기어 톱니는 여러 가지 방식으로 고장이 발생할 수 있으며, 각 고장마다 특정 원인과 경고 신호가 나타나므로 유지보수 팀은 이를 인지해야 합니다. 이러한 고장 유형을 이해하면 심각한 고장을 예방하고 적절한 유지보수 및 작동을 통해 장비 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.
피팅
피팅은 기어 이빨에 반복적인 접촉 응력이 가해져 재료의 표면 내구성 한계를 초과할 때 발생하며, 이로 인해 이빨 표면에 작은 크레이터가 형성됩니다.
이 과정은 일반적으로 국부적인 응력 집중을 유발하는 사소한 표면 결함이나 "고점"에서 시작됩니다. 이러한 균열은 지속적인 하중 하에서 확산되어 작은 재료 조각이 표면에서 떨어져 나가게 합니다. 새 기어가 "마모"되면서 가동 직후 초기 피팅이 나타나는 경우가 많으며, 이러한 경미한 피팅은 고점의 응력 집중이 해소되면 안정화될 수 있습니다. 그러나 접촉 응력이 과도하게 유지되면 점진적인 피팅이 계속되어 크레이터가 점점 커집니다.
피팅은 일반적으로 설계 토크를 초과하는 과부하, 재료 경도 부족, 기어 정렬 불량 또는 윤활 부족으로 인해 발생합니다. 유막이 충분하지 않으면 표면 거칠기가 직접 접촉하여 피로가 가속화됩니다. 또한 윤활제 내의 오염 물질이나 부식성 물질은 균열 발생 지점을 생성하여 표면 피로 강도를 저하시킵니다.
착용
마모는 기계적 또는 화학적 작용으로 기어 톱니 표면의 재료가 점진적으로 손실되는 것을 말합니다. 기어 마모의 세 가지 주요 요인은 다음과 같습니다.
- 부적절한 윤활로 인해 표면이 직접 접촉됨
- 치아 표면을 물리적으로 절단하는 오일의 연마 입자
- 부적절한 윤활제 화학으로 인한 화학적 상호 작용
마모는 심각도에 따라 다양하게 나타납니다.
- 연마 마모는 표면이 약간 매끄러워지고 가공 흔적이 희미해지는 형태로 나타납니다. 이는 종종 초기 작동 중에 발생하며 정상적인 현상일 수 있습니다.
- 중간 정도의 마모는 표면이 윤이 나고, 데덴덤에 가공 흔적이 닳아 없어진 것을 보여줍니다.
- 심각한 연마 마모는 단단한 오염 물질로 인해 눈에 띄는 긁힘, 움푹 들어간 부분 또는 평행한 긁힘 자국을 만듭니다.
윤활 불량이나 오염은 마모에 이상적인 조건을 만듭니다. 유막이 너무 얇으면 기어는 표면이 직접 접촉하는 경계 윤활 상태로 작동합니다. 단단한 입자로 오염된 윤활제는 연삭제처럼 작용합니다. 오염된 환경, 씰 불량, 또는 잘못된 오일 점도는 모두 마모율을 허용 수준을 초과하여 증가시킵니다.
스커핑(스코어링)
스커핑은 극한의 접촉 조건에서 윤활막이 완전히 파괴되어 발생하는 심각한 접착 마모를 의미합니다. 오일막이 치아 표면을 분리하지 못하면 금속 간 접촉으로 인해 급격한 마찰열이 발생하여 표면 용착이 발생합니다.
기어가 계속 회전하면 이러한 용접 부분이 떨어져 나가면서 특유의 거칠고 찢어진 표면 손상이 발생합니다. 스커핑은 과부하 시 또는 기어 세트가 적절한 런인 없이 고속으로 작동할 때 갑자기 발생하는 경우가 많습니다.
마모된 표면에는 미끄러지는 방향을 따라 거칠고 무광택의 줄무늬가 뚜렷하게 나타납니다. 이러한 변색된 부분(종종 푸른색이나 칙칙한 회색)은 확대해서 보면 찢어지거나 번진 것처럼 보입니다. 마모는 일반적으로 미끄러지는 움직임이 가장 많은 부위, 즉 치아 끝, 치근 부근 또는 부정교합이 있는 경우 한쪽 면의 폭 방향 끝부분에 집중됩니다.
고속, 고토크 작동은 접촉 온도를 윤활제 성능을 초과하여 상승시켜 스커핑 발생 조건을 조성합니다. 오일 점도 부족, 극압 첨가제 부족, 또는 윤활막을 손상시키는 오염 물질은 모두 스커핑을 유발합니다. 일단 스커핑이 시작되면 거친 표면이 파괴적인 피드백 루프에서 더 많은 열을 발생시키면서 빠르게 진행되는 경향이 있습니다.
굽힘 피로
굽힘 피로는 반복적인 굽힘 응력으로 인해 치근에서 균열이 발생하고 성장하여 발생합니다. 하중을 받는 모든 치형은 맞물림 과정에서 캔틸레버 보처럼 작용하여 기저부에서 반복적인 인장 및 압축 응력을 받습니다.
응력 범위가 재료의 피로 내구 한계를 초과하면, 하중이 정적 강도 한계 미만으로 유지되더라도 결국 균열이 발생합니다. 수백만 번의 응력 사이클이 반복되면서 파손이 발생합니다. 루트 필렛 노치, 스크래치 또는 재료 개재물로 인한 응력 집중은 균열 발생을 급격히 가속화합니다.
전형적인 굽힘 피로는 하중을 받는 쪽의 루트 필렛에 균열이 생기는 것으로 시작됩니다. 초기 균열은 전문적인 검사 없이는 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 작업이 계속됨에 따라 균열은 치형에 수직으로 진전됩니다. 파단면에는 뚜렷한 "비치 마크"가 나타나는데, 이는 원점에서 단계적으로 균열이 진행되는 것을 보여주는 동심원 모양의 반원형 선입니다.
하중 용량 한계에 가까운 고주기 적용 시 굽힘 피로가 가장 자주 발생합니다. 약간의 과부하만으로도 피로 수명이 크게 단축됩니다. 정렬 불량은 하중을 작은 치형 부분에 집중시켜 국부 응력을 증가시킵니다. 날카로운 루트 필렛, 제조상의 흠집, 또는 부적절한 열처리는 모두 조기 균열 발생을 촉진합니다.
표면 피로(미세 피팅 및 스폴링)
표면 피로는 미세 피팅과 스폴링을 포함하며, 두 가지 모두 재료 입자가 치아 표면에서 분리되는 반복적인 접촉 응력에 의해 발생합니다. 반복적인 압축 및 전단 응력은 표면 또는 표면 근처에 피로 균열을 발생시킵니다.
- 마이크로피팅 10마이크로미터 미만의 매우 작은 구멍(깊이)을 생성하여 표면에 서리처럼 뿌옇고 무광택 회색을 띱니다. 이는 고하중을 받는 단단하고 표면 경화된 기어에서 얇은 윤활막이 표면 거칠기와 상호 작용할 때 발생합니다. 각 마이크로피트는 미세 균열로 인해 미세한 재료 입자가 떨어져 나가면서 발생합니다.
- 스폴링 더 큰 표면 파편이 분리되는 진행된 접촉 피로를 나타냅니다. 피로 균열이 확산되어 서로 연결됨에 따라 크고 불규칙하며 들쭉날쭉한 모서리를 가진 크레이터가 형성됩니다. 표면 경화된 기어의 경우, 단단한 표면층 덩어리가 완전히 분리되어 더 부드러운 코어 재료가 노출될 수 있습니다.
미세 부식은 치아 표면에 회색의 "프로스팅"처럼 나타나며, 확대하면 작은 크레이터들이 빽빽하게 나타납니다. 박리(spalling)는 충치나 덩어리가 눈에 띄게 나타나며, 종종 피치선 아래에서 시작됩니다. 두 가지 경우 모두 진동과 소음을 증가시킵니다.
이러한 파손은 반복적인 높은 접촉 응력, 특히 윤활 부족이나 과도한 하중 하에서 발생합니다. 표면 경화 처리된 기어의 평활도가 부족하거나 윤활제 배합이 잘못된 기어가 특히 취약합니다. 경계 윤활 조건이나 동적 하중과 같은 환경적 요인은 표면 피로 발생을 가속화합니다.
치아 파손
톱니 파손은 기어 톱니의 완전한 파단을 의미하며, 갑작스러운 과부하 또는 피로 균열 전파라는 두 가지 주요 메커니즘을 통해 발생합니다. 잼이나 충격 하중으로 인한 정적 과부하는 응력이 최대 재료 강도를 초과할 때 톱니를 즉시 전단시킬 수 있습니다.
더 일반적으로 파손은 시간이 지남에 따라 치아의 하중 지지 단면적을 감소시키는 굽힘 피로 균열로 인해 발생합니다. 균열은 치아를 점차 약화시켜 남은 재료가 작동 하중을 지탱할 수 없게 만들고, 이로 인해 갑작스러운 파손이 발생합니다.
결손된 치아나 치아 파편은 파손의 명백한 증거를 제공합니다. 파단면은 파괴 양상을 드러냅니다. 과부하 파괴는 균일하고 결정질로 나타나는 반면, 피로 파괴는 뚜렷한 균열 발생 부위와 최종 파단 영역을 가진 비치 마크를 보입니다.
심각한 과부하는 비상 정지, 공구 충돌 또는 전기적 결함으로 인한 토크 스파이크 발생 시 발생합니다. 피로 관련 파손은 과도한 하중, 재질 불량, 또는 굽힘 응력을 증가시키는 정렬 불량으로 인해 기어가 피로 용량을 초과하여 작동할 때 발생합니다. 균열이 커지는 것을 무시하고 유지 관리를 소홀히 하면 완전한 파손으로 이어질 수 있습니다.
소성 유동(소성 변형)
소성 유동은 접촉 응력으로 인해 표면 재료가 탄성 한계를 넘어 파손이나 마모가 아닌 영구 변형을 일으킬 때 발생합니다. 이는 비교적 부드러운 재료나 충분히 경화되지 않은 표면에 금속을 물리적으로 변위시키는 하중이 가해질 때 발생합니다.
이 메커니즘은 반죽을 눌러 변형시키는 것과 유사하게 재료가 압력을 받으면 휘어지고 흘러내리는 현상을 수반합니다. 강한 미끄럼 접촉과 높은 압축 응력이 결합되면 부드러운 금속도 말 그대로 얼룩지게 됩니다. 재료는 균열이나 마모 없이 표면 전체에 재분배됩니다.
치아 단면을 따라 미끄러지는 방향으로 물결 모양의 잔물결이나 융기가 형성됩니다. 치아 가장자리에 물질이 쌓여 융기된 버(burr)가 발생합니다. 표면은 패이거나 긁힌 자국이 아니라 얼룩덜룩해 보입니다. 심한 경우 치아 단면이 완전히 변형되어 원래 존재하지 않았던 곳에 융기 부분이 생깁니다.
저속에서 높은 정적 하중이 가해지면 접촉 시간이 길어져 소성 변형이 발생할 수 있는 조건이 조성됩니다. 슬라이딩이 심한 부품은 열을 발생시켜 표면을 연화시킵니다. 경화 불량, 부적절한 윤활 또는 잦은 과부하는 모두 소성 변형을 유발합니다. 웜 기어는 하중을 받을 때 슬라이딩 작용이 심하기 때문에 이러한 고장 모드에 특히 취약합니다.
자주 묻는 질문
긁힘 손상은 얼마나 빨리 발생합니까?
스커핑은 극한 조건에서 윤활막이 손상되면 거의 즉시, 몇 초 또는 몇 분 안에 발생할 수 있습니다. 일단 스커핑이 시작되면 마찰과 열이 증가하는 피드백 루프를 통해 빠르게 진행됩니다.
초기 침식은 스스로 치유될 수 있나요?
네, 초기의 경미한 피팅은 높은 부분이 없어지고 하중이 더 고르게 재분배되면서 안정화되는 경우가 많습니다. 그러나 접촉 응력이 과도하게 유지되면 피팅이 파괴적인 수준으로 진행되어 기어를 교체해야 할 수도 있습니다.
기어 이빨이 대부분 파손되는 원인은 무엇입니까?
굽힘 피로는 대부분의 치아 파손을 유발합니다. 균열은 뿌리 필렛에서 시작되어 수백만 사이클에 걸쳐 확산되어 나머지 재료가 갑자기 파단됩니다. 정상 작동 중에는 순수 과부하 파손이 덜 흔합니다.
연성 기어 소재에서 플라스틱 흐름을 방지하려면 어떻게 해야 합니까?
적절한 하중 한계를 통해 접촉 응력이 재료 항복 강도 이하로 유지되도록 하고, 마찰을 최소화하기 위해 적절한 EP 윤활제를 사용하고, 하중이 많이 걸리는 적용 분야에는 더 단단한 재료나 표면 처리를 고려하세요.
적절한 윤활이 되어 있어도 기어가 고장나는 이유는 무엇입니까?
윤활이 잘 되어 있어도 기어는 설계 한계를 넘는 과도한 하중, 수백만 번의 사이클 후의 재료 피로, 불균일한 응력 분포를 야기하는 정렬 불량, 연마 입자를 유입하는 오염으로 인해 고장날 수 있습니다.
