Ý ¯ Å D 2x ¿ Þ ç ³8 $ à 2 ñ ý ' Þ & ÷ ÝD P Ê À à Ë...

工學碩士學位論文

기어박스의 동적 성능 해석을 위한

동력순환식 부하시험기의 개발에 관한 연구

2002年 7月

昌原大學校産業ㆍ情報大學院

産業機械工學科機械設計專攻

吳龍準

工學碩士學位論文

기어박스의 동적 성능 해석을 위한

동력순환식 부하시험기의 개발에 관한 연구

A Study on the Development of a Four-square Test

Rig for Analysis of Dynamic Performance of a Gearbox

指導敎授鄭遠志

이 論文을 工學碩士學位論文으로 提出함

2002年 7月


産業機械工學科機械設計專攻

吳龍準

吳龍準의 碩士學位論文을 認准함.

審査委員長 정 원 지 (인)

審査委員 신 중 호 (인)

審査委員 최 휴 (인)

2002年 7月


- i -

목 차

목 차 ························································································ⅰ

LIST OF FIGURES ························································································ⅲ

LIST OF TABLES ························································································ⅴ

NOMENCLATURE ····························································································ⅵ

제 1장 서 론 ········································································································1

1.1 연구배경 및 목적 ·····················································································1

1.2 연구 내용 ···································································································3

제 2장 동력순환식 부하시험기의 설계 및 제작 ············································4

2.1 부하시험기의 개요 ···················································································4

2.2 동력순환식 부하시험기의 설계 및 제작 ·············································6

2.3 동력 구동 장치 ·························································································8

2.3.1 전동기 ································································································8

2.3.2 유압 장치 ··························································································9

2.4 동력 순환 장치 ·······················································································14

2.4.1 시험기어 및 순환기어··································································14

2.4.2 출력축 ······························································································19

2.5 하중 조절 장치 ·······················································································20

제 3 장 실험 및 결과 ··························································································23

3.1 기어박스 효율 분석 ···············································································23

3.1.1 실험방법 및 실험장비 ··································································23

3.1.2 전용 측정 프로그램 ······································································28

3.1.3 실험결과 분석 ················································································30

- ii -

3.2 기어박스의 동적 특성 분석 ·································································35

3.2.1 실험방법 및 실험장비 ··································································35

3.2.2 실험결과 분석 ················································································37

제 4 장 결론 ··········································································································42

4.1 결 론 ·······································································································42

참고문헌 ···············································································································43

- iii -

LIST OF FIGURES

Fig. 2-1 Structure of a power absorption type

Fig. 2-2 Structure of a power circulation type

Fig. 2-3 Schematic diagram of a four-square test rig

Fig. 2-4 Hydraulic circuit diagram

Fig. 2-5 Shape of test gear and circulation gear

Fig. 2-6 Shape of output shaft

Fig. 2-7 Load control equipment

Fig. 2-8 Flow chart of a load control equipment

Fig. 3-1 Schematic diagram of telemetry system

Fig. 3-2 Telemetry system of input shaft

Fig. 3-3 Telemetry system of output shaft

Fig. 3-4 RE2C Com port selection

Fig. 3-5 RE2C main set-up window

Fig. 3-6 Channel options set-up window

Fig. 3-7 Comparison of torque at each shaft in 0Nㆍm


Fig. 3-9 Comparison of torque at each shaft in 911.4Nㆍm


Fig. 3-11 Efficiency diagram of gearbox according to power and rpm

Fig. 3-12 Efficiency diagram of gearbox according to torque and rpm

Fig. 3-13 Schematic diagram of experimental set-up for

dynamic characteristics testing

Fig. 3-14 Frequency characteristics of measured acceleration at each

speed(torque 490N․m)

- iv -


speed (torque 911.4N․m)




torque (speed 300rpm)

- v -

LIST OF TABLES

Table 2-1 Specification of hydraulic pump(Maker : EATON)

Table 2-2 Specification of hydraulic motor(Maker : EATON)

Table 2-3 Design specification of test gear and circulation gear

Table 2-4 Analysis data on the bending stress of helical gear

Table 2-5 Analysis data on the contact stress of helical gear

Table 2-6 Specification of test gear(helical gearbox)

Table 2-7 Analysis data on the bending stress of spur gear

Table 2-8 Analysis data on the contact stress of spur gear

Table 2-9 Specification of circulation gear(spur gearbox)

Table 3-1 Specification of TX20D/1/IFM

Table 3-2 Specification of RE2C

Table 3-3 Specification of strain gages

Table 3-4 Specification of accelerometer

- vi -

NOMENCLATURE

Na : Power of a electrical motor

Np : Power of pump except for loss

η : Efficiency of a electrical motor

p : Pressure of pump output flow

Q : Discharge

η : Efficiency of a gearbox

Tt : Transmitted torque of a output shaft

TL/2 : Loss torque

f i : Frequency

ωshaft : Speed of a shaft

ngear : Number of teeth of a gear

i : Harmonic characteristics

- 1 -

제 1 장 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

기계 시스템의 구성 요소 중 기어박스(gear box)는 동력전달과 운동전환

을 담당하는 기본 요소로 자동차, 산업기계, 터보기계, 농업기계, 건설기계,

철도, 선박, 항공기, 공작기계 등의 모든 산업부분에 걸쳐 널리 사용되어

왔으며 새롭게는 로봇을 위시한 각종 자동화 장치의 구동 및 동력전달 장

치에 사용되고 있다.

기어박스(gear box)의 핵심 부품인 기어(gear)관련 국내의 기술은 선진

국에 의존도가 큰 분야 중의 하나로 자동차, 공작기계, 로봇 등 각종 기계

류에 사용되는 기어는 외국에서 제공받은 도면과 가공기술로 단순 제작되

고 있는 실정이며 전반적인 기술수준은 낙후되어 있다. 또한 국내의 기어

관련 기술자 수는 대단히 적고 일부의 기어 연구자, 기술자에게 조금씩 축

적되어온 기술도 새로운 도약을 위한 기술바탕으로는 부족한 형편에 놓여

있다. 최근 들어 국내의 일부 연구자들의 논문도 발표되고 있으나 선진 기

술 국에 비하면 활발하지 못한 실정이다.

기어 시험장치는 치면의 피팅(pitting) 및 스펄링(spalling)등의 면압강도

시험, 기어의 굽힘, 절손, 피로에 대한 강도시험, 기어의 효율시험, 진동 및

소음시험, 마모시험 등 기어의 성능을 평가하는데 다양하게 활용된다. 기

어 시험 장치 중 가장 많이 이용되는 것은 IP에서 규정한 IAE 기어 시험

장치이다. 구조적으로 매우 간단한 동력순환 형식을 갖추고 있는 것으로서

레버에 의해 축을 비틀고 플랜지 커플링을 볼트로 체결하여 토오크를 가

하는 형식으로 운전 중에 모든 치면 간의 접촉이 균일하고 시험의 재현성

이 높기 때문에 기어의 재질 및 표면 거칠기 등이 달리 규정되어 있는 각

종 기어의 종류에 따라 이에 적합한 윤활유 물성을 설정하기 위한 성능분

석 시험용으로 주로 이용된다. DIN 51354에서 스코오링(scoring)시험기로

- 2 -

규정한 FZG 기어 시험장치는 IAE 기어 시험장치와 거의 유사하지만 시험

기어를 지지하는 베어링이 양쪽에 위치하여 평행도 및 안정도에서 양호하

다, 그러나 시험기를 교환할 때 분해. 결합이 번거로운 것이 단점이다.[1]

ANSI-ASTM D1947-77에서 윤활유 시험기로 규정한 WADD 기어 시험

장치는 고속 고하중 시험용으로 운전 중에도 토오크를 변화시킬 수 있는

장점을 가지고 있다. NASA(Lewis Research Center)에서 제작한 기어 시

험장치는 순환기어 내부에 베인 펌프형 부하장치를 삽입시켜 토오크를 변

화시키는 형식으로 되어 있다. 이밖에 토오크를 주는 방법을 바꾸거나 축

에 변화를 주지 않고 운전 중 토오크를 변화시키는 방법 등이 고안되어 사

용되고 있다.

본 연구에서 고안한 실험장치는 기계적 동력순환식을 선택하여 FZG 기

어 시험장치의 장점을 살려 시험기어를 양쪽에서 지지하여 안정되게 하

으며, 토오크 부하장치는 버니어 커플링(Vernier coupling) 방식을 사용하

여 고안함으로서 운전 중 토오크 값의 변화가 거의 없도록 하 다. 동력순

환식 기어시험기는 1923년 Lewis가 발표한 것이 최초이다[2], 明山ㆍ歌川

은 동력순환식 기어 시험기를 이용하여 운전 중에 치면에 작용하는 동하

중을 측정하는 방법으로 동적, 정적 이뿌리 변형을 각각 측정하여 동일 맞

물림 점에서의 이들 변형을 비교함으로써 동하중의 정하중에 대한 비를

구하 다.[3] G. Miloiu는 시험기를 이용하여 원통치차의 효율을 측정하

으며 W/N(Wildhaber/Novikov) 비인벌류트 원통치차가 인벌류트 원통치

차 보다 효율이 다소 우수하다고 입증하 다.[4]

본 연구에서는 엔진의 동력을 입력받아 전달하는 기능을 하는 헬리컬 기

어박스가 설계 사양을 만족하는가를 입증하기 위하여 기어박스의 효율과

동적 특성을 분석하고자 하는데 그 목적이 있다.

- 3 -

1.2 연구 내용

본 논문에서는 동력순환식 부하시험기를 이용하여 토오크 및 회전속도를

증가시키면서 그때의 기어박스의 성능 분석을 연구하는 것을 주 내용으로

한다.

2장에서는 동력순환식 부하시험기의 시험장치에 대해 기술한다. 여기서

동력흡수식 및 동력순환식 부하시험기의 개요, 특징, 장단점에 대하여 소

개한다. 또한 동력순환식 부하시험기의 각장치들, 즉 동력 구동 장치, 동력

순환 장치, 하중 조절 장치의 기능 및 필요한 구성요소를 설명하고, 설계조

건들을 제시한다.

3장에서는 회전하는 축에 데이터를 측정하기 위하여 사용된 텔레메트리

시스템(telemetry system)을 설치하는 방법 및 실험장비에 대하여 소개하

고, 그때의 토오크와 회전속도의 증가에 따라서 획득된 각각의 효율을 분

석한다. 또한 하우징의 동적 특성을 측정하기 위한 실험장비 및 방법을 기

술하고 실험결과에 대하여 분석을 한다.

4장에서는 기어박스에서 측정된 효율 및 동적 특성의 실험결과에 대한

내용을 토대로 결론을 맺고자 한다.

- 4 -

제 2장 동력순환식 부하시험기의 설계 및 제작

2.1 부하시험기의 개요

기어 시험장치를 구조적으로 분류하면 동력흡수식과 동력순환식이 있다.

동력흡수식은 Fig. 2-1에 나타낸 바와 같이 모터에서 시험기어를 거쳐 전

달되는 모든 동력이 동력계 등의 부하장치로 전달되어 열 등의 에너지로

흡수한다. 이 장치는 기어를 회전시키는데 필요한 동력과 치접촉 및 베어

링부에서 발생하는 손실 동력의 합에 상당하는 큰 동력과 동력 흡수장치

가 필요한 반면에 시험하고자 하는 기어와 동력흡수 장치부분의 피동기어

사이거리에 제약이 적으므로 축간 거리가 다른 기어의 시험, 혹은 축평행

도가 일치하지 않는 기어의 성능평가 시험도 쉽게 행할 수 있으며 시험기

어를 구동장치와 피동장치를 포함하여 독립진동 계측을 위한 구조물 설치

가 비교적 용이하므로 진동 및 소음 측정 시험기로 널리 이용된다.

Motor

Brake

Torque 효율

시험기어

Fig. 2-1 Structure of a power absorption type

- 5 -

동력순환식은 Fig. 2-2에 나타낸 바와 같이 구동장치인 모터에서 순환기

어를 거쳐 시험기어에 전달되는 동력이 그 장치의 구동동력으로 이용되어

동력의 흐름이 폐회로로 구성된다. 이 장치는 정지상태에서 축을 비틀어

체결하고 축의 비틀림 양에 의해서 시험기어에 걸리는 하중이 결정된다.

따라서 별도의 부하장치를 필요로 하지 않기 때문에 제작비용이 저렴하고

장치를 소형으로 제작 할 수 있다. 그리고 외부에서 공급되는 동력은 장치

에서 발생되는 마찰손실을 보충하는데 소요되므로 작은 구동부하로 큰 하

중을 받는 기어를 시험 할 수 있어서 시험기어의 전달동력에 따르는 운전

비용이 동일조건의 다른 시험 장치에 비해 저렴하다. 그러나, 기어비와 중

심거리가 다른 기어의 운전이 곤란하고 시험기어의 정열(alignment)을 조

정하기가 용이하지 않으며 축이 폐회로 구조로 연결되어있어 동력 순환기

어에서 오는 진동신호를 시험기어에서 차단하기가 어렵고 시험기어에 작

용하는 하중을 변화시키려면 장치를 정지시켜야 하는 등의 단점을 지니고

있다.[5]

Motor

시험기어회전속도의

설정

Torque 설정

Fig. 2-2 Structure of a power circulation type

- 6 -

2.2 동력순환식 부하시험기의 설계 및 제작

본 논문의 연구에서 설계 및 제작하여 적용한 동력순환식 부하시험기의

시험장치는 크게 동력 구동 장치, 동력 순환 장치, 하중 조절 장치로 구성

하 다. 동력 구동 장치는 전동기(electrical motor)와 유압 장치(hydraulic

unit)로 구성하 고 동력 순환 장치에 최초 구동 동력을 제공하고 또한 손

실 동력을 추가로 공급하기 위한 기능을 고려하여 설계하 다. 동력 순환

장치는 시험기어(helical gearbox), 순환기어(spur gearbox), 출력축(output

shaft)으로 구성하 으며 본 연구에서 실험하여 성능을 입증하기 위한 부

품들로 구성하 다. 하중 조절 장치는 본 시험기에서 부여하는 세 구간의

토오크값을 순차적으로 증가하여 부하를 부여하기 위한 장치이며, 최대 토

오크인 1372Nㆍm를 견디기 위한 설계 사양으로 적용하 다. Fig. 2-3은

동력순환식 부하시험기 장치도를 보여주고 있다.

- 7 -

① 베드 ⑥ 전기모터

② 시험기어(헬리컬 기어) ⑦ 유압모터

③ 순환기어(평기어) ⑧ 유압펌프

④ 출력축 ⑨ 오일탱크 및 쿨러

⑤ 하중 조절 장치

Fig. 2-3 Schematic diagram of a four-square test rig

①

② ③④

⑤

⑥

⑦

⑧

⑨

- 8 -

2.3 동력 구동 장치

2.3.1 전동기

부하 시험기에 최초 동력을 발생하기 위한 장치로서 전기모터를 설치하

다. 시험기어와 순환용 기어, 베어링부를 포함해서 동력 손실은 순환 동

력의 5∼7% 정도가 되므로 구동용 원동기의 용량은 7∼10% 정도는 필요

하다. 또 기동시에는 순환동력의 20∼30% 정도에 해당하는 토오크를 필요

로 하는 수도 있으므로 경부하로 기동한 다음 운전 중에 부하를 증가하는

방법이던가, 혹은 변속 장치와 클러치를 장착하여 저속 노치로 기동하여

차례로 증속하는 방법을 이용하여 구동용 전동기의 용량을 줄이고자 하

으며. 본 연구 논문에서는 기어박스에 내장된 습식 다판 마찰 클러치를 이

용하여 동력을 연결 및 차단함으로서 전동기의 용량을 줄이고자 하 다.

외부에서 유압펌프를 구동하는 동력을 Na라 하면, 여기에서 누설손실, 저

항손실을 뺀 것이 Np 이므로 이들의 손실은 용적효율, 저항손실, 기계적

손실이 포함된 효율 η는 다음과 같이 정의된다.[6]

η = NpNa, Na =

p⋅Q450⋅η

(PS) (2.1)

Np = p⋅Q450

(PS)

여기에서 Na 가 펌프를 구동하는 전동기의 동력이 된다. 궤도 차량의 엔

진 동력인 750PS이 시험기어인 헬리컬 기어박스로 전달이 될 때는 좌, 우

측 기어로 동력은 배분이 되며, 이때 동력 손실과 유압 장치의 전달 효율

을 고려하면 시험장치를 구성하기 위한 전동기의 소요동력과 회전속도를

결정 할 수 있다. 본 연구에서는 50PS이며 회전속도가 1800rpm인 3상 모

터를 적용하 다.

- 9 -

2.3.2 유압 장치

유압장치는 작동유에 압력 에너지를 부여하여 그 압력 에너지로 하여금

기계적인 일을 하게 하는 시스템을 말한다. 본 연구에서의 유압장치의 구

성은 작동유에 압력 에너지를 부여시키는 유압펌프(hydraulic pump)와 압

력 에너지를 전달 내지 조종하는 제어 밸브(control valve)와 압력 에너지

를 기계적인 일로 변환시키는 작동기(actuator)인 유압모터로 구성하 다.

이밖에 유압 요소들을 연결시켜서 압류를 전송하는 호스(hose) 그리고 고

압의 에너지를 전달 해주는 작동유(hydraulic oil)도 시험 부품의 구성 요

소 중에 하나다. 유압펌프 시스템은 작동유를 저장하는 오일탱크(oil tank)

와 펌프를 보호하기 위한 여과기(oil strainer)로 구성하 다.

유압펌프의 토출량은 이론 토출량보다 누설 손실분 만큼 적어진다. 실제

의 토출량을 Q ( ㎥/s)라하고, 토출 압력을 p (N/m2)라 하면 오일에 주어

지는 동력, 즉 오일에 의한 전달 동력 Np는 다음과 같이 정의된다.[6]

Np = p⋅Q10200

(KW)

= p⋅Q7500

(PS)

(2.2)

본 연구에서 적용한 유압장치를 적용하기 위하여 아래와 같은 특성을 고

려하여 부품을 설계 및 선정하 다.

1) 하중특성: 유압에 의해 움직이게 하는 하중의 상태, 즉 마찰계수, 중량,

관성, 또는 운동 부분의 속도 및 가속도를 충분히 고려해야 한다. 하중 사

이클(load cycle)을 그려서 기계의 작동 순서나 유압 동력의 배분을 생각하

고 이것에 의한 유압작동기(actuator)의 크기 및 펌프의 사용압력, 토출량,

회전수를 검토하 다.

- 10 -

2)효율이 좋은 회로: 설계 요구조건에 따라 각 부품의 특성이 결정되겠지

만 설치의 위치를 고려하 다. 회로 설계에 있어서는 항상 소비 전력을 될

수록 적게 하여 최대 능률을 올리도록 해야 한다. 또한 동력 손실이 적은

부품이며, 표준화된 제품인 SAE J517 규격에 의거하여 유압호스를 설계하

다.

3)안정성: 유압 장치는 고압을 이용하므로 작업자를 보호할 수 있는 안전

성을 고려하 고, 수리 점검의 용이성을 고려하여 고장이 생겼을 때 쉽게

수리가 가능하도록 부품을 선정하 다.[7]

본 부하 시험기의 속도 변환은 유압 펌프의 속도 제어에 의해서 가능하

며 유압펌프의 속도는 간이형으로 제작한 수동 노브(nob)를 이용하여 명

령 입력 신호(command Input signal)를 발생하며 유압펌프 상부에 부착된

전자식 운용 모듈(electronic drive module)을 통하여 솔레노이드 밸브

(solenoid valve)를 제어하고 솔레노이드 밸브(solenoid valve)의 작동에

의하여 유압펌프의 회전수가 변하게 된다. 본 시험의 유압장치에서 사용한

유압펌프는 최대압력이 41.5MPa까지 가능한 미국 EATON사의 제품이며

제원은 Table 2-1과 같으며, 유압모터 역시 EATON사의 제품을 사용하

으며 유압모터의 제원은 Table 2-2와 같다. 유압펌프의 배제용적 105.5㎤

/rev를 기준으로 하여 전기모터에 의해서 1800rpm이 입력시 유압펌프 토

출량은 170.9ℓ/min이다. 유압펌프의 토출량을 기준으로 하여 오일탱크 및

오일쿨러(oilcooler)의 용량은 실제 유압펌프 토출량보다 30ℓ정도 여유 있

게 200ℓ 용량의 부품으로 선정하 다.

- 11 -

Table 2-1 Specification of hydraulic pump(Maker : EATON)

Content Specification

Rotation CW

Weight 835.9N

Displacement 105.5㎤/rev

Maximum shaft speed 3720rpm

Peak pressure 41.5MPa

Output flow 375ℓ/min

Input torque 441Nㆍm

Dimensions(t×w×l)

(261× 261× 437mm)

Table 2-2 Specification of hydraulic motor(Maker : EATON)


Weight 368.5N

Displacement 75.3㎤/rev

Maximum shaft speed4160rpm

5380rpm

Maximum output torque 468.9Nㆍm

Dimensions(t×w×l)

(152× 152× 373mm)

- 12 -

유압 회로도상의 부품의 작동순서는 최초에 220V의 전원 공급에 의하여

AC 전기모터가 회전하게 된다. 전기모터의 회전력은 유압펌프를 구동하

게 되며, 이때 발생하는 비틀림 모멘트로부터 유압펌프를 보호하기 위하여

토셔널 댐퍼(torsional damper)를 전기모터와 유압펌프사이에 장착하 다.

유압펌프에 의해서 발생한 유압은 유압모터를 회전시킨다. 유압모터의 속

도변환은 유압펌프의 상부에 장착된 솔레노이드 밸브의 제어를 통하여 이

루어진다. 유압모터의 회전력은 시험기어에 전달되며, 유압모터의 비틀림

토오크로부터 시험기어인 헬리컬 기어박스가 손상되는 것을 방지하기 위

하여 토셔널 댐퍼를 장착하 다. 유압펌프의 내부에 장착된 차지펌프

(charge pump)가 회전 시에 발생하는 진공에 의한 압력 차로 인하여 오일

탱크의 오일은 펌프로 이동이 되고 유압펌프와 모터간을 순환하는 오일을

냉각시켜주기 위하여 공랭식 오일쿨러가 220V 전원공급에 의해서 작동된

다. Fig. 2-4에서의 유압오일의 흐름의 순서는 오일탱크에서 유압펌프로

유압펌프에서 유압모터로 유압모터에서 오일쿨러로 계속적인 반복 순환회

로를 구성하고 있다.

- 13 -

① 오일탱크 ④ 오일쿨러

② 유압펌프 ⑤ 솔레노이드 밸브

③ 유압모타 ⑥ 수동 노브

Fig. 2-4 Hydraulic circuit diagram

④

② ⑥

⑤

③

①

- 14 -

2.4 동력 순환 장치

동력 순환 장치는 시험기어, 순환기어, 출력축으로 구성하 다. 유압모터

에서 발생한 동력은 토셔널 댐퍼를 거친 후에 시험기어의 입력축으로 전

달된다. 입력축과 클러치 조립품은 스플라인에 의해서 일체형으로 구동되

며 유압펌프축 기어를 구동한다. 유압펌프에서 발생한 압력(1.47MPa)은

다판 마찰 클러치 조립품에 작용하며 이때의 유압에 의해서 클러치의 마

찰판과 플레이트의 면압이 작용한다. 클러치 조립품의 동력은 시험기어인

헬리컬 기어박스의 입력축 기어를 구동하게 되며 입력축 기어의 회전 동

력은 좌,우 아이들 기어에 전달되며 최종 출력축 기어로 전달이 된다. 출력

축 기어의 동력은 출력축을 구동하게 한다. 동력 구동 장치의 동력의 전달

및 차단은 습식 다판 마찰 클러치에서 이루어진다. 출력축을 거친 회전력

은 순환기어에서는 시험기어와는 반대로 출력축 기어에서부터 동력이 유

입되어 최종 입력축 기어를 구동시킨다.

2.4.1 시험기어 및 순환기어

본 연구 논문에서 실험한 시험기어 및 순환기어는 궤도 차량의 엔진에서

동력을 입력받아서 수상추진장치에 동력을 전달하기 위한 장치로서 설계

기준은 Table 2-3과 같은 사양을 만족하는 기어박스를 설계 및 개발하는

것이며 부하시험을 통하여 설계 기준을 만족하는가를 입증하고자 한다.

Table 2-3 Design specification of test gear and circulation gear

Content Input power Input rpm Input torque Reduction ratio

Data 750PS 2300rpm 2695Nㆍm 1:1

- 15 -

위의 Table 2-3의 설계 사양을 만족하는 기어는 SCM415 단조 소재를

사용한 헬리컬 기어로 설계하 으며, 기어의 강도해석은 AGMA식에 의하

여 굽힘강도를 해석하 고 허용 굽힘강도를 기준으로 안전율은 1.2 이상으

로 해석되었다. Table 2-4는 시험기어인 헬리컬 기어의 해석 자료이다.

Table 2-4 Analysis data on the bending stress of helical gear

ContentGear,

L4

Gear,

L3

Gear,

L2

Gear,

Input

Gear,

R2

Gear,

R3

Gear,

R4

Max bending

stress(N/㎟)176.4 173.5 335.2 355.7 304.8 163.7 152.9

Alowable bending

strength(N/㎟) 441

Safety factor 2.5 2.5 1.3 1.2 1.4 2.7 2.9

면압강도 측면에서도 AGMA식에 의해서 기어 강도 해석을 하 으며 허

용 면압강도를 기준으로 하여 안전율은 1.3 이상으로 해석되었다. Table

2-5는 헬리컬 기어의 면압강도를 해석한 자료이다.

Table 2-5 Analysis data on the contact stress of helical gear

ContentGear,

L4

Gear,

L3

Gear,

L2

Gear,

Input

Gear,

R2

Gear,

R3

Gear,

R4

Max Contact

stress(N/㎟)823.2 738.9 950.6 1095.6 1180.9 846.7 715.4

Alowable contact

strength(N/㎟)1519

Safety factor 1.8 2.1 1.6 1.4 1.3 1.8 2.1

- 16 -

헬리컬 기어의 굽함강도와 면압강도를 고려하여 설계시에 안전율을 만족

하는 기어의 제원은 Table 2-6과 같이 모듈이 5이며 치폭이 40mm, 압력

각 20°인 기어이다. Table 2-6은 시험기어의 제원을 나타내고 있다.

Table 2-6 Specification of test gear(helical gearbox)

ContentGear,

L4

Gear,

L3

Gear,

L2

Gear,

Input

Gear,

R2

Gear,

R3

Gear,

R4

Module 5

No. of teeth 49 60 60 49 42 42 49

Pressure angle 20°

Helix angle(11°) RH LH RH LH RH LH RH

Standard P.C.D 249.5 305.6 305.6 249.5 213.9 213.9 249.5

Backlash 0.1848∼0.7012

Center distance 280 310 280 232.5 215.0 232.5

Base circle diameter 234.0 286.5 286.5 234.0 200.5 200.5 234.0

Case depth 0.90∼1.80

Heat treatment Carburizing

Hardness HRC 58 ∼ 62

- 17 -

순환기어 또한 Table 2-3의 사양을 근거로하여 AGMA식에 의하여 굽힘

강도를 고려한 기어를 해석하 으며 안전율 1.1 이상을 만족하 다. Table

2-7은 평 기어의 굽힘강도 해석 자료이다.

Table 2-7 Analysis data on the bending stress of spur gear

ContentGear,

L4

Gear,

L3

Gear,

L2

Gear,

Input

Gear,

R2

Gear,

R3

Gear,

R4

Max bending

stress(N/㎟)200.9 198.9 199.9 401.8 398.9 199.9 200.9

Alowable bending

strength(N/㎟) 441

Safety factor 2.2 2.2 2.2 1.1 1.1 2.2 2.2

Table 2-8은 평 기어의 면압강도를 해석한 자료이며 안전율은 1.3 이상

으로 해석되었다.

Table 2-8 Analysis data on the contact stress of spur gear

ContentGear,

L4

Gear,

L3

Gear,

L2

Gear,

Input

Gear,

R2

Gear,

R3

Gear,

R4

Max Contact

stress(N/㎟)844.8 758.5 719.3 1078 1174 864.4 836.9

Alowable contact

strength(N/㎟)1519

Safety factor 1.8 2.0 2.1 1.4 1.3 1.8 1.8

- 18 -

평 기어는 모듈이 5이며 치폭이 40mm, 압력각 20°인 기어이다. Table

2-9는 순환기어의 제원을 나타내고 있다.

Table 2-9 Specification of circulation gear(spur gearbox)

ContentGear,

L4

Gear,

L3

Gear,

L2

Gear,

Input

Gear,

R2

Gear,

R3

Gear,

R4

Module 5

No. of teeth 50 62 62 50 43 43 50

Pressure angle 20°

Standard P.C.D 250.0 310.0 310.0 250.0 215.0 215.0 250.0

Backlash 0.1848 ∼ 0.7012

Center distance 280.0 310.0 280.0 232.5 215.0 232.5

Base circle diameter 234.9 291.3 291.3 234.9 202.0 202.0 234.9

Case depth 0.90 ∼ 1.80

Heat treatment Carburizing

Hardness HRC 58 ∼ 62

기어를 지지해주는 축은 SCM 440 단조 소재이며, 하우징에 조립되어 회

전축의 양단을 지지하는 베어링은 SKF사의 앵귤라 콘택 볼베어링

(angular contact ball bearing)으로 설계하 다. 기어박스에서 발생하는 열

을 냉각시키기 위하여 외부에 냉각핀이 설계된 알루미늄 합금주물 소재인

하우징으로 설계하 으며 하우징의 항복강도는 165.6N/mm²이다. 기어박

스에 주입한 오일은 15W40을 적용하 다. Fig. 2-5는 강도 해석 및 설계

사양에 의해서 최종 설계된 헬리컬 기어박스 및 평 기어박스의 형상을 나

타내고 있다.

- 19 -

Fig. 2-5 Shape of test gear and circulation gear

2.4.2 출력축

시험기어와 순환기어간의 동력이 순환하기 위한 동력 연결 장치로 기어

박스 양쪽에 2개의 출력축을 적용하 으며 출력축은 현재에 건설장비에서

사용중인 STKM3B 소재의 중공파이프와 유니버셜 조인트로 구성 되어있

으며 허용토크는 4385.5Nㆍm이다. 출력축의 길이는 2086mm, 하중 조절

장치 쪽의 길이는 1981.9mm이다. Fig. 2-6은 출력축의 형상을 나타내고

있 다 .

Fig. 2-6 Shape of output shaft

L2 기어입력축기어L3 기어

L4 기어 R2 기어

R3 기어R4 기어

- 20 -

2.5 하중 조절 장치

본 시험에서 사용한 하중 조절 방법으로는 버니어 커플링(Vernier

coupling) 방식을 사용하 다.[8] 2개의 플렌지(flange)에 동일한 크기의 Φ

19.5 구멍을 관통하여 가공하 으며 가공된 각각의 19개와 20개의 구멍들

은 PCD Φ200의 플렌지 원주 방향으로 18.947°와 18°로 플렌지의 원주

방향으로 배열되어 있다. ②번 플렌지는 ①번 플렌지 보다 구멍을 1개 더

많이 가지고 있으며, 추가적인 구멍은 0.947°만큼 토오크를 정 하게 조

정하는 역할을 한다. 최초에 토오크를 발생하기 위한 방법은 먼저 ①번

플렌지를 ④번 록킹 플레이트(locking plate)를 이용하여 볼트(bolt)로 고정

시킨다, ⑤번 로드 바(load bar)와 로드 셀(load cell)이 연결된 상태에서 크

레인(crane)을 이용하여 일정한 하중을 가하면서 서서히 위로 당긴다. 이

때의 하중 값을 로드 셀 앰프(amplifier)를 통하여 읽은 값과 텔레메트리

(telemetry) 프로그램을 통하여 읽어들인 값과 비교하면서 측정

(calibration)을 실시한다. 최초 490Nㆍm로 가하여 이때 버니어 플렌지1과

버니어 플렌지2가 일치하는 구멍에 ③번 록킹 핀(locking pin)으로 고정한

다. 플렌지들이 벌어지는 것을 방지하기 위하여 ⑥번 볼트를 이용하여 2개

소를 고정한다, 요구되는 토오크를 가한 후에 ④, ⑤번 부품을 탈거한다.

위와 동일한 절차에 의해서 911.4Nㆍm, 1362.2Nㆍm 역시 동일하게 실시

한다. Fig. 2-7은 하중 조절 장치도를 나타내고 있으며, Fig. 2-8은 위에서

언급한 하중 조절 장치의 운용 순서도를 나타내고 있다.

- 21 -

① 플렌지 ④ 록킹 플레이트

② 플렌지 ⑤ 로드 바

③ 록킹 핀 ⑥ 볼트

Fig. 2-7 Load control equipment

① ②

③

④

⑤

Force

⑥

- 22 -

Fig. 2-8 Flow chart of a load control equipment

N

Start

Clamping

Locking plate

Put together

Load bar

Adjustment of handling torque

Downward move

Y

Handling

Load bar

Unclamping

Load bar

Unclamping

Locking plate

Loosing

Flange bolts

Tightening

Flange bolts

- 23 -

제 3 장 실험 및 결과

3.1 기어박스 효율 분석

본 연구에서는 2장에서 언급한 설계 사양에 의하여 제작된 시험기어와

순환기어의 동력 전달 효율을 분석하고자 한다. 기어박스의 동력 전달 효

율을 측정하기 위하여 회전하는 축에서의 변형량을 측정할 수 있는 텔레

메트리 시스템(telemetry system)을 사용하 다. 유압모터와 시험기어 사

이의 입력축과 시험기어와 순환기어 사이의 출력축 부위에 텔레메트리 시

스템을 각각 장착하 으며 동력전달 효율은 다음과 같은 수식으로 정의하

다.

η(%) = Tt - TL/2

Tt×100 (3.1)

여기에서, Tt 는 부하조정장치에 의해 전달되는 토크이고, TL/2 은 동력

손실 토크 값이다.

3.1.1 실험방법 및 실험장비

회전하는 축에 데이터를 측정하기 위하여 텔레메트리 시스템을 설치하

으며 이때 사용할 스트레인 게이지(strain gage)를 부착하기 위하여 미

세한 사포를 이용하여 입력축 및 출력축면을 연마한 후에 서피스 클리너

(surface cleaner)를 이용하여 스트레인 게이지가 부착될 축면을 세척한다,

록타이트(locktite)를 축에 바르고 나서 스트레인 게이지1을 부착한 후에

축의 맞은 편에 스트레인 게이지2를 추가로 동일한 방법으로 부착한다, 각

- 24 -

각의 스트레인 게이지와 본더블 터미널(bondable terminal)을 서로 연결한

다. 스트레인 게이지1, 2와 TX20D 트렌스미터(transmitter)를 연결할 때에

스트레인 게이지1은 P1 과 P2에 연결하고 스트레인 게이지2는 P3, P4와

연결한다. 인덕티브 헤드(inductive head)로 전압이 유입되는 것을 방지하

기 위하여 스트레인 게이지1, 2와 TX20D의 거리는 서로 100mm의 거리를

유지토록 조립한다. TX20D 트렌스미터는 절연성의 복합소재인 페놀수지

를 이용하여 볼트, 너트로 고정하 으며 반대편에 TX20D 트렌스미터와

동일한 무게의 발란스웨이트(balance weight)를 부착하 다. 페놀수지 원

둘레에 외경 Φ0.5∼1mm의 동선(copper wire)을 납땜으로 TX20D 트렌스

미터와 연결하며, 동선과 인덕티브 헤드간의 거리는 10∼15mm가 유지되

도록 설치하 다. 전원은 전원공급장치(power supply)를 통하여 RE2C 마

스터(master) 및 RE2C 슬레이브(slave)에 공급한다, 입력축의 스트레인

게이지1, 2에서 발생한 변형량은 TX20D에 전달되며 그후 동선에 전달된

다. 이때의 데이터는 IH2에서 획득된다. IH2에서 획득된 데이터는 RE2C

마스타에 전달되며 최종 PC에 전달된다. 출력축의 변형량은 IH2까지는 입

력축과 동일한 경로를 거치며 IH2에서 획득된 데이타는 RE2C 슬레이브

와 RE2C 마스타를 거쳐서 최종 PC에 전달된다. 스트레인 게이지1,2와

TX20D 간의 케이블의 결선 방법은 아래 Fig. 3-1과 같다. 시험장비의 제

원은 Table 3-1, Table 3-2, Table 3-3과 같다. Fig. 3-2와 Fig. 3-3은 입

력축과 출력축에 텔레메트리 시스템(telemetry system)이 장착된 모습이

다.

본 논문에서는 아래의 결과를 구함으로 기어박스의 효율을 측정한다.

1) 무부하시 rpm별 입, 출력축 토오크 측정

2) 490Nㆍm일때 rpm별 입, 출력축 토오크 측정

3) 911.4Nㆍm일때 rpm별 입, 출력축 토오크 측정

4) 1362.2Nㆍm일때 rpm별 입, 출력축 토오크 측정

- 25 -

Copper wire

PC

RE2CMASTER

RE2CSLAVE

POWERSUPPLY(12V)

IH2

STRAIN GAGE1

TX20D입력축

STRAIN GAGE2

P1

P2

P3

P4

IH2

STRAIN GAGE1

TX20D출력축

STRAIN GAGE2

P1

P2

P3

P4

Fig. 3-1 Schematic diagram of telemetry system

Table 3-1 Specification of TX20D/1/IFM


Input 2.048V

Bridge excitation supply 4.096VDC

Operating temperature range -20℃ ∼ +80℃

Power requirement 6 ∼ 12VDC @ 8mA

Weight 0.343N

Manufactor ASTECH ELECTRONICS Ltd

Dimensions(t×w×l)

(20 x 50 x 8mm)

- 26 -

Table 3-2 Specification of RE2C


Operating temperature range -20℃ ∼ +80℃

Zero stability RTO ±0.5mV/℃

Output noise level 3.5mV RMS

Power requirement 11.5 ∼ 15VDC @ 1A

Operating tempetature range -20℃ ∼ +55℃

Weight 6.86N

Manufactor ASTECH ELECTRONICS Ltd

Dimensions(t×w×l)

(170 x 105 x 60mm)

Table 3-3 Specification of strain gages


Type KFC-2-D2-11

Temperature compensation for Steel

Gauge resistance

(24℃,50%RH)120.4±0.4Ω

Thermal output ±1.8με/℃

Temperature coefficient

of gauge factor+0.015%/℃

Manufactor KYOWA

Gauge length

2mm

- 27 -

Fig. 3-2 Telemetry system of input shaft

Fig. 3-3 Telemetry system of output shaft

- 28 -

3.1.2 전용 측정 프로그램

각 부하시에 입, 출력축의 변형량 및 토오크를 측정하기 위한 소프트웨

어는 Astech사의 CLogger라는 프로그램을 사용하 다. RE2C로부터 데이

터를 입력받아서 그래픽 형태로 데이터를 표시하는 프로그램이며 프로그

램의 설정은 메인 스크린 메뉴바 아이템의 View를 클릭하면 Fig. 3-4와

같은 풀 다운 메뉴가 나타난다. Communications 버튼을 선택하고 요구되

는 Serial Port를 클릭한후 OK 버튼을 클릭한다. Logging 메뉴에 있는

Settings를 선택하면 Fig. 3-5와 같은 화면이 나타난다. Channel 1은 첫번

째 TX20D로부터의 변형량(strain) 입력 값이며, Channel 2는 두번째

TX20D에서의 변형량 입력 값이다. Channel 3과 4는 Channel 1과 2의

TX20D 트렌스미터에 대한 파워 서플라이 모니터 채널(power supply

monitor channel)이다. 각 Channel에 대한 설정(setting)들을 화면상에서

보기 위해서는 Logging 메뉴에 있는 Settings를 선택하고 필요한 Channel

tab을 클릭하면 Fig. 3-6과 같은 화면이 나타난다.

Fig. 3-4 RE2C Com port selection

- 29 -

Fig. 3-5 RE2C main set-up window

Fig. 3-6 Channel options set-up window

- 30 -

3.1.3 실험결과 분석

부하량이 증가함에 따라 입력축과 순환 동력부위인 출력축에 rpm별 토

오크 값을 측정한 후에 입력 토오크와 순환 토오크로 각각 분석을 실시하

다.

1) 무부하 시에는 Fig. 3-7과 같이 rpm이 증가함에 따라 입력 토오크 값

은 23.23Nㆍm에서 111.13Nㆍm로 선형적으로 증가하나 순환 토오크 값은

75.17Nㆍm에서 84.57Nㆍm로 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다.

2) 부하량이 490Nㆍm 일 때는 Fig. 3-8에서 보듯이 입력 토오크 값은

21.66Nㆍm에서 116.62Nㆍm로 증가하지만 순환 토오크 값은 528.11Nㆍm

에서 530.08Nㆍm로 큰 변동이 없는 것을 알 수 있다.

3) 부하량이 911.4Nㆍm인 경우에는 Fig. 3-9에서 보듯이 입력 토오크 값

은 51.94Nㆍm에서 124.75Nㆍm로 선형적으로 증가하지만 순환 토오크 값

은 978.73Nㆍm에서 963.05Nㆍm로 큰 변동이 없는 것을 알 수 있다.

4) 부하량이 1362.2Nㆍm로 증가하 을 경우에는 입력 토오크 값은 rpm

의 변화에 따라 72.03Nㆍm에서 122.7Nㆍm로 증가하지만 Fig. 3-10과 같

이 순환 토오크 값은 1410.42Nㆍm에서 1388.86Nㆍm로 큰 변동이 없는 것

을 알 수 있다.

각각의 그림에서 입력 토오크 값은 ●로 , 순환 토오크 값은 ◆ 로 표시

하 다.

- 31 -

무부하 상태

0

20

40

60

80

100

120

300 600 900 1200 1500

회전수(rpm)

토오크(Nㆍm)

70

75

80

85

90

입력

순환


Pre-torsion(490Nㆍm)

0

20

40

60

80

100

120

140

300 600 900 1200 1500

회전수(rpm)

토오크(N

ㆍm)

520

525

530

535

540

545

입력

순환


- 32 -

Pre-torsion(911.4Nㆍm)

0

20

40

60

80

100

120

140

300 600 900 1200 1500

회전수(rpm)

토오

크(N

ㆍm)

950

955

960

965

970

975

980

985

990

입력

순환


Pre-torsion(1362.2Nㆍm)

0

20

40

60

80

100

120

140

300 600 900 1200 1500

회전수(rpm)

토오

크(N

ㆍm)

1375

1380

1385

1390

1395

1400

1405

1410

1415

입력

순환


- 33 -

토오크와 회전속도의 변화에 따라서 기어박스의 효율을 측정하 으며 다

음과 같은 결론을 얻었다.

1) 기어박스의 입력 동력은 두 개의 출력축으로 나누어지는 것으로 고려하

으며 부하는 실제 490, 911.4, 1362.2Nㆍm까지 3단계로 입력하 다. 회

전수는 300, 600, 900, 1200, 1500rpm 구간에서 300rpm 간격으로 수행하

다.

2) 입력 토오크는 부하에 따라 다소 상승함을 알 수 있으며 낮은 회전수

에서는 편차가 심하 으나 회전수가 증가 할 수록 부하의 크기와는 무관

함을 알 수 있다.

3) 출력축의 순환 토오크는 프리토션(Pre-torsion) 토오크에 시험 회전

에 해당되는 시험장치의 손실 토오크를 추가한 수치임을 알 수 있으며

증가는 없었다.

4) 동력순환식 부하시험기의 장점을 나타내고 있는 Fig. 3-11은 무부하에

서는 3.26∼17.96PS까지의 순환 동력으로 회전속도의 증가에 따라 변동을

하지만 부하가 커질수록 순환 동력의 크기도 비례적으로 증가하는 것을

알 수 있으며 차후에 시험을 실시 할 때에 본 그림에 의해서 시험기의 용

량을 예측 할 수 있다.

5) 시험기어인 헬리컬 기어박스의 설계사양에 대한 성능을 입증하기 위하

여 본 시험을 실시하 으며 텔레메트리 시스템에 의하여 측정한 기어박스

의 효율은 Fig. 3-12와 같이 토오크 값이 증가 할 수록 효율이 증가하는

것을 알 수 있으며, 평균 95% 이상의 효율을 갖는 것으로 확인되었다.

- 34 -

회전수별 순환 동력

0

50

100

150

200

250

300

350

0 500 1000 1500 2000

회전수(rpm)

동력

(PS) 무부하

490Nㆍm

911.4Nㆍm

1362.2Nㆍm

Fig. 3-11 Efficiency diagram of gearbox according to power and rpm

시험기어 효율

80

85

90

95

100

0 500 1000 1500

토오크(Nㆍm)

효율

(%)

300rpm

600rpm

900rpm

1200rpm

1500rpm

Fig. 3-12 Efficiency diagram of gearbox according to torque and rpm

- 35 -

3.2 기어박스의 동적 특성 분석

본 연구에서는 2장의 설계사양에 의해서 제작된 시험기어의 하우징에 전

달되는 동적 특성을 분석하고자 한다. 동적 특성을 분석하기 위하여 가속

도계가 부착되는 위치는 우측 2단 아이들 기어부이며 이 부위는 기어와 하

우징의 강도측면에서 가장 취약한 부위이므로 이곳에 가속도계를 부착하

여 동적 특성을 분석하고자 한다.

3.2.1 실험방법 및 실험장비

기어박스 하우징의 동적 특성을 분석하기 위하여 하우징의 표면에 가속

도계를 부착하 다. 시험기어의 구동으로 인하여 하우징에 발생하는 진동

신호는 가속도계에서 일차적으로 획득이 된다. 가속도계는 Bruel&Kjaer사

의 제품이며 제원은 Table 3-4와 같다. 가속도계를 거친 데이터는 앰프에

서 증폭이 되며 증폭된 진동신호는 SC2345 앰프 박스 내에 조립된

NI(National Instrument)사 제품인 SCC-FT01 모듈을 거치게된다. 이후에

데이터는 동적 신호를 계측하기 위하여 노트북에 조립된 DAQ 하드웨어에

전달이 되고, 최종적으로 계측 프로그램인 MATLAB에서 시간 역과 주

파수 역으로 해석을 실시하 다. Fig. 3-13은 기어박스의 동적 특성을

분석하기 위한 실험장비 설치도 및 데이터 획득 절차이다.

- 36 -

SC2345SCC-FT01MODULECHARGE AMP

2635

Housing

PCACC 4371

Fig. 3-13 Schematic diagram of experimental set-up for dynamic

characteristics testing

Table 3-4 Specification of accelerometer


Serial No 1187764

Charge sensitivity 0.996pC/ms-2

Voltage sensitivity 0.881mV/ms-2

Weight 0.11N

Material

Titanium, ASTM Grade 2

- 37 -

3.2.2 실험결과 분석

시험기어에 작용하는 부하조건은 엔진의 동력인 750PS중에 손실동력을

제외한 동력이 두 개의 출력축으로 나누어지는 것으로 가정하여 부하조건

을 3단계로 나누어서 시험을 실시하 으며, 회전속도 역시 시험장소의 배

전 설비용량을 고려하여 3단계로 나누어서 시험을 수행하 다. 시험결과

분석은 저주파수대역 통과필터(low-pass filter)를 MATLAB 8차의

butter()함수를 1500Hz 로 적용한 후에 FFT 하 다.[9]

신호처리의 결과로 각 기어의 물림특성 및 하모닉 성분이 나타나는 주파

수 특성을 확인할 수 있었다.

기어의 물림특성에 대한 주파수 성분은 다음과 같은 수식으로 정의 하고

자 한다.

f i = ω shaft⋅ngear(160)⋅i (3.2)

여기에서, ω shaft 는 축의 회전속도(rpm)이고, ngear 는 기어의 잇수 그리

고 i 는 하모닉 성분( i = 1,2,3,...)을 나타낸다.

시험결과는 부하를 증가시키면서 490N․m, 911.4N․m, 1362.2N․m에서

유압펌프의 상부에 있는 제어밸브에 의해서 회전속도를 300, 600, 900,

1200, 1500rpm으로 300rpm구간으로 증가시키면서 진동 가속도 주파수를

측정한 결과를 각각 분석하 으며, 각 신호의 특성은 입력축의 회전속도에

따라 하모닉 성분의 특성을 보여주고 있다.[10]

- 38 -

Fig. 3-14는 순환 동력 부위인 출력축에 부하를 490N․m로 가했을 때

회전 속도(rpm)의 증가에 따라 측정된 진동 가속도 주파수 스펙트럼의 크

기가 커지는 것을 알 수 있다.


speed(torque 490N․m)

- 39 -

Fig. 3-15는 순환 동력 부위인 출력축에 부하를 911.4N․m로 가했을 때





- 40 -

Fig. 3-16은 순환 동력 부위인 출력축에 부하를 1362.2N․m로 가했을 때





- 41 -

Fig. 3-17을 보면 300rpm에서의 물림 주파수 250Hz(≒ 300 × 50 / 60)

의 하모닉 성분을 볼 수 있다. 하모닉이 아닌 성분 중에 910Hz, 1100Hz의

주파수성분은 저속에서만 주로 나타나며, 기어박스의 특성상 다른 주파수

성분은 기어의 충격에 의한 에너지량이 낮을 때에 유압 구동장치의 특성

이 부분적으로 추가된 것으로 판단된다.


torque (speed 300rpm)

- 42 -

제 4 장 결론

4.1 결론

본 연구에서는 궤도 차량에서 엔진의 동력을 인출하여 전달하기 위한 용

도로 개발된 기어박스의 효율 및 동적 특성을 분석하여 기어박스가 설계

사양을 만족하는가를 입증하고자 동력순환식 부하시험기를 개발하여 기

어박스에 부하 및 회전속도를 증가시키면서 실험을 수행하 고 다음과

같은 결론을 얻었다.

1) 전동기의 입력 동력인 50PS으로 300PS 이상의 순환 동력을 하중 조절

장치에 의해서 발생시켜서 기어박스 및 축의 내구도 시험이 가능하 으며

특히 저 비용으로 만족 할만한 시험을 수행 할 수 있었다.

2) 엔진과 같은 동력장치가 포함되지 않은 부하시험의 경우에는 구동시

중요한 성분은 기어의 접촉 주파수와 하모닉 성분임을 볼 수 있었으며, 실

제 궤도 차량에서 이 성분은 엔진의 구동 특성과 맞물리므로 추후 동적 운

특성에 따라 진동량의 감소가 요구될 때에는 동력장치를 포함한 비틀림

진동(torsional vibration) 해석을 병행하여야 할 것으로 판단된다.

3) 본 시험에서 사용한 버니어 커플링 방식으로 토오크의 정 조정이

가능하 으나, 로드 바(load bar) 및 고정 치구 등의 부품이 필요한 단점이

있으므로 추가적인 시험 시에는 시험 치구에 대한 설계 보완이 필요한 것

으로 분석되었다.

4) 전동기의 용량 부족으로 인하여 궤도 차량의 최대 회전수 범위인

2300rpm 역에서 시험을 수행하지는 못하 으나 기어박스의 효율 및 하

우징의 동적 특성을 해석함으로 인하여 시험기어인 헬리컬 기어박스의 성

능을 입증 할 수 있었다.

- 43 -

참 고 문 헌

1. ASTM Specifications D-5182 FZG - Gear Test Rig, (2000, 3)

2. Lewis, Amer. Machinist. 59, pp. 875 (1923)

3. 明山ㆍ歌川, 日立評論, 38-4, pp. 585 (1956)

4. Miloiu, G. TriboTest 51-61 "Efficiency determination of cylindrical

gear units in a back-to-back gear test rig"

5. 권오관, 이성철외, “기어 고급화를 위한 종합기술 개발”, (1990. 6)

6. 하재현, “최신 유압공학”, 청문각, (1994)

7. 주해호, “최신 유압공학”, 대광서림, (1998)

8. Dudley, “Gear Hand Book”, Prentice Hall Press, (1973)

9. MATLAB User's Manual

10. 김태진, 설인환, "동력인출장치의 동적특성", GSDC-519-020194,

(2002. 3)

11. Kugler, “DYNAMIC TESTING SYSTEMS FOR ROTATING

COMPONENTS”, (1986. 9)

- 44 -

Abstract

A Study on the Development of a Four-square Test Rig for

Analysis of Dynamic Performance of a Gearbox

by Yong Jun, Oh

Dept. of Mechanical Design and Manufacturing

Graduate School, Changwon National University

Changwon, Korea

The "four-square" principle is applied largely for loading the

specimens with the required torque. In the case of four-square test

rigs the required power is carried in a closed energy circuit formed

by several gear trains and shafts. The torque and thus the power in

the tension circuit can be generated, in the required amounts and

direction of loading, by the appropriate relative twisting of two

elements of the tension circuit, without a significant power input.

Four-square test rigs are technically advantageous and economically

in conjunction with dynamic test rigs with a medium to high power

output, due to their small dimensions and thus very small rotating

masses.[11]

- 45 -

In this thesis, a method is presented for determining the efficiency

of gear units in test rigs with mechanically closed energy flow, based

on measuring the losses in the rig, that is, the torsion torque at the

driving motor and the stabilized thermic level. The torque is

measured by telemetry systems at each loads and speeds, Efficiency

of gear box is increased according to increased load and speed. In the

case of load test not included power pack such as engine, The

important factor at dynamic characteristics of housing are convinced

of contact frequency of gear and harmonic property when gearbox is

driven.

- 46 -

감사의

학위를 마치기 위하여 5년이라는 세월을 보내면서 잠시 한때는 학업

을 떠나 방황도 했으나 이렇게 저의 이름이 새겨진 한 권의 책인 논문이

완성되고 보니 가슴 뿌듯함을 느낍니다, 보면 볼수록 미흡한 마음을 떨

쳐 버릴 수가 없지만 이 한편의 논문이 나오기까지 미국에서 e-메일로

논문지도를 성심껏 해주신 홍대선 교수님께 진심으로 감사의 말 을 드

립니다. 또한 논문의 심사를 맡아서 충고와 조언을 아낌없이 보내주신

정원지 교수님, 신중호 교수님, 최 휴 교수님께 감사의 말 을 드립니

다. 그외 지난 수업 시간에 열정적으로 학업 강의를 해주신 조치룡 교수

님과 이춘만 교수님께 감사드립니다. 본 기어박스의 시험이 회사에서 진

행이 될 때 몸을 아끼지 않고 도와주신 박규환 차장님, 황인수 차장님,

임홍섭 과장님, 김천수 대리, 안홍규 대리, 김도완 대리에게도 감사의 말

을 드리며, 실험 장면을 켐코더로 녹화하여 논문 공개 발표시에 귀중

한 자료로 활용 할 수 있게 도와주신 정태호 대리님께도 감사 드립니다.

그리고 시험과 관련한 많은 참고 자료를 아낌없이 주신 국방과학연구소

의 설인환 박사님, 김태진씨에게도 감사 드립니다. 논문 작성법과 관련해

서 물심양면으로 많은 조언을 해주신 실험실의 배상일군, 박제민군, 김부

호 차장님 그리고 부서의 김 민 대리에게도 감사 드립니다.

주경야독으로 지난 세월을 보낼 때 옆에서 사랑과 인내와 관심으로

지켜봐 주었던 아내 이옥순님, 그리고 사랑스러운 아현이 에게도 이 기

쁨을 전하며 같이 나누고 싶습니다. 끝으로 학업을 마칠때까지 많은 애

정과 격려를 보내 주신 고향의 부모님께도 이 감사의 을 바칩니다.

Ý ¯ Å D 2x ¿ Þ ç ³8 $ à 2 ñ ý ' Þ & ÷ ÝD P Ê À à Ë...

Documents

Transcript of Ý ¯ Å D 2x ¿ Þ ç ³8 $ à 2 ñ ý ' Þ & ÷ ÝD P Ê À à Ë...