‘폴리머 기어’는 정밀 기어링에서 금속기어를 능가한다!
오늘날 가장 혁신적인 기어 중 일부는 금속이나 사출 성형 플라스 틱이 아니라 가공된 엔지니어링 폴리머로 만들어진다.
개방형 기어링(gearing) 응용 분야에서 기어 성능에 관한 문제 점들은 여전히 많이 발생되고 있다. 그 중 과도한 소음, 진동, 열, 무 게 및 부식 등이 가장 일반적인 문제점이라고 할 수 있다. 기어는 또 한 과도하게 윤활되거나 마모되는 경향이 있으며, 이는 각각 그리 스 또는 금속 입자로 인한 오염을 유발시킨다. 이러한 모든 문제로 인해 유지 관리 비용이 상승할 수 있고, 최악의 경우 기어가 조기에 파손되어 결국 더 많은 비용을 지불하는 경우도 생기게 된다.
그렇기에 좋은 기어 설계 사례를 통해 이러한 모든 문제를 해결 할 수 있다는 사실을 염두에 두어야 한다. 하지만 유감스럽게도 최 고의 엔지니어조차도 작업에 적합한 기어 재료를 선택하는 매우 중요한 설계 전략을 잊는 경우가 종종 있다. 하중이 큰 응용 분야 는 자동으로 금속 기어를 사용하는 반면, 부하가 적은 응용 분야는 금속 또는 사출 성형 플라스틱 기어 세트를 사용하는 경우가 많다.
엔지니어링에 더 많은 관심을 기울여야 하는 부분이 바로 재료 이다. 고급 폴리머로 정밀 기어링을 가공할 수도 있다. 금속 구조 허브와 결합하든 순수 플라스틱 기어에 사용하든 정밀 가공 폴리 머는 포장, 제지 가공, 식품 가공, 의료 및 반도체 기계에서 윤활유 없이 긴 수명을 제공할 수 있다. 이 기어는 자주 교체할 수 있는 금속 기어보다 조용할 뿐만 아니라 낮은 마찰 덕분에 더 효율적이 다. 일반적으로 정밀 가공된 폴리머 기어는 토크 전달 효율을 3% 이상 향상시킨다.
Intech(www.intechpower.com)는 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 베벨 기어, 웜 기어 등 수천 개의 가공 폴리머 기어 세트를 설계 및 제조해 오고 있는 기업이다.
Intech 관계자는 “우리 회사는 금속 구조 허브가 있거나 또는 없는 중력 주조 나일론, 아세탈 및 기타 엔지니어링 폴리머로 다양한 기어를 설계한다. 그러나 모든 기어 응용 분야에서 그 폴리 머 기어 기술이 필요한 것은 아니다. 일부 기어 응용 분야에는 실 제로 우리의 폴리머 기어 기술이 필요하지 않다. 실제로 기존의 금속 기어나 사출 성형 기어를 사용하여 애플리케이션에서 문제 가 없다면 당사의 절단 폴리머 기어는 큰 가치를 제공하지못할 것이다. 그러나 다른 유형의 기어로서는 너무 시끄럽거나, 흔들리 거나, 무겁거나, 뜨겁거나, 너무 녹슬거나, 기름기가 많을 때 컷 폴 리머 기어가 엄청난 성능과 비용 우위를 갖는다”라고 설명했다.
고하중 평기어
그리스 없는 작동이 필수인 고속 종이 변환 라인(paper converting line)의 25 HP 드라이브를 위해 Intech는 라인이 180m/m로 이동 하는 풀 비상 정지에서 높은 충격 부하를 견딜 수 있는 하이브리드 폴리머 기어를 만들었다. 최소 이 속도에서 기어는 높은 피치 라인 속도를 가지며 높은 토크와 함께 열을 발생시킨다. 높은 힘과 열에 도 불구하고 기어는 2년의 마모 수명이 필요했다.
Intech의 설계 솔루션에는 기어 톱니와 허브가 모두 포함되어 있 으며, 기어 최적화 계산을 기반으로 비상 정지력을 견딜 수 있도 록 톱니를 넓혔다. 그런 다음 폴리머 기어 표면을 대형 알루미늄 허브와 결합했다. 기어 표면에서 열을 전도할 뿐만 아니라 열 발 산을 위한 표면적을 늘리고 패닝 효과를 만들어 추가 냉각을 촉진 하는 구멍 패턴도 있다.
무급유 헬리컬 드라이브로 소음 및 관성 감소
외과 의사는 수술실에서 수술 로봇을 구동하는 기어의 기준을 매우 높게 설정하며 기어 소음을 용납하지 않을 것이다. 금속 기 어의 소음을 줄이기 위해 엔지니어는 고정밀 연삭 헬리컬 기어 를 지정했다. 기어 재료로 폴리머를 선택함으로써 소음을 추가로 6dBa 줄일 수 있었으며, 최근 수술 로봇의 소음을 줄이고 위치 정 확도를 유지하는 데 도움이 되는 매우 정밀한 폴리머 및 알루미늄 나선형 드라이브를 생산했다.
AGMA 11 정확도 표준에 따라 생산된 정밀 기어 드라이브는 작 동 온도에서 사실상 백래시가 없다. 이는 일반적으로 기어에 사용 되는 대부분의 엔지니어링 플라스틱에서는 불가능하며 치수 불 안정성이 약 2배 더 크다. 수분 흡수 또는 열팽창으로 인한 성장 을 보상하기 위해 기존의 플라스틱 기어에는 상당한 언더컷이 필 요하며, 이로 인해 약간의 포지셔닝 슬롭(positioning slop)이 발생한다.
▲ 외경 68mm, 45mm, 50mm, 페이스 폭 12.7mm의 헬리컬 기어 드라이브
Intech의 헬리컬 기어 디자인은 다르다. 수분을 흡수하지 않는 고성능 폴리머로 기어를 생산하며 일체형 금속 코어는 로봇의 작 동 온도에서 팽창을 줄임으로써 언더컷과 그에 따른 반발을 없앨 수 있었다.
▲ 외경 122.8mm, 면폭 15mm의 베벨 기어 드라이브
처음에는 백래시 감소와 기어 맞물림 정확도에 중점을 두었지 만 시스템의 관성도 크게 줄였다. 낮은 관성은 로봇 시스템이 포지셔닝 명령에 훨씬 더 잘 반응할 수 있도록 도와준다. 이는 수술 기구가 환자의 신체에서 원격으로 조작될 때 특히 중요하다. 이 경우 폴리머 및 알루미늄 기어 재료의 낮은 질량은 강철 기어에 비해 관성을 7배로 줄인다.
이 기어 드라이브의 주요 설계 과제 중 하나는 열 관리와 관련 이 있다. 최대 피치 라인 속도가 5.2m/s인 경우 기어는 소형 하우 징 내에서 과도한 열을 생성한다. 또한 이 기어는 오일 한 방울 없 이 5년 동안 작동해야 하기 때문에 마찰을 줄이기 위해 윤활유에 의존할 수는 없다. 열 관리 문제에 대한 Intech의 솔루션에는 톱니 형상 수정과 현명한 재료 선택 등이 포함된다.
톱니 형태 수정에는 나선형 톱니의 압력각 증가가 포함된다. 맞 물리는 톱니 사이의 미끄럼 운동을 줄이기 위해 톱니 측면을 둥글 게 함으로써 증가된 압력각이 마찰과 열 발생을 제한한다. 그 결 과 열 발생이 적게 작동할 뿐만 아니라 수정되지 않은 기어보다 20% 더 긴 마모 수명을 제공했다.
압력각 수정은 또한 이가 루트에서 더 넓어지도록 하여 기어의 부하 지지 용량을 최대 18%까지 증가시킨다. 이 중요한 기능은 플라스틱 기어의 너비를 줄이고 사용 가능한 하우징 공간에 기어 를 맞추는 데 도움이 되었다.
재료의 경우 Intech는 열을 발산하기 위해 알루미늄을 선택했으 며, 폴리머 기어 허브뿐만 아니라 중간 기어 전체에 사용했다. 폴리 머 기어의 알루미늄 허브에는 기어를 냉각시키는 데 도움이 되는 번개 구멍(lightening holes)이 있으며 동시에 관성도 감소된다. 마찰을 줄이기 위해 PTFE 기반으로 코팅을 했으며, 코팅된 중 간 기어도 마찬가지로 무게를 줄이기 위해 속이 비어 있게 했다. 세트에서 가장 큰 기어는 재료를 최대로 제거한 덕분에 무게가 5 온스에 불과했다.
윤활유 없는 경량 로봇 기어
자동차 페인트 로봇용 베벨 기어 드라이브에서 기어 무게를 최소 로 유지하면서 윤활유를 사용하지 않고 동시에 기어 무게를 최소 화해야 했다. 이 로봇 시스템은 잠재적으로 도장 작업을 망칠 수 있기 때문에 윤활유를 사용할 수 없다. 그리고 기어 드라이브가 로봇 팔 안에 포함되어 있기 때문에 가능한 한 가벼워야 했다.
이러한 설계 요구 사항을 충족하기 위해, 중력 주조 나일론으로 기어를 만들었다. 이 애플리케이션에서는 5년 동안 윤활유 없이 작동할 수 있다. 그리고 비중이 1.03g/㎤인 이 소재는 금속보다 7 배 가볍다.
예를 들어 드라이브에 있는 기어 중 하나의 무게는 5.3 온스에 불과하며 비슷한 메탈 기어의 무게는 2.5파운드이다. 무게 절감 외에도 중력 주조 나일론은 정전기 페인트 공정을 위 한 전기 절연을 제공하고 높은 온도와 습도에서 치수 안정성을 유 지하며, 이러한 특성으로 인해 페인트 부스 내부 환경에 매우 적합하다.
화학적 열을 견디는 자체 윤활 웜 기어
또 다른 윤활에 민감한 기어 애플리케이션은 태양광 웨이퍼 제조 용 컨베이어 시스템에서 찾을 수 있다. 반도체와 마찬가지로 태양 광 웨이퍼는 윤활유로 인한 공정 내 오염을 견딜 수 없다. 따라서 다중 롤러 컨베이어에서 각 롤을 구동하기 위해 자체 윤활 폴리머 기어를 사용하는 것이 자연스러운 선택처럼 보인다.
그러나 컨베 이어가 80°C 실리콘 코팅 오븐을 통해 웨이퍼를 운반하기 때문에 이 응용 분야에서 높은 온도와 화학 물질 노출과 씨름해야 했다. 열과 실리콘 증기는 많은 폴리머를 배제하지만 강철 허브가 있는 하이브리드 구조에 사용될 때는 나일론이 아니다.
중력 주조 나일론은 실리콘 증기를 포함한 지속적인 화학 노출 을 견딘다. 열을 관리하기 위해 해당 폴리머를 기어 블랭크의 중 앙에 주조한 스테인리스 스틸 코어와 결합시켰다. 강철 코어는 폴 리머 외부 기어 표면의 열팽창을 약 50% 줄인다. 금속 코어가 없 으면 완전 폴리머 기어는 고온에서 치수 변화를 경험하여 기어 바 인딩이 발생한다.
금속 코어는 또한 기어와 샤프트 사이의 열팽창 불일치를 없앤다. 전체가 플라스틱인 기어는 온도가 상승함에 따라 샤프트에서 멀어졌을 것이다.
▲ 외경 1.374인치, 면폭 0.313인치의 웜기어
이 시스템의 웜에는 316 스테인리스 스틸을 선택했다. 중력 주 조 나일론과 스테인리스 스틸의 재료 조합은 마찰을 낮게 유지하 여 이 가벼운 작업에서 심각한 마모 없이 10년 동안 기어를 사용 할 수 있다.
치과 영상용 내부 기어
의료 및 치과용 이미징 시스템은 이미지 품질과 환자의 편안함에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 진동과 소음에 매우 민감할 수 있다. 그래서 우리는 치과용 X-ray 시스템을 위한 매우 부드럽고 조 용한 기어 드라이브를 설계하기 시작했다. 드라이브는 내경에 맞 물리고 X-Ray 하우징에 장착된 폴리머 링으로 구성된다. 환자의 머리를 기준으로 X선 헤드를 배치하기 위해 기어 표면 주위를 이 동하는 스프링이 장착된 피니언이다.
이 애플리케이션에 기존 방식으로 설계된 기어로 시작했지만 이미징 헤드가 링을 따라 이동할 때 흔들림이 발생해서 완성된 이미지에 선으로 남게 된다. 기어 이미징 헤드 시스템을 심층적으로 분석했을 때 강력한 스프링 힘이 피니언을 링 기어 쪽으로 끌어당 겨 모든 톱니 틈새를 차지한다는 사실을 발견했다.
기어가 바닥에 닿아 소음이 발생하기 때문에 기어가 적절한 중심 거리, 즉 피치 라인에서 계속 작동하도록 하는 시스템을 설계해야 했다. Intech는 톱니 옆의 각 기어에서 가공된 두 개의 롤링 표면으로 구성된 피치 라인 제어 메커니즘을 만들기 시작했다.
▲ 피치 라인 제어 기능
이 표면들은 각각 해당 기어의 피치 직경에 따라 롤링 표면에 스프링 하중이 가해지기 때문에 톱니가 피치 라인까지만 맞물릴 수 있다. 최종 결과는 기어는 항상 올바른 중심 거리를 유지한다. 중력 주조 나일론 기어링은 고유한 감쇠 특성 덕분에 소음과 진 동을 줄이는 데도 도움이 되었으며, 결국 이 기어 설계는 5년의 마모 수명 요구 사항을 충족했다.
자료제공: Intech(www.intechpower.com)
