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현장설계자와 기술자를 위한 기어감속기의 이해와 적용(4)
 
감속기의 선정
 
월간 기계기술기자 | 2002.08.01 | 2002년 8월호
 
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전 장에서 언급하였지만 여기서는 좀 더자세히 관성에 대하여 알아 보자. 관성은 그 자체로 정지하여 있을 때나 정속 운전을 할 때에는 힘을 요구하거나 발생하지도 않는다.
감속기의 선정 <지난호에 이어서>
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6. 관성(GD2)
전 장에서 언급하였지만 여기서는 좀 더자세히 관성에 대하여 알아 보자. 관성은 그 자체로 정지하여 있을 때나 정속 운전을 할 때에는 힘을 요구하거나 발생하지도 않는다.
  그러나 관성에 출발 가속을 하거나, 정지 감속을 할 경우에, 즉 속도를 변화시킬 경우에 힘을 주어야 하며, 이에 따라 반력도 또한 비례하여 발생하게 된다.
  관성의 크기를 나타내는 것으로는 GD2이 있다. GD2을 구하는 방식은 다음의 그림으로 설명하였다.
  GD2에 의한 효과는 감속기가 잦은 기동과 정지를 반복하는 경우에 가장 잘 나타난다.
  이런 경우 총기동회수에 의한 수명 예측을 하게 되는데 다음과 같은 방법의 예측이 보편적으로 사용되는것 중의 하나이다.
  기어드 모터 제조사의 기술자료에 의하면 다음과 같은 그래프를 볼 수있을 것이다.
  <그림 11>의 그래프에서 가로축인 GD2Ratio는 관성비율을 나타내는데, 다음으로 계산한다.
  관성비율(GD2) = [부하가 모터축에 주는 GD2환산치] / [기어드 모터의 GD2] 여기서 부하 GD2이 모터축에 주는 환산치는 감속기를 거쳐서 전달되므로 감속기의 제곱을 곱한만큼 작아 지게 된다. 따라서, [부하가 모터축에 주는 GD2환산치] = [부하의 GD2]*[감속비율 1/R]2여기에서 구한 비율에 해당하는 점에서 수직으로 올라가 전동 형태에 따른 점과 만나는 점에서 해당하는 동력선과 만나는 수평선을 찾아서 여기에 해당하는 상부의 총기동회수(Total Number)가 허용 총기동 회수에 해당한다.
  예를 들면, 조립 자동화 장치 중에서 조립품 반송장 치를 들 수있다. 실제 있었던 사례 중의 하나로, 조립품 반송 장치에서 반복적으로 조기 파손이 일어났다.
  기어드 모터를 사용하였는데, 한 달정도 사용하면 모터의 축과 1단 기어 파손이 일어났다.
  개략적인 기본 형상은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
 
 (사례 1) 반송장치의 총기동 회수
 가) 사용 조건 :
 ① 제품 : 25 kg bag
 ② 정지 빈도 : 1,200 회/시간
 ③ 사용 주변 온도 : 섭씨 평균 36~37 ℃
 ④ 반송 속도 : 60 m/min
 ⑤ 사용 모터 : 0.4 kw 1800 rpm-1/10 감속 기어드 모터
 
 나) 파손 발생
 ① 파손 발생 시기 : 운전 시작후 거의 한 달만에 파손② 파손 형상 : 모터 축의 단차부위 피로 절단 및 1단 기어 이빨 파손
 
 다) 원인 분석
 ① 기본적으로 기동과 정지를 반복하므로 총기동회수 수명을 먼저 검토하여야 할 필요가 있음.
 ② GD2의 계산
 우선 콘베이어의 벨트의 무게는 감안하지 않고, GD2을 구해보자.
  GD2= WD2+ 0.5WD221+ 0.5W2D= (25 + 0.5 * 5 ) * 0.106 * 0.106= 0.292136 kg-m2
 ③ 총 기동회수 수명 예측
  [부하가 모터축에 주는 GD2환산치] = 0.292136 *(1/10)2= 0.00292 [GD2Ratio] = 0.00292 / 0.0056 = 0.52
  상기 그래프에서 [GD2Ratio]=0.52인 지점에서 체인 전동선과 만나는 점을 찾고, 거기에서 0.4kw 동력 선과 만나는 점을 수평으로 그어 찾았다. 그 점의 총허용 기동회수(Total Number)는 약13,000(log 그래 프임을 유의하자)회 정도로 나온다.
 ④ 수명 시간 예측
  상기 허용 기동회수로부터, 사용 조건과의 시간을 예측하여 보자.
 허용 총기동회수 (TN) = 13,000 회
 시간당 기동 회수 (IN)= 1,200 회/시간
 예상 수명 시간 = (TN)/(IN) = 13,000 /1,200 = 10.8 시간 ≒ 11 시간
 
 라) 손상에 대한 평가
  상기 사례의 설계/설치에서는 기본적으로 조기 파손이 일어날수밖에 없는 조건이다. 그러나, 실제의 조건에서 한 달간의 운전 후에 파손이 일어난 것은 사용한 기어드 모터의 강도가 실제로 높다는 것을 의미한다고볼 수있다.
 
 마) 개선 방안
  본 사례와 같은 경우에는 실제로 정속운전을 하는 조건이라면, 0.4 KW의 기어드 모터로도 가능하다. 그러나 시스템의 제약 요건으로는 빈번한 기동과 정지에 있으므로, 다음과 같은 두 가지 방안으로 개선하여야 한다.
  첫째 : 기어드 모터를 더 큰형번으로 선정하는 것이다. 그러나 이것은 마우 큰 기어드 모터를 요구하기 때문에, 원가면에서 고가의 비용이 들어갈 수가 있다.
  둘째 : 플라이 휠과 클러치를 추가하여 사용한다. 플라이 휠과 클러치를 사용하여, 기어드 모터는 연속하여 계속적으로 돌아가며, 플라이휠(큰관성차)을 돌리고, 실제로 빈번한 반송 역할은 클러치에 의하여 작동하여야 한다. 또한 플라이 휠에 의하여 관성을 충분히 이겨내고 작동이 되어야만, 무리없이 원활하게 작업을 수행할 수 있을 뿐더러, 기어드 모터에 주는 충격도 완화할 수 있는 것이다.
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7. 감속기의 효율(전동 효율)
이상의 설명에서 나타난 과정으로 선정되는 것은 감속기에 해당한다.
  실제로 가장 중요한 것 중의 하나이자, 또한 역으로 감속기에 결정적으로 영향을 주는 것이 입력 동력이다. 주로 모터로 부르는 입력 동력은 앞에서 구한 부하와 감속기의 능력만으로 구할 수는 없으며, 필연적으로 감속기에서 손실되어 사라지는 동력을 감안하여 설정하여야 한다. 즉, 부하를 충족하는 출력을 내기 위하여 필요한 모터는 감속기의 효율을 감안하여 그만큼더 큰모터를 사용하여야 한다.
  여기에서 다시 설계자는 선정된 모터의 동력이 감속 기에 입력되었을 경우 감속기가 충분히 이겨내는지를 역으로 확인하여야 한다. 입력 동력을 충분히 소화할수 있을 때, 우리는 감속기가 적절하게 선정되었다고 판단할 수 있다.
  필자가 처음에 설명하였듯이, 감속기는 기본적으로 동력의 형태를 변환하는 것이지 동력을 발생하는 장치가 아니다.
  따라서 변환하는 과정에 필연적으로 동력의 손실이 발생하게 된다. 이러한 손실은 기어의 미끄럼, 베어링 또는 윤활제의 저항 등의 각종 마찰에 의하여 손실을 일으키게 되며, 또한 관성에 의한 가감속 과정에서 댐핑에 의한 손실도 필연적으로 수반하게 된다.
  기어 감속기에서의 효율은 기본적으로 입력 동력에 대한 출력 동력의 비율이다.
  따라서 같은 모델의 감속기일지라도, 각각의 개개마다 효율이 다를 수밖에 없다.
  그러나 이러한 개별 차이는 실제 제품의 변이에 해당하므로, 이론상 동등한 가공 정밀도를 적용한 감속 기에서의 효율은 베어링, 기어, 윤활제 및 시일과 카플 링에 의하여 결정된다고 보면 된다.
  베어링과 시일, 카플링의 전동 효율도 역시 축의 가공 정밀도와 끼워맞춤 및 조립 정밀도에 의하여 결정 되며, 그 자체의 품질에 의하여, 이들의 모델에 의하여도 달라지므로, 극단적인 임계 효율을 요구하는 감속 기라면, 이들의 선정도 중요한 기술이 된다.
  기어에 있어서 전동 효율은 기어의 미끄럼에 의한 마찰 손실이 가장 큰 요인으로 될 수있다.
  일반적으로 헬리칼 각도가 클수록 미끄럼이 증가하 며, 또한 웜 기어와 같이 기본 작동 기구가 미끄럼인 경우에는 마찰 손실이 가장 클 수밖에 없다.
 한 개의 감속기라도, 운전 속도에 따라서 효율이 달라진다. 이는 미끄럼 마찰계수가 미끄럼 속도에 따라서 달라지기 때문에 나타나는 현상으로, 웜 감속기의 경우에도. 임계속도 이내에서는 고속일수록 효율이 증가하는 경향을 알 수있다.
  그러나 이러한 이론적 배경에도 불구하고, 실제의 적용에서 감속기의 마찰 손실은 조립상의 기술에 의하여 많이 좌우된다.
  따라서 기술이 좋은 회사의 감속기를 사용할 필요가 있다.
8. 감속기 선정 계산표
지금까지 본 절에서는 감속기를 선정하는 흐름에 대하여 서술하였다. 사실 지금까지의 설명은 예를 들지 않은 개념적 서술에 불과하므로, 독자들에게는 마음에꼭 집히는 설명에는 미흡할 것이다.
  그러나, 독자들께서도 이미 알 수있듯이 감속기를 사용하는 현장의 조건은 너무도 다양하고 제각각이기 때문에, 몇 가지의 예를 가지고 모든 독자들을 충족할 수는 없다.
  또한 국내의 유수 감속기 카달로그를 참조하면, 예제와 함께 감속기의 선정 방법이 나와 있으므로, 충분히 참조할 수 있을 것이다.
  그럼에도 불구하고, 감속기를 선정하는 흐름상의 계산 확인표를 하나 마련하는 것이 현장 기술자들에게는 필요하다. 다음 <표 2>는 그 한가지를 나타낸 것이다.
  <표 2>에서 값을 채우고 나가면서 감속기와 모터를 선정하면, 특수한 경우를 제외하고 대부분의 경우에큰 착오 없이 선정할 수 있을 것이다. 위의 과정은 일반적이고도 보편적인 과정을 나타낸 것이기 때문에, 여기서 언급되지 않은 부분에 대해서는 좀더 전문적인 참고가 필요하기 때문이다.
  다음에 기회가 오면, 본 저자는 그 동안 경험하였던 다양한 선정 사례를 예를 들어 설명 하면서 나열할 예정이다.
  이러한 사례를 분석하여 보면 독자들은 그 중에서 아주 비슷하게 해당하는 사례를 고를 수 있을 것이다.
  <다음호에 계속>

 
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