[논문]1단 유성기어의 전달오차 특성에 대한 실험적 연구 - 토크 및 속도 변화의 영향

송진섭; 이근호; 박영준; 남용윤

doi:10.7735/ksmte.2015.24.3.320

1단 유성기어의 전달오차 특성에 대한 실험적 연구 - 토크 및 속도 변화의 영향
Experimental Study on Transmission Errors of a Single-Stage Planetary Gear Train: Influence of Torque and Speed Variations 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.3, 2015년, pp.320 - 326

송진섭 (Department of System Reliability, Korea Institute of Machinery & Materials) , 이근호 (Department of System Reliability, Korea Institute of Machinery & Materials) , 박영준 (Department of System Reliability, Korea Institute of Machinery & Materials) , 남용윤 (Department of System Reliability, Korea Institute of Machinery & Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

Despite the wide industrial applications of planetary gear trains, the relationship between the design parameters (tooth profile, carrier mass, etc.) and performance (strength, vibration, noise, etc.) remains poorly understood. A significant amount of research has focused on transmission errors, which are measurable performance indicators directly related to the design parameters. Herein, an experimental test rig for a single-stage planetary gear set built using digital angular encoders and gap sensors is described. To study the static and dynamic characteristics of this planetary gear train, the transmission errors and sun gear orbit are analyzed from the data measured under various levels of torque and speed. The transmission errors of the gear train decrease 40% when the speed increases from 30 to 600 rpm with an output torque of 39.2 Nm, and increase 22% when the output torque increases from 19.6 to 39.2 Nm with an input speed of 30 rpm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 유성기어트레인의 전달오차 및 입력축 궤적(orbit)을 토크 및 기어회전속도를 변화시켜 가면서 측정하고 그 결과를 분석해 봄으로써 유성기어 전달오차에 대한 정적 설계인자 및 동적 설계인자의 잠재적 영향을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 1단 유성기어트레인에 대하여 토크 및 회전속도 변화에 따른 전달오차 및 입력축 중심궤적을 실험적으로 측정하고 그 결과를 주파수분석 등을 통하여 메쉬하모닉 및 사이드밴드 영향에 의한 피크들을 비교함으로써 다음과 같이 기어트레인의 정적 특성 및 동적 특성이 전달오차에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 1단의 유성기어에 대해 실험을 진행하였다. 이는 설계변수를 단순화 하여 실험결과 분석을 용이하게 하고 유성기어의 원리적 연구에 적합하게 하기 위함이다.

데이터처리

기어의 전달오차는 압력선상의 선형변위를 기준으로 정의되기도 하지만^[9], 본 논문에서는 회전변위를 기준으로 한 전달오차 정의를 적용하여 실험결과를 분석하였다. 본 실험에서와 같이 링기어가 고정되고 감속비가 R인 유성기어트레인의 출력축(캐리어축) 회전변위(θ_c)를 기준으로 한 전달오차(TE_out)는 식 (1)과 같이 정의할 수 있다.

성능/효과

(1) 기어트레인의 회전속도 증가는 캐리어 부양에 의해 기어 중심궤적이 안정적으로 형성됨으로써 전달오차의 감소를 유발하는 경향을 보인다. 다만, 고차 모드에서는 전달오차가 증가하는 현상이 관찰되기도 하였다.
(2) 부하토크의 증가는 기어치 등의 구조적 변형을 증대시킴으로써 전달오차의 증가를 유발하였다.
(3) 부하토크가 2배 증감하거나 회전속도가 20배 증감하면 전달 오차 스펙트럼 피크의 변화 범위는 20%~60%로서 동등 수준으로 나타났다.

후속연구

따라서 유성기어의 설계 및 해석에 있어서 기어치 강성 등과 같은 정적설계 인자는 물론 동적설계 인자도 반드시 고려되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유성기어트레인이란 무엇인가?	유성기어트레인은 다수의 유성기어간 하중 분산에 의해 각 기어 치에 작용하는 하중을 감소시키고 작동기어축과 피동기어축이 동축을 이룸으로써 병렬기어트레인에 비해 공간 효율적으로 토크전달이 가능한 기어형식이다.
	전달오차 스펙트럼에는 어떠한 것들이 나타나는가?	이러한 전달오차 스펙트럼에서는 기어치쌍이 단위 시간당 마주치는 회수와 관련된 메쉬 하모닉(mesh harmonic) 성분과 유성기어 세트를 이루는 각 요소기어에 의한 사이드밴드(side band) 성분에 의해 피크(peak) 값이 나타나게 된다[18-20]. 본 실험에서 사용된 유성기어트레인의 이수 및 경계조건으로부터 기어 메쉬가 반복적으로 맞물리는 주기인 메쉬 주파수(fm)는 식 (5)와 같이 계산되며, 메쉬 하모닉(Hmi)과 링기어(Hmi ±nr ), 썬기어(Hmi ±ns ), 유성기어 (Hmi ±np )에 의한 사이드밴드 하모닉은 순서대로 식 (6)-(9)와 같이 결정된다.
	기존 유성기어트레인 연구의 한계는 무엇인가?	일반적으로 기어의 전달오차는 진동 및 소음과 밀접한 관련이 있는 것으로 다수의 실험 및 이론적 연구를 통하여 알려져 있으며[1-3], 유성기어트레인에 대해서도 다양한 설계변수와 전달오차간의 상관관계에 관한 연구가 진행되어 왔다[4-8]. 그러나 이러한 연구들에서는 주로 전달오차에 대한 특정 설계변수(예를 들어, 정렬오차, 치형, 위상차 등)의 민감도 분석에 한정되어, 여러 설계변수간의 상호 유기적인 상관관계를 설명하기에는 일정한 한계가 있다. 특히, 유성기어에서는 복수의 기어치 물림과 캐리어 부양 등의 특성 때문에 동적효과가 상대적으로 크게 나타날 것으로 예측됨에도 불구하고 기어의 질량과 같이 동적 설계변수가 전달오차에 미치는 영향 등에 대한 연구는 아직까지 찾아 볼수 없다.

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