고속 특수 기어

카탈로그에 있는 기어로 고객의 요건을 충족하지 못한다면, 고객과 함께 특수 기어를 개발한다. 이를 위한 노하우도 중요하지만, 먼저 제작 가능성을 유념하는 것도 중요하다.

공학박사 마리아 헤거젤: Wittenstein Bastian GmbH의 테크놀러지 매니지먼트 매니저

기어의 회전 속도가 최대 50.000 심지어 100,000min-1인 경우 작동 온도, 윤활작용, 축 다이내믹의 측면에서 한계치에 달한다. 이러한 고속 기어를 설계하기 위해서는 최고의 개발 기술과 제작 역량이 필요하다. Wittenstein Bastian사는 이런 전문 기술을 보유하고 있으며, 레이싱 스포츠카나 피동 공구에서도 에너지 회수 시스템을 효과적으로 적용하고 있다. Wittenstein Bastian은 하이토크 어플리케이션과 저음 어플리케이션을 위해서도 고객 주문에 맞추어 기어를 개발하고 제작한다. 전형적인 고속 기어 어플리케이션은 기계적 에너지와 전기 에너지를 뜨거운 가스가 흐르는 터빈에서 획득한다. 여기서 기계적 출력을 바로 사용하려면 또는 발전기를 통해 전류로 변환하려면 최대 100,000min-1의 매우 빠른 회전 속도를 기어를 통해 낮춰야 하는데, 이러한 특수 어플리케이션 영역에 일반적인 양산 기어를 사용하기에는 적절하지 못하다. 따라서 이러한 특수 요건에 정확하게 맞고, 다양한 어플리케이션과 분야를 고려한다면 타협적인 솔루션이 아닌 특별한 기어를 개발해야 한다.

 고객 맞춤 디자인으로 고속 기어를 개발하고 제작하려면, 이절삭, 재료 그리고 제작 가능성의 측면에서 광범위한 전문 지식이 필요하다.

고객 맞춤 디자인으로 고속 기어를 개발하고 제작하려면, 이절삭, 재료 그리고 제작 가능성의 측면에서 광범위한 전문 지식이 필요하다.

고속 특수 기어: 타협적인 솔루션이 아니다

Wittenstein Bastian사는 이러한 기어의 개발을 고객과의 기술적 세부 사항을 결정하는 것에서부터 시작한다. 이때 기술 영업부와 엔지니어링팀, 제작 부서 대표도 함께 참여하는데, 고객과 조율한 제품 스펙이 개발의 기초를 형성하고 스펙 안에서 개발 목표를 정의하고 우선 순위를 정한다. 에너지 회수 시스템의 경우 기어의 효율이 매우 중요하고, 충분한 하중 용량도 보장되어야 한다. 일반적으로 이 분야에서 작동 지속 시간은 최소 15년 정도인데, 대부분의 콤포넌트를 인가되는 회전 속도와 그와 결부된 파단 수명에서도 수명이 다하도록 내구성이 있게 설계해야 한다. 이동식 어플리케이션에서는 매우 콤팩트한 구조와 근소한 무게 등 추가적 요소도 필요하고, 작업자 옆에서 작동되는 에너지 회수 시스템인 경우에는 소음도 고려할 사항이다.

회전 속도는 재료, 베어링, 치절에 특수한 요건을 제시한다

Wittenstein Bastian사에서 특수 기어 개발은 공간적으로 바로 옆에서 작업하는 엔지니어링팀과 제작 부서 간의 조율을 통해 이루어지지만, 개발과 기어의 제작은 엔지니어링 부서 안에서 시작된다. 엔지니어링 팀은 10명의 엔지니어로 구성되며, 이들이 지향하는 중심은 기어 디자인, 평기어, 베벨 기어 그리고 기타 기계 요소의 계산과 절삭 제작 기술, 열처리 이 세 분야이다. 연구 협회 멤버들의 협업과 산학 협력을 통해 전문 지식을 지속적으로 확충한다. 고속 기어를 구상할 때 높은 회전 속도로 인해 이절삭, 재료 및 베어링 선택에 특별한 요건이 제기된다. 이 단계를 거쳐 기계 요소를 치수화하는데, 이때 샤프트, 샤프트-허브 연결부 또는 베어링과 같이 전통적인 기계 요소들은 통상적인 분석적 또는 수치적 방법으로 설계한다. 평기어와 베벨 기어를 하중 용량, 효율, 소음 면에서 최적화하기 위해서는 오랜 경험과 이절삭 수정에 대한 기본 지식이 필요한데, 이절삭 계산은 Kisssoft, FVA-Workbench, Bearinx 또는 Ansys와 같은 프로그램을 통해 이루어진다. 뿐만 아니라 최적의 디자인을 만들어내기 위해 자체 소프트웨어를 통해서도 구현된다. 고속 기어의 최적의 이절삭 수정 값을 정하기 위해, 샤프트 변형과 하우징 변형 그리고 베어링 유격을 고려하면서 다양한 수정 변형 모델의 자동 질량 계산이 이루어지고, 필터 알고리즘을 통해 하중 용량, 소음, 공차 민감도 차원에서 평가된다. 설정한 목표가 비슷해도 소음에서 10dB 이상을 낮출 수 있다.

사내 열처리를 통해 기어휠을 조질, 케이스 경화 및 급속 냉각한다
사내 열처리를 통해 기어휠을 조질, 케이스 경화 및 급속 냉각한다
모든 기어휠은 열 처리 후 자체 재료 연구소에서 품질 검사를 거친다
모든 기어휠은 열 처리 후 자체 재료 연구소에서 품질 검사를 거친다

생산과의 교점인 3D 기어 모델

또한 지멘스의 3D CAD 시스템 NX를 통해 부품을 모델링하는데, 가상 기어 모델로부터 생산 부서와 품질 보증 부서가 협력하여 제작에 적합한 도면을 도출해낸다. 이 3D 모델은 CAD-CAM 인터페이스를 통해 비용과 오류의 원인을 줄이고, 생산 준비 단계로 유입된다. 이런 방법을 통해 기어의 첫 번째 프로토타입인 알루미늄 하우징 부품을, 시간을 많이 들여 자세한 제작 도면에서 유추하는 일 없이, 마음껏 하나의 작업 단계에서 밀링한다. 개발 시에는 처음부터 제작과 조립을 중심에 둔다. 추후에 조립 시 오류 가능성을 배제하기 위해 포카요카와 같은 설계 원리를 적용하는데, 허용되는 제작 공차와 필요한 지지면 및 클램핑면은 생산 부서와 함께 정한다. 고속 기어는 역동적 힘이 매우 커서 근소한 래디얼 런아웃 오차만 허용된다. 부분적으로 샤프트는 조립한 상태에서 추가로 균형을 맞추어야 한다. 간혹 8주 ~ 16주의 긴 납품 시간을 피하기 위해 프로토타입 설계와 제작 시, 구비되어 있는 공구와 클램핑 수단을 이용한다. 설계에 별도의 이절삭 지오메트리가 필요하다면, 프로필 연마를 마음껏 사용하거나 또는 피니싱을 위해 라인별 드레싱을 포함하는 구름 연삭, 프리 머시닝 및 피니싱을 위한 와이어 커트 EDM 또는 5축 밀링 가공과 같은 가장 유연한 제작법을 사용한다. 이때 트위스트 및 그 방향과 같은 제작별 특수 사항을 고려하여 테스트 결과를 양산에 적용할 수 있도록 유지해야 한다. 기어는 모든 머시닝 단계를 통합한 펠바하 공장에서 제작된다. 절삭 공정 외에 열 처리도 현장에서 자체적으로 이루어진다. 숙련된 작업자가 열처리를 실시하고 자체 물질 연구소에서 품질을 검사한다. 검사는 물질 조성, 표면 경도, 경도 깊이 패턴의 검사 외에 주문이 있는 경우 식각 연삭을 바탕으로 광학적 구조 분석도 실시된다.

펠바하 공장의 뛰어난 기어 제작 역량

Wittenstein Bastian사는 이러한 제작 역량을 이용하고 확장하기 위해 성능이 우수한 새로운 기계에 지속적으로 투자하고, 폭넓은 가치창출 파트너 네트워크를 활용한다. 이 네트워크를 통해 역량에 애로사항이 있을 때에 도움을 받거나 내부적으로 조달되지 않는 제조 기술, 즉 일렉트로 슬래그 용접이나 질산 처리 등의 기술을 해결한다.

Wittenstein Bastian사는 Klingelnberg 측정기와 Zeiss 측정기를 갖춘 VDI/VDE 2627 기준 품질 등급 2의 측정 룸에서 이절삭, 샤프트, 하우징이 까다로운 품질 요건을 충족하고 있다
Wittenstein Bastian사는 Klingelnberg 측정기와 Zeiss 측정기를 갖춘 VDI/VDE 2627 기준 품질 등급 2의 측정 룸에서 이절삭, 샤프트, 하우징이 까다로운 품질 요건을 충족하고 있다

Wittenstein Bastian은 Klingelnberg 측정기와 Zeiss 측정기를 갖춘, VDI/VDE 2627 기준 품질 등급 2의 측정룸에서 이절삭, 샤프트 및 하우징이 까다로운 품질 요건을 충족하고 있는데, 고객 주문 시 첫 번째 샘플 테스트 보고서에서 이를 입증하고 있다. 간단한 기능 검사는 자체적으로 실시하고, 상세한 검사는 대학 등의 검사 기관 네트워크를 활용한다. 결과적으로 엔지니어링 부서, 생산 부서 그리고 고객이 협력하여 양산할 수 있도록 기어를 최적화하는 토대가 되고 있다.

까다로운 성능 요건과 극한의 사용 환경에 대한 고객 맞춤 특수 기어 개발은 심도 깊은 드라이브 기술 노하우를 전제로 한다. 동시에 이후의 제작 가능성은 처음부터 염두에 두어야 조립 도면이나 제작 도면을 이용하여 첫 번째 프로토타입을 만들거나 첫 번째 파일럿 런(pilot run)을 제작할 때에 장점으로 작용한다. Wittenstein Bastian은 아이디어에서부터 양산에 이르기까지 적절한 노하우와 뛰어난 제작 능력을 갖추고 있다. 한 울타리 안에서 엔지니어링과 제작이 이루어짐으로써 개발 프로세스에서 시간적으로 유리하고 적용 분야와 어플리케이션의 폭에서도 한계가 없다.