설계단계에서는 거의 모든 설계인자들을 설계자가 결정해야만 한다.
이러한 기어 기본 Spec.은 주로 감속비나 강도와 관련되어 결정된다.
Module 영향
모듈이 소음에 미치는 여러 연구에 따르면, 정밀도가 좋은 기어에서는 피치원 지름이 동일할 경우, 모듈이 클수록 소음이 작아진다.
이것은 속도가 동일할 경우, 단위 시간당 충격 횟수가 감소하기 때문으로 생각된다.
이와 반대로 모듈이 작을수록 소음이 작아진다는 결론에 도달하는 연구결과가 있는데, 이것은 연삭기어 만큼 정도가 높지 않은 기어에서는 모듈이 작을수록 물림률이 커지기 때문이라 생각한다
동일 중심거리에서, 모듈이 작아질수록 물림률이 증가하여 소음이 감소하는 경향이 있으며, 물림률이 동일할 경우에는 모듈이 작을수록 소음이 작아진다.
모듈이 작을수록 소음이 작아지나, 동일한 큰 오차가 있으면 모듈이 작을수록 오차가 소음에 미치는 영향이 커지므로 같은 제작비를 사용할 경우, 모듈이 클수록 소음이 작다는 보고가 있다.
잇수의 영향
소음을 작게 하기 위해선 잇수비 z2/z1을 정수로 하는 것보다 z2와 z2가 서로 소가 되는 것이 좋다.
이것은 피니언의 이빨이 작은 횟수의 회전 후에 기어의 같은 이빨과 맞물
리는 것을 피하기 때문이다.
터보압축기용 증속장치에서도 공약수가 없는 z1, z2를 채용하는 것을 추천한다.
잇수비가 정수이면 기어의 회전 오차가 주기적으로 분포하기 때문에 진동과 소음이 커진다.
압력각의 영향
압력각을 작게 하면 물림률이 커지고 소음이 작아진다.
그 원인에 대해서는 물림률이 커지는 외에도 물림 시작할 때 충격이 가해질 때의 강성이 작은 이유도 있다.
압력각 14.5°,20°에서 물림률이 각각 6종류로 다른 평기어에서 실시한 실험 결과를 보면 진동이 커지는 것은 직접 압력각에 따르지 않고 물림률에 따른다는 보고서가 있다.
자동차용 기어의 압력각을 20°에서 14.5°로 감소 시켰을 때 소음이 작아 졌다는 보고가 있다.
전위의 영향
감속 물림일 때, 일반적으로 전위를 하지 않았을 경우 퇴거 물림 길이보다 접근 물림길이가 크다.
전위를 하면 그 크고 작음이 바뀌게 되어 소음이 작아 진다는 의견이 있다.
전위가 소음에 미치는 영향에 대해 실험 발표한 보고서 내용을 요약한다. 이 실험에 사용한 것은 m=4, a=125 mm (중심거리), u=1 (잇수비), 강 소재의 표준 평기어, 연삭 실시하며 ft=4μm (단일피치오차), ff=3μm (치형오차), 전위계수는 (i) x1=x2=0.718, (ii) x1=x2=0.129, (iii) x1=x2=-0.389, 잇수는 각각 전위량에 따라 조금씩 차이가 난다.
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x1 = x2 |
법선력(kgf/mm) |
||||||
|
3 |
6 |
9 |
12 |
18 |
27 |
||
|
0.718 |
계 산 |
-1.1 |
-1.1 |
-1.1 |
-1.1 |
-1.1 |
-1.1 |
|
측 정 |
-1.8 |
-2.0 |
-2.0 |
-1.4 |
-1.5 |
-1.6 |
|
|
-0.389 |
계 산 |
2.4 |
2.3 |
2.2 |
2.1 |
2.0 |
2.0 |
|
측 정 |
2.7 |
2.5 |
2.3 |
2.4 |
2.1 |
2.0 |
|
<표.> 음압 레벨 차 (dB)
치폭의 영향
치폭이 일정할 때 토크 및 단위치폭당 물림하중이 증가할수록 음압이 증가하는 정도가, 토크가 일정하고 치폭이 감소할 때, 즉 단위 치폭 맞물림당 작용하중이 증가할 때의 음압 증가가 비교적 작았다.
소음이 작은 기어장치 설계할 때는 이점을 주목할 필요가 있다.
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치폭(mm) |
Torque (kgf.m) |
||
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10 |
20 |
30 |
|
|
70 |
77 |
79 |
83 |
|
40 |
77 |
81 |
85 |
|
20 |
77 |
82 |
87 |
<표.> 음압 레벨 차 (dB)
음압에 대한 치폭 영향을 고속일경우에 대하여 실험한 결과가 있다.
b=30 mm 일 경우에는 70mm인 기어에 비해 단위 치폭당 작용하중이 2.3배 정도가 걸림에도 불구하고 고속영역에서의 소음이 작아지며 속도가 증가할수록 그 차는 적어진다
이상의 고찰에 관련해서 치폭이 큰 기어는 공진 주파수가 높으며 그 회전속도 영역이 비교적 넓다.
저속에서 중속까지 범위에서 발생하는 소음은 단위 치폭에 작용하는 맞물
림 하중과 토크의 크기에 달려있지 않고 주로 기어장치의 동적 상태에 의하여 결정된다.
물림률의 영향
일반적으로 물림률이 증가하면 소음이 감소한다.
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원주속도(m/s) |
1 |
4 |
7 |
|
|
물림률 |
1.35 |
71.5 |
79.0 |
82.0 |
|
2.35 |
63.5 |
71.0 |
74.5 |
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<표.> 음압 레벨 차 (dB)
비틀림각의 영향
(a)회전수의 영향
●
평기어의 음압이 헬리컬기어보다 크며,
그것은 평기어의 경우 강한 물림충격에 의해 기어장치의 각 공진 부분이 강하게 진동한다.
(b) 하중의 영향
하중이 증가할수록 음압이 상당히 증가한다. 또 평기어와 헬리컬기어의 음압수준 차이도 크게된다.
비틀림각이 커지면 물림 위치에 따른 이빨의 전체 강성 변동이 작고, 평기어는 그에 비하여 비약적으로 변동하기 때문에 가진 작용의 원인이 된다.
음압레벨 변화 ΔL과 , (a)하중의 영향, (b),(c)비틀림각의 영향
(c) 비틀림각과 물림률의 영향
비틀림각 β, 치폭 b 및 중첩 물림률 εβ 사이의 관계는 εβ=b sinβ/(πm)의 관계가 있다.
β가 작은 부분에서는 음압레벨에 대한 하중의 영향이 크다.
<그림>음압레벨에 대한 치폭 및 중첩 물림률의 영향
(d) 치형수정 및 잇줄 모서리 수정의 영향
하중이 가해지지 않았을 경우 치형수정에 의해 음압레벨이 현저히 낮아지며, 헬리컬기어의 경우 평기어에 비해 변형량이 치형수정의 최소 값보다 작다.
잇줄 모서리 수정을 했을 경우 치폭이 줄어들기 때문에 물림률εβ가 감소하는 것과 유사하게 음압이 상승하는 경향이 있다
(f) 전위량 및 모듈의 영향
x1=x2=0.5 인 세가지의 기어에 대해서 실험한 결과를 보면, 전위량 및 압력각이 변화하였을 때, 또는 전위에 의하여 미끄럼 속도가 변화하고 동시에 치강성이 변화하였을 때 음압 레벨의 변화가 거의 변화가 없다.
전위 합이 0인 기어일 경우 피치점은 피니언의 이뿌리 근처에 있어 피치점에서 치면상의 미끄럼방향으로 변화하기 때문에 충격이 거의 없지만 음압 감소효과가 현저 하게 나타나지는 않는다.
원주속도가 일정할 때 모듈이 커질수록 음압을 발생시키는 단위시간당 물림충격 횟수가 감소하기 때문에 음압이 줄어든다.
반대로 모듈이 작을 경우에는 그 충격 횟수가 증가하여 소음이 커진다. 평기어와 비교하여 헬리컬기어에서는 음압레벨 에 미치는 모듈영향은 그리 크지 않다.
(g) 가공법 및 기어 오차의 영향
