기어의 피로강도 및 수명 계산

베벨 기어를 설계하는 것은 다소 복잡한 작업입니다. 원통형 기어와 달리 베벨 기어는 항상 쌍으로 설계됩니다. 설계 엔지니어는 최소 치수, 최대 부하 용량, 소음 감소, 작업 현장 기계 제조 용이성 등 상충되는 수많은 목표를 고려해야 합니다. 그러나 한 가지 측면이 종종 생략됩니다.

기어의 피로 강도는 어떻습니까?

치아에 가해지는 최대 하중이 재료의 하중 한계를 초과하지 않으면 하중을 제거한 후 치아는 초기 상태로 돌아갑니다. 이 가정은 수백 개의 부하 애플리케이션에 유효합니다. 그러나 수백만 개의 하중 적용에 대해 이야기할 때 재료의 하중 한계보다 훨씬 낮은 하중에서 손상이 발생합니다. 이 현상을 피로라고 합니다.

OEM 및 Tier1 기어 공급업체의 핵심 역량인 피로 강도 테스트는 시간이 많이 소요되는 변속기 테스트를 통해 수행됩니다. 이러한 테스트는 실제 서비스 조건에서 발생할 수 있는 것과 동일한 손상을 입히는 경험적으로 정의된 부하 스펙트럼을 사용하여 수행됩니다. 베벨 기어에 대한 이러한 내구성 테스트에 사용되는 기계 중 하나는 Oerlikon TS 30 베벨 기어 테스트 스탠드입니다.

각 설계에 비용과 시간이 많이 소요되는 테스트를 거치는 대신 베벨 기어의 사용 수명을 계산할 수 있다면 어떨까요?

최신 버전의 KIMoS(Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears)에서 Klingelnberg는 특정 작동 하중은 물론 페이스 호빙 설계 및 페이스 밀링에 대한 베벨 기어의 사용 수명을 계산할 수 있습니다.

베벨 기어의 피로 강도를 계산하려면 세 가지 기본 요소, 즉 기어의 정확한 모양, 재료의 특성, 기어 세트의 작동 조건을 알아야 합니다. KIMoS에서는 이러한 모든 요소가 고려됩니다. 피로 강도는 선형 누적 손상 가설을 기반으로 하는 Miner의 법칙을 사용하여 계산됩니다.

기어 쌍의 누적 손상은 하중 스펙트럼, 치면의 하중 집중, 치근의 굽힘 응력 및 재료의 반복 응력-변형 특성을 결합하여 예측할 수 있습니다. 공식 및 파손에 대한 총 누적 손상이 있으면 KIMoS는 베벨 기어 세트의 수명을 계산할 수 있습니다.

극히 제한된 수의 하중 케이스로 하중 스펙트럼을 생성하려면 하중 사이클에 대해 계산 방법 중 하나를 사용해야 합니다. 다양한 하중 사이클(예: 레인플로우 방법)로 구성된 실제 하중 조건을 처음 사용하는 경우 이러한 주기적 이벤트를 계산할 수 있으므로 매우 적은 수의 하중 케이스로 실제 작동 하중 사이클을 하중으로 변환할 수 있습니다. 스펙트럼.

향후에는 톱니 기어의 사용 수명 계산이 내구성 테스트를 대체하게 됩니까?

대답은 분명 '아니요'입니다. 그러나 피로 강도를 계산하면 다양한 설계를 매우 효과적으로 비교할 수 있습니다. Gewar 쌍의 예상 사용 수명은 설계 중 하나에 대한 내구성 테스트 데이터가 존재할 때 매우 정확하게 추정할 수 있습니다.

이것이 바로 KIMoS가 설계 엔지니어에게 형상 및 소음 방출 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 피로 수명도 고려하는 설계를 생성할 수 있는 능력을 제공하는 이유입니다.

다음 예는 치수 데이터가 동일하지만 플랭크 형태 수정 여부에 관계없이 서로 다른 두 가지 설계를 보여줍니다. 톱니 기어 데이터는 z=13/38 톱니이고 링 기어의 외부 피치 직경은 250mm이고 하이포이드 오프셋은 20mm입니다. 이 예는 치아 측면 수정의 가능성을 보여줍니다. 왼쪽 디자인의 수명은 약 1년입니다. 14,000시간은 피니언의 치근 응력에 의해 제한됩니다. 오른쪽 디자인의 수명은 약 1년입니다. 34,000시간이지만 여기서도 계산된 실패 원인은 피니언의 톱니 파손입니다.

KIMoS는 설계 엔지니어가 소음 거동과 부하 용량을 최적화할 수 있을 뿐만 아니라 특정 부하 사례에 대한 기어 세트의 서비스 수명 최적화도 가능하게 합니다. 이는 경량 설계의 새로운 잠재력을 위한 길을 열어주며 보다 효율적이고 견고한 기어 설계를 가능하게 합니다.