기어 박스 백래시, 맞물리는 기어 이빨 사이의 고유한 플레이는 기어 시스템의 성능과 수명에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 과도한 백래시는 정확도 감소, 소음 및 진동 증가, 마모 가속 및 효율성 감소로 이어집니다. 이 문제를 해결하지 못하면 조기 구성 요소 고장 및 비용이 많이 드는 가동 중지 시간이 발생할 수 있습니다.
이 문서에서는 기어박스 백래시의 원인, 효과, 측정 기술을 살펴보고, 최적의 시스템 성능과 안정성을 보장하기 위해 백래시를 최소화하거나 제거하기 위한 전략을 제시합니다.
기어박스 백래시란?
기어박스 백래시는 기어박스 또는 기어 트레인 내의 기어의 맞물리는 이빨 사이에 존재하는 고유한 클리어런스 또는 플레이를 말합니다. 구동 기어와 피동 기어 이빨 사이의 이 작은 공간은 한 기어가 다른 기어를 즉시 움직이지 않고 약간 회전할 수 있게 합니다.
백래시는 동력 전달 방향이 반전될 때 발생하는 순간적인 지연 또는 "잃어버린 동작"으로 나타납니다. 예를 들어, 기어박스의 입력 샤프트가 회전 방향을 변경하면 출력 샤프트는 즉시 응답하지 않습니다. 대신 입력 샤프트는 이빨이 완전히 맞물리고 동작을 출력 샤프트로 전달하기 전에 백래시를 흡수하면서 작은 거리를 회전합니다.
미국 기어 제조업체 협회(AGMA)는 기어 백래시를 피치 원의 맞물리는 이빨의 두께를 기어 이빨 공간이 초과하는 양으로 공식 정의합니다. 즉, 두 개의 맞물리는 기어 이빨 사이의 빈 공간을 정량화합니다.
기어박스 백래시 유형
- 원형 백래시(jt): 접선 백래시라고도 알려진 이것은 특히 평행 샤프트 기어와 같은 백래시 측정의 가장 일반적인 유형입니다. 평 기어와 헬리컬 기어. 이는 기어가 맞물리는 기어가 고정된 상태에서 회전할 수 있는 피치 원의 호 길이로 정의됩니다. 원형 백래시는 이론적 접촉 지점에서 맞물리는 이빨 사이의 회전 플레이를 나타냅니다.
- 일반 백래시(jn): 이 유형의 백래시는 두 맞물리는 기어 이빨의 구동 표면이 접촉할 때 비구동 표면 사이의 최단 거리로 측정됩니다. 정상 백래시는 접촉 지점에서 이빨 표면에 수직인 선을 따라 측정되며 이빨 사이의 실제 간극을 직접 나타냅니다.
- 각도 백래시(jθ): 각 백래시는 맞물리는 기어를 움직이지 않고 한 기어가 회전할 수 있는 최대 각도입니다. 일반적으로 도 또는 라디안으로 표현됩니다. 주어진 양의 선형 백래시에서 반경이 작은 기어는 큰 기어보다 각 백래시가 더 큽니다.
- 레이디얼 백래시(jr): 레이디얼 백래시는 스퍼 기어나 헬리컬 기어와 같은 평행축 기어에 적용됩니다. 이는 중심 거리 두 기어가 맞물려 있는 동안 두 기어 사이의 거리입니다. 두 기어 사이의 중심 거리를 변경하여 레이디얼 백래시를 조정할 수 있습니다.
- 축방향 백래시(jx): 축 방향 백래시는 베벨과 가장 관련이 있습니다. 웜 기어. 이는 맞물리는 기어에서 움직임을 일으키지 않고 한 기어가 움직일 수 있는 회전축을 따른 거리로 정의됩니다. 베벨 기어에서 축 백래시는 기어 사이의 장착 거리를 변경하기 위해 심을 추가하거나 제거하여 조정할 수 있습니다.
백래시가 기계 시스템 성능에 미치는 영향
- 움직임 손실 및 정확도 감소: 과도한 백래시가 있는 기어박스가 입력 방향이나 부하에서 역전을 경험하면 출력이 응답하기 전에 지연이 발생합니다. 입력은 이가 맞물리고 동작을 전달하기 전에 백래시를 감당할 만큼 충분히 회전해야 합니다. 이러한 손실된 동작은 시스템의 전반적인 정확도와 반응성을 감소시킵니다.
- 소음 및 진동: 기어가 방향을 바꾸고 톱니가 충돌하여 백래시를 제거하면 충격력이 발생합니다. 이러한 갑작스러운 충격은 기계 시스템 전체에 전파되어 다른 구성 요소에 방해나 손상을 일으킬 수 있는 소음과 진동을 발생시킵니다.
- 마모 증가: 약간의 백래시는 필요하지만 기어 이빨 사이의 과도한 클리어런스는 방향 반전 중에 경험하는 충격력을 증폭시킬 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 이러한 증가된 힘은 가속된 마모, 침식, 박리, 심지어 이빨 파손으로 이어져 기어박스의 전체 수명을 단축시킵니다.
- 효율성 감소: 백래시와 관련된 손실된 모션은 에너지 전달 효율의 손실을 나타냅니다. 입력이 회전하고 백래시를 제거하는 데 걸리는 시간 동안 출력에서 유용한 작업이 수행되지 않습니다. 이 낭비된 모션은 기어박스의 전체 효율을 감소시킵니다.
기어박스 백래시의 원인
- 제조 공차: 백래시가 없는 완벽한 기어는 사실상 제조가 불가능합니다. 제조 공정의 고유한 한계로 인해 항상 이빨 두께, 프로파일, 피치 및 기타 치수에 약간의 변동이 있을 것입니다. 이러한 작은 변동이 누적되어 맞물리는 이빨 사이에 백래시가 발생합니다.
- 장비 마모: 기어가 작동하고 하중 사이클을 겪으면서 이빨 표면이 점차 마모됩니다. 이 마모는 이빨 프로필을 변경하고 맞물리는 이빨 사이의 간극을 늘려 기어박스 수명 동안 백래시가 증가합니다.
- 조립 오류: 조립 과정에서 평행하지 않은 샤프트, 잘못된 기어 간격 또는 부적절한 장착 등 정렬 오류가 발생하면 시스템에 추가적인 백래시가 발생할 수 있습니다.
- 탄성 변형: 기어가 동력을 전달할 때, 기어 이빨은 하중 하에서 변형을 겪습니다. 백래시는 간섭이나 과도한 응력 집중을 일으키지 않고 이러한 변형이 발생할 수 있는 공간을 제공합니다.
- 열 팽창: 기어박스가 작동하고 가열되면 기어와 하우징이 확장됩니다. 백래시는 기어가 묶이거나 잡히지 않고도 이러한 열적 성장을 허용합니다.
- 윤활 요구사항: 기어 이빨 사이의 클리어런스는 윤활에 필요합니다. 백래시 공간은 윤활제가 들어가 표면을 분리하고 마찰과 마모를 줄이는 필름을 형성할 수 있도록 합니다.
기어박스 백래시를 정확하게 측정하는 방법
수동 측정 방법
다이얼 인디케이터 방식
다이얼 인디케이터 방법은 기어박스 백래시를 정량화하는 데 가장 널리 사용되는 기술 중 하나이며, 특히 소형 기어 세트의 경우 그렇습니다. 입력 샤프트를 잠가 회전을 방지하고 다이얼 인디케이터의 프로브를 피치 라인에서 출력 기어 이빨과 접촉하도록 배치하는 것을 포함합니다.
절차는 다음과 같습니다.
- 기어가 중립 위치에 있으면 다이얼 표시기를 0으로 맞춰 기준점을 설정합니다.
- 한쪽의 이빨이 완전히 맞물릴 때까지 출력 기어를 한 방향으로 부드럽게 돌립니다. 다이얼 표시기 판독값을 기록합니다.
- 출력 기어를 반대 방향으로 돌려 반대쪽 이빨 세트가 완전히 맞물릴 때까지 돌립니다. 다시 다이얼 표시기 판독값을 기록합니다.
- 두 판독값의 차이는 피치 직경에서의 원주 방향 백래시 총량을 나타내며, 일반적으로 미크론 또는 1/1000인치 단위로 표현됩니다.
이 방법은 무부하 조건에서 기능적 백래시를 직접 측정합니다.
레버 방식
다이얼 인디케이터를 장착하는 것이 비실용적인 대형 기어의 경우 레버 방식이 적합한 대안을 제공합니다. 긴 레버 암이 기어 샤프트 중 하나에 부착되어 힘을 가하는 데 편리한 핸들을 제공합니다.
사용하는 방법은 다음과 같습니다
- 입력 샤프트가 잠긴 상태에서 레버 암에 한 방향으로 작은 일관된 힘을 가해 기어 이빨이 완전히 맞물릴 때까지 계속합니다. 이를 0점으로 간주합니다.
- 반대쪽 이빨이 완전히 맞물릴 때까지 반대 방향으로 힘을 가하세요.
- 각도기나 적절한 각도 측정 장치를 사용하여 이 두 지점 사이의 레버 암의 각도 변위를 측정합니다. 이 각도 유격은 존재하는 백래시 양을 나타냅니다.
레버 방식은 다이얼 인디케이터를 사용하는 것만큼 정확하지는 않지만, 대형 기어 시스템의 백래시를 대략적으로 빠르게 추정할 수 있습니다.
필러 게이지 방법
노출된 기어 쌍을 다룰 때, 때때로 다른 이빨 표면이 접촉하는 동안 두 개의 맞물리는 이빨의 비접촉 표면 사이에 촉침 게이지를 직접 삽입할 수 있습니다. 이 틈새에 꼭 맞는 촉침 게이지의 두께는 정상적인 백래시를 측정합니다.
하지만 이 방법에는 몇 가지 한계가 있습니다.
- 실제 작동 부하나 동작 반전 중에 나타나는 추가적인 백래시를 고려하지 못할 수도 있습니다.
- 접근성 기어 메시 이는 필수 조건이지만 밀폐형 기어박스에서는 항상 가능한 것은 아닙니다.
손으로 수동 테스트
과도한 백래시에 대한 빠르고 정성적인 검사를 위해 입력 샤프트를 고정한 채 손으로 출력 샤프트를 앞뒤로 회전해 볼 수 있습니다. 입력을 구동하기 시작하기 전에 출력 샤프트의 눈에 띄는 자유 움직임이나 회전 운동은 백래시가 있음을 나타냅니다.
이 방법은 "느낌"에 기반한 접근 방식이고 다른 기술의 정량적 정밀도가 부족합니다. 그러나 기어 상태의 빠른 첫 번째 패스 평가에는 유용할 수 있습니다.
고급 측정 기술
로드 셀 및 전위계 설정
이 기술은 출력 샤프트에 토크를 적용하고 측정하기 위한 로드 셀과 결과적인 각 변위를 추적하기 위한 전위계 또는 회전 인코더를 결합합니다. 입력 샤프트는 절차 내내 잠긴 상태로 유지됩니다.
다음은 단계별 분석입니다.
- 로드 셀을 사용하여 알려진 토크를 한 회전 방향으로 적용하여 기어의 이빨이 완전히 맞물릴 때까지 진행합니다.
- 전위차계를 사용하여 출력 샤프트의 각도 위치를 지속적으로 기록하면서 반대 방향으로 토크를 점차적으로 증가시킵니다.
- 토크 대 각 변위 데이터를 표시하여 백래시 곡선을 얻습니다.
- 토크 전달이 최소이거나 전혀 없는 각운동 범위는 지정된 하중 조건에서 기어 쌍의 백래시를 나타냅니다.
이 방법은 현실적인 하중 시나리오에서 기어의 동적 거동과 기능적 백래시에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.
인코더 기반 백래시 평가
입력 및 출력 축 모두에 회전 인코더가 장착된 자동화 시스템에서 백래시는 두 축 사이의 상대 운동을 분석하여 평가할 수 있습니다.
평가 과정은 다음과 같은 단계로 구성됩니다.
- 두 축 모두의 인코더 카운트를 모니터링하는 동시에 입력 축의 방향 반전을 명령합니다.
- 출력 측에서 움직임이 등록되기 전에 입력 및 출력 샤프트 사이의 인코더 수의 차이는 인코더 펄스 또는 각도로 표현된 각도 백래시를 나타냅니다.
이 인코더 기반 접근 방식은 실제 기계 작동 중 백래시 동작을 실시간으로 모니터링하고 기록할 수 있으므로 상태 모니터링 및 예측 유지 관리를 위한 귀중한 데이터를 제공합니다.
기어박스 백래시 최소화 및 제거 전략
어느 정도의 백래시는 불가피하고 매끄러운 기어 작동에 필요하지만, 과도한 백래시는 위치 오류, 진동, 소음 및 가속 마모로 이어질 수 있습니다. 애플리케이션 요구 사항 및 제약 조건에 따라 기어박스 백래시를 최소화하거나 제거하기 위해 여러 가지 전략을 사용할 수 있습니다.
정밀 기어 사용
백래시를 줄이는 가장 간단한 방법 중 하나는 이빨 형상, 피치 및 프로파일에 대한 엄격한 허용 오차로 제조된 고정밀 기어를 사용하는 것입니다. AGMA(American Gear Manufacturers Association) 품질이 더 높거나 국제적으로 인정된 동등한 정밀 등급의 기어는 기하학적 편차가 최소화되어 더 단단한 맞물림과 감소된 백래시가 발생합니다.
그러나 정밀 기어는 비용이 많이 들고 열처리 후 원하는 정확도 수준을 달성하기 위해 연삭, 연마 또는 면도와 같은 특수 제조 기술이 필요할 수 있습니다.
기어 중심 거리 조정
스퍼 또는 헬리컬 기어와 같은 평행축 기어의 경우, 맞물리는 기어 사이의 중심 거리를 약간 줄임으로써 백래시를 줄일 수 있습니다. 이렇게 하면 기어 이빨이 더 가까워지고, 메시가 조여지고 클리어런스가 줄어듭니다.
중심 거리 조정은 일반적으로 다음을 통해 수행됩니다.
- 기어 허브와 샤프트 베어링 표면 사이에 shim 추가 또는 제거
- 슬롯 구멍이나 편심 부싱과 같은 조정 가능한 장착 기능 사용
- 나사산 장착 구멍을 사용하여 기어 위치를 정밀하게 조정할 수 있습니다.
메시를 너무 조이지 않도록 주의해야 합니다. 너무 조이면 결합, 과도한 마찰, 마모가 가속될 수 있습니다.
기어 이빨 형상 수정
특수한 치아 형상은 일정한 치아 접촉을 유지함으로써 백래시를 최소화하거나 제거하는 데 사용될 수 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
- 안티 백래시 기어: 이것은 스프링이 장착되거나 다른 방식으로 서로에 대해 약간 회전하도록 편향된 두 개의 반쪽으로 구성된 분할 기어입니다. 한 반쪽은 맞물리는 기어의 한 측면과 맞물리고 다른 반쪽은 반대쪽 측면과 접촉하여 모든 여유 공간을 차지합니다.
- 사전 로드된 기어: 이 설계에서 열차의 하나 이상의 기어는 스프링, 탄력성 있는 재료 또는 테이퍼 롤러 베어링을 사용하여 다른 기어에 대해 의도적으로 사전 로드됩니다. 이러한 일정한 사전 로드는 톱니가 항상 접촉 상태를 유지하여 백래시를 제거합니다.
- 제로 백래시 기어: 이는 메시 사이클 전체에 걸쳐 공액 작용을 유지함으로써 백래시를 완전히 제거하는 변형된 이빨 프로필을 가진 특별히 설계된 기어입니다. 예로는 순환 기어링과 노빈코프 기어링이 있습니다.
이러한 특수 기어는 백래시를 크게 줄이거나 없앨 수 있지만, 표준 기어 설계에 비해 비용이 많이 들고 복잡할 수 있습니다.
특수 저백래시 기어박스 활용
높은 위치 정확도와 최소한의 백래시가 요구되는 애플리케이션의 경우, 하모닉 드라이브 및 사이클로이드 감속기와 같은 특수한 저백래시 기어박스를 활용할 수 있습니다.
- 하모닉 드라이브는 유연한 톱니 스플라인이 타원형 파동 생성기에 의해 변형되어 단단한 원형 스플라인과 맞물리는 독특한 작동 원리를 사용합니다. 이 기어링 메커니즘은 자연스럽게 백래시를 제거하고 높은 단일 단계 감속 비율을 제공합니다.
- 사이클로이드 감속기는 하우징에 장착된 고정 핀과 맞물리는 로브가 있는 사이클로이드 디스크를 사용합니다. 디스크의 편심 운동은 항상 여러 개의 이빨이 접촉하는 롤링 동작을 생성하여 백래시가 없고 토크 용량이 높습니다.
이러한 특수 기어박스는 정확성, 반복성, 비틀림 강성 측면에서 뛰어난 성능을 제공하므로 정밀 위치 지정 애플리케이션에 적합합니다.
기어 마모 보상
시간이 지남에 따라 기어는 이빨 마모, 변형 또는 표면 열화로 인해 백래시가 증가할 수 있습니다. 이 마모로 인한 백래시를 보상하기 위한 전략은 다음과 같습니다.
- 기어 이빨 재형성: 어떤 경우에는 마모된 기어 이빨을 재가공하거나 연삭하여 원래 프로필과 형상을 복원할 수 있습니다. 이 공정은 마모된 재료를 제거하고 적절한 이빨 접촉을 재확립합니다.
- 기어 교체: 마모가 심하거나 기어가 심하게 손상된 경우 마모된 기어를 새 기어로 교체하는 것이 가장 실용적인 해결책입니다. 교체 후 기어 메시를 재조정하여 최적의 백래시 수준을 보장해야 할 수도 있습니다.
- 백래시 조정: 마모된 기어는 때때로 틈새를 메우거나 중심 거리를 재조정하여 증가된 클리어런스를 보상할 수 있습니다. 이는 일시적인 해결책이며 마모가 과도하면 실행 불가능할 수 있습니다.
소프트웨어 보상 기술
하드웨어 솔루션 외에도 백래시는 모션 제어 시스템에 구현된 소프트웨어 보상 전략을 통해 해결할 수도 있습니다. 아이디어는 기어박스의 알려진 양의 백래시를 고려하기 위해 명령된 모션 프로필을 사전에 수정하는 것입니다.
방향 반전이 요청되면 컨트롤러는 원하는 동작을 실행하기 전에 백래시 양과 동일한 추가 모션 증가를 주입합니다. 이는 기어의 여유를 효과적으로 메워 출력이 명령된 위치를 더 정확하게 따르도록 합니다.
소프트웨어 보상은 백래시를 물리적으로 제거하지 않고 위치 정확도에 미치는 영향을 가립니다. 이 접근 방식은 백래시가 일관되고 예측 가능한 애플리케이션에서 효과적이고 경제적인 솔루션이 될 수 있습니다.
