[논문]굴삭기용 선회감속기의 베어링 특성이 기어 하중 분포에 미치는 영향 분석

김정길; 박영준; 이근호; 김재훈

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.5.008

굴삭기용 선회감속기의 베어링 특성이 기어 하중 분포에 미치는 영향 분석
Effects of Bearing Characteristic on the Gear Load Distribution in the Slewing Reducer for Excavator 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.13 no.5, 2014년, pp.8 - 14

김정길 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) , 박영준 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) , 이근호 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) , 김재훈 (충남대학교 기계설계학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A slewing reducer consists of two planetary gearsets which require a good load distribution over the gear tooth flank for enhanced durability. This work investigates how the bearing characteristics influence the load distribution over the gear tooth flank. A complete system model is developed to analyze a slewing reducer, including the non-linear mesh stiffness of the gears and the non-linear stiffness of bearings. The results indicate that the type, arrangement and preload of the output shaft bearings greatly influence the gear mesh misalignment, contact pattern, face load factor, gear safety factor and lifetimes of the parts.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 굴삭기용 선회감속기의 출력축 베어링이 기어 물림 미스얼라인먼트와 치면 하중 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 상용 프로그램을 이용하여 출력축 베어링의 조합이 다른 2개의 모델을 구성하였으며, 베어링의 예압(preload) 변화에 따른 유성기어의 물림 미스얼라인먼트와 치면 하중 분포를 비교분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 굴삭기용 선회감속기의 출력축 베어링의 특성이 유성기어세트의 물림 미스얼라인먼트와 치면 하중 분포에 미치는 영향을 비교 분석하였으며, 해석을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 굴삭기용 선회감속기의 출력축 베어링이 기어 물림 미스얼라인먼트와 치면 하중 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 상용 프로그램을 이용하여 출력축 베어링의 조합이 다른 2개의 모델을 구성하였으며, 베어링의 예압(preload) 변화에 따른 유성기어의 물림 미스얼라인먼트와 치면 하중 분포를 비교분석하였다.
선회감속기 모델은 기어의 모듈, 압력각, 잇수, 중심거리 등과 같은 매크로 지오메트리(macro-geometry)뿐만 아니라 치형 수정(profile modification), 리드 수정(lead modification) 등과 같은 마이크로 지오메트리(micro-geometry)를 모사하였고, 기어 접촉 해석을 위한 물림 강성과 베어링 강성이 모두 비선형으로 고려되었다. 즉, 베어링에 작용하는 하중이 변화함에 따라 베어링의 강성도 달라지는 것이다.
선회감속기의 출력축 베어링 조합으로 테이퍼 롤러 베어링(Taper Roller Bearing, TRB)을 사용하였으며, 베어링의 품번 및 동정격 하중은 표 1과 같다.
유성기어의 물림 미스얼라인먼트는 기어, 축, 베어링의 축, 베어링 및 하우징의 변형을 고려하여 기어의 작용선(line of action)에서 계산하였다. 기어의 물림 미스얼라인먼트가 작을수록 기어 물림에 의해 하중 분배가 균일함을 의미한다.

대상 데이터

베어링 수명의 최적화를 위하여 두 베어링의 수명이 동일한 경우의 예압량인 –150 μm을 선정하였다.
베어링 틈새가 300 μm일 때 두 베어링의 수명 최적화는 이루어지나 베어링 틈새를 증가시키면 베어링 수명은 증가해도 출력축 피니언의 변위가 증가하기 때문에 예압량을 0 μm을 선정하였다.

이론/모형

은 기어의 기준원에서 평균 하중을 나타낸다. 치면 하중 분포 계수는 시뮬레이션 모델을 이용한 기어 치면의 접촉 패턴 해석을 통하여 계산되었다^[7,8].

성능/효과

-300 μm 까지 예압을 가할수록 출력축 왼쪽 베어링(32320A)의 수명은 증가하는 반면, 출력축 오른쪽 베어링(32218A)의 수명은 감소함을 확인하였다.
1) 굴삭기용 선회감속기와 같이 유성기어세트로 구성된 기어박스에서는 기어 치면에 작용하는 하중과 유성기어의 하중 분포를 정확히 예측하기 위해서 기어, 축, 베어링, 캐리어 및 하우징 등 기어 박스를 구성하는 모든 요소를 정확히 모델링하고 각 요소간의 상호 작용을 고려할 수 있는 시스템 모델 및 해석 기법이 적용되어야 한다.
1단 선기어와 유성기어의 물림 미스얼라인먼트는 –4 μm ~ 4 μm, 유성기어와 링기어의 물림 미스얼라인먼트는 –10 μm ~ 10 μm 으로 주기적으로 변동하며, 기어 치폭의 중간을 중심으로 왼편과 오른편을 번갈아가면서 기어 물림이 이루어짐을 알 수 있었다.
2) 선회감속기 출력축 베어링의 종류, 배열, 예압량에 따라 유성기어세트의 물림 미스얼라인먼트, 치면 접촉 패턴 및 치면의 하중 분포가 모두 달라지며, 이로 인하여 기어의 안전 계수와 수명도 달라짐을 예측할 수 있다.
그림 8과 10과 같이 선기어와 유성기어의 물림에 대한 단위 길이당 최대 하중은 첫 번째 모델의 경우 241 N/mm, 269 N/mm, 246 N/mm, 두 번째 모델의 경우 228 N/mm, 252 N/mm, 233 N/mm로 유성기어의 위치에 따라 최대 하중이 변화함을 알 수 있었다. 또한 그림 9와 11의 유성기어와 링기어의 물림에서도 유성기어의 위치에 따라 최대 하중이 변화함을 확인하였다.
표 2는 두 모델에 대한 치면 하중 분포 계수를 비교한 것이다. 베어링 품번과 예압량에 따라 기어의 치면 하중 분포 계수가 달라짐을 확인할 수 있었다. ISO 6336 규격에서 치면 하중 분포 계수는 기어의 안전계수와 반비례 관계이며, 이 계수가 증가하면 기어의 수명 및 안전 계수는 감소한다^[7,9].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유성기어세트는 어떻게 구성되는가?	유성기어세트는 선기어, 유성기어, 링기어 및 캐리어로 구성되며, 선기어로 입력된 동력이 다수의 유성기어로 동력 분할(power split)이 이루어지므로 동력 밀도가 높고, 소형화 및 경량화가 가능 하다는 장점이 있다. 그러나 다수의 유성기어가 장착된 캐리어가 회전함에 따라 외부하중, 기어물림 미스얼라인먼트, 제작오차, 축/베어링/하우징의 변형은 유성기어세트의 하중 분포에 영향을 미친다.
	굴삭기용 선회감속기의 출력축 베어링의 특성이 유성기어세트의 물림 미스얼라인먼트와 치면 하중 분포에 미치는 영향을 비교 분석한 결과는 어떠한가?	1) 굴삭기용 선회감속기와 같이 유성기어세트로 구성된 기어박스에서는 기어 치면에 작용하는 하중과 유성기어의 하중 분포를 정확히 예측하기 위해서 기어, 축, 베어링, 캐리어 및 하우징 등 기어 박스를 구성하는 모든 요소를 정확히 모델링하고각 요소간의 상호 작용을 고려할 수 있는 시스템 모델 및 해석 기법이 적용되어야 한다. 2) 선회감속기 출력축 베어링의 종류, 배열, 예압량에 따라 유성기어세트의 물림 미스얼라인먼트, 치면 접촉 패턴 및 치면의 하중 분포가 모두 달라지며, 이로 인하여 기어의 안전 계수와 수명도 달라짐을 예측할 수 있다.
	선회감속기의 역할은 무엇인가?	선회감속기는 선회베어링과의 기어 물림을 통해 상부 회전체를 정/역 방향으로 회전시키는 역할을 하며, 주로 유성기어세트를 만들어진다.

참고문헌 (9)

Abe, T., Cheng, Y., and Felice, M., "Advanced CAE Methods for Automotive Drivetrain System Gear Whine Optimization", Proceedings of MPT2009-Sendai, JSME International Conference on Motion and Power Transmission, pp. 1-15., 2009
Kamaya, F., Eccles, M., and Pears, J., "A Rapid Method for the investigation of System-Wide Parameter Variation Effects on Epicyclic Gear Whine", Transactions of Society of Automotive Engineers of Japan, Vol. 39, No. 6, pp. 6_47-6_52., 2008
Pears, J., Curtis, S., Poon, A., Smith, A., Poon, D. and Palmer, D., "Investigation of Methods to Predict Parallel and Epicyclic Gear Transmission Error", 2005 SAE World Congress, SAE Technical Paper: 2005-01-1818., 2005
Pears, J., Smith, A., Platten, M., Willson, B., Cheng, Y., and Felice, M., "Predictin Variation in the NVH Characteristics of an Sutomatic Transmission using a Detailed Parametric Modeling Approach", SAE 2007 Noise and Vibration Conference and Exhibition, SAE Technical Paper: 2007-01-2234., 2007
Hong, S. O. and Cho, G. J., "A Study on Preload and Arragement of Combined bearing on Feed Drive System", Proc. of KSMTE Autumn conference, pp.440-445., 1999
American Gear Manufacturers Association (AGMA), "Design Manual for Enclosed Epicyclic Gear Drives", ANSI/AGMA 6123-B06., 2006
International Organization for Standardization (ISO), "Calculation of load capacity of spur and helical gears", ISO 6336-1., 2007
Romax Technology Ltd, RomaxDesigner Software Manual, Nottngham, UK., 2003
Kim, J. G., Lee, G. H., Park, Y. J., and Kim, J. H., "Effects of Bearing Internal Clearance on the Load Distribution and Load Sharing in thr Pitch Reducer for Wind Turbines", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 22 No.1 (2013), pp. 29-35., 2013

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증