기어의 소음과 진동해석

이번 호에서는 진동을 발생시키는 대표적인 동력전달장치 중 하나인 기어의 소음과 진동의 종류에 대해서 소개하고 그 진동 성분들의 활용 방안에 대해 알아보고자 한다.

■ 한만후
태성에스엔이 M3팀의 매니저로 구조 해석에 대한 기술지원 및 교육, 프로젝트 업무를 담당하고 있다.
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회전기계에서 발생하는 진동은 그 시스템의 수명과 안정성에 큰 영향을 미친다. 게다가 과도한 진동은 소음을 일으키는 주 원인이기도 하다. 그럼에도 진동은 우리 삶에서 반드시 나쁜 영향만 미치는 것은 아니다. 예를 들어, 현장에서 가동 중인 기계 장치에 발생하는 이상 현상을 검증하는 수단은 진동이 유일하다고 볼 수 있다. 뿐만 아니라 휴대폰의 진동 역시 우리 삶에 유익하게 활용되는 대표적인 예이다.
이처럼 진동을 단순히 억제해야 할 대상이 아닌 활용의 대상으로 인식한다면 진동을 보다 잘 예측하고 사용하여 원하는 문제를 해결할 수 있으며, 다양한 분야에서도 활용 가능하게 될 것이다.
기어의 소음과 진동은 기어 충돌(tooth impact), 강성 변화(mesh stiffness variation), 전달 오차(transmission error), 축 하중 변동(force axial shutting), 마찰(friction) 등을 비롯한 다양한 요소에 의해 발생한다. 대표적인 기어 진동은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 우는 소리처럼 들리는 와인 진동(whine vibration)과 딸깍하는 소리처럼 들리는 래틀 진동(rattle vibration)으로 구분된다.
이러한 진동은 변속기나 감속기의 작동 시점부터 기어와 연결된 축, 베어링, 하우징 등으로 순차적으로 전달됨과 동시에 모든 구성 요소에 의해서도 만들어진다. 최종적으로 하우징의 떨림이 공기 중 진동과 소음으로 방사돼 우리가 느끼거나 듣게 되는 것이다.

그림 1. 와인 진동(whine vibration)의 예

그림 2. 래틀 진동(rattle vibration) 예

1. 와인 진동
와인 진동은 동력전달장치에서 가장 대표적인 진동 중 하나이며 기어, 샤프트, 베어링, 하우징 등의 복합적인 요소들이 전달 오차(transmission error)를 만들어 발생하는 특징을 갖는다. 전달 오차는 각 구성요소의 강성 부족 등 수많은 요인으로 인해 발생하지만 대표적으로는 치형 오차와 치 강성 변화에 기인한 것이며, 이것이 회전 각도의 오차를 일으키기 때문에 변칙적인 기어 비로 회전하게 한다. 이렇게 변동하는 운동 성분이 떨림을 일으켜 와인 진동을 만들어낸다. 그렇다면 와인 진동을 일으키는 전달 오차의 원인은 무엇일까?
전달 오차를 발생시키는 첫 번째 원인은 기어의 기하학적 오차, 즉 치형 오차(geometry error)이다. 물론 치형 오차가 존재하지 않는 이상적인 기어 쌍은 외부 요인이 존재하지 않는다면 일정한 속도의 동력 전달이 가능할 수 있다. 하지만 현실적으로 설계 요인, 제조 요인, 조립 요인 한계로 인해 기어의 치면은 이상적으로 제작되지 않으며, 그 때문에 <그림 3>처럼 동력전달 속도가 빨라지고 느려지는 떨림을 반복하게 된다.

그림 3. 치형 오차