조효진님의 글
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밑에 베어링 노이즈에 관한 질문을 올린 사람입니다.
부가질문이 있어 이렇게 또 글을 올립니다.
질문은 다름이 아니라 베어링에 의한 가진원과 기어 transmission error에 의한 가진원, 그리고 unbalance에 의한 가진원의 크기의 상대적 비교값이 필요합니다. 현재 치합전달오차와 unbalance에 의한 가진원의 상대적 크기는 구하였으나 베어링과의 값은 구하지 못했습니다.
그리고 베어링 안에서도 4가지 정도의 가진원이 있는데 이의 상대적 크기도 필요하고요..
여러 논문들을 뒤져보았는데 정확히 필요한 값을 구하지 못해 이렇게 글을 올립니다.. 현장에서나 이론상에서라도 제 질문과 관련된 정보가 있으면 올려주십시요..부탁드리겠습니다..수고하십시요..

----------------- [답 변] -------------------

안녕하세요.

기어 장치에서 케이스를 제외한, 기어-로터-축-베어링 시스템에서 진동/소음의 일으키는 이유에 대해 말씀드리겠습니다.

기어장치의 진동/소음은 기어 또는 축의 회전 불평형, 베어링과 회전축의 설치오차, 기어접촉부의 치형가공오차, 베어링과 기어백래쉬 유격의 비선형특성, 기어치형 강성계수가 접촉위치와 시간에 따라 바뀌게 되는 시간적 변화로 인한 주기적특성 등으로 인해 진동/소음이 발생합니다.

각 구성요소에 대한 진동/소음에 대해 간략히 소개드리겠습니다.

1) 기어

기어의 원인으로 발생하는 진동/소음은 치형가공오차와 치형강성계수의 시간적인 변화, 백래쉬의 비선형특성의 원인으로 발생합니다.

기어 소음/진동이 빈번이 발생하는 현상은 다음과 같습니다.

1. Whine Noise
치차를 가공할때 완전한 인벌루트 치차로 가공하지 못함으로 인한 기어가공오차나 또는 부하(토크등)에 의해 치탄성변형이 생겨서 구동기어와 종동기어의 각변위가 달라지고(감속비가 1:1인경우) 그것으로 인해 내부가진을 일으키게되어 소음이 발생하는데 이것을 화인 소음이라합니다. 현장에서 소리를 들으면 사이렌소리와 비슷합니다. 구동기어와 종동기어의 각변위차를 TE(Transmission Error)라 합니다. 이 TE(치합전달오차)를 적게하면 소음을 저감시킬수 있습니다. 그 방법으로는 여러가지가 있지만 치형수정이 가장 효과적입니다.

자동차 변속기의 경우는 화인소음이 정적인 상태의 치형가공오차에 의해서 발생하기보다는, 오히려 부하에 의해 치가 탄성변형이 발생하여 프로파일 방향으로 치합전달오차를 발생시키고, 부하에 의해 축의 뒤틀림과 케이스의 변형으로 기어의 리이드 방향의 치합전달오차를 발생시킵니다. 이것의 경우 화인소음을 저감시키기 위해서 치의 프로파일 방향으로 치형수정을 하고, 리이드 방향의 치형수정은 크라우닝만으로 리이드 오차를 보정해주는 방식이 주로 사용되나 편측 지지된 기어의 경우에는 리이드 오차를 보정하는 크라우닝을 부가하고, 축변형에 의한 리이드 방향의 치간섭량은 비틀림각 수정으로 보정합니다.

2. Rattle Noise
기어 백래쉬를 너무 크게 했을때, 치차가 돌때 헐거워짐으로 인한 마찰음을 내게되는 소음으로 저감방법은 언더컷이 생기지 않는 범위내에서 백래쉬를 적게하면 소음을 어느정도 해결할 수 있습니다.

* 이것 이외에, 기어는 접촉위치와 시간에 따라 치접촉부의 강성이 변화게 됩니다. 특히 스퍼어기어의 경우 물림률이 2근처에 있다가 1로 떨어 질때 기어강성이 크게 떨어지게 됩니다. 이것으로 인한 진동/소음이 발생하기도 합니다.

* 기어의 문제 발생시 스펙트럼을 분석해 보면 다음과 같습니다.

Wt: 축회전수*잇수

기어로 발생하는 주파수: Wt, 2Wt, 3Wt

Wt는 치형가공오차에 의한 맞물림 주파수

2Wt, 3Wt는 부하에 의한 탄성변형에 의한 치형가공오차에 의한 주파수

또, 기어 맞물림주파수(Wt, 2Wt, 3Wt)와 불평형의 조합에 의한 진동이 변속기에서는 빈번히 발생합니다. 이것의 원인은 기어치형 강성계수가 접촉위치와 시간에 따라 바뀌게 되는 시간적 변화로 인한 주기적특성이거나 치형가공오차와 불평형이 동시에 발생한다고 할 수 있습니다.

2. 불평형 및 축어긋남

불평형은 기어, 축, 로터등이 편심이 되어서 기하학적 중심과 무게중심이 불일치 하게 되는것으로 큰 진동을 일으킵니다.

불평형에의한 주파수는 축의 회전속도와 같다. 즉, w=축의 회전수

*축어긋남(misalignment)은 주파수 분석을 해보면 2w, 3w가 크게 나타난다.
축어긋남의 진동을 관찰해보면
1) 축방향으로 진동을 발생시키는 경우가 많다.
2) 축커플링으로 연결된 양측베어링의 축방향진동의 위상이 역으로 되는 경우가 많다.
3) 회전시작부터 시간경과에 따라 진동진폭이 크게 되는 일이 많다.

3. 베어링

베어링 결함에 대한 설명은 85번에 자세히 설명해 놓았습니다. 참고 바랍니다.

베어링결함이 있을시 진동의 특징 및 현상에 대해 간단하게 이야기 하겠습니다.

1) 구름베어링에는 손상이 생기는 경우는 진동파형이 충격적인 파형이 된다.
2) 구름베어링에는 손상이 없으나, 끼워밖음 불량이나 마모가 있을 때는 진동파형에 맥놀이 현상이 나타난다.
3) 회전에 동기하지 않는 고 주파진동이 매우 주기적으로 발생하고 있는 경우는 먼저 구름베어링을 의심해야 한다.
4) 일반적으로 85번에 베어링의 진동에 언급한 진동주피수(외륜, 내류, 볼결함)는 이론적인것과 일치합니다. 단, 베어링의 회전수가 낮은 경우에는 이론 주파수에 약간 오차를 발생하도록 된다. 또, 중고속에서도 미끄럼이 생길 때에는 수 %의 오차를 갖는다.

이상 기어장치를 구성하는 기어, 축,베어링의 결함에 의한 진동을 일으키는 현상에 대해 살펴 보았습니다.

질문하신 요지는 불평형, 치합전달오차, 베어링의 결함 주파수의 우선순위를 메게 줄라는 것인데요. 이것은 시스템에 따라서 달라지는것이기 때문에, 정확하게 우선 순위를 메길수는 없지요.

변속기에 대해서 한번 따져봅시다.

변속기는 보통 운전속도가 5000 rpm 이하이지요.

*수동 변속기는 축이 짧고 축직경이 두껍습니다. 그렇다면 고유진동수는 크겠지요. 만약, 시제품을 개발한다면, 불평형에 의한 위험속도가 발생하는 것이 쉽지가 않겠지요. 기어는 회전속도*잇수이므로 빈번히 발생 할 수 있습니다. 제가 경험한 바로는 수동변속기는 치합전달오차의 원인이거나 치합전달오차와 불평형의 결합으로 인한 sidebands에서 많이 발생을 하였습니다.

*증속기의 경우는 문제가 달라집니다. 증속기는 회전속도가 보통 18000rpm 이상되고 축이 수동변속기에 비해 길이가 깁니다. 증속기의 경우는 문제가 달라지지요.

*저의 생각으로는 수동변속기의 우선순위를 굳이 메긴다면,

치합전달오차를 1번으로 베어링과 불평형을 같은 차수로 하면 될 것 같은데요.

도움이 되었는지 모르겠습니다.