기어 설계 전문가들에게는 도움이 안 되는 글이다. 다만 현업에서 회사가 기어 설계의 경험이 없음에도 불구하고 설계를 해야 할 일이 가끔 있다. 이렇게 갑작스럽게 기어 설계 맞닥뜨린 설계자들을 위한 글이다.
기계에서의 소음, 진동은 한두가지가 아닌 여러 요인들로 인해 일어난다.
모터가 달린 움직이는 기계, 회전하는 기계에서는 진동이 피로 필연적으로 일어나고 기어가 있는 경우에는 기어 이끼리 맞물리는 과정에서도 진동이 생긴다.
회사 내부에 이런 기어설계에 대한 노하우가 없는 상태에서 맨 땅에 헤딩하면서, 일본, 미국에서 들어온 설계책 뒤져보며 터특한 몇 가지 노하우를 정리해보았다.
기어 설계 – 평기어를 쓰는 경우 : 헬리컬 기어로 바꿔본다.
헬리컬 기어는 기어 이를 나선형으로 가공한 기어다. 두 기어가 맞닿을 때 선접촉으로 큰 충격을 받는게 아닌 점 접촉이 일어나고 회전하는 동안 이 점접촉이 이동하게 되면서 충격 지점, 시간을 분산하는 효과가 있다.
일반적으로 소음방지가 필요한 대부분의 기어가 이런 헬리컬 기어를 사용한다.
또 가장 확실한 방법이기도 하다.
하지만 내구성이 떨어진다는 단점이 있고 이 헬리컬 기어만으로 100% 해결이 되지도 않는다.
실무경험이 있는 회사의 경우 의외로 헬리컬 기어를 안쓰고 평기어 만으로 해결하는 경우도 많다.
기어 설계 – 맞물리는 두 기어의 잇수 차이를 줄여본다
직경차이가 큰 기어. 이의 형상, 크기가 같을 경우 직경차이가 곧 잇수의 차이이다.
물리는 두 기어의 직경차이가 과다하게 클 경우 접촉각 차이에서 오는 문제로 소음에 불리하게 작용할 수 있다.
소음에 가장 이상적인 형태는 맞물리는 두 기어의 잇수가 ‘똑같을 때’이다. 그러기에 직경 차이가 너무 크다면 직경 차이를 줄이는것도 한 방법.
주로 감속기에서 원하는 감속비를 만들어내기 위해 두 기어의 직경 차이가 큰 경우가 많은데 딱 2개의 기어로만 이루어져있다면 중간에 ‘아이들 기어’를 하나 더 넣어서 원하는 감속비도 만들어내고 맞물리는 두 기어의 잇수(직경)차이를 줄여보는 것도 한 방법이다.
기어 설계 – 기어의 재질을 바꾸어본다.
금속보다는 플라스틱(POM등)기어가 소음에 더 유리하다. 금속성 소리가 강하게 나는 PEEK재질 기어조차도 근본은 플라스틱이기에 금속으로 만든 기어보다는 일반적으로 더 조용하다.
플라스틱 기어는 또 사출성형을 하기에 대량생산을 할 경우 금속 기어보다 원가에서도 크게 유리하다.
기어 설계 – 축간 거리를 조정해본다.
기어 설계 자료들을 보면 이의 형상에 따라 축간거리가 정해져있다.
그런데 여기서 이론으로 정해진 축간거리가 항상 소음에 유리한 수치는 아니다.
축간거리를 약간 더 늘리거나 좁히면 소음이 잡히는 경우가 꽤 많다.
다만 내구에 영향을 미치니 꼭 내구성 재확인이 필요하다.
기어 설계 – 기어박스로 밀폐한다.
기어박스로 밀폐하는건 단순히 소음을 안나게 틀어막아서 소음을 잡는 건 아니다.
박스형으로 밀폐하면 축간의 강성이 크게 올라서 기어 이들의 물림 정도가 일정하게 유지되고 이렇게 소음 발생을 잡을 수 있다.
기어 설계 – 박스의 위, 아래 재질을 서로 다르게 한다.
기어 박스든 제품 전체의 케이스든 크기가 비슷한 두개의 케이스로 반 반 정도 (뚜껑과 바닥)나눠진 형태가 많다.
이럴 때 뚜껑, 바닥의 재질 모두 같은 재질이라면 뚜껑, 바닥중에 가공이 쉬운 형상을 가진 부품을 NC가공해서 재질을 바꿔보라.
예를 들어 뚜껑, 바닥 모두 PA66(나일론)재질로 제작하였을 경우 이 중에 하나는 ALDC등의 금속성 재질로 한번 바꿔보라.
케이스 전체를 같은 재질로 만드는 것 보다 한 주파수대에 소음이 몰리지 않고 어느정도 분산되는 효과가 있다.
기어의 직경을 줄여본다.
내가 기어에 대해 터득한 것 중에 정말 생각치도 못했던 현상 중의 하나이다. 일본책에서 발견했던 내용이다.
기어에서 생기는 진동은 기어 전체를 진동시키고 이 진동이 공기, 케이스로 전달되어 사람의 귀에 ‘소음’으로 들린다.
그리고 이 소음은 기어의 직경이 크면 클 수록 공기중으로 더 전달이 잘 된다.
기어의 직경이 크고 표면적이 넓을 수록 기어의 진동을 공기중으로 퍼뜨리는 ‘스피커’역할을 크게 한다.
다른 표현을 쓰자면 ‘표면적이 넓으니 공기중으로 에너지 방출이 더 많이 되는 것’이다.
기어의 직경을 줄이거나 직경을 줄일 수 없는 경우에는 옆면에 구멍을 뚫어 공기와의 접촉면적을 줄이거나 자동차 휠, 자전거 바퀴처럼 스포크 형태로 가공하는 것도 한 방법이다.
최후의 수단.
기어 설계 전문회사와 협업한다
(…)
‘상품’에 달린 기어와 생산 현장의 생산기계에 달린 기어는 그 목적이 서로 다르다.
이거 하나 기어 해봤다고 다른 기어를 쉽게 만들 수 있는 게 아니다.
특히나 ‘상품’에 사용할 기어라면 기어를 생산해줄 업체를 반드시 찾아야 한다. 금속 가공기어라면 기어 가공 전문 회사, 사출(플라스틱)기어라면 사출회사 중에서도 기어 사출을 해본 회사를 찾아야 한다. 경험이 없는 회사가 금형만 판다고 쉽게 할 수 있는 분야가 아니다.