하드 스톱이 기어 손상의 원인은 아니다.

전동기로 구동되는 기어 유닛은 출력부의 제동에 의해 제한을 받는다. 기어 유닛의 올바른 치수는 ‘하드 스톱’ 제동에도 긴 수명을 달성할 수 있다.

한스 에리히 마울(Hans-Erich Maul): Maul Konstruktionen GmbH 대표

핵심 내용

  • 기어가 들러붙는 것을 방지하기 위해서는 기어 유형에 따라 다양한 조치가 필요하다.
  • 동축 고감속 기어 테스트에서 주된 문제인 기어 고착이 매번 나타나는 것은 아니다.

하드 스톱(긴급 제동)은 기어 시스템을 파손시키거나 들러붙게 만들 수 있다. 하지만 대부분의 기어 시스템은 손상되지 않고 부하를 잘 견딘다. 기계 엔지니어링의 밸브 액추에이터, 플랩 록 시스템, 자동차 와이퍼 등의 어플리케이션에서 기어는 하드 스톱이 발생하지만, 그럼에도 불구하고 수명이 저하되어서는 안 된다. 따라서 이러한 기어 시스템의 치수를 고찰해 보고자 한다. 스톱으로 인해 발생하는 힘의 크기는 전달 시스템 스프링 상수의 치수와 플라이 휠, 모터 정지 토크에 의해 좌우된다.

유성 기어의 기어 도식과 관련 대체 레버 메커니즘

기어는 고착되면 안 된다

기어는 모터 정지 토크에 비해 질량이 작아 초과 설계를 하면 쉽게 파손되지 않는다. 하지만 시동 토크가 상대적으로 작은 모터는 기어가 고착되어 불능 상태에서 탈출할 수 없다. 소프트웨어 솔루션이 불가능하다면, 치수와 보조 부품을 통해 고착을 방지해야 한다. 문제는 매번 동축 고감속 기어 테스트에서 이러한 고착이 발생하는 것이 아니라는 점이다. 잘 살펴보면 기어 열은 레버 기어로 소급될 수 있다. 레버 길이가 기어의 유효 피치원 반경이고, 길이 설계에 따라 저감속 또는 고감속 기어를 형성할 수 있다.

구름쌍을 보여주는 볼프롬 기어와 단순화한 관련 대체 레버 메커니즘, 좌측은 작동 위치의 대체 레버 메커니즘이며, 우측은 고장 난 위치의 대체 레버 메커니즘.

기어는 어느 위치에서나 걸릴 수 있다.

기본적으로 다음과 같이 구분한다.

• 기어가 출력부 최종 위치에서 하드 스톱에 걸린다(사례 1).

• 기어가 출력부 어느 위치에서든 걸릴 수 있다(사례 2).

최종 위치에서만 그러하다면, 시스템이 고착되는 것이 아니라 토크가 낮고 플라이휠 질량이 낮은 기어 대신 스톱을 세심하게 선택하여 막을 수 있으며, 여기에서는 보다 어려운 두 번째 사례를 다루고자 한다. 레버(기어 열)는 하드 스톱일 경우 안으로 박혀서 고정된 토글 레버 시스템을 지나간다. 이 시스템의 텐션 크기는 기어 레버 비율에 좌우된다. 모터 정지 토크와 플라이휠 제동 토크가 작은 레베 암에 작용하면, 기어가 강하게 고정되고, 토글 레버 사점 위치가 뚜렷해진다. 편심 기어, 아크바(akbar) 기어, 볼프롬(wolfram) 기어와 같이 구동 레버 암이 작은 경우, 텐션이 그만큼 더 커진다.

인벌류트 치형과 사이클로이드 치형의 편심 기어 도식과 작동 위치의 대체 레버 메커니즘(좌측) 그리고 고장 난 위치의 대체 레버 메커니즘(우측).

기어 고정에 대해 결정적인 매개변수는 다음과 같다.

• 모터 정지 토크와 모터 기동 토크 간 편차,

• 기어 플라이휠 질량과 모터 기동 토크 비율,

• 모터 풀림 토크에 작용하는 레버 암,

• 구동 요소에 차단력이 작용하는 지점의 레벨 오프셋,

• 레버 암, 팽팽해진 기어의 차단력,

• 작용하는 토글 레버 시스템 개수,

• 기어가 인벌류트 기어의 경우 저속 또는 고속 기어로 형성, 사이클로이드 기어의 경우 구르고 활주하는 기어 요소 쌍으로 형성

기어 드라이브 역할을 하는 아크바 기어 도식과 작동 위치의 대체 레버 메커니즘(좌측) 그리고 고장 난 위치의 대체 레버 메커니즘(우측).

기어 유형과 고착의 상관관계

유성 기어:모터 토크가 작용하는 구동 레버 암이 비교적 크고 팽팽해진 토글 레버 시스템의 텐션이 낮다. 이는 내부 토글 레버 시스템이다. 다단계 유성 기어는 토글 레버 시스템의 장력을 단계적으로 고르게 증가시킨다. 이를 통해 기어는 걸리지 않고 어려움 없이 스톱에서 되돌아갈 수 있다. 이 기어는 자체 잠금 방식이 아니다.

스트레인 웨이브 기어: 모터 정지 토크가 작용하는 구동 레버 암이 비교적 크고 기어 텐션이 작다. 스트레인 웨이브 기어는 외부 토글 레버 시스템이며, 걸림 위치에서 비교적 쉽게 벗어날 수 있다. 이 기어도 자체 잠금 방식이 아니다.

편심 기어: 모터 토크가 작용하는 구동 레버 암이 작고, 플라이 휠 질량이 클 때 텐션이 크다. 하드 스톱일 경우 사점 포인트로 가며 고착 경향이 있다. 기어는 시스템 신장과 마찰비로 수용하는 큰 힘을 생성한다. 구조가 안정적인 경우, 기어의 작은 편심성에 작용하는 큰 모터 토크로 인해 사점 포인트에서 기어가 빠져나올 수 있다. 인벌류트 치형의 편심 기어인 경우, 기어가 고착 위치에서 빠져나오기가 유리하다. 사이클로이드 기어의 경우, 기어의 활주쌍을 구르는 형태가 되어 고착이 최소화된다. 편심 기어는 감속비가 매우 작을 경우에 자체 잠금 되지 않는다.

아크바 기어:모터 토크는 구동 편심기의 편심성에 작용한다. 이 편심성은 편심 기어의 경우 매우 작은 레버 암이며, 따라서 아크바 기어는 매우 빠르게 고착되어 기어 텐션이 높아지고 편심기 원주 방향 힘과 차단력의 작용점이 각기 다른 레벨에서 어긋나게 배열되어, 내부 토글 레버 시스템과 외부 토글 레버 시스템에 작용한다. 구동 레벨에는 내부 토글 레버 시스템이, 출력 레벨에는 외부 토글 레버 시스템이 작용하여, 고착된 위치에서 기어가 빠져나올 수 없다. 사용하는 기어 시스템과 관련해서 편심 기어와 동일하며, 아크바 기어는 자체 잠금 방식이다.

볼프롬 기어: 아크바 기어와 마찬가지로 기어를 강하게 고정하는 내부 및 외부 토글 레버 시스템이 작용한다. 하지만 볼프롬 기어는 아크바 기어와 달리 모터 풀림 토크가 작용하는 편심성 짧은 레버 암이 없어, 고착된 위치에서 빠져나오는 것이 매우 어렵다. 볼프롬 기어는 자체 잠금 방식이나, 그렇지 않도록 설계할 수 있다.

기어 드라이브 역할을 하는 볼프롬 기어의 도식과 관련 대체 레버 메커니즘. 위에서부터 작동 위치의 대체 레버 메커니즘, 고장 난 위치의 대체 레버 메커니즘, 구동 레벨의 내부 토글 레버 시스템, 출력 레벨의 외부 토글 레버 시스템.

고착을 막기 위해 다음과 같은 조치가 적합하다.

• 안정적인 경량 구조를 통해 힘과 플라이휠 질량을 최소화한다.

• ‘소프트하고’ 탄성력 있는 스톱, 즉 추가 스프링, 플렉셔 베어링, 기어 요소의 탄성 설계, 스톱 멤버의 댐핑 요소를 통해 토글 레버 시스템의 텐션을 최소화할 수 있다.

연구 결과 치수와 설계가 올바르면 ‘하드 스톱’으로 기어를 제동해도 긴 수명과 지속 가능성 달성할 수 있다.