[논문]풍력발전기용 유성 감속기의 하중 분포 분석

박영준; 이근호; 김정길; 송진섭; 박성하

풍력발전기용 유성 감속기의 하중 분포 분석
Analysis of Load Distribution and Sharing on the Planetary Reducer for Wind Turbines 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.20 no.6, 2011년, pp.830 - 836

박영준 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) , 이근호 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) , 김정길 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) , 송진섭 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) , 박성하 ((주)삼양감속기 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Most of pitch/yaw reducers consist of several planetary geartrains. Planetary geartrains make gearboxes to be small and light, low noise and good efficiency. Most important thing in the planetary geartrain is load distribution on the gear tooth flank. In this study, the effect of output shaft bearings on the load distribution of gear tooth flank has been investigated. The commercial software was employed to compare the load distribution of two models depending on the bearing type. The spherical roller bearing(SRB) and the cylindrical roller bearing(CRB) were used as output shaft bearings in the $1^{st}$ model, and two taper roller bearings(TRB) were used in the $2^{nd}$ model. As a result, it was found that the $2^{nd}$ model. showed better performances on the load distribution of gear tooth flank, this results stated that the output shaft bearing system could be important consideration when designing reducers for wind turbine systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 풍력발전기용 유성 감속기 설계 시 기어의 하중분포에 대한 분석법과 고려사항을 제시하였다. 또한, 감속기 수명에 있어서 하중 분포 분석의 중요성과 베어링 특성에 따른 기어의 하중 분포 변화를 제시하였다.
본 연구에서는 풍력발전기용 감속기의 출력축 베어링이 기어치면의 하중 분포에 미치는 영향을 평가하였다. 상용 소프트웨어를 이용하여 출력축 베어링의 조합이 서로 다른 2개의 모델이 구성되었으며, 그에 따른 하중 분포를 분석하였다.

제안 방법

이 논문에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 유성핀에 작용하는 토크를 분석한 후, 식 (3)을 이용하여 계산하였다. 두 모델에서 유성 캐리어를 60° 간격으로 회전시키면서 정적 조건에서 유성핀에 작용하는 토크를 분석하였다.
대한 분석법과 고려사항을 제시하였다. 또한, 감속기 수명에 있어서 하중 분포 분석의 중요성과 베어링 특성에 따른 기어의 하중 분포 변화를 제시하였다.
본 연구에서는 풍력발전기용 유성 감속기의 출력축 베어링의 종류와 배열에 따른 유성기어의 치면 하중 분포와 유성핀에 대한 하중 분할을 비교 분석하였다. 해석을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
하중 분포에 미치는 영향을 평가하였다. 상용 소프트웨어를 이용하여 출력축 베어링의 조합이 서로 다른 2개의 모델이 구성되었으며, 그에 따른 하중 분포를 분석하였다. 첫 번째 모델은 출력축 베어링으로 구면 롤러 베어링(SRB)과 원통 롤러 베어링(CRB)의 조합이, 두 번째 모델은 2개의 테이퍼 롤러베어링(TRB) 조합이 사용되었다.
상용 소프트웨어를 이용하여 출력축 베어링의 조합이 서로 다른 2개의 모델이 구성되었으며, 그에 따른 하중 분포를 분석하였다. 첫 번째 모델은 출력축 베어링으로 구면 롤러 베어링(SRB)과 원통 롤러 베어링(CRB)의 조합이, 두 번째 모델은 2개의 테이퍼 롤러베어링(TRB) 조합이 사용되었다.

데이터처리

기 어 치 면의 하중 분포는 하중 분포 계수(face load factor), Khs로 평가하였다. 치면의 하중 분포 계수는 식 (2)와 같이 치면의 평균 하중과 최대 하중의 비로서 나타내며, 그 값이 1에 가까울수록 치면의 하중 분포가 균일함을 의미한다.
유성기어의 하중 분할은 하중 분할 계수(mesh load factor),%로 평가하였다. 하중 분할 계수는 식 (3)과 같이 다수의 동력전달 경로에 대한 하중 분할의 불균일함을 나타내며, 그 값이 1에 가까울수록 하중 분할이 균일함을 의미한다.

이론/모형

은 기어의 기준원에서의 평균 하중을 의미한다. KH[i는 ISO 규격의 수식(ISO 6336: method C)을 이용하여 계산할수도 있지만, 이 논문에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 기어치면의 접촉 패턴 해석(ISO 6336: method B)을 통하여 계산하였다 4).

성능/효과

(2) 감속기 출력축 베어링의 종류와 배열에 따라 기어 물림미스얼라인먼트, 접촉 패턴, 하중 분포 및 분할 결과가 모두 다르며, 그로 인하여 기어의 안전 계수도 달라짐을 예측할 수 있었다. 2개의 테이퍼 롤러 베어링을 사용한 모델의 경우, 구면 롤러 베어링과 원통 롤러 베어링 조합을 사용한 모델에 비하여 기어 치면에 작용하는 최대 하중이 작았고, 치폭 방향의 하중 분포도 균임함을 알 수 있었다.
수 있었다. 2개의 테이퍼 롤러 베어링을 사용한 모델의 경우, 구면 롤러 베어링과 원통 롤러 베어링 조합을 사용한 모델에 비하여 기어 치면에 작용하는 최대 하중이 작았고, 치폭 방향의 하중 분포도 균임함을 알 수 있었다. 이러한 현상은 기어의 강도 평가 결과와 수명 예측에도 영향을 미친다.
3개의 유성기어에 의해 생성되는 6개의 기어 물림의 접촉 패턴이 모두 다르며, 각 물림에 의한 치면에서의 하중 분포가 균일하지 않음을 알 수 있었다. 이 그림을 통하여 유성기어의 다수 물림(multiple mesh)에 대한 접촉 특성을 파악할 수 있었다.
구면 롤러 베어링과 원통 롤러 베어링을 사용한 모델은 유성기어트레 인의 각 단별로 하중 분할 계수의 편차가 크며, 하중 분할이 불균일하게 나타났다. 반면, 2개의 테이퍼 롤러 베어링을 사용한 모델은 유성 기어트레인의 모든 단에서 대체로 하중 분할이 균일하게 나타났다.
기어 물림 미스얼라인먼트의 해석 결과, 출력축 베어링으로 2개의 테이퍼 롤러 베어링을 사용하는 것이 구면 롤러 베어링과 원통 롤러 베어링 조합을 사용하는 것보다 미스얼라인먼트의 변동을 더 감소시킬 수 있었다.
기어 치면의 하중 분포 해석 결과, 출력축 베어링으로 2개의 테이퍼 롤러 베어링을 사용하는 것이 구면 롤러 베어링과 원통 롤러 베어링 조합을 사용하는 것보다 기어 치면의 하중 분포를 균일하게 하는데 더 효과적임을 확인하였다. 이와 같이 베어링변경에 따라 기어 치면의 물림 위치가 달라지며, 치면에 작용하는 하중의 크기, 분포 및 작용 면적이 달라진다.
11의 6개의 기어 물림을 보면, 모두 기어 치면의 중앙에 물림이 형성되어 하중이 좌우로 치우치지 않고 중앙에 위치하고 있음을 알 수 있었다. 또한, Fig. 8, Fig. 9와 비교하여 하중을 전달하는 치면 면적이 상대적으로 넓으며, 하중이 기어 치면에 고르게 분포되어 상대적으로 균일함을 확인할 수 있었다. 또한, Fig.
위의 결과를 토대로 기어가 아닌 베어링의 특성을 변경함으로서 기어 특성을 개선할 수 있음을 알 수 있었다. 그러므로 풍력발전기용 감속기의 설계에 있어서 베어링 종류, 배열 등의 특성을 설계 영향 인자로 반드시 고려하여야 한다.
이 표를 통하여 유성 기어트레인의 기어 제원 변경 없이 출력축 베어링의 타입 변경만으로 유성 기어트레인의 하중 분포를 균일하게 만들 수 있으며, 이로 인하여 기어의 안전계수가 향상시킬 수 있을 것으로 판단되었다.
구면 롤러 베어링과 원통 롤러베어링을 사용한 모델(실선)의 경우, 캐리어의 회전 각도에 따라 3개의 유성핀에 작용하는 토크가 사인 커브 형태(sinusoidal- type curve)로 변동함을 알 수 있었다. 즉, 선회 베어링의 링 기어와 유성 감속기의 출력축 피니 언의 물림에 의한 반경 방향의 일정한 하중이 출력축에 작용하고, 이는 캐리어에 반경 방향 하중과 모멘트를 유발하여 캐리어의 회전 각도에 따라 유성기어에 작용하는 토크가 변동하는 것으로 판단되었다.

참고문헌 (12)

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Kim, J. G., Lee, G. H., Park, Y. J., Nam, Y. Y., and Chong, T. Y., 2011, "Study of Load Distribution and Sharing Characteristics of Planetary Geartrain for Wind Turbines," Applied Mechanics and Materials, Vol. 86(2011), pp. 674-679.

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Lee, G. H., Chong, T. H., and Choi, Y. H., 2005, "Study on the Optimal Design for Design Parameter of Planetary Gear Train Using Smulated Annealing," Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 14, No. 1, pp. 58-65.

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Romax Technology Ltd, 2003, RomaxDesigner Software Manual, Nottngham, UK.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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