멸량으로부터 체적마멸량을 구한 후 이 값을 다시 피니언의 잇수, 치면의 투영면적, 그리고 총회전수로 나누어 비마멸량(Ws)을 계산하고 비교하였다.
대상 데이터
- 시편 제작과정에서 발생한 불순물을 제거하기 위하여 피니언은 에틸알코올, 강기어(steel gear)는아세톤에 각각 담가 초음파세척기를 이용하여 세척하고 건조기에서 40℃로 48시간 동안 건조시킨후 곧바로 실험에 사용하였다.
- 피니언의 재료로는 나일론과 아세탈, 기어는 SM45C를 각각 사용하여 제작하였으며, 각 시편의 제원은 Table 1에, 피니언재료의 물성치는 Table 2에 각각 나타내었다.
성능/효과
- (1) 아세탈피니언의 경우 퍼치선속도가 3m/s에서 4m/s로 증가함에 따라 마멸량이 감소한 반면 내열성이 떨어지는 나인론피니언은 마멸량이 중가하였을 뿐만 아니라 조기에 파손이 이루어졌다. 이것은 고속운전에 따른 나일론피니언의 고도한 휨으로 상대기어와의 간섭이 발생하면서 고온에 노출되어 기계적강도가 크게 감소하였기 때문이라고 판단된다.
- (2) 아세탈피니언은 접촉치면 전체에서 균일하게 마멸이 발생하였으며 나일론피니언의 경우에는 치형변화는 매우 적었으나, 피치선속도에 상관없이 하중이 19.6N/mm와 29.4N/mm인 경우에 최고 단일치접촉점 부근에서 절손되었다.
- (3) 아세탈피니언과 나일론피니언 모두 전술한 실험조건 내에서 피치선과, 물림시작점 사이의 중간 부분과 이끝부분에서 가장 많이 마멸되었으며 이것은 미끄럼마찰로 인한 전단력과 마찰열의 작용에 의한 것으로 판단된다.
- (4) 파손이 발생하지 않는 하중 범위 내에서는 나일론이 아세탈보다 더 우수한 마멸특성을 보유하고 있으며, 나일론피니언을 사용할 경우에는 단위치폭당 하중과 더불어 회전속도의 크기가 중요한 설계변수가 된다는 것을 알 수 있었다.
- 3(b)와 Fig. 4(b)의 하중이 19.6N/mm인 경우 피치선속도가 4m/s일 때에는 3m/s일 때보다 초기 마멸량이 감소하였으며, 이후 마멸발생량이 지속적으로 감소하여 107 회전이 진행된 후 전체 마멸깊이에서 큰 차이를 보였다. Fig.
- 5(b)와 (c), Fig. 6(b)와 (c)른 보면 나일론피니언의 절손은 피치선속도에 무관하게 하중이 작용하는 치면의 HPSTC에서 발생하여 반대 치면의 피치원(pitch circle) 부근이나 이뿌리쪽을 향하여 진행되는 것으로 나타났다.
- Fig. 2(a)의 아세탈피니언의 피치선속도가 3m/s 인 경우에는 초기 길들이기(break-in) 과정에서 다량의 마멸이 발생한 후 비마멸량이 급격하게 감소한 다음 일정한 감소세를 유지하였으나, 4m/s 인 경우에는 초기마멸량이 상대적으로 매우 작았으며 실험중반부 이후에는 대체로 일정한 수준을 유지하였다. 피치선속도 증가에 따른 아세탈피니언의 마멸량 감소현상은 연강(mild steel)과 미끄럼을 일으키는 아세탈수지의 경우 미끄럼속도가 l~8m/s인 범위 내에서는 미끄럼속도가 증가할수록 연강을 통한 냉각효과의 증대로 마멸체적량이 감소한다는 Mark 등(14)의 연구결과와도 일치한다.
- 또한, 아세탈피니언 비마멸량에 대한 나일론피니언의 비마멸량의 비율은 피치선속도가 3m/s인 경우에는 하중이 9.8N/mm인 경우 15~20% 수준, 나머지 하중에서는 7~10% 수준을 보이는 반면 피치선속도가 4m/s일 때에는 각각 80~90%와 40%수준으로 상승하여 상대적으로 나일론피니언의 마멸량이 증가함을 보여준다. 이러한 실험결과로부터 피치선속도의 변화가 나일론과 아세탈피니언의 비마멸량 변화에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있다.
- 2(b)의 나일론피니언의 경우에는 피치선속도에 상관없이 실험 전구간의 비마멸량이 하중증가율에 거의 선형적으로 비례하여 증가하는 경향을 보였다. 또한, 피치선속도가 3m/s일 때에는 모든 하중값에서 초기마멸이 크게 나타난 후 일정하게 감소하는 경향을 보였으나, 피치선속도가 4m/s인 경우 하중이 9.8N/mm일 때에는 비마멸량이 실험 초기부터 중반부까지 거의 일정한 값을 유지하다가 이후 감소하였고, 하중이 19.6N/mm일 때에는 초기 마멸이 급속히 진전되었다가 감소하면서 파손에 도달하였다.
- 실험 직후 나일론피니언과 맞물린 강기어를 관찰해 보면 피치선속도가 4m/s인 경우 나일론이 더 많이 전이된 것을 볼 수 있었다. 강기어에 전이된 나일론재질이 나일론피니언과 접촉하는 경우에는 마찰계수가 감소하는 효과도 있으나 이보다는 전도율이 낮은 재질간의 접촉에 의하여 발생돤 마찰열의 발산이 어려워지면서 치면온도가 상승함으로써 나일론재질의 열화(degradation를 가속화하게 된다.
- 실험을 거친 나일론피니언의 접촉면 반대쪽 치면을 살펴보면 피치선속도가 3m/s인 경우에는 마찰흔적이 거의 없었으나 피치선속도가 4m/s인 경우에는 하중의 크기와 상관없이 실험에 사용된 모든 나일론피니언의 반대쪽 치면전체에서 마찰 흔적을 볼 수 있었다.
- 8N/mm인 경우 15~20% 수준, 나머지 하중에서는 7~10% 수준을 보이는 반면 피치선속도가 4m/s일 때에는 각각 80~90%와 40%수준으로 상승하여 상대적으로 나일론피니언의 마멸량이 증가함을 보여준다. 이러한 실험결과로부터 피치선속도의 변화가 나일론과 아세탈피니언의 비마멸량 변화에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있다.
- 이상과 같은 기존의 연구결과와 실험 후 피니언치면의 관찰결과를 토대로 하여 실험결과를 분석해 보면, 나일론피니언은 피치선속도가 3m/s에서 4m/s로 증가함에 따라 강기어와의 물성차이에 따른 물림조건의 악화로 인하여 과도한 휨이 발생함으로써 강기어와 간섭현상을 일으키는 것 으로 판단된다.
- 전체적 으로 볼 때 아세탈피니언은 피치선속도에 무관하게 전체 실험구간에서 이가 절손되지 않았으며, 나일론피니언은 아세탈피니언에 비하여 하중에 따른 마멸특성의 변화가 훨씬 작았다.
- 즉, 동일한 총회전수에서 의 비마멸량을 비교하여 보면 아세탈피니언은 피치선속도가 4m/s인 경우에는 초기 비마멸량이 3m/s인 경우의 20% 정도로 대폭 감소한 후 점차 증가하여 50-80% 수준에 도달하였으나 나일론피니언에서는 초기에 파손이 발생한 하중 29.4N/mm인 경우를 제외한 나머지 하중에서 초기 비마멸량이 130% 정도로 증가한 후 실험이 진행됨에 따라 200% 이상으로 계속 증가하였다.
- 치형단면 변화과정에서 나타나는 특징은 피치선속도에 관계없이 나일론피니언보다 아세탈피니언의 마멸이 훤씬 심하다는 것과 두 가지 피니언 모두 피치선속도가 4m/s일 때의 치형이 3m/s일 경우보다 거칠다는 점이다. 피치선속도가 4m/s인 경우의 치형변화가 상대적으로 더 거칠게 나타나는 것은 플라스틱피니언이 고속으로 운전되면서 진동과 이의 과도한 휨이 발생하고 이로 인하여 불규칙한 접촉이 이루어지고 있기 때문인 것으로 사료된다.
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