[논문]캐리어의 핀홀 위치 오차가 유성기어의 하중 분할에 미치는 영향 분석

김정길; 박영준; 이근호; 김재훈

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.4.067

[국내논문] 캐리어의 핀홀 위치 오차가 유성기어의 하중 분할에 미치는 영향 분석
Effect Analysis of Carrier Pinhole Position Error on the Load Sharing of Planetary Gear 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.4, 2016년, pp.67 - 72

김정길 (한국생산기술연구원) , 박영준 (한국기계연구원) , 이근호 (한국기계연구원) , 김재훈 (충남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Planetary gear sets are widely used in power transmission components, which have high efficiency and good durability. Their most important design parameter is the load-sharing characteristics among several planetary gears. In this study, the load sharing of planetary gears was analyzed according to the carrier pinhole position error of planetary gear sets. The loads acting on planetary gears varied with the pinhole position error of the carrier, and the load sharing of planetary gears improved as the input load increased. In addition, the load of the planetary gear with a carrier pinhole position error was relatively higher than that of other planetary gears without carrier pinhole position errors. This trend appeared more clearly in the non-floating-type carrier than the floating-type carrier.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 유성기어박스를 이용하여 캐리어의 핀홀 위치 오차가 유성기어의 하중 분할에 미치는 영향을 해석적으로 평가하였다. 상용 프로그램^[9]을 이용하여 산업 현장에서 주로 사용되는 캐리어의 핀홀 위치 오차 중 최대값인 80μm, 중간값인, 40 μm, 최소값인 0 μm를 고려하여 모델을 구성하였다.

제안 방법

본 연구에서는 유성기어박스의 시뮬레이션 모델을 이용하여 캐리어의 핀홀 위치 오차를 반영한 유성기어의 하중 분할 계수를 비교 분석하였으며 해석을 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
유성기어트레인의 정격 동력을 기준으로 25%, 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175%, 200%에 대하여 입력축을 기준으로 반시계 방향으로 회전시에 Case 2 조건에서 고정식(non-floating)과 부유식(floating)에 대하여 유성기어의 하중 분할을 해석하였다. 여기서, 고정식은 선기어, 캐리어, 링기어가 회전 방향을 제외하고 5자유도가 고정된 경우이고, 부유식은 선기어, 캐리어, 링기어 중에 적어도 1개요소 이상이 5자유도가 고정되지 않은 경우이다.
유성기어트레인의 정격 동력을 기준으로 25%, 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175%, 200%에 대하여 입력축을 기준으로 반시계 방향으로 회전시에 Case 4 모델에서 유성기어의 하중 분할을 해석하였다.
상용 프로그램^[9]을 이용하여 산업 현장에서 주로 사용되는 캐리어의 핀홀 위치 오차 중 최대값인 80μm, 중간값인, 40 μm, 최소값인 0 μm를 고려하여 모델을 구성하였다. 유성기어트레인의 하중 분할은 캐리어의 핀홀 위치 오차가 존재하는 상태에서 유성기어트레인의 상대 운동(고정식과 부유식) 가능 여부에 따른 영향 및 입력 동력(토크) 크기에 따른 영향에 대하여 분석하였다.
상용 프로그램을 이용하여 캐리어의 핀홀 위치오차에 따른 하중 분할 해석을 수행하였다. 해석 조건은 정격 동력 기준으로 입력 토크 9,119.25 Nm, 입력 회전 속도 85.9 RPM, 출력 토크 11,617.9 Nm, 출력 회전 속도 67.43 RPM으로 반시계 방향으로 회전하였으며, 캐리어의 핀홀 위치 오차를 개의 경우로 나누어 그에 맞게 4개의 해석 모델을 구성하였다^[9]. 4개의 모델은 고정식(non-flotating)으로 되어 있으며 Case 1모델은 핀홀 위치 오차가 존재하지 않는 이상적인 조건이고, Case 2 모델은 Pin 1에 80 μm를, Case 3 모델은 Pin 1과 Pin 3에 40 μm를, Case 4 모델은 Pin 1에 40 μm를 Pin 3에 -40 μm를 고려하였으며, 캐리어의 핀홀 위치 오차는 Fig.

대상 데이터

유성기어박스는 2단 유성기어트레인 구조이며 선기어, 유성기어, 링기어, 캐리어로 구성된다. Fig.

데이터처리

상용 프로그램을 이용하여 캐리어의 핀홀 위치오차에 따른 하중 분할 해석을 수행하였다. 해석 조건은 정격 동력 기준으로 입력 토크 9,119.

성능/효과

1) 유성기어트레인의 상대운동 가능 여부에 따라 고정식의 경우에는 캐리어의 핀홀 위치 오차가 존재하는 유성기어에서는 하중이 많이 작용하며, 나머지 유성기어에서는 하중이 거의 작용하지 않았다. 그러나 부유식의 경우에는 캐리어의 핀홀 위치 오차가 존재하여도 유성기어 1과 3에서 동일한 크기의 하중이 전달되었으며 이는 오차가 있는 경우 유성기어 1과 동일한 크기의 하중이 유성기어 3에 전달될 때까지 캐리어가 선기어와 링기어에 대해 상대 운동이 발생했음을 의미한다.
2) 유성기어를 지지하는 캐리어의 핀홀 위치 오차에 따라 각 유성기어에 작용하는 하중이 달라지며, 유성기어에 작용하는 정격 동력이 증가할수록 유성기어의 하중 분할이 좋아짐을 예측할 수 있었다.
3) 유성기어트레인 설계시에는 유성기어를 구성하는 부품을 고정식이 아닌 부유식으로 설계할 경우 유성기어의 하중 분할이 좋아짐을 예측할 수 있으며, 하중 분할 계수 향상은 유성기어박스의 강도 및 수명을 증가 시킬 수 있음을 예측할 수 있었다.
Fig. 4는 고정식에 대한 해석 결과로서 캐리어의 핀홀 위치 오차가 Pin 1에서 (+) 이며, 반시계 방향으로 회전시 유성기어 1에서 물림이 먼저 발생하고 하중이 증가함에 따라 유성기어 2, 3, 4에서 하중 분할 계수가 향상되었다. 유성기어 1은 하중이 증가함에 따라 하중 분할 계수가 3.
Case 2 모델에서는 캐리어의 핀홀 위치 오차가 Pin 1에서 (+) 이며, 반시계 방향 회전시에 다른 유성기어보다 유성기어 1에서 먼저 물림이 일어나므로 더 높은 하중이 발생하였으며, 유성기어 1을 기준으로 양쪽 측면에 위치한 유성기어 2와 4에서는 이론적인 하중 분할보다 아주 낮은 하중이 발생하였다. 유성기어 1을 기준으로 180°위치에 있는 유성기어 3은 유성기어 1을 제외하고 가장 높은 하중이 발생하였으나 이론적인 하중 분할보다는 아주 낮은 하중이 발생하였다.
Case 3 모델에서는 캐리어의 핀홀 위치 오차가 Pin 1과 Pin 3에서 (+) 이며, 반시계 방향 회전시에 다른 유성기어보다 유성기어 1과 3에서 먼저 물림이 일어나므로 높은 하중이 발생하였으며, 유성기어 1을 기준으로 양쪽 측면에 위치한 유성기어 2와 4에서는 이론적인 하중 분할보다 아주 낮은 하중이 발생하였다.
또한 선기어와 링기어가 축방향을 제외하고 고정되어 있으므로 유성기어의 하중이 분할되지 않았으며, 유성핀 설계시 베어링의 내경 사이즈에 유성핀의 외경 사이즈를 맞추어 설계를 함으로 인하여 유성핀의 강성이 증가하여 낮은 하중에서는 하중 분할이 잘 이루어지지 않았다.
4는 고정식에 대한 해석 결과로서 캐리어의 핀홀 위치 오차가 Pin 1에서 (+) 이며, 반시계 방향으로 회전시 유성기어 1에서 물림이 먼저 발생하고 하중이 증가함에 따라 유성기어 2, 3, 4에서 하중 분할 계수가 향상되었다. 유성기어 1은 하중이 증가함에 따라 하중 분할 계수가 3.99, 3.99, 3.99, 3.95, 3.49, 3.12, 2.85, 2.64이며, 유성기어 3은 정격 동력이 75%까지는 하중이 거의 작용하지 않다가, 100%에서 200%까지는 각각 0.05, 0.26, 0.39, 0.47, 0.54이며, 유성기어 2와 4는 정격 동력이 200%일때 0.41이다.
캐리어의 핀홀 위치 오차가 Pin 1에서 (+), Pin 3에서 (-) 이며 유성기어 1에 물림이 발생하고 유성 기어 3에 하중이 분할되어야 하나 Pin 3이 (-) 위치에 있으므로 유성기어 3의 양측면에 위치한 유성 기어 2와 4에 하중이 분할되었으며, 입력 동력이 증가함에 따라 하중 분할의 경향성이 향상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유성기어는 무엇인가?	유성기어는 증속 또는 감속을 하여 동력을 전달하는 기계장치로서 효율 및 내구성이 우수하여 농기계, 자동차, 건설기계, 풍력발전기 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
	유성기어박스는 어떻게 구성되어 있는가?	유성기어박스는 2단 유성기어트레인 구조이며 선기어, 유성기어, 링기어, 캐리어로 구성된다. Fig.

참고문헌 (10)

American Gear Manufacturers Association (AGMA), "Design Manual for Enclosed Epicyclic Gear Drives," ANSI/AGMA 6123-B06, 2006.
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Kahraman, A., "Static Load Sharing Characteristics of Transmission Planetary Gear Sets: Model and Experiment," SAE Paper No. 1999-01-1050, 1999.
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Kim, J. G., Park, Y. J., Lee, G. H., and Kim, J. H., "Effects of Bearing Characteristic on the Gear Load Distribution in the Slewing Reducer for Excavator", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13 No.5, pp. 8-14, 2014.
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Romax Technology Ltd, RomaxDesigner Software Manual, Nottngham, UK., 2003.
International Organization for Standardization (ISO) 6336-(1:6), "Calculation of load capacity of spur and helical gears," ISO, Geneva, Switzerland, 2003-2007.

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