[논문]롤러 기어 메커니즘을 이용한 직선이송시스템

김창현; 남형철; 권순만

doi:10.7735/ksmte.2012.21.5.702

롤러 기어 메커니즘을 이용한 직선이송시스템
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This paper considers two linear drive systems using roller gear mechanism(RGM), one is the RRP(roller rack pinion) system that consists of a roller rack and a cam pinion, the other is the CRP(cam rack pinion) system that consists of a cam rack and a roller pinion. Through the comparison of contact forces and load-stress factors between two linear drive systems, it reveals that the RRP system is superior to the CRP system in the aspect of the bending strength, while the CRP system has higher contact fatigue resistance than that of the RRP system.

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문제 정의

본 논문에서는 동일 설계제원을 바탕으로 피팅수명을 이용한 RRP 및 CRP 시스템의 비교분석을 수행하여 사용자의 정확한 선택 기준을 마련하고자 하였다. 그 결과는 아래와 같다.
이는 롤러 2가 전 하중을 전담하는 초기 구간에서 더 크게 나타나고, 이러한 차이를 물림률 특성을 통해 분석해 보고자 Fig. 12와 같이 물림률(ε)을 1.6으로 감소시켜 그 결과를 고찰해 보았다.
하지만 이들 두 직선이송 시스템간의 장단점 비교 고찰에 관한 관련 연구는 전무한 실정이다. 이에 본 논문에서는 동일 설계제원을 바탕으로 피팅수명을 이용한 두 시스템간의 비교분석을 통해 시스템의 선정과정에서 정확한 선택 기준을 마련하고자 한다.

대상 데이터

해석을 수행하기 위한 제원은 Table 2에 정리하였다. 재질은 랙과 피니언 모두 동일 탄소강을 적용하였고, 피니언 회전수 120rpm에서의 허용토크 150N･m를 기준으로 랙 이송력 F_R은 2.6kN으로 설정하였다.

성능/효과

(1) 접촉력에 있어서 RRP 시스템이 CRP 시스템에 비해 우수한 특성 결과를 보였다.
(2) 하중응력계수에 있어서는 곡률반경의 영향으로 RRP 시스템이 CRP 시스템에 비해 다소 높은 결과를 보였다.
(3) RRP 시스템은 피팅수명이 수명 허용기준시간(10,000시간)에 대부분 만족하지 못한 결과를 보였다.
(4) 하중응력계수와 피팅수명을 통해 두 시스템을 분석한 결과 RRP 시스템은 치형수정계수 및 물림률이 높을 수록 CRP 시스템과의 차이가 감소됨을 확인할 수 있었다.
일반적으로 접촉력은 기어의 굽힘강도에 직접적인 영향을 미쳐 시스템의 피로파괴로 이어질 수 있는 중요한 인자에 해당한다. Fig. 8과 같이 두 시스템의 접촉력을 비교했을 때, 롤러 1(Figs. 4, 5 참조)이 접촉 이탈하기 전과 롤러 2가 전 하중을 전담하는 두 구간에서 CRP 시스템이 RRP 시스템에 비해 다소 높은 결과 값을 보이고, 이는 회전각이 증가할수록 즉, 이 끝단에서 그 차이가 더 크게 나타남을 알 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 RRP 및 CRP 시스템은 치형수정계수를 통해 성능개선을 기대할 수 있는데, 접촉력의 경우 동일 물림률을 기준으로 치형수정 계수를 달리하여 각 시스템을 비교한 Figs.
6으로 감소시켜 그 결과를 고찰해 보았다. 그 결과 CRP 시스템의 하중응력계수 변동폭이 미미함에 비해 RRP 시스템은 CRP 시스템에 비해 급격히 변동되어 두 시스템간 차이가 더 크게 나타남을 확인할 수 있다. 또 Fig.
치형수정계수 및 물림률 변화에 따른 피팅수명 결과와 피니언 회전수를 120rpm으로 설정한 상태에서 예상수명 시간을 RRP 시스템은 Table 4에, CRP 시스템은 Table 5에 정리하였다. 두 결과에서 알 수 있듯이 CRP 시스템은 수명 허용기준시간(10,000시간)을 모든 조건에서 만족하는 결과를 보였지만, RRP 시스템은 대부분 만족하지 못한 결과를 보인 것을 알 수 있다. 또 앞서 살펴본 하중응력계수 결과와 비교해 피팅수명의 경우도 치형수정계수와 물림률이 각각 0.
9와 10의 결과에서 같이 접촉력의 개선효과를 기대할 수 없다. 따라서 굽힘강도를 우선 고려해야하는 시스템 설계에서는 치형수정계수를 통한 방법보다는 RRP 시스템으로의 시스템 변경이 효율적일 것으로 판단된다.
두 결과에서 알 수 있듯이 CRP 시스템은 수명 허용기준시간(10,000시간)을 모든 조건에서 만족하는 결과를 보였지만, RRP 시스템은 대부분 만족하지 못한 결과를 보인 것을 알 수 있다. 또 앞서 살펴본 하중응력계수 결과와 비교해 피팅수명의 경우도 치형수정계수와 물림률이 각각 0.05와 1.6일 때 RRP 시스템의 피팅수명은 546(Hrs.), CRP 시스템은 12,246(Hrs.)으로 두 시스템간 차이가 22.34배 나지만, 치형수정계수와 물림률을 0.2와 1.8로 증가시킨 경우 RRP 시스템의 피팅수명은 6,340(Hrs.), CRP 시스템은 21,228(Hrs.)으로 두 시스템간 차이가 3.35배로 급격히 감소됨을 알 수 있다.
이러한 결과를 통해 RRP 시스템은 굽힘강도를 우선시 고려해야 하는 시스템 설계에 적합해 보이고, CRP 시스템은 높은 피팅수명을 요하는 시스템 설계에 적합할 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통해 RRP 시스템의 경우 설계변수 선정시 물림률과 치형수정계수를 상대적으로 높게 선정하는 것이 좋을 것으로 판단되고, 전체적으로 보면 RRP 시스템은 굽힘강도를 우선시 고려해야 하는 시스템 설계에 적합해 보이고, 그에 반해 CRP 시스템은 높은 피팅수명을 요하는 시스템 설계에 적합할 것으로 판단된다.
5에 각각 도시하였다. 피니언 중심을 기준으로 RRP 시스템은 치형수정계수에 따라 롤러 위치가 달라지지만 피치는 변하지 않음을 확인할 수 있고, CRP 시스템은 동일 롤러 피니언을 기준으로 피치가 가변적임을 확인 할 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

국내에서 RRP 및 CRP 시스템을 자체 개발한 유일한 업체는 무엇인가?

한편 일본의 Tsubaki사는 설치가 간단하고 체인 방식에 비해 전달 능력이 우수한 RRP, RPG(1) 및 RRG(2) 시스템을 개발하여 “Pin Gear Drive Unit”이라는 브랜드로 2005년 7월 상품화 출시를 시작하였다. 국내에서는 세진 IGB가 유일하게 RRP 및 CRP 시스템을 자체 개발하여 판매하고 있다. 또한 프랑스 Serapid사는 Fig.

RRP 및 CRP 시스템은 설계 입력 제원은 어떻게 구성되어 있나?

RGM 직선이송장치인 RRP 및 CRP 시스템의 설계 입력제원(5,6)은 피니언 기어의 잇수(N), 모듈(m), 치형수정계수(e), 롤러 직경계수(Cr) 그리고 캠 치형의 치선을 결정하는 치선연장계수(β) 또는 물림률(#=3-2/β, 1≤β<2)로 구성된다.

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