[논문]CRP 시스템의 피팅수명

김창현; 남형철; 권순만

doi:10.7735/ksmte.2012.21.2.283

[국내논문] CRP 시스템의 피팅수명
Pitting Life of CRP System 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.2, 2012년, pp.283 - 289

김창현 (창원대학교 대학원 기계설계공학과) , 남형철 (창원대학교 대학원 기계설계공학과) , 권순만 (창원대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Cam rack pinion (CRP) system which consists of cam rack and roller pinion transforms the rotation motion into linear one. The roller pinion has the plurality of rollers and meshes with its conjugated cam rack. The exact tooth profile of the cam rack and the non-undercut condition to satisfy the required performance have been proposed by introducing the profile shift coefficient. The load stress factors are investigated by varying the shape design parameters to predict the gear surface fatigue limit which is strongly related to the gear noise and vibration at the contact patch. The results show that the pitting life can be extended significantly by increasing the profile shift coefficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 피니언 기어를 핀 또는 롤러로 대체한 CRP시스템의 접촉 표면에서의 내구수명을 평가하고자 전위를 갖는 엄밀치형을 고려하였고, 그 결과는 다음과 같다.
이에 본 논문에서는 CRP 시스템에 대해 전위(profile shift)를 고려한 캠 랙의 엄밀치형을 이용하여 접촉하는 모든 치의 접촉력을 결정하고, Morrison⁽⁷⁾의 하중응력계수(load stress factor)를기반으로 이론적 피팅수명을 예측함으로써 새로운 직선이송장치로서의 CRP 시스템의 내구성 향상에 기여하고자 한다.

성능/효과

(1) 전위계수가 증가함에 따라 캠 랙의 치선의 폭과 치의 높이는 감소되고, 치저 폭은 미세하게 증가되었다.
(2) 또 접촉력의 경우, 전위계수 및 물림률 변화에 따른 변화는 미미하였으나 물림률 증가 시 한 쌍의 치가 하중을 전담하는 구간이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 하지만 하중응력계수는 전위계수의 증가에 따라 대체적으로 감소하는 경향을 보이고, 물림률이 낮을수록 감소폭은 더 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
(4) 또한 물림률에 따른 하중응력계수의 변화는 롤러 1이 이탈되는 시점을 달리할 뿐, 최대 하중응력계수 값에는 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
따라서 전위계수의 변화를 통한 치형의 설계변경은 기 설계된 CRP 시스템에 큰 영향을 주지 않으면서 내구수명을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있었다.
6은 전위계수에 따른 캠 랙 형상의 변화를 나타내고 있다. 롤러 피니언 위치반경을 기준으로 전위계수가 증가함에 따라 치선의 폭과 치의 높이는 감소되고, 치저의 폭은 미세하게 증가되는 것을 관찰할 수 있다.
8에서 전위계수 변화에 따른 하중응력계수의 변화를 나타내고 있다. 전반적으로 전위계수가 증가함에 따라 하중응력계수는 감소하는 경향을 나타내고, 또 물림률이 낮을수록 감소폭이 증가됨을 알 수 있다. 이는 캠 랙치형의 형상 변경에 따른 곡률반경의 급격한 변화가 그 원인임을 알 수 있다.
전위계수가 증가함에 따라 유효 접촉구간(0 ≤ αi < π/2)에서의 압력각도 증가함을 확인할 수 있다.
20으로 고정된 상황에서 물림률 변화에 따른 하중응력계수의 변화를 나타내고 있다. 접촉력 해석결과에서 알 수 있듯이 롤러 1이 이탈되는 시점을 달리할 뿐, 전반적으로 최대 하중응력계수 (K_i)_max값의 변화는 크지 않음을 알 수 있다.
이 때, 캠 랙 이송 시 물림 이탈이 빠른 시간 순서로 롤러들의 접촉번호를 지정하였고, Table 1의 설계제원을 기준으로 초기 3개소의 접촉을 볼 수 있다. 항시 최소 2개소 이상 접촉을 유지하고, 경우에 따라 5개소, 7개소 등으로 다접촉이 가능하므로 정･역 방향의 역회전이 발생하지 않아 백래시가 거의 없다는 장점을 확인할 수 있다.

후속연구

따라서 CRP 시스템에서 전체 기어 시스템 설계변수의 변화 없이 내구수명을 향상시키는 방안으로 전위계수를 증가시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전위를 갖는 엄밀치형을 고려하여, 본 논문에서 피니언 기어를 핀 또는 롤러로 대체한 CRP시스템의 접촉 표면에서의 내구수명을 평가한 결과는?	(1) 전위계수가 증가함에 따라 캠 랙의 치선의 폭과 치의 높이는 감소되고, 치저 폭은 미세하게 증가되었다. (2) 또 접촉력의 경우, 전위계수 및 물림률 변화에 따른 변화는미미하였으나 물림률 증가 시 한 쌍의 치가 하중을 전담하는 구간이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. (3) 하지만 하중응력계수는 전위계수의 증가에 따라 대체적으로 감소하는 경향을 보이고, 물림률이 낮을수록 감소폭은더 크게 나타남을 확인할 수 있었다. (4) 또한 물림률에 따른 하중응력계수의 변화는 롤러 1이 이탈되는 시점을 달리할 뿐, 최대 하중응력계수 값에는 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
	대표적 직선이송장치인 랙 피니언(rack pinion) 시스템의 장단점은 무엇인가?	대표적 직선이송장치인 랙 피니언(rack pinion) 시스템은 구조가 간단하고 가격이 저렴한 장점이 있지만, 정밀도가 볼 스크류(ball screw)와 리니어 모터(linear motor)에 비해 떨어지는단점이 있다. 이에 최근 백래시(backlash)를 없애 정밀도가 향상되고, 원활한 구름접촉으로 마멸에도 강한 직선 이송형 롤러기어 메커니즘(linear type roller gear mechanism)에 대한 연구가 주목받고 있다.
	CRP 시스템의 형상 설계제원은 어떠한 요소로 구성되어 있는가?	CRP 시스템의 형상 설계제원은 롤러 피니언의 롤러 개수(N), 모듈(m), 전위계수(e), 롤러 직경계수(Cr ) 그리고 기어치선의 높이를 결정하는 치선연장계수(β)로 구성된다.

참고문헌 (11)

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상세보기
Chablat, D., and Angeles, J., 2005, "Strategies for the Design of a Slide-O-Cam Transmission," International Workshop on Computational Kinematics, pp. 1-10.
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Litvin, F. L., 1994, Gear Geometry and Applied Theory, PTR Prentice Hall, Englewood Cliffs.
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Kwon, S. -M., Sim, M. Y., Nam, H. C., and Shin, J.-H., 2009, "Optimal Wear Design for a Hypotrochoidal Gear Pump without Hydrodynamic Effect," Transactions of the KSME, Series A, Vol. 33, No. 12, pp. 1383-1392.
Talbourdet, G. J., 1957, Surface Endurance Limits of Various USME Engineering Materials, Research Division of United Shoe Machinery Corporation, Beverly, MA.

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