[논문]산업용 직각형 감속기의 소음 저감에 대한 연구

서홍승; 박성필; 정진태

doi:10.5050/ksnve.2011.21.6.546

문제 정의

이 연구는 스파이럴 베벨기어와 내접 유성기어를 결합한 고정밀 직각형 감속기의 소음 및 진동 원인 분석과 저감 방안에 대해 다루고 있다. 감속기는 기어 잇수비를 통해 모터의 고속/저출력 구동특성을 저속/고출력 구동특성으로 변환하여 큰 힘을 발생시키는 장치로써 산업 전반에 걸쳐 사용되는 기계 요소이다.
이 연구에서는 실험적인 방법을 이용하여 감속기의 소음 원인을 규명하고 구조 변경을 통해 소음을 저감하는 방안에 대하여 강구하였다. 직각형 감속기의 소음 발생 원인은 스파이럴 베벨기어의 가진에 의한 기어물림주파수 18ω가 감속기 하우징의 수직 굽힘 모드의 고유진동수 928 Hz와 일치하여 발생하는 구조공진에 의한 소음임을 확인하였다.
이 연구에서는 직각형 감속기에서 발생하는 진동으로 인한 구조 소음의 원인이 되는 요소를 실험적으로 규명하고 저감방안을 제시하였다. 이를 위해 직각형 감속기의 소음 및 진동 신호 분석실험을 수행하여 감속기 시스템의 주요 가진 주파수와 공진주파수 영역을 분석하였다.

가설 설정

그리고 변형에 영향을 적게 주는 감속기 내부 구성부품과 모터, 각 부품을 결합시키는 볼트 및 너트, 그리고 핀 등을 삭제하여 모델을 단순화시켜 해석 시간을 단축하였다. 삭제된 부품들은 단순 질량으로 가정하여 재료의 물성 치를 실제 감속기 모델과 최대한 같게 하였다.

제안 방법

920 Hz부근에서 발생하는 피크는 감속기의 공진에 의해 발생될 가능성이 크기 때문에, 이를 확인하기 위하여 감속기의 모드 시험을 수행하였다. Fig.
직각형 감속기의 소음 발생 원인은 스파이럴 베벨기어의 가진에 의한 기어물림주파수 18ω가 감속기 하우징의 수직 굽힘 모드의 고유진동수 928 Hz와 일치하여 발생하는 구조공진에 의한 소음임을 확인하였다. 공진을 회피하기 위하여 하우징의 두께 및 폭을 조정하여 감속기의 고유진동수를 변경하였다. 구조 변경을 수행하여 감속기의 최대 소음을 기존의 감속기보다 약 4.
이를 위해 직각형 감속기의 소음 및 진동 신호 분석실험을 수행하여 감속기 시스템의 주요 가진 주파수와 공진주파수 영역을 분석하였다. 공진의 원인이 되는 고유진동수를 판별하기 위해 모드 시험을 수행하였으며 유한요소해석 모델을 이용하여 이를 검증하였다. 마지막으로 구조 변경을 통한 소음 저감 방안을 제시하였다.
하우징의 변형에 가장 중요한 역할을 하는 하우징과 내접 유성치차 본체는 접합(bonded contact)조건을 부여하여 유연체로 모델링하였다. 그리고 변형에 영향을 적게 주는 감속기 내부 구성부품과 모터, 각 부품을 결합시키는 볼트 및 너트, 그리고 핀 등을 삭제하여 모델을 단순화시켜 해석 시간을 단축하였다. 삭제된 부품들은 단순 질량으로 가정하여 재료의 물성 치를 실제 감속기 모델과 최대한 같게 하였다.
공진의 원인이 되는 고유진동수를 판별하기 위해 모드 시험을 수행하였으며 유한요소해석 모델을 이용하여 이를 검증하였다. 마지막으로 구조 변경을 통한 소음 저감 방안을 제시하였다.
해석결과는 수직 굽힘 모드, 수평 굽힘 모드, 비틀림 모드가 각각 1840 Hz, 2097 Hz, 2854 Hz로 증가하였다. 마지막으로 실제 소음이 얼마나 개선되었는지 알아보기 위해 구조 변경된 직각형 감속기에 대하여 소음테스트를 수행하였다. 실험은 앞서 3절과 같은 방법으로 정지된 상태에서 운전속도를 200 rpm단위로 증가시켜 3000 rpm까지 소음 신호를 채집하여 워터폴 플롯을 작성하였다.
일반적으로 모드 시험(modal test)은 고유진동수 및 모드형상과 같은 기계시스템의 고유의 동적 특성을 알아내기 위해서 많이 사용되는 실험적 방법이다. 모드 시험의 방법으로 충격해머를 이용하여 대상에 충격을 가하여 가진력을 입력한 뒤에 출력되는 가속도, 속도, 변위 등을 측정한다. 이때 측정된 신호는 입력(힘)에 대한 출력(가속도, 변위 등)을 주파수 응답 함수(frequency response function, FRF)로 생성하여 기계시스템의 모드 매개변수를 파악하는데 이용된다.
6은 모드 시험을 수행하기 위한 실험 장치 구성도이다. 신호분석 실험과 같은 구속조건을 유지하기 위하여 모터를 장착하고 모터는 정지 상태에서 실험을 수행하였다. 충격해머를 이용하여 정지 상태의 감속기를 가진하고 가장 변형이 클 것으로 예상되는 감속기의 하우징 위에 3축 가속도계를 사용하여 감속기의 진동 신호를 측정하였다.
5 m 떨어진 곳에서 채집하였다. 실험 전 마이크로폰과 가속도계는 각각의 교정기(calibrator)를 통하여 입력 대비 출력에 대한 오차가 없도록 교정을 하였다. 가속도계 및 마이크로폰에서 채집된 신호는 상태증폭기(conditioning amplifier)를 통하여 증폭하고 주파수분석기(pulse multi analyser)를 통해 신호 분석을 수행하였다.
이 연구에서는 직각형 감속기에서 발생하는 진동으로 인한 구조 소음의 원인이 되는 요소를 실험적으로 규명하고 저감방안을 제시하였다. 이를 위해 직각형 감속기의 소음 및 진동 신호 분석실험을 수행하여 감속기 시스템의 주요 가진 주파수와 공진주파수 영역을 분석하였다. 공진의 원인이 되는 고유진동수를 판별하기 위해 모드 시험을 수행하였으며 유한요소해석 모델을 이용하여 이를 검증하였다.
주요 치차의 기어물림주파수와 축의 회전속도를 Tables 1, 2, 3에 정리하였다. 이를 통해 직각형 감속기의 소음 및 진동 신호분석실험에서 얻어지는 신호의 가진원 분석을 수행하였다.
9와 같이 모터의 입력축이 스파이럴 베벨기어를 통해 직각으로 꺾이는 부분의 하우징 직경(x)과 높이(y)를 각각 기존 모델 대비 10 %, 125 % 증가시켰다. 이와 같이 구조변경이 적용된 직각형 감속기의 하우징에 대하여 앞에서와 동일한 방법으로 유한요소 해석을 다시 수행하였다.
직각형 감속기에서 발생되는 소음의 원인을 규명하기 위하여, 감속기가 운전되는 동안에 소음 신호를 채집하여 분석하였다. 일반적으로 소음은 진동과 밀접한 관련이 있으므로⁽⁵⁾진동 신호를 동시에 채집해야 한다.
직각형 감속기의 유한요소 해석 모델을 수립하고 시뮬레이션을 통하여 공진주파수 영역을 회피하는 감속기의 설계변수를 도출하고자 한다. 먼저, 유한 요소 해석 모델의 타당성을 입증하기 위하여 모드 시험 결과와 비교하였다.
신호분석 실험과 같은 구속조건을 유지하기 위하여 모터를 장착하고 모터는 정지 상태에서 실험을 수행하였다. 충격해머를 이용하여 정지 상태의 감속기를 가진하고 가장 변형이 클 것으로 예상되는 감속기의 하우징 위에 3축 가속도계를 사용하여 감속기의 진동 신호를 측정하였다. Fig.
경계조건은 실험과 같은 조건을 구현하기 위해 모터가 장착되는 부분의 변위를 고정하고 나머지 부분에는 자유로운 경계조건을 부여하였다. 하우징의 변형에 가장 중요한 역할을 하는 하우징과 내접 유성치차 본체는 접합(bonded contact)조건을 부여하여 유연체로 모델링하였다. 그리고 변형에 영향을 적게 주는 감속기 내부 구성부품과 모터, 각 부품을 결합시키는 볼트 및 너트, 그리고 핀 등을 삭제하여 모델을 단순화시켜 해석 시간을 단축하였다.

대상 데이터

가속도계는 회전축에 직접 부착할 수 없고 비접촉 센서도 감속기의 구조상 내부에 부착이 불가능하므로 진동이 가장 크게 발생할 것으로 예상되는 하우징 외부에 부착하였다. 소음 신호는 마이크로폰을 이용하여 감속기로부터 0.5 m 떨어진 곳에서 채집하였다. 실험 전 마이크로폰과 가속도계는 각각의 교정기(calibrator)를 통하여 입력 대비 출력에 대한 오차가 없도록 교정을 하였다.

데이터처리

실험 전 마이크로폰과 가속도계는 각각의 교정기(calibrator)를 통하여 입력 대비 출력에 대한 오차가 없도록 교정을 하였다. 가속도계 및 마이크로폰에서 채집된 신호는 상태증폭기(conditioning amplifier)를 통하여 증폭하고 주파수분석기(pulse multi analyser)를 통해 신호 분석을 수행하였다. 감속기의 회전 속도에 대한 정보는 입력 모터의 속도 제어기의 정보를 이용하였다.
직각형 감속기의 유한요소 해석 모델을 수립하고 시뮬레이션을 통하여 공진주파수 영역을 회피하는 감속기의 설계변수를 도출하고자 한다. 먼저, 유한 요소 해석 모델의 타당성을 입증하기 위하여 모드 시험 결과와 비교하였다. 해석모델은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 모드 해석을 수행하였다.
먼저, 유한 요소 해석 모델의 타당성을 입증하기 위하여 모드 시험 결과와 비교하였다. 해석모델은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 모드 해석을 수행하였다. 경계조건은 실험과 같은 조건을 구현하기 위해 모터가 장착되는 부분의 변위를 고정하고 나머지 부분에는 자유로운 경계조건을 부여하였다.

성능/효과

이는 수직 굽힘 모드의 고유진동수가 928 Hz에서 1840 Hz로 변경됨에 따라 모터 회전 속도 3000 rpm에서 기어물림주파수 18ω와 더 이상 공진을 일으키지 않는 것으로 판단된다. 구조 변경 전후의 소음을 살펴보면 최대 운전속도인 3000 rpm에서 구조 변경 전 직각형 감속기의 소음이 65.9 dB(A)이었는데, 구조 변경 후에 61.5 dB(A)로 약 4.4 dB(A)정도의 소음을 저감할수 있었다.
공진을 회피하기 위하여 하우징의 두께 및 폭을 조정하여 감속기의 고유진동수를 변경하였다. 구조 변경을 수행하여 감속기의 최대 소음을 기존의 감속기보다 약 4.4 dB(A)정도 감소시켰다.
7은 가속도계로부터 측정된 진동 신호의 주파수 응답 함수를 중첩시킨 스펙트럼이다. 시스템은 928 Hz, 1198 Hz, 2052 Hz의 고유진동수를 가지며 이들은 하우징의 변형에 의한 것임을 모드분석을 통해 확인하였다. 이를 통해 하우징의 고유진동수 928 Hz가 Fig.
이 연구에서는 실험적인 방법을 이용하여 감속기의 소음 원인을 규명하고 구조 변경을 통해 소음을 저감하는 방안에 대하여 강구하였다. 직각형 감속기의 소음 발생 원인은 스파이럴 베벨기어의 가진에 의한 기어물림주파수 18ω가 감속기 하우징의 수직 굽힘 모드의 고유진동수 928 Hz와 일치하여 발생하는 구조공진에 의한 소음임을 확인하였다. 공진을 회피하기 위하여 하우징의 두께 및 폭을 조정하여 감속기의 고유진동수를 변경하였다.
해석결과는 수직 굽힘 모드, 수평 굽힘 모드, 비틀림 모드가 각각 1840 Hz, 2097 Hz, 2854 Hz로 증가하였다. 마지막으로 실제 소음이 얼마나 개선되었는지 알아보기 위해 구조 변경된 직각형 감속기에 대하여 소음테스트를 수행하였다.

후속연구

감속기는 기어 잇수비를 통해 모터의 고속/저출력 구동특성을 저속/고출력 구동특성으로 변환하여 큰 힘을 발생시키는 장치로써 산업 전반에 걸쳐 사용되는 기계 요소이다. 특히, 이 연구에서 다루고 있는 직각형 감속기는 공간 절약에 유리하고 설계가 편리한 장점을 가지고 있어 컨베이어 시스템, 자동화 장비, 로봇 매니플레이터 시스템 등에 매우 광범위하게 사용되어 진다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2단 감속기는 어떤 시스템인가?	최근에 작업환경의 정숙함이 요구됨에 따라 소음 및 진동 저감이 감속기 개발의 중요한 인자로 대두되고 있다. 특히 2단 감속기는 고정밀 고감속비의 성능을 요구하는 분야에서 널리 사용되는 시스템으로 그 구조가 복잡하고 많은 요소 부품을 가진다. 이러한 구조적 특징은 높은 소음 및 진동을 유발하며, 이로 인해 작업자에게 불쾌감을 주는 것뿐만 아니라 고정밀 시스템에서 진동 제어의 어려움을 초래한다.
	감속기란?	이 연구는 스파이럴 베벨기어와 내접 유성기어를 결합한 고정밀 직각형 감속기의 소음 및 진동 원인 분석과 저감 방안에 대해 다루고 있다. 감속기는 기어 잇수비를 통해 모터의 고속/저출력 구동특성을 저속/고출력 구동특성으로 변환하여 큰 힘을 발생시키는 장치로써 산업 전반에 걸쳐 사용되는 기계 요소이다. 특히, 이 연구에서 다루고 있는 직각형 감속기는 공간 절약에 유리하고 설계가 편리한 장점을 가지고 있어 컨베이어 시스템, 자동화 장비, 로봇 매니플레이터 시스템 등에 매우 광범위하게 사용되어 진다.
	2단 감속기의 구조적 특징이 주는 문제점은?	특히 2단 감속기는 고정밀 고감속비의 성능을 요구하는 분야에서 널리 사용되는 시스템으로 그 구조가 복잡하고 많은 요소 부품을 가진다. 이러한 구조적 특징은 높은 소음 및 진동을 유발하며, 이로 인해 작업자에게 불쾌감을 주는 것뿐만 아니라 고정밀 시스템에서 진동 제어의 어려움을 초래한다. 따라서 감속기의 진동을 제어하고 소음을 저감하는 것은 감속기의 성능 향상을 위해 반드시 해결하여야 할 중요한 과제이다.

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