설계 변경으로 성능을 향상시킬 수 있다

맥슨은 항공 우주 연구결과를 산업 제품에 반영하였으며, 이는 새로운 유성 기어 제품에서 확인할 수 있다. 설계 변경을 통해 표준 소형 기어에 대한 출력과 토크, 효율 및 수명을 크게 높일 수 있었다.

펠릭스 쉬너(Felix Schinner): 맥슨 Motor GmbH 기어 개발부

핵심 내용

  • 맥슨은 볼 베어링이나 니들 베어링에 유성기어 휠을 배치하여 기어 시리즈의 효율을 최적화하였다.
  • 이 기어는 입력 전력이 동일하지만 표준 설계에 비해 30% 높은 토크를 출력할 수 있다.
  • 발열이 줄고 수명이 길어졌을 뿐만 아니라 바뀐 구조로 인해 역회전도 가능하다.

고정밀 드라이브 시스템 전문 업체인 맥슨은 새로운 화성 탐사 프로젝트와 항상 함께 한다. UP(Ultra Performance) 기어에 대한 최초의 아이디어도 ESA의 화상 탐사 프로젝트인 ‘ExoMars’와 NASA의 ‘Mars 2020’의 일환으로 나왔으며, 극한의 환경에서 높은 가용성을 유지하기 위한 것이었다. 이러한 프로젝트에서 얻은 선구적인 기술이 맥슨의 새로운 기어 시리즈인 산업용 기어에도 적용되었다.

이 새로운 기어 시리즈의 장점은 본질적인 효율성에 있다. 이 효율성은 일반적으로 입력에 대한 출력의 비로 정의된다. 기계 시스템에서 발생하는 마찰을 줄이면 드라이브의 효율성을 최적화할 수 있다. 새로운 GPX 유성 기어 UP 시리즈에서는 기존 유성 기어의 지지축에서 직접 축을 이동시키도록 장착되었던 유성기어 휠을 볼 베어링 또는 니들 베어링에 장착하여 이를 기술적으로 구현하였다. 맥슨은 이것을 ‘미끄럼마찰에서 구름마찰로의 전환’이라 부른다.

직경 22mm Space-UP 기어의 유성 기어 배치 모습.

예를 들어, 3단 구조의 GPX32 UP은 약 90%의 최대 효율을 달성하는 반면, 유사한 소형 기어는 70%에 못 미친다. 하지만 앞서 언급한 설계 개선을 통해 표준 사양을 기준으로 효율성을 1.3배, 즉 70% 정도 효율을 올릴 수 있다(그림 3).

이는 구동 시스템의 다른 매개변수에도 직접적인 영향을 미친다. 동일한 모터와 동일한 모터 컨트롤을 사용하고 입력 토크가 같은 경우, 이 기어는 30% 정도 더 큰 토크를 전달할 수 있다. 역으로 설명하면, 출력 전력이 동일한 경우, 23% 낮은 전력으로도 충분하다는 의미이다. 이는 배터리 구동 애플리케이션의 경우, 다음 충전 사이클까지 사용 가능 시간을 더욱 늘릴 수 있다는 것이다.

필요한 입력 전력을 낮춤으로써 유리한 작동점에서 모터를 작동할 수 있다. 이는 모터와 전체 구동 시스템의 효율을 향상시킨다. 이는 대안으로 보다 작거나 보다 가벼운 모터와 전자 장치를 사용할 수 있으며, 무게뿐만 아니라 비용에도 긍정적으로 작용한다.

그림 3: GPX32 UP 및 GPX 32(점선)의 토크 효율 곡선

발열 감소로 서비스 수명이 길어졌다

앞서 설명했듯이, 유성 기어 휠과 축 간 마찰을 크게 낮출 수 있어, 구동 장치 작동 시에도 발열이 크게 줄어든다. 이는 공급해야 할 마찰 출력이 적기 때문이다. 특히 특정 온도 범위를 넘으면 안 되는 의료 전동 공구 같은 사례에서 출력 전달을 크게 개선할 수 있다.

발열이 높아지면 윤활제 내구성에도 영향을 미친다. 열 부하가 높아질수록 윤활제의 윤활 특성이 빠르게 사라지고 마모 거동도 보다 빠르고 강하게 나타난다. 또한 떨어져 나간 금속 입자로 인해 윤활제에 덩어리가 생기고 결과적으로 윤활 효율이 떨어질 수밖에 없다.

하지만 열 입력을 억제할 수 있다면 동일한 조건에서 수명이 훨씬 길어질 수 있다. 이러한 효과는 GPX UP 타입의 기어에서 확연히 나타난다. 달성 가능한 서비스 수명이 맥슨의 기존 동급 기어보다 5배 정도 길고 경쟁사의 제품보다 11배 더 길어, 서비스 수명을 늘리는 대신 작고 가벼운 기어를 사용할 수 있다. 이는 토크 대비 출력 밀도(직경비)가 크게 향상되었기 때문이다.

출력 전력과 서비스 수명 비교

기어 설계로 역회전 가능

새로운 디자인의 장점이 기어 사양에서 개별 매개변수의 개선에만 반영된 것은 아니다. 오히려 이 기어로 추가적인 적용 사례, 특히 피드백(Force Feedback) 응용 분야를 지원할 수 있다. 이러한 응용 분야에서 GPX-UP 디자인의 장점이 효력을 발휘한다. 정상 작동에서 유성 기어 휠을 사용하여 걸림 없이 기어를 역회전시키고, 필요한 경우에 피드백을 제공할 수도 있다. 다시 설명하면, 힘 또는 토크 적용 요소가 측정 가능하거나 촉각적인 기계적 피드백을 제공하여, 이를 달성하려면 기어가 역회전할 수 있어야 한다. 즉, 출력 측에 인가되는 토크 또는 토크 변화가 비례적으로 입력 측에 전달되어야 한다.

다음 사례가 이러한 응용 분야에 속한다.

• 전기 신호에 의한 항공기 제어(Fly by Wire)의 경우이다. 항공기 조종은 기계적으로 또는 유압에 의해 액추에이터에 전달되는 것이 아니고, 전기적인 신호에 의해 전달되기 때문에 조종사는 자신의 제어에 대해 손으로 느껴지는 피드백을 느낄 수 없다. 하지만 조종간에 드라이브를 사용하면 전기적으로 산출된 피드백을 기계적으로 조종사의 손에 전달할 수 있다. 역회전은 무엇보다 정상 모드로 필요하다. 이는 추가로 설치한 드라이브가 조종간 동작을 방해하면 안 되기 때문이다.

• 또한 미세 수술이나 원격 수술의 혁신적 수술 로봇도 유사한 사례이다. 집도의가 수행하는 동작에 대한 피드백을 손으로 직접적으로 느낄 수 있어야 한다.

• 드라이브의 역회전에 대한 요건은 플랜트 엔지니어링 분야에도 존재한다. 설정 모드에서 축이 출력 측에서 전류 없이 이동할 수 있어야 한다.

새로운 GPX-UP 타입은 출력 증대와 토크 증대, 효율성 증대, 수명 연장, 발열 저감, 무게 경량 그리고 다단계 기어에서도 역회전성의 추가 기능 등 일련의 장점들을 하나로 묶었다. 이러한 특성을 바탕으로 이 기어의 이름이 Ultra Performance, 줄여서 UP이 된 이유를 쉽게 알 수 있다. 지름이 22, 32, 42, 52, 70mm로 제공되며, 모든 ‘X 타입’과 동일하게 구성할 수 있다. 직경 8mm부터 고객 맞춤 기어도 생산 가능하다.