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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 이러한 치면 온도 상승을 억 제 하기 위 한 방안으로서 플라스틱 기 어 치형 내부의 치중심선상에 구멍을 내거나 강철핀을 삽입함으로써 히스테리시스 열손실을 줄이거나 응력집중을 방지하고 발생한 열을 치면 전체와 주변으로 확산시키는 설계방법을 제시하고 기어 내구성 실험연구를 수행하여 그 효과를 살펴보았다.
- 수명에 지대한 영향을 주게 된다. 이러한 치면 온도 상승에 가장 큰 영향을 주는 것으로 알려진 하중, 미 끄럼속도에대 하여 살펴 보았다.
제안 방법
- m!2, 또는 m/4, 즉 1.0mm와 0.5mm 두 가지, 그리고 구멍 중심의 위치는 피치원과 기초원 두 가지를 고려하였다. 예비실험 결과 피치 원상에 반지름 0.
- Solid 피니언, Hole 피니언, 그리고 Insert 피니언에 대하여 총회전수 1x10, 회전에 이를 때까지 기어 내구성 실험을 수행한 후 비마멸량 변화, 치면 온도 변화, 그리고 나일론피니언의 수명변화를 비교, 분석하였다.
- 내열 성이 뒤떨어지는 나일론피니언의 치면 온도변화와 마멸발생과의 상관관계를 알아보기 위하여 Fig. 7에 실험경 과에 따른 치 면온도변화를 나타내고 전술한 마멸량변화와 함께 고찰하였다.
- 본 실험은 모든 실험조건 내에서 조기파손이 발생하지 않아야 하는 장기간의 내구실험이므로 플라스틱 피니언 치형내부에 뚫은 구멍의 크기나 구멍 중심의 위치는 예비실험을 통하여 결정하였다. 우선, 구멍의 크기는 모듈(初을 기준으로 하여 m!2, 또는 m/4, 즉 1.
- 시편표면의 불순물을 제거하기 위하여 플라스틱 피니언은 에틸알콜, 강기어는 아세톤에 각각 담가 초음파세척기를 이용하여 세척하고 건조기에서 40°C로 48시간 동안 건조시킨 후 시편의 중량을 계측하고 곧바로 실험에 사용하였다.
- 실험 전후의 플라스틱피니언 시편중량의 변화를 0.0001[g] 단위까지 계측가능한 정밀 전자저울로 측정하여 마멸량을 계산하였다.
- 실험에 따른 피니언재질의 마멸특성의 변화를 파악하기 위해 피니언의 마멸량으로부터 체적마멸량을 구한 후 이 값을 다시 피니언의 잇수, 灵 면의 투영면적, 그리고 총회전수로 나누어 다음과 같이 비마멸량(%)㈣을 계산하고 비교하였다.
- 피니언시편은 기본 제원을 만족하는 원래의 피니언(이하 Solid), 소정의 위치에 구멍을 뚫은 피니언(이하 Hole), 그리고 강철핀을 삽입한 피니언 (이하 Insert)의 세 가지로 나누어 제작하였다.
- 한편, 플라스틱피니언의 피치선상 치면 중앙의 온도를 계측할 수 있도록 Fig. 3과 같이 비접촉식 적외선 온도계를 시험기어상자 상단뚜껑에 설치하고 실험시간 경과에 따른 치면온도변화를 살펴보았다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Fig. 1에 보인 것과 같은 기어 내구성 실험장치를 이용하여 실험을 수행하였다.
- 피니언의 재료로는 나일론과 아세탈, 기어는 SM45C를 각각 사용하여 제작하였으며, 각 시편의 제원은 Table 1에, 피니언재료의 물성치는 Table 2에 각각 나타내었다.
성능/효과
- 따라서, 하중이 작용하여 높은 응력에 노출된 나일론 피니언은 치면온도가 상승함에 따라 나일론의 유리전이온도인"° 50°C보다 낮은 45°C 범위에서도 나일론이 연화되어 소성변형을 일으키면서 마멸이 진행되고 이후 기계적강도가 급격하게 감소하면서 인장측에서 균열이 발생, 성장함으로써 절손되는 것으로 판단된다.
- (1) 나일론피니언의 치형내부에 구멍을 뚫거나 강철 핀을 삽입할 경우, 치면온도가 평균 3~10°C 정도 낮아지면서 마찰마멸특성이 개선됨으로써 나일론 피니언의 마멸량이 30%이상 감소할 뿐만 아니라 수명이 200% 이상으로 증가하여 치면 내구성을 향상시킴과 동시에 피로수명을 연장시키는 것으로 나타났다.
- (2) 반면, 아세탈피니언에 구멍을 뚫거나 강철 핀을 삽입할 경우에는 일부 저하중에서의 실험을 제외하면 원래 그대로의 피니언보다 마멸이 증대되는 것으로 나타났다. 이것은 취성이 강한 아세탈 피니언 치형내부에 구멍을 뚫거나 강철핀을 삽입할 경우 각각 소성변형발생과 강성증대로 인하여 강기어와 과도한 마찰을 일으킴으로써 마멸량이 증대되는 것으로 사료된다.
- (3) 본 연구에서 제안한 플라스틱스퍼기어의내구성향상 방안은 나일론과 같이 내열성이 떨어지고 점탄성인 재료로 만든 플라스틱기어에 적용할 경우 치면 내구성 향상 및 수명증대 효과가 탁월한 것으로 밝혀졌다.
- 또한, Hole 피니언은 작용 하중이 9.8N/mm (Ikgf/mm)일 경우 치면온도 상승량이 Insert 피니언처럼 작지만 하중。 29.4N/mm (3kgf/mm)로 커지면 치면온도가 급격扌 게 높아져서 Solid 피니언 수준에 도달하는 것으로 나타났다.
- Fig. 4에 보인 나일론피니언의 비마멸량을 살펴보면 Solid 나일론피 니 언보다 치형 내부에 구멍을 뚫거나 강철핀을 삽입한 경우에 마멸량이 크게 감소하였으며 작용하중이 클수록 비마멸량의 감소 폭은 더욱 큰 것으로 나타났다.
- Fig. 8과 Fig. 9를 종합하여 보면 Hole 피니언과 Insert 피니언의 경우 Solid 피니언에 비하여 동일하중을 전달할 때 발생하는 치면온도 상승 폭이 감소함으로써 내열 성이 떨어지는 나일론 피니언의 마찰마멸 특성이 대폭 개선되어 비마멸량 증가율이 현저하게 감소하는 등 내구성이 크게 향상된 것으로 나타났다.
- Hole 피니언의 치면온도는 25〜30°C 범위로서 가장 낮았으며 실험 전구간에 걸쳐서 치면 온도변화가 가장 심 한 것으로 나타났다. 따라서, 치형내부의 구멍이 피니언치형의 변형에너지를 흡수함으로써 발열량이 줄어들면서 최고온도가 감소할 뿐만 아니라 변형에너지발생량이 일정하지 못하여 치면온도의 변화도 심한 것으로 판단된다.
- Insert 피니언의 치면온도는 27~33°C 범위에 있었으며 전체 실험구간에 걸쳐서 치면온도가 거의 일정하게 유지되었다. 이것은 전술한 바와 같이 강철 핀의 열전달효과에 의하여 치면온도가 감소하고 치면전체온도가 일정하게 유지되기 때문인것으로 사료된다.
- Solid 피니언에 대한 비마멸량변화를 살펴보면 Hole 피니언의 경우 하중이 9.8N/mm (Ikgf/mm), 19.6N/mm (2kgf7mm), 그리고 29.4N/mm (3kgf7mm) 일 때 Solid 피니언 비마멸량의 75%, 55%, 그리고 40% 수준으로 감소하였고, Insert 피니언의 경우에는 각각 70%, 85%, 그리고 35% 수준으로 감소하였다.
- Solid 피니언의 경우 치면온도는 53~54°C까지 증가하였고 6xl05 회전 후 절손되었으며 실험을 거친 나일론피니언 치면을 육안으로 관찰해 보면 피치선 근처가 모두 심하게 눌리거나 피팅이 발생한 것으로 보아 가혹한 환경에 놓여 있었음을 알 수 있었다. 따라서, 실험 시작 후 단시간 내에 나일론 피니언 치면온도가 나일론재질의 유리 전이온도보다 높아진 후 계속 유지됨으로써 열화된 재질에서 소성유동이 발생하면서 대량마멸을 일으킴과 동시에 기계적강도가 현저하게 감소한 피니언 치면에서 균열이 생성된 후 빠르게 성장하여 조기 절손이 발생한 것으로 판단된다.
- 따라서 , 나일론피 니 언 치형 내부에 구멍 을 뚫, 나 강철핀을 삽입하면 치면온도상승을 억제하는 효과가 있다는 것이 밝혀졌으며, 특히 강철 핀을 삽입하는 것이 구멍을 뚫는 것보다 치면 온도 상승 억제 효과가 보다 우수함을 알 수 있다.
- 특성을 가진다. 따라서, 구멍을 뚫은 아세탈 피니 언은 단면적이 감소하면서 재료 내부에서 소성 유동이 발생하여 치형 전체가 휘어지는 변형이 이루어짐으로써 강기어와의 간섭이 발생하는 등 마찰마멸조건이 악화됨으로써 마멸발생량이 증가하는 것으로 사료된다. 또한, 강철핀을 삽입한 아세탈 피니언의 경우에는 치형 강성이 커짐으로써 하중이 작용하여도 쉽게 변형되지 못하고 상대방강기어와 심한 마찰을 일으키면서 마멸이 심화된것으로 판단할 수 있다.
- 수 있었다. 따라서, 실험 시작 후 단시간 내에 나일론 피니언 치면온도가 나일론재질의 유리 전이온도보다 높아진 후 계속 유지됨으로써 열화된 재질에서 소성유동이 발생하면서 대량마멸을 일으킴과 동시에 기계적강도가 현저하게 감소한 피니언 치면에서 균열이 생성된 후 빠르게 성장하여 조기 절손이 발생한 것으로 판단된다.
- 가장 심 한 것으로 나타났다. 따라서, 치형내부의 구멍이 피니언치형의 변형에너지를 흡수함으로써 발열량이 줄어들면서 최고온도가 감소할 뿐만 아니라 변형에너지발생량이 일정하지 못하여 치면온도의 변화도 심한 것으로 판단된다.
- 증가하였다. 또한, 나머지 두 가지 하중에서처럼 구멍이 뚫린 경우에는 치면온도가 주기적으로 2~3°C 정도 감소하였다가 상승하는 현상을 관찰할 수 있었다.
- 반면, 아세탈피니언은 Fig. 5에 보인 것처럼 치형내부에 변형을 가함으로써 오히려 비 마멸량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 실험시작 전 시험상자 내 공기의 평형온도는 20°C 정도였으며 실험 시작과 더불어 상승하여 25-27°C 범위를 유지함으로써 시험기어 상자 내부의 공기온도와 나일론치면 최고온도는 7~10°C 정도의 차이를 보였다.
- 7(a)에서 최고치면온도는 Solid 피니언> Insert 피니언>Hole 피니언의 순서로 높게 나타났다. 피니언의 치면온도는 실험 시작과 더불어 서서히 상승한 뒤 일정 온도를 유지하는 것으로 나타났다. 이것은 실험시작 후 하중작용에 의하여 치면온도가 상승하다가 마멸 등에 의하여 치형이 변화되면서 접촉압력이 낮아져서 온도상승요인이 줄어들기 때문인 것으로 판단된다.
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