NASA의 터보 발전기 프로젝트는 기존의 외부 기어 트레인에서 내부 링 기어를 중심으로 하는 유성 기어 구성으로 전환함으로써 기어박스 무게를 3,800파운드에서 2,200파운드로, 즉 42% 감소시켰습니다. 이러한 설계상의 결정 하나로 수백 파운드의 금속을 줄이면서도 완전한 동력 전달 능력을 유지했습니다.
대부분의 참고 문헌에서 "링 기어"라는 용어는 단일 부품으로 취급되지만, 실제로는 근본적으로 서로 다른 구성을 포괄합니다. 여기에는 유성 기어 시스템의 내부 환형 기어, 자동차 차동 장치의 외부 링 기어, 엔진 플라이휠의 스타터 링 기어가 포함됩니다. 이 세 가지 유형의 링 기어는 맞물림 형상, 재료 요구 사항 및 고장 유형이 모두 다릅니다.
내측 링기어 vs 외측 링기어
내부 링 기어는 크기가 비슷한 외부 기어보다 20~50% 더 높은 토크를 전달합니다. 그 이유는 기하학적 원리 때문입니다. 외부 피니언이 내부 링 기어와 맞물릴 때, 피니언의 볼록한 톱니가 링 기어의 오목한 톱니에 맞물리면서 하중이 더 넓은 접촉면에 분산됩니다. 이러한 볼록-오목 접촉면은 두 개의 외부 기어가 볼록면끼리 직접 접촉할 때 발생하는 헤르츠 접촉 응력을 30~45% 감소시킵니다.
내부 링 기어
내륜 기어는 원통형 링 안쪽에 톱니가 새겨져 있습니다. 이 톱니는 내부에서 회전하는 더 작은 외륜 기어와 맞물립니다. 이것이 내륜 기어의 핵심적인 구조입니다. 유성 기어 시스템하중 분담 구조 덕분에 동일한 기어비의 외부 기어 트레인에 비해 크기를 30~50% 줄일 수 있습니다.
링 기어가 고정된 상태에서 유성 기어비 공식 i = 1 + (z_r/z_s)를 보면 링 기어의 톱니 수가 감속비를 직접적으로 결정한다는 것을 알 수 있습니다. 72개의 톱니를 가진 링 기어와 24개의 톱니를 가진 선 기어를 조합하면 외부 기어 트레인보다 훨씬 작은 크기로 4:1의 감속비를 구현할 수 있습니다.
내부 링 기어는 토크 밀도가 높아 높은 제조 비용이 정당화되는 항공우주, 로봇 공학 및 중공업 분야에서 주로 사용됩니다. 하지만 내부 기어 절삭은 특수 공구가 필요하기 때문에 외부 호빙 가공보다 비용이 20~40% 더 높다는 상충 관계가 존재합니다.
외부 링 기어
외부 링 기어는 링 모양의 몸체 바깥쪽 원주에 톱니가 가공된 형태입니다. 가장 흔한 예로는 차동 기어 링 기어가 있는데, 이 기어에서는 지름이 큰 링이 나선형 경사 톱니를 사용하여 90도 축 오프셋으로 작은 피니언과 맞물립니다.
엔진 플라이휠에 볼트로 고정하거나 압착하여 장착하는 스타터 링 기어는 또 다른 주요 범주로, 연속 작동보다는 간헐적인 고토크 체결을 위해 설계된 스퍼 기어입니다. 링 모양에도 불구하고 외부에 장착되는 기어이며, 내부 기어와는 근본적으로 다릅니다. 환형 기어 행성계에서 사용됩니다.
외부 링 기어는 제조, 검사 및 교체가 더 간단합니다. 차동 기어 링 기어는 표준 호빙 또는 페이스 밀링 가공을 사용하며, 교체 시 전체 하우징을 분해하는 대신 캐리어에서 기존 기어를 볼트로 분리하기만 하면 됩니다.
톱니 형상에 따른 링 기어 종류
치아 형상은 소음, 하중 지지력 및 제조 복잡성을 결정하는데, 이는 내부/외부 구분보다 더 중요한 경우가 많습니다.
스퍼 링 기어
스퍼 링 기어는 기어 축에 평행한 직선형 톱니를 가지고 있습니다. 하중이 점진적으로 전달되는 것이 아니라 각 톱니 쌍에 동시에 전달되므로 응력 집중이 더 커집니다. 효율은 맞물림 단계당 95~98%입니다.
소음이 문제가 되지 않는 저속 고부하 용도(시동 모터, 수동 인덱싱 메커니즘, 저속 회전 턴테이블 등)에는 스퍼 링 기어를 추천합니다. 스퍼 링 기어는 제조 비용이 가장 저렴하고 마모 검사도 가장 쉽습니다.
나선형 링 기어
헬리컬 링 기어는 축에 대해 각도를 이루도록 톱니가 절삭되어 있어 여러 쌍의 톱니가 동시에 하중을 분담합니다. 이러한 점진적인 맞물림으로 인해 스퍼 기어에 비해 소음이 현저히 적고 토크 전달이 더욱 부드럽습니다.
문제는 축 방향 추력입니다. 모든 헬리컬 링 기어는 베어링이 흡수해야 하는 축 축을 따라 힘 성분을 생성합니다. 내부 헬리컬 링 기어의 경우 유성 기어 박스이 추력은 하우징에 직접적인 하중을 가합니다. 따라서 스러스트 베어링을 적절하게 지정해야 합니다. 베어링 크기를 작게 지정하는 것은 흔히 발생하는 실수입니다.
스파이럴 베벨 링 기어
나선형 베벨 링 기어는 곡선형 톱니 형상과 원뿔형 피치 표면을 결합하여 90도 각도로 교차하는 축 사이에서 동력을 전달합니다. 자동차 차동 장치에는 곡선형 톱니가 점진적으로 맞물려 고속 주행 시 충격 하중과 소음을 줄여주기 때문에 거의 예외 없이 나선형 베벨 기어 세트가 사용됩니다.
기어 정밀도 등급은 접촉 패턴의 품질을 결정합니다. AGMA 표준에 따르면, 접촉 패턴은 경부하 조건에서 기어 치면의 50~70%를 덮어야 합니다. 이를 위해서는 가공 후 정밀 래핑 작업이 필수적입니다. 래핑 작업이 없으면, 아무리 정확하게 설계된 기어 세트라도 소음이 발생하고 마모가 고르지 않게 됩니다.
재료 및 열처리
AISI 8620 및 9310 침탄강은 차동장치, 유성 기어 시스템 및 산업용 구동장치와 같은 대부분의 동력 전달 링 기어에 사용됩니다.
이 공정은 대략 로크웰 경도 C30에서 시작하여 표면을 침탄 처리한 다음 약 450°F에서 템퍼링하여 RC62-65의 표면 경도를 얻습니다. 이를 통해 내마모성이 뛰어난 표면과 강인하고 충격 흡수력이 좋은 중심부를 얻을 수 있습니다.
그 복잡성은 종종 과소평가된다. 케이스 강화 링 기어는 대구경 부품의 변형을 제어하기 위해 프레스 퀜칭이 필요하며, 퀜칭 중 발생하는 표면 팽창은 가공 전 치수에서 보정해야 합니다. 일부 업체에서는 적절한 침탄 깊이를 확보하기 위한 침탄 공정만 해도 8~12시간이 소요된다는 사실을 제대로 이해하지 못한 채 링 기어 가공 견적을 내는 것을 보았습니다.
현장 교체 또는 중요도가 낮은 용도에는 RC30-40 범위의 전체 경화강에 유도 경화 처리된 톱니가 적합합니다. 비용이 저렴하고 장비가 간단하며, 교체 주기가 이미 짧은 농업 또는 광산 장비에 적합합니다.
제조 방법
외부 링 기어는 표준 기어 호빙 또는 페이스 밀링을 사용합니다. CNC 호빙 머신은 시중에서 구할 수 있는 공구를 사용하여 몇 분 만에 차동 링 기어를 절삭합니다.
내부 링 기어는 호빙 가공이 불가능합니다. 호빙 공구가 물리적으로 링 내부까지 닿을 수 없기 때문입니다. 세 가지 대안이 있습니다.
- 기어 성형 내부 구멍에 왕복 운동하는 절삭 공구를 사용합니다. 모든 내부 톱니 형상을 가공할 수 있지만 속도가 느려서 동일한 외부 기어를 호빙 가공하는 것보다 사이클 시간이 2~5배 더 오래 걸립니다.
- 꿰매 여러 개의 날이 달린 절삭 공구를 한 번에 링을 통과시켜 가공합니다. 처리량은 탁월하지만, 각 브로치 공구는 특정 날 수, 모듈 및 압력각에 맞춰 맞춤 제작됩니다. 따라서 공구 제작 비용은 수천 개 이상의 생산량에서만 경제성이 있습니다.
- 파워 스카이빙 회전 절삭과 공작물 회전을 동기화하여 결합한 방식입니다. 기존 셰이핑 방식보다 3~5배 빠른 속도로 작동하며, 한 번의 설정으로 황삭과 정삭 작업을 모두 처리할 수 있습니다.
이러한 공구 및 공정 제약 조건은 내측 링 기어와 외측 링 기어 생산 간의 비용 차이를 유발합니다.
일반적인 실패 모드
링 기어 고장의 55~60%는 치면 피로로 인해 발생합니다. 피팅은 미세한 표면 균열로 시작하여 반복적인 접촉 응력 하에서 전파되고, 결국 눈에 보이는 크레이터로 파손됩니다. 적절한 윤활유 점도와 청결도는 대부분의 피팅 고장을 예방하지만, 오염된 오일은 대부분의 엔지니어가 예상하는 것보다 훨씬 빠르게 균열 발생을 가속화합니다.
열 손상
저는 기어 톱니 측면의 가공 흔적이 완전히 사라지고 윤활 부족으로 인한 마찰열 때문에 매끄럽게 연마된 차동 기어 링 세트를 본 적이 있습니다. 이러한 열 손상은 처음에는 미미하게 시작되어 빠르게 진행됩니다. 소음이나 온도 상승을 알아차릴 때쯤이면 톱니 표면은 이미 경도를 잃어버린 상태입니다. 톱니 뿌리 부분에는 재료가 소모되어 단단한 모서리가 형성됩니다. 이 시점에서 기어 세트는 폐기해야 합니다.
치아 파손
과부하로 인해 기어 이빨이 파손될 수 있습니다. 과도하게 큰 타이어를 장착하거나 갑작스러운 접지력으로 장애물에 걸리면 디퍼렌셜 링 기어의 이빨이 완전히 부러질 수 있습니다. 파손 부위는 초기 균열로 인해 특징적인 무광택 회색 표면을 보이며, 부러진 조각이 남은 이빨에 부딪히면서 생긴 광택 있는 마모 부위도 나타납니다. 이는 재료 결함이 아니라 오용으로 인한 고장입니다.
길들이기 착용
새로운 링앤피니언 세트는 길들이기 기간이 필요합니다. 처음 20마일(약 32km) 동안은 저부하 주행을 하고, 그 후에는 냉각 사이클을 거쳐야 합니다. 설치자가 모든 부품을 조립하고 바로 최대 출력으로 주행하는 경우를 너무 많이 봤습니다. 그 결과 마모가 가속화되고, 시간이 지남에 따라 소음이 증가하며, 이후 아무리 부드럽게 주행해도 복구되지 않는 표면 손상이 발생합니다.
백래시 또한 매우 중요합니다. 차동 기어 링 기어에는 0.006~0.009인치의 백래시가 필요합니다. 백래시가 너무 빡빡하면 과열이 발생하고, 너무 헐거우면 방향 전환 시마다 충격 하중이 발생합니다.
링 기어 선택을 위한 핵심 사항
먼저 애플리케이션에 내부 링 기어가 필요한지 외부 링 기어가 필요한지 정의하십시오. 이는 기어 톱니 형상을 결정하기 전에 제조 방법, 비용 구조 및 이용 가능한 공급업체를 결정하는 데 중요한 요소입니다.
작동 조건에 맞는 톱니 형상을 선택하십시오. 저속 주행 시 단순성을 위해 스퍼 톱니를, 고속 주행 시 부드러운 작동을 위해 헬리컬 톱니를, 교차축 구동 장치에는 스파이럴 베벨 톱니를 사용하십시오. 하중 강도에 따라 재질을 지정하십시오. 동력 전달에는 8620 또는 9310 침탄강을, 현장 교체용으로는 전체 경화 처리된 재질을 사용하십시오.
품질 보증을 위해서는 AGMA 2000-A88(품질 등급 Q3~Q15, 정밀도 순으로 증가) 또는 ISO 1328-1:2013(등급 1~12, 정밀도 순으로 감소)을 참조하십시오. 구매 문서에 품질 등급을 명시하십시오. 공급업체의 재량에 맡기면 기술적으로 기준을 충족하는 가장 저렴한 등급의 제품을 구매하게 될 가능성이 높습니다.
