윈치용 유성기어 감속기의 최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술지원, · 다 설계 해석 기술 지원. Disc & Spring 3.33..3. 윈치용유성기어감속기의수명시험및평가기술지원

윈치용 유성기어 감속기의윈치용 유성기어 감속기의윈치용 유성기어 감속기의윈치용 유성기어 감속기의

최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술지원최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술지원최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술지원최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술지원, ,, ,, ,, ,

2007 . 2 .2007 . 2 .2007 . 2 .2007 . 2 .

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국기계연구원한국기계연구원한국기계연구원한국기계연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 사해기공사해기공사해기공사해기공

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “윈치용 유성기어 감속기의 최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술지, ,

원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다”( : 2005. 11. ~ 2006. 12.) .

2007 . 2 . .2007 . 2 . .2007 . 2 . .2007 . 2 . .

지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원::::

대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영( )( )( )( )

지원기업 사해기공지원기업 사해기공지원기업 사해기공지원기업 사해기공::::

대표자 송 복 주대표자 송 복 주대표자 송 복 주대표자 송 복 주( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 김 도 식김 도 식김 도 식김 도 식

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 이 근 호이 근 호이 근 호이 근 호

::::〃〃〃〃 강 경 모강 경 모강 경 모강 경 모

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2005.11.01~2006.12.31

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 윈치용 유성기어 감속기의 최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술 지원, ,

지원책임자 김도식 지원연구원수

총 명: 3

내부 명: 2

외부 명: 1

총

사업비

정부 천원: 79,100

기업 천원: 79,100

계 천원: 158,200

지원기관명 한국기계연구원 소속부서명 기계시스템신뢰성연구센터

지원기업 기업명 사해기공: 기술책임자 최경식:

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수

○ 유성기어감속기와 최적화 설계 기술

기어 강도 계산 프로그램 개발 및 제공 지원-

상용화된 프로그램을 이용한 기어 강도 해석 지원 및 기존 계산 값 비교 분석 지원-

선진제품 재질 및 기어등급 분석 지원-

설계 도면의 지원- 3D Modeling

최적화 설계 기술 지원-

○ 유압시스템 설계 기술

브레이크 선정 기술 지원 및 제작 지원-

윈치 구동 유압회로도 설계기술 지원-

브레이크 계산 엑셀 프로그램 지원-

○ 시험장비 설계 및 시험기술

성능 및 내구시험장치 기술 지원-

성능 시험 지원-

신뢰성 시험 개발 및 시험방법 분석 기술 지원- Code ,

○ 안전 신뢰성 평가 기술

신뢰 수명 추정 기술 지원-

고장분석을 위한 분석 지원- FMEA, FTA, QFD

색 인 어

각 개 이상( 5 )

한글 유성기어감속기 유압브레이크 설계변수 내구수명, , ,

영어 Planetary Reducer, Hydraulic Brake, Design Parameter, Durability Life

- 4 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

윈치용 유성기어 감속기의 최적설계 해석 수명시험 및 평가기반의 확보를 위한, ,

기술지원

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

○ 유성기어감속기의 최적화 설계 기술

기어 강도 계산 프로그램 개발 및 제공 지원-

상용화된 프로그램을 이용한 기어 강도 해석 자원 및 기존 계산 값 비교 분석-

지원

선진제품 재질 및 기어등급 분석 지원-

설계 도면의 지원- 3D Modeling

최적화 설계 기술 지원-

○ 유압시스템 설계 기술

브레이크 선정 기술 지원 및 제작 지원-

윈치 구동 유압회로도 설계기술 지원-

브레이크 계산 엑셀 프로그램 지원-

○ 시험장비 설계 및 시험기술

성능 및 내구시험장치 기술 지원-

성능 시험 지원-


○ 안전 신뢰성 평가 기술


고장분석을 위한 분석 지원- FMEA, FTA, QFD

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

유성기어감속기의 최적화

설계 기술계산식 미검증

검증된 강도계산 프로그램 개발

사용

유압브레이크 설계 기술 없음브레이크 설계 기술 및 고용량

유압유니트 시험가능

시험장비 설계 및 시험기술 작동시험 부하시험장비 설계 구성 및 시험,

안전 신뢰성 평가 기술 없음 수명계산

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기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 윈치용 유성기어 감속기:○

모 델 명 : SH-F○

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질이태리 수입제품

기준100%85% 95%

경쟁제품 대비 가격이태리 수입제품

기준100%95% 90%

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년60 / ( 10 %)최적설계로 인한 재

료비 절감

인건비 절감 백만원 년50 / ( 30 %) 설계시 시간절감

계 백만원 년110 / ( 5 %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비 고

내 수 백만원 년20 / 백만원 년300 / 100 %

수 출 천달러 년/ 천달러 년200 / - %

계 백만원 년20 / 백만원 년500 / 100 %

참고) 적용제품 주요수출국 중국 동남아1. : ,

작성당시 환율기준 원2. : 938 / $1 USD

- 6 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

동급모델 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

~ 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년5000 / 천달러 년6000 / 천달러 년600 /

전체시장규

모 천60000

달러의 1%

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

과 에 의거한 기어 강도 계산 프로그램 사용으로 인한 강- lSO 6336 ISO 10300

도평가 방법의 체계화

브레이크 설치 프로그램 사용으로 인한 용량 계산의 체계화-



기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

기준에 의한 기어 강도 계산 프로그램 사용으로 강도설계서의 신뢰도향- lSO

상

각종 신규 감속기 개발시 적용 가능-

윈치용 감속기의 성능 시험 확대 활용-

현재 개발된 감속기의 시험 평가 기술 활용-

신기술을 적용한 원천 기술로 국제 경쟁력 확보-

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건17 강도계산 프로그램 외

시제품제작 건1 시제품 제작 지원

양산화개발 건1 양산 모델 지원

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 건4 기어측정 건 외3

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건2 프로그램 사용법 교육 외

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건11 강도계산 프로그램 협의 외

기 타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

- 8 -

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

윈치용으로 사용되는 감속기의 최적설계를 위하여 과 에- ISO 6336 ISO 10300

의거한 기어 강포 계산 프로그램을 개발 지원

설계 및 강도계산 시간 단축 및 신뢰도향상-

대용량 유압유니트 지원으로 대용량 윈치 감속기 성능시험 지원-


설계 기술과 시험 기술 확보로 인하여 외국 제품과 동일 수준의 기술확보 및-

비용 절감 가능

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과□□□□

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11) (12)

학술지명

(13)Vol.

(No.)

(14)

국내외

구분

(15)S

CI

구분주저자 교신 저자 공동 저자

2006

하이포이

드 기어

강도의

영향

인자에

관한

파라메터

분석

이기훈

공작기계

년도2006

춘계학술대

회

권 호1 1 국내 비SCI

2006

Acceleratin

ed life

testing

method of

transmissio

n

김형의Trans Tech

Publication권2 국제 SCI

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과□□□□

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우○○○○

- 10 -

등록된 특허의 경우등록된 특허의 경우등록된 특허의 경우등록된 특허의 경우○○○○

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황□□□□

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과□□□□

- 11 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. : 111. : 111. : 111. : 11

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2005.12.01 선진샘플 감속기 분석

첨부자료 참고

2 2006.02.07 신규 샘플 구매 및 분석

3 2006.03.09 감속기 구성품 분석 및 도면 설계

4 2006.04.14 신규 샘플 도면 검토 및 부품 확인

5 2006.06.09 샘플 모델링 도면검토 및 확인

6 2006.06.22 감속기 재료 시험분석

7 2006.07.06 유성기어 감속기 설계 자동프로그램 개발

8 2006.08.14 강도계산식 비교 검토

9 2006.09.21 유성기어 감속기 강도계산 결과 및 프로그램 설명

10 2006.12.18 기어박스 구동용 유압유니트 관련 협의

11 2006.12.21 유성기어 강도해석 프로그램 운용법 교육

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 172. : 172. : 172. : 17


1 2006.06.20 개발품 설계도면 및 모델링

첨부자료

참고

2 2006.08.10 이태리제품 카다로그 분석

3 2006.09.06 규격획득자료 규격(DIN LIST)

4 2006.09.12 기존사용 강도계산 프로그램 검증 자료

5 2006.09.14 개발대상감속기 강도평가 결과

6 2006.09.16 윈치 감속기 강도평가 결과7.5kW

7 2006.09.22 기어재질성분분석 시험성정서

8 2006.09.22 경상대 교육자료

9 2006.10.08 기어제원정리 및 측정자료

10 2006.10.20 축설계 계산식

11 2006.11.14 감속기 강도평가 결과3 ton

12 2006.12.08 강도계산 프로그램 차1

13 2006.12.16 강도계산 프로그램 결과시트 검토 자료

14 2007.01.08 강도계산 프로그램 차2

15 2007.01.16 신뢰성 평가기준서

16 2007.01.18 브레이크 계산

17 2007.01.19 시험장비 도면

- 12 -

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. : 13. : 13. : 13. : 1


1 2006.12.2 시제품 제작 첨부자료 참고

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 44. : 44. : 44. : 4


1 2006. 9 기어 재료 분석 자료

첨부자료 참고2 2006. 10 유성기어 기어측정 자료

3 2006. 11 베벨 기어측정 자료

4 2007. 1 감속기 부하성능 시험자료

- 13 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

부 록부 록부 록부 록

- 14 -

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

기술지원 요청기업인 사해기공에서는 산업용으로 사용되는 감속기 유성기어감속기,

윈치 등을 생산하고 있으며 제품 특성상 동일 제품을 대량 생산하는 것이 아니라,

소량 다품종을 설계하여 생산을 하고 있다.

국내에는 윈치용이나 혹은 산업용으로 사용되는 감속기를 대량 생산하는 전문 업체

가 없으나 해외에서는 세계적인 전문 기업이 다양하고 시리즈화된 제품이 대량 생

산되고 있으며 이태리 회사 같은 경우는 가격 경쟁력도 있어 많은 제품이 수입되고

있는 실정이다.

수요처에서 감속기 주문시에 설계와 강도 및 수명 계산서를 요구하고 있는데 현재,

는 자체적으로 제작된 계산 틀을 사용하여 제출하여 왔으나 신뢰성에 문제가 있고

전문 소프트웨어를 구매하기에는 중소기업에서 어려움이 있으며 다양하고 신속하,

게 계산하는 프로그램이 필요한 실정이다.

현재 생산중인 유성기어 감속기는 전기모터 타입으로 생산하여 납품하였지만 요구

처에서 컴팩트하고 안전성이 높은 유압식 구동 방식의 감속기를 요구하는 추세이며

유압식 유압가속기는 거의 대부분을 수입하고 있는 실정이다.

사해기공에서는 전문적으로 생산하려고 준비하고 있으나 국내에서는 전문생산업체,

도 없고 기술자료등이 부족하여 외국제품을 모방 생산 수준이므로 기술 축적이 안

되고 있다.

따라서 감속기의 강도 및 수명계산을 쉽게 신속하고 정확하게 할 수 있는 소프트,

웨어를 이용한 최적설계 기술 브레이크 계산 및 선정 프로그램 수명예측 기술 시, , ,

험평 가 기술 등에 대한 기술지원이 필요하다.ㅇ

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

윈치용 유성기어 감속기의 최적설계 해석 수명시험 및 평가기술 지원 목표는, ,

윈치용 유성기어 감속기의 최적화 설계 기술 지원윈치용 유성기어 감속기의 최적화 설계 기술 지원윈치용 유성기어 감속기의 최적화 설계 기술 지원윈치용 유성기어 감속기의 최적화 설계 기술 지원1.1.1.1.

가 설계인수 최적화 기술지원. Parameter

윈치용 유압 브레이크의 설계 기술 지원윈치용 유압 브레이크의 설계 기술 지원윈치용 유압 브레이크의 설계 기술 지원윈치용 유압 브레이크의 설계 기술 지원2.2.2.2.

나 유압회로도설계 기술.

- 15 -

다 설계 해석 기술 지원. Disc & Spring

윈치용 유성기어 감속기의 수명시험 및 평가 기술 지원윈치용 유성기어 감속기의 수명시험 및 평가 기술 지원윈치용 유성기어 감속기의 수명시험 및 평가 기술 지원윈치용 유성기어 감속기의 수명시험 및 평가 기술 지원3.3.3.3.

가 신뢰 수명 추정 기술 지원.

나 내구 수명 개발 기술 지원. Code

다 성능 및 내구 시험 기술 지원.

등으로 기술지원을 목표로 한다.

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

유성기어감속기의 최적화 설계 기술유성기어감속기의 최적화 설계 기술유성기어감속기의 최적화 설계 기술유성기어감속기의 최적화 설계 기술1.1.1.1.

가 기어 강도 계산 프로그램 개발 및 제공 지원.

나 상용화된 프로그램을 이용한 기어 강도 해석 지원 및 기존 계산 값 비교 분석.

지원

다 선진제품 재질 및 기어 등급 분석 지원.

라 설계 도면의 지원. 3D Modeling

마 최적화 설계 기술 지원.

유압시스템 설계 기술유압시스템 설계 기술유압시스템 설계 기술유압시스템 설계 기술2.2.2.2.

가 브레이크 선정 기술 지원 및 제작 지원.

나 윈치 구동 유압회로도 설계기술 지원.

다 브레이크 계산 엑셀 프로그램 지원.

시험장비 설계 및 시험 기술시험장비 설계 및 시험 기술시험장비 설계 및 시험 기술시험장비 설계 및 시험 기술3.3.3.3.

가 성능 및 내구 시험장치 기술 지원.

나 성능 시험 지원.

다 신뢰성 시험 개발 및 시험방법 분석 기술 지원. Code ,

안전 신뢰성 평가 기술안전 신뢰성 평가 기술안전 신뢰성 평가 기술안전 신뢰성 평가 기술4.4.4.4.

가 신뢰 수명 추정 기술 지원.

나 고장 분석을 위한 분석 지원. FMEA, FTA, QFD

에 관한 기술을 지원 하였다.

- 16 -

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 절 국내외 기술현황제 절 국내외 기술현황제 절 국내외 기술현황제 절 국내외 기술현황1111

윈치용 유압유성 감속기는 주로 선박이나 건설장비의 윈치에 사용되는 감속기로1.

유압모터의 회전력을 감속하여 큰 힘으로 윈치를 작동하는 기어 박스이다.

본 제품은 큰 힘을 요구하는 제품으로 고강성이 요구되며 소형경량화 안정성2. , , ,

장수명등이 요구되고 있다.

특히 전기모터용 감속기에 비하여 소형경량화를 위한 고강성 설계 정지시에 필3. , ,

요한 유압식 브레이크의 안정적인 설게등이 필요하고 이를 위한 개발 대상품의 최,

적 설계 및 해석과 시제품의 시험평가 기술이 필수적으로 필요하다.

선박이나 건설장비용 윈치에 사용되는 유압식 유성기어 감속기는 대부분 수입4.

제품이 사용되고 있어 국산화가 필요한 제품이고 중국의 신규수요가 지속적으로,

늘어나기 때문에 신규시장을 기존 선진국 제품이나 중국제품에 선점당하지 않도록

국제적인 경쟁력을 갖기 위해 개발해야할 시기이다.

현재는 이상 수입 제품을 사용하고 있으며 일부수리 대체품이나 저가5. 90~95% ,

품인 경우 공급하고 있으며 공급업체도 지속적으로 유사 제품을 납품하기가 어려,

운 상황임 따라서 체계화되고 최적화된 설계 및 생산 체계가 절실히 필요함. ,

이태리에 위치한 회사들이 다양한 제품을 시리즈화 되어 대량 생산하고 있어 품6.

질과 가격 경쟁력이 높아 세계적으로도 시장 점유율이 매우 높다.

국내 중소 감속기 업체에서 고가의 해석 소프트웨어를 보유하지 못하고 있어7. ,

설계 계산식을 정확히 검증하는데 한계가 있고 수요처에서의 신뢰도도 약한 편이

다 브레이크 마찰재를 공급하는 회사도 국내에서는 개 업체에서는 양질의 마. 1~2

찰재를 공급하고 시험도 직접하고 있으나 나머지 회사는 열악한 형편이다, .

대부분의 산업용 감속기 회사에서는 설계에 대한 계산식을 검토하는 것으로 신8.

뢰수명을 예측하는데 감속기를 성능 및 수명시험을 하는 곳은 거의 없다.

또한 시장성이 크지만 국내기업에서 등한시한 분야로 기존 해 오던 연구개발과9. ,

타분야의 축적된 기술을 사용하면 조속한 기술지원이 타당하다고 봄.

- 17 -

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

윈치용 유성 기어 감속기 설계 및 해석윈치용 유성 기어 감속기 설계 및 해석윈치용 유성 기어 감속기 설계 및 해석윈치용 유성 기어 감속기 설계 및 해석1.1.1.1.

가 윈치용 유성 기어 감속기 구조가 윈치용 유성 기어 감속기 구조가 윈치용 유성 기어 감속기 구조가 윈치용 유성 기어 감속기 구조....

윈치용 유성기어 감속기중 개발 대상 감속기의 기어열의 구조는 스파이럴 베벨기어

로 구성된 단과 유성기어로 구성된 단고 단으로 구성되었다 단의 기어 잇수는1 2 3 . 1

피니언 개와 기어 개로 감속비는 약 단은 선기어 잇수 개와 링기어8 37 4.6:1, 2 30

잇수 개로 이고 마지막 단은 선기어 잇수 개와 링기어 잇수 개로75 3.5:1 , 3 14 58

의 감속비를 가진다 따라서 총 감속비는 의 감속비를 가진다 단은5.1:1 . , 83.3:1 . 1

스파이럴 베벨 기어쌍은 의 감속비를 가지기도 하지만 입력축과 출력축이4.6:1 90o

의 각을 가지고 교차함으로 동력의 방향을 바꾸어주는 역할을 하고 있다 단과. 2 3

단의 유성 기어는 모두 입력축으로 선기어를 사용하고 출력축으로 캐리어를 사용한

다 따라서 링기어는 하우징에 고정되어 있는 형태를 띤다 각 단의 모듈은. . 5, 2.5,

를 가지고 있다 일반적으로 단에서의 모듈이 작고 마지막 출력단에서 모듈이4.5 . 1

가장 크지만 윈치용 감속기의 경우 베벨 기어에서 모듈이 큰 것이 특징이다 이는.

강도를 만족하기 위함보다 다른 부품들과의 조립이나 브레이크 시스템으로 인한 것

이다 윈치용 감속기의 기어 구조도는 그림 과 같다. 1 .

그림 윈치용 감속기의 구조그림 윈치용 감속기의 구조그림 윈치용 감속기의 구조그림 윈치용 감속기의 구조1111

- 18 -

나 스파이럴 베벨 기어의 설계나 스파이럴 베벨 기어의 설계나 스파이럴 베벨 기어의 설계나 스파이럴 베벨 기어의 설계....

베벨 기어는 비틀림 각이 없는 스트레이트 베벨 기어와 비틀림 각을 가지는 스파이

럴 베벨기어 그리고 재롤 베벨 기어로 나눌 수 있다 스트레이트 베벨기어에 비해, .

스파이럴 베벨기어는 비틀림 각을 가짐으로 인해 물림률 및 강도 그리고 소음 및,

진동 측면에서 좋은 성능을 가질 수 있다 스파이럴 베벨 기어의 제원 설계는 국제.

규격인 를 이용하였다ISO 23509 . ISO 23509(Bevel and Hapoid Gear Geometry)

는 스파이럴 베벨 기어를 비롯한 여러 종류의 베벨 기어의 제원 설계와 베벨 기어

와 비슷한 동력을 전달하는 하이포이드 기어의 제원을 설계하기 위한 규격이다.

일반적으로 스파이럴 베벨 기어의 설계는 축각 피니언과 기어의 잇수(Shaft angle),

모듈 치폭 그리고 비틀(Number of teeth in pinion, gear), (module), (facewidth),

림 각 을 가지고 설계하게 된다 이러한 초기 설계 제원으로부터 우선(spiral angle) .

피치 원뿔 파라미터 를 가지고 설계하게 된다 이러한 초기(Pitch cone parameter) .

설계 제원으로부터 우선 피치 원뿔 파라미터 를 결정한다(Pitch cone parameter) .

초기 설게 데이터는 표 에 나타낸다1 .

표 베벨 기어 설계를 위한 초기 데이터표 베벨 기어 설계를 위한 초기 데이터표 베벨 기어 설계를 위한 초기 데이터표 베벨 기어 설계를 위한 초기 데이터1111

Symbol Description

Σ Shaft angle

z1,2 Number of teeth in pinion, gear

met Outer transverse module

b2 Gear face width

βm1 Mean spiral angle of pinion

피치 원뿔 파라미터로는 축 방향의 연장선과 기어 이의 피치선의 연장선이 이루는

각인 피치각 과 피치점부터 피치 원뿔의 꼭지점까지의 거리인 원뿔 거(Pitch angle)

리 를 결정하게 된다 피치각과 원뿔거리의 계산식은 식 와(cone distance) . (1)~(2)

같다.

- 19 -

여기서,

다음으로 스파이럴 베벨 기어의 상세 제원을 결정하기 위하여 다른 입력 데이터를

필요로 한다 부가적인 데이터로 기어 이의 압력각과 여러 게수와 기하학적 데이터.

들로 이루어 진다 상세 제원을 결정하는데 필요한 계수와 기하학적 데이터들에는.

이높이 계수 틈새 계수 어덴덤계수(Depth factor), (Clearance factor), (Mean

이두께계수 치직각 백래쉬addendum factor), (Thicness factor), (Outer normal

기어의 어덴덤 각 과 디덴덤 각 들backlash), (Addendum angle) (Dedendum angle)

이 있다 압력각을 제외한 다른 데이터들은 초기 설계 데이터와 피치 원뿔 데이터.

로부터 에서 제안하는 방법으로 결정할 수 있지만 설계자의 경험에 의ISO 23509 ,

해 적당한 값으로 결정되기도 한다.

스파이럴 베벨 기어의 상세 제원은 단계에 걸쳐 결정된다 첫 번째 단계에서는 기4 .

본적인 데이터를 결정한다 작용 압력각은 하이포이드 기어의 물림 조건에서 대해.

서 표현하기 위해 결정된다 동력을 전달하는 쪽 의 압력각과 그 반대쪽. (drive side)

의 압력각은 대체로 같게 설계되나 필요시 다르게 설계하는 경우도 있(coast side)

다 따라서 양쪽의 유효 압력각이 같게 설계 된다면 물림 조건도 길게 될 것이다. , .

두 번째로 이뿌리각과 이끝각의 결정은 기어에서 필요로 하는 어덴덤각과 디덴덤각

으로부터 결정된다 세 번째 비틀림각은 가공 카터가 지나가는 궤적에 의해 결정되. ,

므로 안쪽과 바깥쪽 그리고 중간에서의 비틀림각이 다른값을 가진다 비틀림각은.

페이스 밀링 방식으로 가공하는 것과 페이스 호빙방식으로 가공하느냐에 따라 그

값이 달라진다 마지막으로 이두께가 결정되면 상세 제원에 대한 모든 설계가 이루.

어진다 그림 와 은 스파이럴 베벨 기어의 제원을 간단히 나타낸 것이다. 2 3 .

- 20 -

그림 베벨 기어 기호 설명그림 베벨 기어 기호 설명그림 베벨 기어 기호 설명그림 베벨 기어 기호 설명2 - mean section2 - mean section2 - mean section2 - mean section

그림 베벨 기어 기호설명그림 베벨 기어 기호설명그림 베벨 기어 기호설명그림 베벨 기어 기호설명3 - axial section3 - axial section3 - axial section3 - axial section

- 21 -

다 유성기어열의 설계다 유성기어열의 설계다 유성기어열의 설계다 유성기어열의 설계....

유성 기어열은 기어를 조합해서 사용한 경우와 비교하여 볼 때에 각각의 기어들이,

부피에 비해 효율적으로 구성되어 있고 운전 시에는 여러 개의 유성치차에 하중이

분포되 넓은 이 접촉 영역을 가지고 있게 되어 크기에 비하여 큰 전달하중을 전달

할 수 있다 따라서 유성치차열의 이용 가치는 증가하였고 경량화 소형화 고강도. , ,

화라는 관점에서 많은 장점을 가진다.

유성 기어열은 선기어 유성기어 링기어 그리(sun gear), (planet gear), (ring gear),

고 캐리어 로 구성된다 유성기어의 수는 일반적으로 개를 사용하지만(carrier) . 3~4

경우에 따라서는 그 이상을 사용하기도 한다 선기어 링기어 캐리어를 어떻게 구. , ,

성하느냐에 따라 기어비나 동력 전달 방법이 바뀌게 된다 산업용 감속기로서 가장.

많이 사용되는 방법으로 선기어를 입력으로 하고 링기어를 고정 그리고 캐리어를

출력으로 사용하는 경우가 대부분이다 어떤 구성요소를 입력으로 하고 고정하느냐.

에 따라 구성되는 기어비는 표 에 나타낸다2 .

또한 유성 기어열을 구성하는 방법은 입ㆍㆍㆍㆍ출력과의 관계 외에도 하나의 캐리어를

가지고 단으로 구성하는 타입이 있다 단의 출력과 단의 입력을 같은2 Coupled . 1 2

캐리어로 사용한다 또한 단을 구성할 때 각 요소를 어떻게 활용하느냐에 따라 복. 2

합 유성 감속기의 형태를 가질 수 있으며 두 개의 입력 또는 출력을 하는,

타입이 있다 그림 에 나타낸다Differential . 4-6 .

그림그림그림그림 4 Differential type4 Differential type4 Differential type4 Differential type 그림그림그림그림 5 Coupled type5 Coupled type5 Coupled type5 Coupled type

그림그림그림그림 6 Compound type6 Compound type6 Compound type6 Compound type

- 22 -

표 유성 기어열의 기어비표 유성 기어열의 기어비표 유성 기어열의 기어비표 유성 기어열의 기어비2222

1) input:sun gear/fixed:ring gear1) input:sun gear/fixed:ring gear1) input:sun gear/fixed:ring gear1) input:sun gear/fixed:ring gear 2) input:ring gear/fixed:sun gear2) input:ring gear/fixed:sun gear2) input:ring gear/fixed:sun gear2) input:ring gear/fixed:sun gear

3) input:carrier/fixed:sun gear3) input:carrier/fixed:sun gear3) input:carrier/fixed:sun gear3) input:carrier/fixed:sun gear 4) input:carrier/fixed:ring gear4) input:carrier/fixed:ring gear4) input:carrier/fixed:ring gear4) input:carrier/fixed:ring gear

5) input:ring gear/fixed:carrier5) input:ring gear/fixed:carrier5) input:ring gear/fixed:carrier5) input:ring gear/fixed:carrier 6) input:sun gear/fixed:carrier6) input:sun gear/fixed:carrier6) input:sun gear/fixed:carrier6) input:sun gear/fixed:carrier

유성기어열은 형상으로 인하여 선기어 링기어 유성기어의 잇수 선정 시에 제약이, ,

따른다 유성 기어열의 잇수 사이의 관계는 다음과 같다. .

선기어와 유성기어의 중심거리와 링기어와 유성기어의 중심거리는 일치하여야a)

하므로 선기어 유성기어 링기어의 피치원 반경을 각각, , , 이라고 하면

- 23 -

이 되므로 이를 각각의 잇수, 로 표현하면,

식 와 같이 되며 유성기어의 잇수를 선기어와 링기어의 잇수로 표현하면 식 과(5) , (6)

같이 된다.

선기어 주위에 유성기어들의 배치를 동일하게 하면 식 가 성립하여야 한다b) (7) .

여기서, 은 유성기어의 개수이다.

개의 유성기어의 이끝원이 간섭하지 않아야 하므로 표준 평기어의 경우에는c) N ,

이 성립하여야 하고 여기서, , 은 치직각모듈, 은 이웃하는 유성기어사이의 중심

거리이다.

유성기어열의 회전속도는 유성기어의 베어링 선정과 유성기어열의 수명 계산시 싸

이클수 로 나타내어지는 기어를 수명을 시간 으로 변환하기 위하여 필요하(cycle) (hr)

다.

유성기어의 회전속도를 링기어의 회전속도를, 캐리어의 회전속도를, 라고

할 때 유성기어의 회전속도는 식 와 같다(9) .

링기어가 고정되는 일반적인 경우 의 유성기어의 회전속도는 식 과 같이(10)

된다.

- 24 -

유성기어열의 선기어 유성기어 링기어에 걸리는 토크를 각각, , 이라 할 때

유성기어열의 각 부품에 걸리는 토크의 합은 싯 과 같이 되고(11)

유성기어열의 각 부품의 토크사이에는 다음과 같은 관게가 성립한다.

링기어의 토크 과 선기어의 토크 사이에는 식 와 식 과 같은 관계가 성(12) (13)

립한다.

캐리어의 토크 와 선기어의 토크 사이에는 식 과 같은 관계가 성립한다(14) .

또한, 와 사이에는 식 과 같은 관계가 있다(16) .

와 는 식 과 같은 관계가 성립한다(17) .

- 25 -

유성 기어열의 처형 및 제원 설게는 원통 기어의 설계식을 그대로 따른다 선기어.

와 유성기어의 물림은 외접기어와 같은 설계식을 따르고 유성기어와 링기어의 물림

은 내접기어의 계산식을 따른다 그러나 선기어와 유성기어 사이의 중심거리와 유.

성기어와 링기어 사이의 중심거리를 같게 설계해야 한다는 것에 유의하여야 한다.

일반적으로 기어의 제원은 모듈 잇수 압력각 치폭 비틀림각 그리고 전위계수에, , , , ,

의해 대부분 결정된다 이러한 계산 결과와 물림길이와 법선피치 그리고 중심거리.

의 관계로부터 물림률을 결정한다 물림률은 기어의 성능에 많은 영향을 미치므로.

물림률의 결정에 주의하여야 한다 계산은 다음과 같다. .

여기서, 는 물림률이고, 는 피니언과 기어의 이끝원 직경이다 그리고. 는

피니언과 기어의 기초원이고, 는 중심거리 마지막으로, 는 물림압력각이다.

위의 과정에 의해서 유성 기어열의 설게 및 각 기어의 제원을 설계한다.

라 원동기어의 강도 평가라 원동기어의 강도 평가라 원동기어의 강도 평가라 원동기어의 강도 평가....

스퍼기어와 헬리컬기어 강도 설계와 관련하여 일반적으로 많이 쓰이는 규격에는

등이 있으며 그 외에 의AGMA 2001, DIN 3990, BS 436, JGMA 401 ISO TC 60

분과 위원회에서 제정되어 년에 정식 표준으로 공표 된 규격이 있1996 ISO 6336

다.

의 스퍼기어 및 헬리컬 기어의 강도계산을 위한 규격인ISO ISO 6336 (Calculation

은 일반 산업용 고속기어 자동차용of load capacity of spur and helical gears) , ,

기어와 선박용기어 등의 산업전반에 걸쳐 여러 응용분야에 사용되는 기어에 대한

강도계산이 가능하다 또한 굽힘 강도와 면압 강도를 평가하기 위한 규격식은. ISO

에 정의된 기준랙에 의해 창성되는 내접 외접 원통치차에 대해 적용이 가능ISO 53 ,

하며 다른 형태의 랙에 대하여는 정면 물림률 이 이하(transverse contact ratio) 2.5

일 때에만 적용이 가능하다 다음은 의 개의 파트를 나타낸다. ISO 6336 4 .

Part 1: Basic principles, introduction and general influence factors

Part 2: Calculation of surface durability(Pitting)

Part 3: Calculation of tooth bending strength

Part 4: Strength and quality of materials

- 26 -

굽힘 강도는 기어 치면에 수직으로 작용하는 반복 하중에 의해 이뿌리 위험 단면에

서의 이의 절손 과 관련된 피로 파손에 대한 안전도를 주기 위해 규정한(breakage)

부하 용량이다 에 의한 기어의 굽힘강도계산을 위한 공칭 이뿌리응력. ISO6336 ((((

은 식 로 평가할 수 있고 굽힘강도의 허용굽힘응력Nominal tooth root stress) (19)

( 은 시험치자에 대한 굽힘내구한도Permissible tooth root stress) ( , Tooth

를 고려하여 식 로 계산하며 최대굽힘응력root stress) (20) , ( 과Tooth root stress)

허용굽힘응력의 관계는 식 으로 표시된다(21) .

: Nominal tangential load

: Facewidth

: Normal module

: Tooth form factor

: Stress correction factor

: Helix angle factor

: Nominal stress number


: Life factor

: Safety factor

: relative notch sensitivity factor

: relative surface factor

: Size factor

- 27 -

: Application factor

: Dynamic factor

: Face load factor

: Transverse load factor

치형계수 를 얻기 위해 위험단면을 결정하는 방법으로 30.접선법을 사용한다.

위험 단면에서의 이두께와 위험 단면에서 하중점까지의 거리를 얻음으로서 치형 계

수를 결정한다 치형 계수의 계산식은 식 와 같고 기하학적으로 표시한 것이 그. (22)

림 이다7 .

여기서 는 한 쌍의 기어 이가 접촉하는 가장 끝 점에서 하중이 적용될 때의 굽

힘 모멘트이고, 는 가상 평기어의 한 쌍의 기어 이가 접촉할 때 접촉하는 가장

끝 점에서 하중이 적용될 때 하중 방향에 대한 각도이다 그리고. 은 위험 단면

에서의 이두께이다

그림 이뿌리 위험 단면에서의 제원 결정그림 이뿌리 위험 단면에서의 제원 결정그림 이뿌리 위험 단면에서의 제원 결정그림 이뿌리 위험 단면에서의 제원 결정7777

- 28 -

이뿌리 부분에서의 곡률 반경이 응력의 변화에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 고

려를 위해 응력 집중 계수 를 사용한다 응력 집중 계수의 결정은 식 에 의. (23)

해 계산된다.

여기서, 은와

의 비이고, 는

으로 계산된다.

치형 계수와 응력 집중 계수는 모두 압력각과 전위계수 그리고 랙의 형상에 관한,

데이터로부터 치형 계수와 응력 집중 계수는 모두 압력각과 전위계수 그리고 랙의,

형상에 관한 데이터로부터 에서 제안하는 그래프를 읽음으로서 얻을 수ISO 6336-3

도 있다.

비틀림 각 이 응력을 변화시키는 정도에 따라 고려되는 비틀림각 계수(Helix angel)

는 물림률에 따라 그래프를 통해서 읽을 수 있고 또는 계산식에 의해 얻을 수,

있다 계산식은 식 에 있고 그래프는 그림 에 나타낸다. (24) , 8 .

여기서, 는 비틀림 각이고, 는 중첩 물림률이다.

그림 비틀림각 계수의 결정그림 비틀림각 계수의 결정그림 비틀림각 계수의 결정그림 비틀림각 계수의 결정8888

허용 응력 결정을 위한 계수로는 수명 계수( 노치 민감도 계수), ( 표면 계수),

( 그리고 크기 계수), ( 가 있다) .

- 29 -

수명 계수는 기어 장치가 수행하는 싸이클 수에 따라 그 허용 응력에 대해 고려하고,

노치 민감도 계수는 이뿌리 부분에 대해서 고려한다 표면 계수는 기어의 치면의 거칠.

기에 따라 결정되며 크기 계수는 피치원 지름의 크기에 따라 고려하게 된다 그림 는, . 9

각각의 재질에 대하여 수명 계수를 결정하기 위한 그래프이다.

그림 굽힘 강도에 대한 수명 계수의 결정그림 굽힘 강도에 대한 수명 계수의 결정그림 굽힘 강도에 대한 수명 계수의 결정그림 굽힘 강도에 대한 수명 계수의 결정9999

공칭 응력을 결정하기 위한 과부하 계수 및 동하중 계수 그리고 하중 분포계수의 결정,

은 다음과 같다 과부하 계수는 기어 장치의 구동기와 피동기의 특징에 따라서 결정된.

다 에서는 표 과 같은 방법을 제안한다. ISO 6336-1 3 .

- 30 -

표 과부하 계수의 결정표 과부하 계수의 결정표 과부하 계수의 결정표 과부하 계수의 결정3333

동하중 계수( 는 회전 속도와 하중에 관련된 것처럼 기어 치 등급의 영향에 대한 허)

용치를 고려하게 된다 일반적으로 가지의 경우. 5 (design effects, transmission error,

에 대한 기어 치의 동하중의 영향에 대하여 고려한다dynamic response, resonance) .

설계 효과는 피치선 속도 회전 요소의 관성과 강성 윤활 및 하우징의 구종에 영향을, ,

받고 제작 효과는 치 공간의 변화와 치면의 변화에 의해 영향을 받는다 전달 오차를, .

고려하는 것이다 동적 응답은 기어 축과 같은 구성 요소들의 질량과 강성 그리고 댐. ,

핑에 의한 영향을 고려하고 마지막으로 공진으로 인한 영향이 무엇인지 고려한다, .

하중 분포 계수는 와 로 구분된다 이것은 기Face load factor Transverse load factor .

어 이의 잇줄 방향을 따라 하중이 어떻게 분포 되는지를 고려한다.

치면에 작용하는 접촉 응력 이 허용 한도를 넘으면 반복 하중에 의한(contact stress)

피로 현상인 피팅 이 발생하여 치면이 손상된다 면압 강도는 파괴적 피팅이 발(pitting) .

생하지 않을 응력 상태에 대한 지표로서 진행성 피팅에 대해서 필요 충분한 안전도를

주기 위하여 규정한 부하 용량이다 을 사용하여 기어의 접촉응력계산을 위한. ISO6336

물림피치원주상의 공칭접촉응력( 은 식 로 계산할 수, Nominal contact stress) (25)

있고 면압강도의 허용접촉응력( 은 시험치차에 대한 접, Allowable contact stress)

촉내구한도( 를 고려하여 식 로 계산하며, Endurance limil for contact stress) (26) ,

최대접촉응력 과 허용접촉응력의 관계는 식 으로 표시된다(, Contact stress) (28) .

- 31 -

: Zone factor for contact stress

: Elasticity factor for contact stress

: Contact ratio factor for contact stress

: Helix angle factor for contact stress

: Reference diameter of pinion or gear

: Gear ratio

: Allowable contact stress number

: Life factor for contact stress

: Safety factor for contact stress

: Lubricant factor for contact stress

: Roughness factor for contact stress

: Work hardening factor for contact stress

: Size factor for contact stress

: Single pair tooth contact factor


: Dynamic factor

- 32 -

: Face load factor


Zone factor( 는 접촉 응력에 대해서 치면의 곡률이 어떠한 영향을 미치는가를 고려)

한다 는 압력각에 의해서 결정이 되며 계산식은 식 과 같다. Zone factor , (28) .

한 쌍 이접촉 계수( 는 한 쌍의 기어 이가 접촉을 일으킬 때 접촉 응력의 작용점) .

과 피치점과의 관계를 고려한다 탄성 계수. ( 는 기어 재질의 특성인 탄성 계수와 푸)

아송의 비로 결정된다 계산 방법은 식 화 같다. (29) .

여기서, 는 푸아송의 비이고, 는 재질의 탄성 계수이다.

물림률 계수( 는 물림률이 접촉 응력에 미치는 영향을 고려하는 것으로 정면 물림률)

에 의해 결정한다 계산 방법은 평기어와 헬리컬 기어의 경우 차이가 있다 그림 에. . 10

나타낸다.

- 33 -

그림 물림률 계수의 결정그림 물림률 계수의 결정그림 물림률 계수의 결정그림 물림률 계수의 결정10101010

굽힘 강도와 마찬가지로 면압 강도의 평가에서도 비틀림 각을 고려한다 그러나 굽힘.

강도에서 활용한 계산식과 면압 강도의 평가시 사용하는 계산식에는 차이가 있다 계.

산식은 식 과 같다(30) .

허용 접촉 응력의 결정을 위해서 수명 계수( 윤활 계수), ( 속도 계수), ( 그리),

고 표면 거칠기 계수( 의 값을 얻는다 수명 계수는 기어 장치의 필요로 하는 싸이클) .

수에 대해서 기어 치면에 영향을 미치는 정도를 고려하는 것이고 윤활 계수는 윤활유,

의 종류 및 점도 특성에 대하여 고려하는 것이고 속도 계수는 기어 이의 피치선 속도,

에 따라 강도에 미치는 영향을 고려한다 마지막으로 표면 거칠기 계수는 치면의 거칠.

기 정도에 따라 결정한다 그림 은 접촉 응력에 대한 수명 계수의 결정 방법이다. 11 .

- 34 -

그림 면압 강도에 대한 수명 계수의 결정그림 면압 강도에 대한 수명 계수의 결정그림 면압 강도에 대한 수명 계수의 결정그림 면압 강도에 대한 수명 계수의 결정11111111

공칭 접촉 응력의 결정을 위한 과부하 계수 동하중 계수 그리고 하중 분포 계수는 굽, ,

힘 응력의 결정된 값을 활용한다.

마 베벨 기어의 강도 평가마 베벨 기어의 강도 평가마 베벨 기어의 강도 평가마 베벨 기어의 강도 평가....

스파이럴 베벨 기어의 강도 평가는 에 근거하여 평가하였다 은ISO 10300 . ISO 10300

베벨 기어의 강도 평가를 위한 규격으로 총 개 부분으로 나누어져 있다 그 내용은 다3 .

음과 같다.

Part 1: Introduction and general influence factors

Part 2: Calculation of surface durability(Pitting)

Part 3: Calculation of tooth root strength

은 굽힘 강도와 면압 강도 평가시 모두 활용되는 계수들을 결정하기 위한 것이고Part1 ,

는 면압 강도를 평가하기 위한 것이고 마지막으로 는 굽힘 강도를 평가하기Part2 , Part3

위한 것이다 원통 기어의 강도 평가식과 계산 방법은 유사하나 그 계수들의 결정 방법.

이 차이가 있다 평가식은 다음과 같다. .

- 35 -

에 의한 굽힘 공칭 응력의 계산ISO 10300

: Nominal tangential force at the reference cone at mid-face width

: Face width

: Mean normal module

: Tooth form factor


: Contact-ratio factor

: Bevel-gear factor

: Load sharing factor

에 의한 굽힘 허용 응력의 계산ISO 10300

: Nominal stress number


: Life factor

: Safety factor

: relative notch sensitivity factor

: relative surface factor

: Size factor

- 36 -

에 의한 굽힘 강도의 평가ISO 10300


: Dynamic factor

: Face load factor


에 의한 접촉 공칭 응력의 계산ISO 10300

: Mid-zone factor

: Zone factor for contact stress

: Elasticity factor for contact stress

: Load sharing factor for contact stress

: Helix angle factor for contact stress

: Bevel-gear factor

: Mean pitch diameter

: Length of middle line of contact

: Gear ratio

- 37 -

: Allowable contact stress numble

: Life factor for contact stress

: Safety factor for contact stress

: Lubricant factor for contact stress

: Roughness factor for contact stress

: Work hardening factor for contact stress

: Size factor for contact stress

: Single pair tooth contact factor


: Dynamic factor

: Face load factor

: Tuansverse load factor

바 윈치용 감속기의 설계 제원 및 강도 평가바 윈치용 감속기의 설계 제원 및 강도 평가바 윈치용 감속기의 설계 제원 및 강도 평가바 윈치용 감속기의 설계 제원 및 강도 평가....

윈치용 감속기는 스파이럴 베벨 기어와 유성 기어열로 구성되어 있고 사용된 기어의

제원은 표 와 같다 기어의 상세 제원 및 정밀도는 기어 전용 측정 장비를 활용하였다4 . .

측정 장비는 그림 와 같다 기어의 정밀도는 단일 피치 오차 피12 . (Single pitch error),

치 변화 피치 오차 의 값을 측정 하였다 측정된(Pitch Variation), (Normal pitch error) .

오차 값으로부터 기어의 정밀도를 결정하였다 피치 오차에 의한 기어 정밀도는 부록. .x

에 있다.

- 38 -

그림 측정 장비그림 측정 장비그림 측정 장비그림 측정 장비12 Klingelnberg12 Klingelnberg12 Klingelnberg12 Klingelnberg

표 윈치용 감속기 측정결과 및 제원표 윈치용 감속기 측정결과 및 제원표 윈치용 감속기 측정결과 및 제원표 윈치용 감속기 측정결과 및 제원4444

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강도 평가는 상용 소프트웨어 를 활용하여 평가하였다 는 기어 설(KISSsoft) . KISSsoft

계 및 해석을 위한 전용 툴로서 많이 활용되고 있다 유성 기어열을 비롯한 스파이럴.

베벨 기어에 대해서도 평가하였다 그림 와 는 상용 소프트웨어의 활용 화면이고. 13 14 ,

표 와 은 강도 평가 결과를 표시 하였다 강도 평가는 최대 입력 회전수와 최대 출력5 6 .

토크에서 평가하였다.

그림 를 이용한 스파이럴 베벨 기어의 강도 평가그림 를 이용한 스파이럴 베벨 기어의 강도 평가그림 를 이용한 스파이럴 베벨 기어의 강도 평가그림 를 이용한 스파이럴 베벨 기어의 강도 평가14 KISSsoft14 KISSsoft14 KISSsoft14 KISSsoft

그림 를 이용한 유성기어열의 강도 평가그림 를 이용한 유성기어열의 강도 평가그림 를 이용한 유성기어열의 강도 평가그림 를 이용한 유성기어열의 강도 평가15 KISSsoft15 KISSsoft15 KISSsoft15 KISSsoft

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표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 입력 회전수표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 입력 회전수표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 입력 회전수표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 입력 회전수5 ( n5 ( n5 ( n5 ( n1111=1400rpm)=1400rpm)=1400rpm)=1400rpm)

표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 출력 토크표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 출력 토크표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 출력 토크표 윈치용 감속기의 강도 평가 결과 최대 출력 토크6 ( T6 ( T6 ( T6 ( T2222=10000N)=10000N)=10000N)=10000N)

- 41 -

기어의 설게 제원을 바탕으로 툴을 활용하여 솔리드 모델을 구현하였다 각각의CAD .

기어는 물론 베어링 및 브레이크 시스템까지 모델링 되었다 그림 에 보여진다. 15 .

그림 윈치용 감속기의 를 이용한 모델링그림 윈치용 감속기의 를 이용한 모델링그림 윈치용 감속기의 를 이용한 모델링그림 윈치용 감속기의 를 이용한 모델링15 CAD15 CAD15 CAD15 CAD

사 강도 평가 프로그램의 개발사 강도 평가 프로그램의 개발사 강도 평가 프로그램의 개발사 강도 평가 프로그램의 개발....

앞에서 설명한 베벨 기어 및 유성 기어열의 설계 방법과 강도 평가 방법을 활용하여 강

도 평가 프로그램을 개발하였다 개발된 강도 평가 프로그램은 과. ISO 6336 ISO 10300

에 근거하여 프로그램 하였다 재질의 데이터는 를 활용하였고 기어의 정. ISO 6336-5

밀도에 관한 데이터는 을 활용하였다ISO 1328-1 .

개발된 프로그램이 활용 가능한 기어 타입은 평기어 헬리컬 기어 내접기어의 강도 평, ,

가가 가능하고 유성 기어의 강도 평가 또한 가능하다 그리고 베벨 기어의 강도 평가, .

에도 활용할 수 있다 따라서 윈치용 감속기에 활용되는 기어 타입에 대해서 모두 강도.

평가를 할 수 있으므로 많이 활동될 것으로 기대된다 그림 는 강도 평가 프로그램이. 16

를 보여준다Flow chart .

- 42 -

그림 강도평가 프로그램의그림 강도평가 프로그램의그림 강도평가 프로그램의그림 강도평가 프로그램의16 Flow chart16 Flow chart16 Flow chart16 Flow chart

기어의 강도 평가 프로그램의 실행 창은 그림 과 같다 프로그램의 코딩은17 . Matlab

을 기반으로 개발하였고 는 를 활용하였다 원통 기어를 비롯한 유성7.0 , GUI Labview .

기어와 베벨기어의 실행은 하나의 창에서 이루어지며 안전계수에 대한 결과만을 보여,

준다 강도 평가 결과에 대한 자세한 내용은 보고서 형태로 출력할 수 있도록 하였다. .

보고서의 형태는 그림 에 나타내었다18 .

- 43 -

그림 강도평가 프로그램의 실행창그림 강도평가 프로그램의 실행창그림 강도평가 프로그램의 실행창그림 강도평가 프로그램의 실행창17171717

그림 강도평가 프로그램의 결과 보고서그림 강도평가 프로그램의 결과 보고서그림 강도평가 프로그램의 결과 보고서그림 강도평가 프로그램의 결과 보고서18181818

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상용 프로그램 와 개발 프로그램의 강도 평가를 비교하면 표 과 같다 강도(KISSsoft) 7 .

평가 결과는 외접 헬리컬 기어에 대해서 비교하였다.

표 강도평가 프로그램의 검증표 강도평가 프로그램의 검증표 강도평가 프로그램의 검증표 강도평가 프로그램의 검증7777

- 45 -

브레이크 설계 및 해석브레이크 설계 및 해석브레이크 설계 및 해석브레이크 설계 및 해석2.2.2.2.

가 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조와 작동원리가 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조와 작동원리가 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조와 작동원리가 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조와 작동원리. ( ). ( ). ( ). ( )

그림 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조그림 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조그림 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조그림 습식 다판 브레이크 클러치 의 구조19 ( )19 ( )19 ( )19 ( )

(1) 디스크디스크디스크디스크(Disc or Disk)(Disc or Disk)(Disc or Disk)(Disc or Disk) 마찰판이라고도 불리우며 양면에 특수접착제에 의해 마찰:

재가 접착되어 있고 디스크로부터 토크를 전달 받아 유성 기어장치등에 동력을 전달,

한다.

각 디스크의 사이에는 브레이크 클러치 플레이트 혹은 쎄퍼레이터 플레이트가 한(2) ( )

매씩 삽이되는데 브레이크 클러치 플레이트의 외경에는 러그 나 스플라인이 가공( ) (Lug)

되어 있어 이를 통해 브레이크 클러치 리테이너 로부터 동력을 전달받도록( ) (Retainer)

되어 있다.

(3) 리액션 플레이트리액션 플레이트리액션 플레이트리액션 플레이트(Reaction)(Reaction)(Reaction)(Reaction) 브레이크 클러치 플레이트와 동일한 형상을 가지며: ( )

두께는 훨씬 두껍다 브레이크 클러치 팩의 맨 바깥쪽에 설치되어 스냅링에 의해 피스. ( )

톤으로부터 전달되는 하중을 균일하게 지지해 주는 역할을 한다.

(4) 프레셔 플레이트프레셔 플레이트프레셔 플레이트프레셔 플레이트(Pressure)(Pressure)(Pressure)(Pressure) 피스톤으로부터의 하중을 브레이크 클러치 플레이트: ( )

와 디스크에 전달하는 역할을 하며 리턴 스프링의 종류에 따라 그 형상은 여러 가지로,

될 수 있다.

(5) 리턴스프링리턴스프링리턴스프링리턴스프링 브레이크 클러치 를 해제시킬 때 피스톤에 작용하는 유압이 제거되면: ( )

피스톤을 원위치로 밀어 주는 역할을 한다.

- 46 -

나 습식 다판 브레이크 클러치 의 해석나 습식 다판 브레이크 클러치 의 해석나 습식 다판 브레이크 클러치 의 해석나 습식 다판 브레이크 클러치 의 해석. ( ). ( ). ( ). ( )

브레이크 클러치 에 작용하는 원심 유압 습식 다판 브레이크 클러치 는 구조상 유(1) ( ) : ( )

압에 의해 작동되고 또 고속회전하므로 피스톤과 브레이크 클러치 리테이너 사이에, ( )

갇혀 있는 유체에는 회전에 의한 원심 유압이 항상 작용한다.

브레이크 클러치 를 설계 할 때에는 리턴 스프링의 힘을 반드시 원심 유압에 의한(2) ( )

힘보다 크게 설계를 하여야 한다.

원심 유압에 작용하는 힘(3)

다 브레이크 클러치 의 설계다 브레이크 클러치 의 설계다 브레이크 클러치 의 설계다 브레이크 클러치 의 설계. ( ). ( ). ( ). ( )

브레이크 클러치 의 토크 용량과 각 제원과의 관계(1) ( )

단 여기서, 브레이크 클러치 토크 용량= ( ) (kgf-m)

마찰재의 마찰계수 종이 계통의 경우 대략= ( 0.1~0.13)

브레이크 클러치 에 작용하는 하중= ( ) (kgf)

마찰변 수=

디스크의 평균 유효 반경 이다= (m) .

디스크에 접착되는 마찰재 탄성특성과 브레이크 클러치 플레이트와의 접촉패턴(2) : ( )

이 우수하며 마찰계수가 다른 재질에 비해 높고 가격이 저렴한 종이 계통이 많이 사용,

된다.

브레이크 클러치 팩에 작용하는 하중(3) ( )

여기서 유압에 의해 피스톤에 작용하는 하중=

리턴스프링의 반발력=

- 47 -

여기서 피스톤의 단면적= ( )㎠

브레이크 클러치 작동압 통상 최대 라인압= ( ) ( , )(kgf/ )㎠

피스톤 외측 반경= (cm)

피스톤 내측 반경 이다= (cm) .

피스톤을 설계할 때에는 작동 유압에 의해 굽힘이나 피로가 누적되지 않도록(4)

하여야 한다.

피스톤 작동중 과도한 변형으로 인해 리테이너에 끼이는 현상이 발생하지 않도(5)

록 형상을 결정 하여야 한다.

최대 라인압이 작용하였을 경우를 가정하여 피스톤과 리테이너의 변형양을 반(6)

드시 확인해 보아야 한다.

디스크의 유효반경(7)

단 여기서, 디스크의 외측 반경= (m)

디스크의 내측 반경 이다= (m) .

디스크의 외경은 유성기어의 형상과 차지하는 공간에 의해 결정된다(8) .

디스크의 외경이 정해지면 브레이크 클러치 의 토크 용량 및 에너지 용량을 확(9) ( )

보하기 위한 디스크의 매수를 결정한다.

마찰면수 은 디스크 매당 개의 마찰면이 존재하므로 디스크 매당 로 계산n 1 2 1 n=2

을 하여야 한다.

위 식들을 종합하여 보면

와 같이 나타낼 수 있다.

리턴 스프링의 반발력은 브레이크 역할을 하는 브레이크 클러치 라면 경험적으로( )

다음과 같이 결정한다.

- 48 -

라 브레이크 클러치 의 중요제원라 브레이크 클러치 의 중요제원라 브레이크 클러치 의 중요제원라 브레이크 클러치 의 중요제원. ( ). ( ). ( ). ( )

디스크의 단위 면압(1)

디스크의 단위 면압 은 마찰재에 작용하는 단위 면적당 하중으로서 이 값p(kgf/ )㎠

이 지나치게 높지 않도록 하여야 한다.

마찰재의 단위 면적당 에너지(2)

종이계통의 마찰재의 단점으로는 열 용량이 부족하다 따라서 브레이크 클러치 작. ( )

동시 발생되는 열은 브레이크 클러치 플레이트를 통해 대부분 흡수되어야 한다( ) .

스플라인의 하중(3)

두께가 얇은 디스크의 코이 플레이트에는 가급적 여러개의 잇수를 가진 스플라인을

사용하여 한 개의 이빨에 걸리는 하중의 크기를 작게하여 상대 재질의 연구 변형을

방지한다.

리액션 플레이트의 두께(4)

리액션 플레이트는 대부분 리테이너에 설치되어 있는 스냅링에 의해 외경부가 지지

된다 따라서 피스톤에 의해 하중을 받으면 마치 외팔보와 같이 되어 상당한 변형.

이 발생할 수 있다 리액션 플레이트에 변형이 발생하면 디스크와 플레이트 사이에.

균일한 접촉이 이루어지지 않는데 이를 방지하기 위하여 리액션 플레이트를 충분히

두껍게 만들 필요가 있다.

- 49 -

마 습식 다판형 유압식 브레이크 재원 분석마 습식 다판형 유압식 브레이크 재원 분석마 습식 다판형 유압식 브레이크 재원 분석마 습식 다판형 유압식 브레이크 재원 분석....

항목 단위 사B

동마찰계수 - 0.13

마찰재 외경 ㎜ 63.8

마찰재 내경 ㎜ 47.8

마찰재 단면적 ㎠ 56.09

마찰재 유효반경 ㎜ 55.8

브레이크압 kgf/㎠ 0

피스톤 대경 ㎜ 63.5

피스톤 소경 ㎜ 44.5

피스톤 면적 ㎠ 64.47

스프링 하중 kgf -

스프링 반력 kgf 903.4

디스크에 작용하는 힘 kgf

디스크에 작용하는 면압 kgf/㎠

디스크 면수 ea 8

바 유압식 습식다판형 브레이크의 최적 설계안 산출바 유압식 습식다판형 브레이크의 최적 설계안 산출바 유압식 습식다판형 브레이크의 최적 설계안 산출바 유압식 습식다판형 브레이크의 최적 설계안 산출....

그림 유압식 습식 다판형 브레이크 계산식그림 유압식 습식 다판형 브레이크 계산식그림 유압식 습식 다판형 브레이크 계산식그림 유압식 습식 다판형 브레이크 계산식20202020

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사 윈치용 감속기(1) <B >

ㆍㆍㆍㆍ 전달토크 의 계산 최대 토크 계산 방법전달토크 의 계산 최대 토크 계산 방법전달토크 의 계산 최대 토크 계산 방법전달토크 의 계산 최대 토크 계산 방법, T ; ( ), T ; ( ), T ; ( ), T ; ( )

사 브레이크 스프링 제원 분석사 브레이크 스프링 제원 분석사 브레이크 스프링 제원 분석사 브레이크 스프링 제원 분석....

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윈치용 감속기 브레이크는 압축 스프링을 이용하여 설계 하였으며 수축시 길이를(1) ,

로 계산 하였다 따라서 그때의 총 하중은 스프링 적용수 을 곱하면41.05 . 18 903.52kgf

라는 것을 알 수 있다 따라서 총 하중을 피스톤 수압부의 단면적으로 나누면 브레이크.

피스톤이 열리는 최소 압력이 아래와 같음을 알 수 있다.

- 52 -

아 마찰재아 마찰재아 마찰재아 마찰재....

동소결 마찰재의 특징(1)

동소결마찰재는 금속마찰재의 일종으로 성형 과 소결 과정을Compacting ( ) Sintering( )

거쳐 만들어 진다 높은 에너지 흡수율과 내마모성을 가지므로 높은 온도에서 견딜수.

있으며 높은 열전도성을 지니게 된다.

어느 정도 범위의 온도와 압력하에서 마찰계수가 일정하며 열 기름 염수 또, , Grease,

는 균류의 영향을 적게 받아 주로 항공기와 탱크의 브레이크 라이닝에 적용되며 트랙

터 토목장비 대형 대형트럭 버스 등에는 로 쓰인다, , Press, , Clutch Facing .

개발초기에는 크게 동 주석 동 아연등이 주성분이 되었고 마찰계수를 조정하는 분말- , -

과 마찰특성을 증가시키는 다른 성분들이 혼합하여 마찰재를 이루는데 주요 첨가물로,

는 주석 철 납 이산화규소 흑연 등이 있다, , , , .

동소결 마찰재의 기계적 특성(2)

마찰재는 미끄럼 접촉 동안에 기계적 에너지를 열로 변환시키는 기계장치 요소이다.

이 변환으로 생긴 열을 마찰재에 의해 흡수되거나 분산된다 접촉 부분의 전단력을 나.

타내는 마찰계수는 마찰재 효능 정도를 결정해 준다 마찰계수는 작동조건과 제품을.

어떻게 사용하느냐에 달려있으며 동소결 마찰재는 대형 나 비행기 브레이크처럼, Press

큰 힘을 필요로 하는데 사용된다 금속 동소결 마찰재는 습식 과. ( ) WET Type( ) DRY

건식 이 있다Type( ) .

자동변속기나 에 사용되는 마찰요소인 같은 습식형 에서는 에Powershift Clutch OIL

잠겨있으며 비행기 브레이크나 표준형 같은 건식 작용 조건에서는 마찰 요소들Clutch

간 직접적인 접촉을 하게 된다 접촉으로 생긴 열은 라이닝을 통하여 분산되고 동력의.

원천인 에너지를 다른 기계장치에 전달 해줌과 동시에 동력 발생을 가속화 시킨다.

마찰재 제조공정(3)

가공Powder mix Compacting Sintering→ → →

가( ) Powder mix

배합에 선택은 요구되는 사용 용도와 사용되는 곳의 성질에 달려 있다가 각 구성요소,

의 비율을 다양화 시킴 으로써 마찰 계수를 변화시킬 수 있다.

- 53 -

나( ) Compacting

대부분 성형은 유압 에서 행하여 진다 성형압력은 로 다양하고 분Press . 165~276MPa

말의 형태와 필요로 하는 성형 밀도에 의해 결정 되어 진다 시 표면 평행. Compacting

도는 주요 고려 사항으로 공차범위 에서 를 유지하여야 한다0.05 0.1mm .

다( ) Sintering

마찰재와 결합되는 는 깨끗하여야 하며 결합성을 높이기 위하여 도금한 제Core Plate

품을 사용한다 소결로의 형태는 생산 되어지는 제품의 형태에 달려 있으며 일반적으.

로는 로를 사용한다 뒤틀림이나 비틀림을 방지하기 위하여 또 소결밀도 수준을Bell . ,

유도하기 위해 를 수직으로 쌓고 압력을 가하여 준다Disc .

라 가공( )

가공 중 중요공정은 이다 는 여러 형태들이 사용되어 왔고 각각의 특Grooving . Groove

성이 다르다.

습식 에서 의 역할은 의 배출을 빨리시켜 마찰면 위에 최소의WET Type( ) Groove Oil Oil

두께를 형성하여 마찰계수를 극대화 시키고 오일의 순환을 유도하여 를 냉각 시키Disc

는 것이다.

건식 에서는 높은 사용 온도에서 열팽창 효과를 방지하고 작동중에 생기는DRY Type( )

마모조각을 배출해 주는 기능을 한다.

그림 마찰재 제조공정 장비그림 마찰재 제조공정 장비그림 마찰재 제조공정 장비그림 마찰재 제조공정 장비21212121

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유압구동 시스템 설계 및 제작유압구동 시스템 설계 및 제작유압구동 시스템 설계 및 제작유압구동 시스템 설계 및 제작3.3.3.3.

현재 사해기공에서 보유하고 있는 유성기어 감속기 유압식 구동을 위한 유압모터와( )

유압유니트는 이하로 무부하 상태에서 작동성만을 확인하는 단계에 있다 그러10 HP .

나 부하를 인가한 상태에서 감속기를 작동하기 위해서는 큰 용량의 유압모터와 유니,

트가 필요하며 사해기공에서 요청받은 제품용량 또한 대형화 되고 있어 이를 시험할,

구동용량을 계산하여 설계하였다 이 유압 구동장치를 이용하여 사해기공에서는 윈치.

구조물을 제작하여 작동성능장치를 구성할 예정이다.

그림 유압 회로도 설계그림 유압 회로도 설계그림 유압 회로도 설계그림 유압 회로도 설계22222222

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그림 외형도면그림 외형도면그림 외형도면그림 외형도면23 HPU23 HPU23 HPU23 HPU

그림 제작제품그림 제작제품그림 제작제품그림 제작제품24 HPU24 HPU24 HPU24 HPU

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수명 시험 및 평가 기술수명 시험 및 평가 기술수명 시험 및 평가 기술수명 시험 및 평가 기술4.4.4.4.

가 신뢰수명 추정 기술지원가 신뢰수명 추정 기술지원가 신뢰수명 추정 기술지원가 신뢰수명 추정 기술지원....

고장 원인 분석 및 평가(1)

신뢰수명을 추정하여 내구성을 확보하기 위하여 고장원인을 분석ㆍㆍㆍㆍ평가하고 고장 발

생원인에 따른 파손사례 및 고장 형태 분석(FMEA ; Failure Mode Effective

과 고장 원인의 영향 분석 을 수행한다 또한Analysis) (FTA ; Fault Tree Analysis) . ,

고장 원인의 영향도 및 최적 시험 방안 분석을 를 활용하여 제품의 파2Stage QFD

손 사례 문제점 및 분석 기술을 확보한다 이러한 고장 원인에 대한 해결방안을 현, .

생산 제품에 반영함으로써 성능향상 설계 기술을 확보할 수 있었다.

가( ) FMEA( 분석Failure Mode Effective Analysis)

의 목적은 시스템의 운용시 제품의 고장 영향 또는 고장의 결과를 조사하고 고장FMEA

의 가혹도 에 따라 잠재적인 고장을 확인하기 위한 것이다 이것은 제품설계(Serverity) . ,

고정설계 및 조립체설계 등에서 설계의 불완전으로 인한 잠재적 결함을 찾아내기 위하

여 구성요소의 고장형태와 그 상위 제품에 미치는 영향을 해석함으로써 설계개선으로

연결시키기 위한 기법이다 의 분석방법은 크게 와. FMEA Hardware approach Function

로 나누어지며 는 각각의 하드웨어 아이템을 목록화 하approach Hardware approach

고 가능한 고장모드를 분석하는 이고 는 하Bottom-up approach Function approach

드웨어 아이템이 결정되지 않았거나 시스템이 복잡하여 최종 아이템에서부터 하부체

계로 분석이 이루어져야 하는 이다Top-down approach .

의 특징은 다음과 같다FMEA .

표의 형태로 수행하며 원칙적이며 총체적으로 수행됨, ,①

설계평가에 대한 논리적이고 조직적인 적용-

설계자의 노력을 신뢰성 기술자의 작업과 통합하는 체계-

새로운 시스템의 설계평가에 과거의 경험을 통계적으로 활용하는 방법-

고장의 정성적인 예측 시뮬레이션이라 말함-

의 작업량 설계 작업량의 약 가 적절함FMEA : 10%②

고장 자료가 충분한 구성품의 경우는 생략하고 해석수준을 높게하여 작업- ,

실시시기 빠를수록 효과적임:③

설계검토 시 검토용 자료의 일부로 제공될 수 있음(Dedign Review)④

설계변경이 되면 도 변경됨FMEA⑤

단점 작업량 시간 이 많고 단일고장 모드만 고려: ( ) ,⑥

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나 기법( ) FTA(Fault Tree Analysis)

기법은 시스템이나 기기의 설계 개발단계에서 품질의 특성인 신뢰성 보전성FTA , , ,

안전성 등에 관한 해석기법으로서 활용되고 있으며 제조 검사 건설 공사 운용의, , , , ,

각 단계에 주어지는 품질관리 및 업무개선 사고대책 등에 폭넓게 활용되고 있다, .

또한 품질보증규격 활동 시 제품품질이나 신뢰성향상을 위해서 기법, ISO9000 FTA

이 사용된다.

는 의 약자이며 고장나무분석이라고도 불려지고 있다 시FTA “Fault Tree Analysis" , .

스템이나 기기 등에 어떠한 원인들로 인하여 시스템이나 주위환경 등에 문제를 발

생시킬 수 있다 이러한 문제점에 대한 원인이 되는 요인을 적출하는 기법이 기. FTA

법이다 이 기법에 의해 제품설계나 품질관리상의 문제점을 적출하여 대책에. FTA ,

대한 해결책을 제시함으로써 신뢰성향상이나 안전성제고 사고방지 품질관리의 개, ,

선 등을 도모할 수가 있다.

기법은 년대 통신연구소의 에 의해 개발되어 미사일 제FTA 1960 Bell H.A.Watson ,

어시스템의 개발에 활용되었으며 사에 의해 정성적 및 정량적 해석 프로그램, Boing

이 개발되어 항공ㆍㆍㆍㆍ우주산업 및 원자력 전력 화학공업 등의 신뢰성 안전성 가동, , , ,

성의 향상활동에 활용 되었다.

의 목적은 다음과 같다FTA .

신제품개발과 설계단계에 주어지는 신뢰성 보전성 안전성 경제성 등의 문제점, , ,①

적출 및 개선

안전성 해석의 활용에서는 시스템의 고장발생 확률의 해석 안전성에 적합한 기,②

능 성능의 개발 및 안전운전의 의사 결정을 지원,

제품경쟁력 등의 확보 및 개발기간의 단축③

제조공정에 주어지는 제품품질의 확보와 제조공정의 사고방지④

제조설비의 개발⑤

고장발생시의 조기원인 조사와 대책⑥

신재료의 개발과 적용 및 수명예측⑦

자료Design Review⑧

제품안정성의 제조물 책임 대책자료PL(Product Liability : )⑨

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다 품질기능 전개 기법( ) (QFD)

제품설계나 제품계획에서 가장 중요하며 먼저 이루어져야하는 것은 고객의 요구,

기대 사항을 파악하고 구현하는 체계적인 방법을 마련하는 것이다 이를 위해 먼저.

해당제품 또는 서비스의 고객을 정의하고 원하는 것이 무엇인지를 파악해야 할 것

이다 이렇게 파악된 고객의 요구사항을 충족시킬 수 있는 제품을 설계. ㆍㆍㆍㆍ생산하는

것이 필요한데 이를 위한 체계적인 방법으로 개발된 것이 품질기능전개(Quality

이다 는 제품구성상으로부터 설계 제조 유통Function Deployment : QFD) . QFD , , ,

사용을 통한 제품의 수명주기를 통해 고객의 요구사항이 구현될 수 있도록 하기 위

한 도구로서 다음과 같이 정의 된다.

는 제품구성상으로부터 설계 제조 유통 사용을 통한 제품의 수명주기를(1) QFD , , ,

통해 고객의 요구사항이 구현될 수 있도록 하기 위한 도구로서 다음과 같이 정의

된다 는 제품 구상에서부터 제품의 설계 개발을 통해 제조 유통 초기화 마. QFD , , , ,

케팅 판매 서비스에 이르기까지 모든 단계에서의 고객요구를 회사 내에서의 요구, ,

로 변환 하는 시스템이다.

는 고객의 요구를 충족시키는 기술이며 제품의 수명주기 즉 개념설계로부(2) QFD ,

터 부품설계 공정과 제조 사용에 이르기까지의 모든 단계를 통해서 고객의 요구사, ,

항이 실현 향상될 수 있도록 체계적이며 지속적인 정보교환을 위한 효과적인 방안,

이라고 할 수 있다 이는 제품생산에 제한되지 않으며 서비스품질관리를 위해서도.

효과적으로 이용 가능 하다.

를 단계 로 적용함으로써 신뢰성시험 항목을 도출할 수 있다(3) QFD 2 (Two Stage) .

이를 단계 라고도 부름 단계 에서는 고장모드 메커니즘과 스트레스의 관( 2 QFD ) 1 ,

계를 평가하고 단계 에서는 고장모드 메커니즘과 시험방법을 평가하여 어떤 시험, 2 /

을 해야 신뢰성 평가를 효과적으로 할 수 있는 시험방법들을 결정할 수 있다.

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나 브레이크의 고장 해석 자료나 브레이크의 고장 해석 자료나 브레이크의 고장 해석 자료나 브레이크의 고장 해석 자료....

표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의8 ( ) FMEA(1)8 ( ) FMEA(1)8 ( ) FMEA(1)8 ( ) FMEA(1)

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표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의표 윈치용 감속기 브레이크 클러치 의9 ( ) FMEA(2)9 ( ) FMEA(2)9 ( ) FMEA(2)9 ( ) FMEA(2)

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표표표표 10 Requirement and Failure Mode Matrix10 Requirement and Failure Mode Matrix10 Requirement and Failure Mode Matrix10 Requirement and Failure Mode Matrix

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표표표표 11 Failure Mode and Test Method Matrix11 Failure Mode and Test Method Matrix11 Failure Mode and Test Method Matrix11 Failure Mode and Test Method Matrix

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그림 브레이크 결함나무분석그림 브레이크 결함나무분석그림 브레이크 결함나무분석그림 브레이크 결함나무분석25 (FTA)25 (FTA)25 (FTA)25 (FTA)

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다 윈치용 감속기의 고장 해석 자료다 윈치용 감속기의 고장 해석 자료다 윈치용 감속기의 고장 해석 자료다 윈치용 감속기의 고장 해석 자료....

고장모드 및 메커고장모드 및 메커고장모드 및 메커고장모드 및 메커니즘니즘니즘니즘 분석분석분석분석(1) (Failure Modes and Mechanisms Analysis; FMMA)(1) (Failure Modes and Mechanisms Analysis; FMMA)(1) (Failure Modes and Mechanisms Analysis; FMMA)(1) (Failure Modes and Mechanisms Analysis; FMMA)

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치명도 메트치명도 메트치명도 메트치명도 메트릭릭릭릭스 분석스 분석스 분석스 분석(2) (Criticality Matrix Analysis; CMA)(2) (Criticality Matrix Analysis; CMA)(2) (Criticality Matrix Analysis; CMA)(2) (Criticality Matrix Analysis; CMA)

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결함 나무 분석결함 나무 분석결함 나무 분석결함 나무 분석(3) (Fault Tree Analysis; FTA)(3) (Fault Tree Analysis; FTA)(3) (Fault Tree Analysis; FTA)(3) (Fault Tree Analysis; FTA)

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단계 품질 기단계 품질 기단계 품질 기단계 품질 기능능능능 전개전개전개전개(4) 2 (2-stage(4) 2 (2-stage(4) 2 (2-stage(4) 2 (2-stage QQQQuality Function Deployment;uality Function Deployment;uality Function Deployment;uality Function Deployment; QQQQFD)FD)FD)FD)

가 품질 기가 품질 기가 품질 기가 품질 기능능능능 전개 단계전개 단계전개 단계전개 단계( ) 1(( ) 1(( ) 1(( ) 1(QQQQuality Function Deployment leuality Function Deployment leuality Function Deployment leuality Function Deployment levvvvel 1;el 1;el 1;el 1; QQQQFD leFD leFD leFD levvvvel 1)el 1)el 1)el 1)

나 품질 기나 품질 기나 품질 기나 품질 기능능능능 전개 단계전개 단계전개 단계전개 단계( ) 2 (( ) 2 (( ) 2 (( ) 2 (QQQQuality Function Deployment leuality Function Deployment leuality Function Deployment leuality Function Deployment levvvvel 2;el 2;el 2;el 2; QQQQFD leFD leFD leFD levvvvel 2)el 2)el 2)el 2)

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라 내구수명 개발 기술지원라 내구수명 개발 기술지원라 내구수명 개발 기술지원라 내구수명 개발 기술지원. Code. Code. Code. Code

수명시험(1)

윈치용 감속기의 신뢰 조건은 B10 수명의 형태로 장립하고 신뢰 수준 에서, 90 %

수명 1.0×104시간 평균 등가 수명 년 을 보장하여야 한다 문헌에 의하면 기어박( 10 ) .

스의 형상모수 는 인 와이블 분포를 따른다( ) 2.0 .β

가 무고장 시험 시간 산출 신뢰성 평가 기준에서 규정된 윈치용 감속기의 수명( )

시간1.0×104 (B10 수명 을 보장하기 위한 무고장 합격 기준을 만족하는 시험 시간) ,

의 계산은 다음에 따른다.

수명 분포 형상 모수 가 인 와이블 분포: ( ) 2.0 (WeibuIl)① β

보증 수명 : B② 10 수명 1.0×104시간

신뢰 수준 : 90 %③

시 료 수 개: 2④

무고장 시험 시간(⑤ ) :

여기에서 무고장 시험 시간:

보증 수명:

신뢰 수준: (confidence level)

시험 중인 전체 아이템의 개수 시료수: ( )

불신뢰도: (10 수명이면 = 0.1)

형상 모수:

나 가속수명시험시간( )

윈치용 감속기의 수명보증은 년을 요구하고 있으며 윈치용 감속기는 주간10 , 19

시간을 평균적으로 사용하고 년 주 중에 휴가기간 주를 제외하면 년간 약1 52 1 ,

시간 작동하므로 보증수명인 년간 총 작업 시간은 시간 년969 10 9690 (10 x 51

주 시간 시간 이다 여기에서 평균 등가부하에 대한 토크x 19 = 9690 ) .

는 다

음 계산에 따른다.

여기서 각 작업에서 작동 부하:

각 작업에서 회전 속도:

각 작업별 시험 시간:

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n : Power Index (n=6)

참 고 사 수명 계산식Allison T/M( )

이때 완치용 감속기의 경우 일정한 속도로 작동됨으로 속도에 대한 Ni는 고려하지

않으며 작동부하 또한 일정부하로 작동되는데 일반적으로 작동시간별 등가부하는,

최대부하의 약 에서 작동하는 것으로 고려하여 수명을 보증하도록 되어 있다46% .

그러므로 가속계수 는 다음 관계식으로 얻을 수 있으며 이때 윈치용 감속기는AF ,

주 고장 형태가 기어 마모 및 피로파손으로 기어의 는 을 선택하였Power Index 6

다 일반적으로 기어의 는 로 알려져 있고 현재 정확한 윈치용 감. Power Index 6~8 ,

속기 기어의 값을 알 수 없으므로 중부하를 갖는 기어박스의 경우 평Power Index

균적인 선택을 적용하여 을 정하였다6 .

여기서 수명시험에서의 작동 부하 가속계수 는 임으로 실제 무고: AF 158.19

장시험시간은 tnf 시간이다= 35000 / 221.25 = 221.25 220 .≒

다 합격기준( )

발췌 시료 개를 시간까지 가속 수명 시험한 후 개 모두 고장이 없고 종합2 220 , 2

성능의 평가 기준을 만족하면 신뢰 수준 에서 작동 시간90 % 1.0x104간(B10 수명)

을 보장한다.

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윈치용 감속기 성윈치용 감속기 성윈치용 감속기 성윈치용 감속기 성능능능능 시험시험시험시험5.5.5.5.

가 윈치용 감속기 시험장비 구성가 윈치용 감속기 시험장비 구성가 윈치용 감속기 시험장비 구성가 윈치용 감속기 시험장비 구성....

그림 윈치용 감속기그림 윈치용 감속기그림 윈치용 감속기그림 윈치용 감속기 종합종합종합종합성성성성능능능능 시험장비 도면시험장비 도면시험장비 도면시험장비 도면26262626 LLLLayoutayoutayoutayout

그림 윈치용 감속기 시험장비 구성그림 윈치용 감속기 시험장비 구성그림 윈치용 감속기 시험장비 구성그림 윈치용 감속기 시험장비 구성27272727

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그림 윈치용 감속기그림 윈치용 감속기그림 윈치용 감속기그림 윈치용 감속기 종합종합종합종합시험장비 제어시험장비 제어시험장비 제어시험장비 제어반반반반28282828

윈치용 시험장비는 입력 유압장치 부하용 유압장치 토크메타 등으로 구성되어 있, , ,

다.

시험대상 감속기의 특성상 일자형 배치가 아닌 자로 꺽인 형태이기 때문에 설" "ㄱ

치할 수 있는 시험배드에 어려움이 있었다 그리고 감속기의 정격 동력은 이. 16kW

나 높은 감속비로 인하여 출력 토크가 이상 되기 때문에 입력은 유압모10000Nm

터 출력은 유압모터에 감속기가 조합된 유압식 를 사용하였다 유압Dynamometer .

동력은 급 를 사용하였으며 회전속도와 토크측정을 위하여 입력에300 HP HPU ,

급 토크메터와 출력에 급 토크메터를 설치하였으며 제어반에1000 Nm 20000 Nm ,

장비와 를 이용하여 성능측정을 하였다 프로그램은 를 사용하여DAQ PC . LabVIEW

개발한 윈치용 감속기 성능시험프로그램을 이용하여 측정하였다.

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나 윈치용 감속기 성나 윈치용 감속기 성나 윈치용 감속기 성나 윈치용 감속기 성능능능능시험 프로그램 개발시험 프로그램 개발시험 프로그램 개발시험 프로그램 개발....

그림 윈치용 감속기 성그림 윈치용 감속기 성그림 윈치용 감속기 성그림 윈치용 감속기 성능능능능시험 프로그램시험 프로그램시험 프로그램시험 프로그램29292929

윈치용 감속기의 성능을 시험하여 측정할수 있는 성능시험 프로그램을 개발하였으

며 프로그램은 를 야용하여 개발하였다, LabVIEW .

다 윈치용 감속기 성다 윈치용 감속기 성다 윈치용 감속기 성다 윈치용 감속기 성능능능능시험시험시험시험....

감속기의 부하성능을 측정하기 위하여 입력속도와 토크는 정격사용구간 이하에서 4

등분하여 효율을 측정하였다 효율측정결과 정격토크 조건에서는 이상의 계산. 90%

되었으며 고토크일 경우가 효율이 높았다, .

시험결과 화전속도가 고속보다는 저속일 경우 효율이 높게 나오는 경향을 보여주었

다.

표 윈치용 감속기 성표 윈치용 감속기 성표 윈치용 감속기 성표 윈치용 감속기 성능능능능시험 결과시험 결과시험 결과시험 결과12121212

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그림 입력속도 출력토크그림 입력속도 출력토크그림 입력속도 출력토크그림 입력속도 출력토크30 300rpm, 250kg-m30 300rpm, 250kg-m30 300rpm, 250kg-m30 300rpm, 250kg-m

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제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

기술지원 추기술지원 추기술지원 추기술지원 추진일진일진일진일정정정정1.1.1.1.

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기술지원 성과기술지원 성과기술지원 성과기술지원 성과2.2.2.2.

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수행방법 및 기자재수행방법 및 기자재수행방법 및 기자재수행방법 및 기자재 활활활활용용용용3.3.3.3.

가 수행방법가 수행방법가 수행방법가 수행방법....

선진기술 동향 및 제품분석(1)

선진 샘플 입수 및 분해 및 분석 기어 재질 분석을 위하여 생산기술연구원에 의뢰,

하여 결과 분석 기어 측정을 위하여 기어 측정장비를 보유한 업체에 의뢰하여, "S"

기어 측정 조사

선진 제품의 사양 분석을 위하여 기술자료 분석하여 개발 제품에 응용(2)

강도계산을 위하여 기존 사용하는 계산프로그램 검증 및 상용화된 를(3) KissSOFT

사용하여 비교 분석하였고 에 의거하는 프로그램을 개발하여 활용, ISO 6336

사용자 편의를 위하여 수차례에 걸친 프로그램 업그레이드 작업(4)

브레이크 계산을 위한 프로그램을 엑셀로 지원(5)

마찰재 전문 기업에서의 마찰재 제작 및 공급 지원(6)

고용량 감속기를 시험하기 위한 유압구동모터와 유압유니트 설치로 회사내 부(7)

하성능시험 가능

평가기준안을 작성하여 개발되는 감속기의 적절한 평가 기준안 수립(8)

시험장비를 구성하여 부하성능시험 수행(9)

등을 활용한 고장분석 기술 지원(10) FMEA, FTA, QFD

결과 분석 및 보완(11)

나 기자재나 기자재나 기자재나 기자재 활활활활용용용용. KIMM. KIMM. KIMM. KIMM

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제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

기술지원 목표기술지원 목표기술지원 목표기술지원 목표1,1,1,1,

가 유성기어감속기의 최적화 설계 기술가 유성기어감속기의 최적화 설계 기술가 유성기어감속기의 최적화 설계 기술가 유성기어감속기의 최적화 설계 기술....

(1) 3D Modeling

가 등( ) Gear, Shaft, Housing 3D Modeling

나 디자인 개선 및 취약부분 보완( ) Simulation

및 해석기술 지원(2) stress Stiffness FEM

가 및 해석( ) Axial, Bending Torsion

최적화 설계 기술 지원(3)

가 소형경량화 재질 열처리 베어링( ) , , ,

나 유압시스템 설계 기술나 유압시스템 설계 기술나 유압시스템 설계 기술나 유압시스템 설계 기술....

유압회로도 설계기술(1)

가 최적화된 유압회로도 설계( )

유압브레이크 설계기술(2)

가 최적의 및 선정( ) Disc Spring

다 시험장비 설계 및 시험기술다 시험장비 설계 및 시험기술다 시험장비 설계 및 시험기술다 시험장비 설계 및 시험기술....

성능 및 내구시험장치 구축 기술(1)

가 시험 개발 및 시험방법 분석 기술( ) Code ,

라 안전 신뢰성 평가 기술라 안전 신뢰성 평가 기술라 안전 신뢰성 평가 기술라 안전 신뢰성 평가 기술....

신뢰 수명 추정 기술 지원(1)

가 안전율 과 피로한계 추정( ) (Safety Factor) (Fatigue Limit)

나 해석적 신뢰수명 추정 신뢰수준( ) ( 90%)

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평가평가평가평가항항항항목에목에목에목에 따른따른따른따른 달성도달성도달성도달성도2.2.2.2.

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제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

제 절 추가지원의 필요성제 절 추가지원의 필요성제 절 추가지원의 필요성제 절 추가지원의 필요성1111

본 지원사업을 통하여 확보된 유성기어 감속기의 국산화 설계기술을 사업화하려면

생산라인 개선-

성능평가장비 확보-

공정라인 증설-

등에 대한 추가적인 정부지원이 필요함

제 절 타연구에의 응용제 절 타연구에의 응용제 절 타연구에의 응용제 절 타연구에의 응용2222

각종 감속기 및 변속기등의 기어박스류의 설계 및 강도계산에 활용-

개발된 프로그램을 기존 상용화된 프로그램과 비교하여 결과 활용-

브레이크나 클라치류의 개발 기술로 활용-

각종 기어박스류의 시험평가를 위한 기반기술로 활용-

윈치 전체 시스템 개발에 활용-

제 절 기업화 추진방안제 절 기업화 추진방안제 절 기업화 추진방안제 절 기업화 추진방안3333

단계1

개발 제품의 설계 검증 및 양산화 계획-

고유모델화 및 제품등록-

개발 제품의 신뢰성평가를 통한 인증 추진을 통한 제품 인증-

단계2

생산라인 증설과 개선을 통한 양산 준비-

제품의 시리즈화 설계 및 생산을 통한 다품종 양산화 계획-

수요처 확보를 통한 매출 개시 및 고장분석 및 제품 개선-

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Documents

윈치용 유성기어 감속기의 최적설계 해석 수명시험 및 평가 기술지원, · 다 설계 해석 기술 지원. Disc & Spring 3.33..3. 윈치용유성기어감속기의수명시험및평가기술지원