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현장설계자와 기술자를 위한 기어감속기의 이해와 적용(3)
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.07.01 | 2002년 7월호
 
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감속기의 적절한 적용 방안
 
  현장에서 감속기를 선정함에 있어서, 감속기와 모터, 축의 배치를 얼마나 적절하게 구성하느냐에 따라서 시스템의 효율과 성능에 지대한 영향을 준다.
  감속기 또는 기어드 모터를 적용한 현장에서의 성능 이란, 구성 비용만의 문제가 아니라, 설치 공사와 운전의 비용, 보수 유지에 이르기까지 총 망라하여 고려하 여야 한다.
 이 중에서도 운전중의 점검 및 보수는 가장 중요한 사항인데도 시설 설계 또는 설치 과정에서 자주 간과되 어지는 것 중의 하나이다. 설계와 설치는 사실상 일회 성의 초기 비용이며, 사용자의 입장보다는 공사업자의 입장에서 계산되는 사항이므로, 원가 절감의 방향으로 설정하는 경향이 짙다. 그러나, 점검과 보수 유지는 사용자의 입장에서, 장시간 동안 지속적으로 투입되는 비용이므로, 초기에 적절하게 반영하면, 그 효과는 시간이 갈수록 비례하여 증가하게 된다.
  감속기의 성능으로 꼽는 항목으로, 회전비(감속비율 또는 최종 속도), 출력의 힘(토오크), 수명, 진동, 소음, 윤활, 소모 동력(효율) 및 공간의 크기 등이 있으며, 이 외에도 각각의 경우에 따라 특수한 고려 사항이 있다.
  초기의 감속기를 적용할 때에는 감속기를 설치하고, 입력축과 출력축에 카플링 또는 풀리를 사용하여 동력원 및 부하와 연결되어 있었다. 이러한 구조에서는 기본적으로 공간을 많이 차지하고, 각각의 체결 부위에서의 효율 저하가 있었다.
 이 후감속기와 모터를 일체형으로 만든 기어드 모터의 형태로 적용하면서 감속기 적용의 획기적인 발전이 이루어지게 되었다.
  그러나 기어드 모터의 적용이 진가를 발휘하게 된것은 중공축형 감속기의 적용이 라고 할 수있다.
  <그림 1>은 중공축 기어드 모터를 적용한 자동문의 사진이다. 사진과 같이 장착할 경우 고전적인 방법으로는 매우 곤란한 설치 및 보수 유지가 간단하게 실현되는 것을 알 수있다.
  이와 같은 적합한 선정과 설치를 통하여 시스템의 공간효율과 설치 및 사용, 보수 유지에 지대한 차이를 초래하므로, 현장 설계자는 감속기의 설치 방안을 염두에 두고, 활용할 필요가 있다.
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1. 바닥 설치형 기어드 모터
기어드 모터를 개발한 시점에서 초기에는 단순히 감속기에 모터를 장착한 형태의 것으로 제작되었을 것이다. 이 때의 형상을 모터부착형 감속기로 분류할 수 있는데, 이를 개선하면, 기어드 모터의 설치 방향을 수평 또는 수직으로 할 수있게 된다.
  이러한 형태의 기어드 모터를 설치할 경우, 설치 바닥과 축의 중심 거리가 정확하여야 하며, 설치 바닥의 편평도도 중요하다. 일반적으로 감속기의 출력축에 스프로켓을 사용하여 동력을 전달할 경우에 많이 사용한 다<그림 2, 3>.
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2. 중공축형 기어드 모터
중공축형 기어드 모터는 맨 앞의 설명에서도 사진으로 나타내었듯이 그 자체를 부하의 축에 직접 꽂아 넣고 운전할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다.
  이러한 장착에서는 다음의 두 가지 문제점을 극복할수 있다.
  첫째, 축단하중의 제한을 가장 작게 받는다. 엄밀히 말하면, 이론적으로는 축단하중에 의한 영향을 없앨 수도 있다.
  둘째, 출력축의 편심에 의한 영향을 없앨 수 있다.
  체결을 축과 구멍으로 하기 때문에, 그 자체로는 편심이 근본적으로 제거된 상태이다.
  따라서 중공축 기어드 모터를 사용하는 것은 자체로는 아주 이상적인 설치라고 볼 수있으나, 한편으로는 감속기의 고정 방식에 따라서 설치의 견고성이 달라지 기도 한다.
3. 마운팅 플랜지형 기어드 모터
중공축형 기어드 모터를 설치할 경우, 감속기를 고정 하여야 한다. 단순히 감속기의 몸체에 부하축의 하우징과 체결하는 경우가 공간을 가장 작게 필요로 하겠으 나, 이 경우에는 하우징 벽의 반대편으로 부터 볼트를 관통하여야 할 필요가 생긴다.
  일반적으로 감속기를 설치할 경우, 바닥이나 벽의 반대편에서 볼트를 관통할 수 없는 경우가 많다. 따라서 감속기 측에서 볼트를 넣고 체결하여야 한다.
 이 경우, 중공축 감속기에서 출력축에 장착용 플랜지를 설치하면, 문제점을 해결할 수 있다<그림 4>. 마운팅 플랜지 형의 기어드 모터는 아마도 교반기 등의 시설에서는 가장 추천되는 형식 중의 하나일 것이다.
4. Torque Arm 형 기어드 모터
출력축에 마운팅 플랜지를 설치한 중공축 기어드 모터를 사용하면 손쉽게 감속기를 고정하고, 중공축 설치도 자연스럽게 할 수있다. 그러나 이 형식의 감속기도 여전히 플랜지 볼트의 구멍과 출력축간에 동심도가 유지되어야 한다는 문제점을 가지고 있다. 또한 플랜지도 자체의 부피와 무게를 가지고 있으므로, 장단점을 가지고 있다.
  마운팅 플랜지의 무게를 최소화 하면서, 설치되는 구멍의 위치를 가변할 수 있게 한 것이 토오크 암이다<그림 5>. 토오크 암 형식의 기어드 모터는 감속기가 부하의 축과 토오크 암의 지지 축에 의하여 2곳 고정으로 장착이 된다. 그림상으로만 보면, 설치가 약한 듯이 보이지만, 실제로는 상당히 견고하면서도 안정한 설치 구조를 가지고 있어, 감히 현장 기술자들에게 가장 추천되는 것중의 하나이다<그림 6>.
감속기의 선정
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1. 감속기의 선정 요건들
적정한 감속기를 선정하는 것은 현장 기술자들의 숙원이며, 시설 사용자들에게 있어서도 중요한 사항이다.
  감속기를 선정하려면, 감속기의 사양을 구성하고 있는 항목의 정의가 무엇인지를 알고 있으면 비교적 쉽게 선정할 수 있다.
  감속기의 선정에 필요한 사양으로 일반적인 사항은 출력 조건과 입력 조건이다. 감속기의 출력 조건은 부하 조건과 상응한다.
  감속기의 선정에 필요한 사양으로는 다음의 <표 1>와 같다.
  <표 1>에서 나타낸 사항은 감속기를 선정함에 있어서 가장 기초가 되는 사항이라고 언급하였듯이, 현장에서 적용하는 감속기에 따라서 각각의 독특한 제약이 따르기 마련이다.
  상기 사항 외에도 예를 들면, 온도 특성이라든가 화학 가스 분위기라든가, 또는 밀봉 조건 등이 있다. 또한 빈번한 기동과 정지를 반복하는 경우에는 다음의 표에서 나타낸 충격과 관성의 사항을 동시에 감안하여야 한다.
  수명을 예측하는 경우에는 보증 수명과 정격 수명으로 나누어서 구분한다. 일반적으로 베어링의 수명은 정격 수명으로 나타낸다. 그러나 기어의 수명에는 정격수 명이라는 단어를 사용하지 않고, 그냥 계산식에 요구수 명만 나타낸 경우가 있다. 영국의 규격으로 웜 기어의 면압강도 계산에서 요구 수명 시간을 대입하도록 되어 있다.
  기본적인 식은 26,000 시간으로, 13년에 해당하는 시간을 기본으로 한 면압강도 식이 제시되어 있다. 그러나 보증수명 1년을 대입할 경우에는 수명 시간을 2,000 시간으로 하여, 이를 환산한 시간 계수를 사용 하면, 보증수명에 대한 면압강도가 계산되어진다.
  이러한 감속기의 사양을 규정하려면, 먼저 부하 조건을 규명하고 이를 토대로 출력 요건을 정하여야 한다.
  출력 요건으로 부터 감속기의 종류를 선정하고, 이로부터 필요한 입력 요건을 선정하는 순서로 계산하여야 올바른 감속기를 선정할 수 있다.
2. 동력의 계산
동력의 단위는 킬로와트(KW) 또는 마력(HP 또는 PS)을 사용한다.
  동력의 정의는 힘과 속도의 적분이다. 자칫 힘을 동력으로 혼동하는 경우가 있는데, 속도의 개념이 곱하여 졌을 때 동력으로 되는 것이다.
  가장 알기 쉬운 단위로는 마력일 것이다. 1마력이란말 한마리의 역량을 말하는 것인데, 이것을 정량적으로 나타낸 것이 킬로와트이다. 그리고 마력과 킬로와트 간에 관계를 정의하였는데, 다음과 같다.
 
 1 HP = 0.745 KW (정의)
 1 HP = 75 kgf-m/sec
 
 (공학적인 사용) [여기서, 마력의 기본 정의와 일반 공학적 사용간에는 약간의 차이가 있다. 공학적인 사용의 75 kgf- m/sec = 0.736 KW 이므로, 미소한 차이가 있다. 그러나 실제 현장에서는 이 정도의 차이는 총 값에 비하여 무시할 정도이므로, 이렇게 사용한다] 그림에서의 수치는 1마력에 해당하는 동력의 예를 보인 것이다.
 (예) 10 kgf-m 의 토오크로 1800 rpm 으로 회전하는 동력은 다음과 같다.
 
 P(kw) = 1800 X 10 / 974 ≒ 18.5 KW
 P(HP) = 1800 X 10 / 716.2 ≒ 25 HP
 
 <그림 7>과 같이 부하에서 구한 동력은 부하만의 순수 소모 동력에 해당하는 것이다. 따라서 이 식에는 부하 장치의 손실, 감속기의 손실, 카플링의 손실, 기타 연결 전동기구의 손실 등이 감안되어 있지 않으므로, 소요 동력을 계산하려면, 이러한 손실을 감안하여야 한다. 이것은 각각의 전동 효율이라고 한다.
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3. 토오크(Torque)
토오크는 회전력의 크기를 나타내는 단위이다. 토오 크의 개념의 정의는 힘과 그 힘의 작용점에서 회전 중심까지의 법선 팔 길이(반경)의 곱이다.
  현재, 동력을 내는 기구중의 대부분은 회전 방식으로 작동한다. 엔진이든, 모터이든 회전의 형태로 동력을 발생하고 있으며, 감속기도 또한 거의 회전의 형태로 작동을 한다. 그렇기 때문에, 토오크는 매우 중요한 항목 중의 하나이다.
  감속기의 부하 능력을 결정하는 가장 중요한 요인 중의 하나가 곧 토오크이다. 그러나 실제의 작용점에서는 힘으로 작용되며, 일을 하는 장치이든, 감속기의 내부 기어이든 이러한 힘에 의하여 능력, 곧 강도가 결정되는 것이 된다.
  토오크는 앞서 설명하였 듯이 힘과 팔의 길이의 곱으로 나타낸 것이므로, 팔 길이를 조절함으로써, 토오크를 조절할 수 있다. 이렇게 조절함으로써 감속기의 크기를 작은 것으로 선정할 수도 있다.
4. 축단하중 (Overhung Load :OHL)
축단하중(Overhung Load : OHL)은 감속기의 선정에 있어 매우 중요한 항목이면서도 간과되기 쉬운 항목이다. 축단하중의 의미는 축의 끝에 걸리는 하중(무게)을 말한다. 여기서 말하는 축의 끝이란 일반적으로 축의 보스부의 중간 지점을 말한다<그림 8>. 축단하중은 감속기의 모든 부분에 영향을 준다. 따라서 축단하중 능력을 넘어가는 부하가 작용되지 않도록 시스템의 구조를 구성할 필요가 있다.
  축단하중에 의하여 영향을 받는 부위는 기본적으로 축의 단차 부위(b1)를 시작으로, 베어링(D3, D5), 기어 이빨(D4), 베어링 하우징 및 볼트 자리(D2), 몸체(케이스)의 고정 볼트(다리 D1, D6) 등이 있다.
  축단하중에 의한 파손은 가장 흔한 것으로, 케이스 다리 크랙이나, 베어링 하우징 카바의 볼트 자리 크랙이 나타나며, 이러한 부위를 보강하여도 다른 부위에서 파손이 진전된다<그림 9>. 이럴 경우에는 감속기 자체를 키우든지, 아니면 전동 스프로켓을 바꾸든지 하여 축단하중을 줄여야 한다.
  경험이 많은 설계자라면, 축단하중에 의한 영향을 최소화하기 위하여, 중공축형 감속기를 선정하기를 추천하고 싶다.
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5. 수명
감속기의 구입 사양서에 수명을 기입할 수 있다. 감속기의 수명 시간에는 다음과 같은 조건을 분명히 해주는 것이 때로는 효과적이다. 이러한 수명의 개념은 모터 또는 베어링에서도 비슷하게 적용되므로, 이를 잘알고 대처할 필요가 있다
 ·정격 수명 : 베어링과 같은 경우, 수명을 통계적으로 표시한다. 통상 L10 수명이라고도 하며, 개념상 10%의 수량(개수째)이수명을 다하는(고장 또는 파손) 때까 지의 수명을 말한다. 그러나 기어의 경우에는 이러한 10% 수량의 수명이 라는 방식의 용어를 적용하기가 곤란 하다.
  ·피로 수명 : 기어 또는 베어링은 부하를 반복적으로 받기 때문에 기본적으로 피로 수명에 해당한다. 뿐만 아니라, 동심도가 어긋난 축의 체결시에는 양쪽에 굽힘 피로 응력이 작용한다.
  ·B1 수명 : 전체 중에서 제일 처음의 고장이 일어나 기까지의 시간을 B1 수명이라고 한다.
  항공기 등은 고장이 생명과 직결되기 때문에 B1 수명으로 요구한다.
  ·평균 수명 : 전체 시료의 수명의 총 평균을 말한다. 이것은 L50과는 엄연히 다른 개념의 것임을 알아두어야 한다.
  감속기에서 정상적인 피로 수명을 예측하고 결정하는 것으로는 다음의 요소에 의한 수명으로 결정되는 것이 대부분이다.
 
 가. 베어링 수명
 
  모터 또는 감속기 안의 각각의 축에 장착된 베어링의 정격 수명을 말한다. 이 경우 베어링의 정격 수명을 말하는 것이므로, 기어의 수명에 해당된다고 볼 수는 없으나, 감속기에서는 베어링도 구성품이므로, 감속기의 수명 예측에서는 고려하여야 할 사항이다.
 
 나. 기어 이빨의 굽힘 강도에 의한 수명
 
  토오크 전동에서, 전동 토오크에 의하여 기어의 이빨 에는 힘이 작용하게 된다.
  또한 축에 있는 키이도 마찬가지로 전단을 받게 된다. 통상의 감속기는 축에서의 키이의 전단력과, 기어 이빨의 힘에 의한 굽힘력이 동시에 작용한다. 축의 경우에는 비교적 쉽게 크기를 키울 수 있으나, 기어의 이빨은 무작정 키울 수가 없이 한계가 있기 마련이다. 그러므로, 이빨에 걸리는 힘으로 굽힘 피로강도와 비교하여 기어의 강도 충족 여부를 판단한다.
  기어 소재의 굽힘강도 값은 기어 설계 자료 책에 나와 있으며, 이 값은 기본적으로 피로강도를 적용하고 있으므로, 계산하여 얻어진 전동력이 강도보다 작으 면, 굽힘강도상의 피로 수명은 충족되는 것으로 볼 수있다.
  그런데 계산시에 주의하여야 할 사항으로, 부하계수 또는 충격계수가 있다.
  빈번한 기동 또는 충격 하중이 작용되는 조건에서는 충격계수를 곱해야 한다. 또한 빈번한 기동/정지의 조건에서는 총기동횟수에 의한 수명을 예측하고, 부족한 경우에는 모터와 감속기를 더 큰형번으로 선정하여야 한다.
  기어 굽힘 강도에 의한 전동 능력 계산은 Lewis 식을 모태로 하여, 각종 사용과 재질, 가공의 상태를 계수로 적용하도록 만들어 어느 범위에서 표준화한 식이 있다.
  미국의 AGMA(American Gear Manufacturer Association), 일본의 JGMA, 영국의 BS 등에 이러한 식이 나타나 있으며, 우리 나라에서는 아직 합의된 사항이 없이, 미국, 일본 또는 영국의 식을 원용하여 사용하고 있는 실정이다.
 
 다. 치면의 마모 수명
 
  기어 치면끼리 접촉하여 미끄럼과 면압이 반복적으로 작용하면, 필연적으로 마모가 진전된다. 기어의 마모는 소성 유동과 피팅 마모 두 가지 중의 하나로 나타 나기 쉽다.
  소성유동이 나타나는 경우에는, 기어의 치면 강도에 비하여 매우 큰 과부하가 걸린 경우에 나타나는 현상이 며, 과부하가 걸리면 오래지 않아 단시간 이내에 소성 유동이 나타난다.
  피팅 마모는 정상적인 부하 상태에서 운전을 하여도, 결국에는 피팅 마모가 나타나게 되는 정상적인 진행과 정의 마모 중 하나이다.
  따라서 소성 유동이 발생하면, 과부하의 유무를 먼저 살펴보고, 과부하가 없으면 소재의 경화가 부족하 지는 않는지를 살펴보아, 파괴에 이르지 않도록 하여야 한다.
  피팅 마모는 기어 치면의 30% 면적에 피팅이 퍼져 있으면, 마모가 발생하였다고 보는 것이 현실적이라고 본다. 그러나 이 정도의 마모가 발생하였다고 해서 운전상의 하자가 없이 정상 운전을 할 수있는 경우가 많기 때문에, 마모 수명이 다 된것으로 단정지을 수도 없다.
  치면의 면압 강도에 의한 수명의 예측도 굽힘과 마찬가지로, AGMA, JGMA, BS 등에 그 계산식이 나와 있어, 우리 나라에서는 그 중에서 원용하는 경우가 많다.
  그런데, 면압강도 계산시에는 요구 운전 시간 계수가 들어간다. 특히 웜 감속기와 같은 경우에는 BS 규격을 많이 원용하는데, 이 규격의 식에서 보면, 굽힘강도에 의한 정동력과 면압강도에 의한 전동력간에는 웜 감속 기의 경우 큰 차이를 발견할 수 있을 것이다. 그러나 이를 자세히 분석하여 보면, 식에서의 기본 시간이 26,000 시간으로 되어 있어, 이를 250일 8시간씩 운전하는 경우로 따져보면 무려 13년에 해당되는 시간임을 알 수있을 것이다.
  따라서 보증기간인 1년을 감안한다면, 2,000 운전시 간에 해당될 것이며, 이 시간에 해당하는 계수를 대입 하면, 굽힘강도와 어느 정도 비교가 되는 정도의 면압 강도 전동 능력을 얻을 수 있을 것이다.
 
 라. 관성/충격에 의한 피로 수명
 
  감속기 또는 모터는 기동과 정지시에, 감속기 내부의 회전체와 부하의 회전 및 운동체의 관성에 의하여, 가속/감속 충격력이 발생하게 된다. 이 충격력은 축과 기어에 직접 작용하게 되며, 그 크기는 정적 전동상태 보다 몇배에 도달한다.
  결과적으로 이 충격력은 구성 부품의 피로 수명을 조기에 앞당기게 되며, 이를 감안하지 않은 설계/설치한 시스템에서는 감속기를 바꾸어도 계속하여 조기 파손을 초래하게 된다.
  관성에 의한 충격을 힘으로 환산하는 것은 일반적으로 감속기 카다로그에 설명되어 있다.
  관성에 의한 수명은 다음 장에서 좀더 설명한다.
 
 마. 감속기에 있어서 수명 시간의 통칭
 
  감속기를 구입할 경우에 구매요건서에 요구 수명을 제시하는 것은 바람직한 일이다.
  이미 관공서 등의 구매 요건서에 요구 수명을 제시하고 있으며, 심지어 수명 계산 과정을 제출하도록 요구 하는 경우도 있다. 그러나 실제로 수명 계산서를 요구 하는 경우에는 그 계산서를 구매하는 것이 되므로, 아마도 구매 가격이 올라갈 것이다.
  요구 수명은 보증수명과 정격수명으로 나타낼 수 있을 것이다.
  구매 요건서에 보증 수명인지, 정격 수명인지를 구분 하는 것이 현명할 것이다. 보증 수명이라면, B1 수명에 해당될 것이고, 정격 수명이라면, 이와는 조금 다른 의미를 가지고 있을 것이다.
  감속기와 모터의 수명 시간을 제시하기 전에 시간과 운전 년수와의 관계를 알고 숫자를 제시하는 것이 필요 하다.
 
 1) 모터의 수명
  모터의 요구 수명은 예전에는 2,000 운전 시간이었다. 즉, 250일/년 × 8 시간/일 = 2,000시간/년 1년간의 보증 수명을 기초로 하여 운전 수명을 2,000 시간으로 하였다. 그러나 근래 들어서 20,000 시간을 요구하기에 이르렀고, 수명도 정격 수명으로 명명하기에 이르렀다.
 즉 정격수명 L10 수명으로 20,000 시간을 적용하게 되었으며, 많은 구매요구서에 20,000 정격 수명을 사용하기에 이르렀다. 이것은 10년의 운전시간에 해당되는 것으로, 실제 보증 수명과는 사실상 차이가 있다.
  그러나 모터의 수명은 베어링만의 수명으로 따질 수만은 없다. 녹이 슬거나, 절연이 파손되거나, 접촉이 파괴되거나, 토오크가 떨어지거나 등등 여러 가지의 손상 요인이 있기 때문에, 베어링의 수명으로 제시하는 것은 부족한 데이터라고 할 수있는 것이다.
 
 2) 감속기 베어링의 수명
  감속기의 베어링의 수명 역시 정격 수명으로 제시하고 있다.
  모터의 수명도 사실상, 베어링의 정격 수명으로 제시하고 있으며, 감속기의 베어링도 이와 같다.
 
 3) 감속기 기어의 수명
  감속기의 기어의 수명은 앞에서 설명하였 듯이 굽힘 강도 수명과 면압강도 수명으로 나누어 진다.
  일반적으로 굽힘강도는 충축하는 것으로 그 수명을 충분히 만족하는 것이라고 판단한다. 그리고 운전시간에 대한 수명의 예측은 면압강도에 의한 수명으로 계산 하면 시간 예측을 할 수있게 BS 규격 등에서 제시하고 있다.
  이미 앞에서 설명하였 듯이, 보증수명으로 계산하여 수명 시간을 맞추는 것이 타당하며, 만약, 보증 수명을 20,000 시간으로 할 경우에는 보증 수명 10년 운전시 간이라는 것이 적용될 것이다.
  앞서 설명하였 듯이 치면의 피팅 마모는 정상적인 운전 마모에 해당하며, 통상의 운전에서 불과 수년 이내에 거의 대부분의 기어가 마모를 보이는 것임을 알 수있을 것이다.
  또한 어느 정도의 피팅 마모가 있다고 하더라도 정상적인 운전을 수행하는데 아무런 지장이 없었음을 알수 있을 것이다.<계속>

 
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