1.서론

여기에서는 상용 자동차용 수동 변속기에 사용되는 평치차 및 헬리컬 치차에

대해서 설계조건과 설계절차 및 방법에 관해서 논하고자 한다.

상용 자동차용 변속기의 치차 설계는 Gear Box내의 좁은 공간에서 가장 정숙하고,

튼튼하고,소형,경량화된 치차를 설계하기 위해서는 module,공구압력각,치높이,

치선원경,전위량,중심거리,비틀림각,기어재질 및 열처리에 대한 성격을 잘 이해  

하고 각각의 수치를 결정하여야 한다.

2. 설계조건

 상용 자동차용 수동 변속기에 사용되는 치차를 설계하기 위해서는 다음과

 같은 설계 조건이 필요하다.

       1) 변속비

       2) 설계목표 Torque 및 마력

       3) 소요 내구 수명

       4) Gear Box의 크기

       5) 윤활,냉각방법

       6) 기어재질 및 열처리

       7) 기어 정도

       8) 윤활유 종류

       9) 기어의 종류및 배열

      10) Duty Cycle(등급별,차종별: cargo,dump,bus,기타)

      11) 전달효율(gear,bearing,oil,기타)

      12) 진동 & 소음

 

3. 설계절차 및 방법

 3.1 축간거리 및 치폭

수동변속기 설계시 축간거리는 매우 중요한 치수로써 다음의 식을 이용하여

계산결과을 상대비교하여 차량탑재 공간을 감안한 치수를 선정 한다.

Ax = a x

여기에서,    Ax = 축간거리(mm)

                 Te = 엔진 최대 Torque( net ℓb-ft )

                   a = 상수

⊙ 축간거리가 기준 SPEC보다 작으면 a(상수)값이 작아지므로 치폭(전장)이 증가한다.

⊙ 축간거리가 기준 SPEC보다   크면 a(상수)값이   크지므로 치폭(전장)이 감소한다.

 축간거리및 치폭을 결정할때는 엔진ROOM에 탑재가 용이하도록 충분한 강도 계산하여

 결정해야 한다.

⊙ 축간거리가 기준 SPEC보다 작으면 a(상수)값이 작아지므로 치폭(전장)이 증가한다.

⊙ 축간거리가 기준 SPEC보다   크면 a(상수)값이   크지므로 치폭(전장)이 감소한다.

 축간거리및 치폭을 결정할때는 엔진ROOM에 탑재가 용이하도록 충분한 강도 계산하여

 결정해야 한다.

 3.2 module

상용차용 수동변속기에 쓰이는 module은 대개

    ▶ 소형 : 2.2 ~ 3.5
    ▶ 중형 : 3.0 ~ 5.0
    ▶ 대형 : 3.5 ~ 6.0

 정도이며 현재는 기어재질,열처리 및 Shot Peening처리의 발달로 module이 작아지는
 경향이다.

 또한 정숙한 치차 설계를 하기 위해서는 소 module을 사용하여 물림율을 증가시키나

 이때 걸리는 응력이 커지므로 이 응력이 기어 재질의 허용한도를 넘지 않도록 주의
 해야 한다.

 3.3 압력각

공구압력각은 17.5。,20。,22.5。등이 주로 사용되며 1단 치차와

같이 강도가 중요시 되는 경우는 큰 압력각을 그리고 소음이 중요시되는 경우는

작은 압력각을 택한다

3.4 비틀림각

 주로 7。 ~ 35。가 사용되고 있으며, 소형이면서 정숙한 치차 설계를 위해서는

 가능한 한 큰 비틀림각을 택한다.

 그러나 비틀림각이 커지면 치차에 작용하는 추력도 커지므로 큰 추력을 미치는

 1단 치차의 경우에는 추력의 크기를 고려하여 비틀림각을 정한다

3.5 전위량합

전위량의 합은 구동기어와 피동기어의 전위량의 합을 의미하며 치차 설계시

매우 중요한 요소중의 하나이다.

 하중이 적게 걸리고 소음이 중요시 되는 치차를 설계할 때는 전위량의 합을

 작게, 그 반대로 하중이 크게 걸리는 치차 강도가 중요시 되는 경우에는

 전위량의 합을 크게 하는 것이 중요하다.

 이 전위량의 합은 -1.7 ~ 4mm까지 주로 사용된다.

3.6 전위량 분배

  전위량은 우선 구동기어와 피동기어의 기초원에서의 원호 치두께가 같도록 분배한다.

  그러나 이렇게 분배된 전위량이 물림율이나 bending stress 등에 문제가 될 때에는

  재조정한다.

3.7 전치 깊이

전치 깊이에는 3가지 형태로 분류한다.


      ▶ 저치(STUB TOOTH)

         치 강도을 증가시키며, 작은 기어에서는 UNDERCUT을 최소화 하나 상대

         기어와의 접촉길이(치합길이)가 짧아 소음이 증가시킬 우려가 높다.

         (어덴덤 < 디덴덤)

      ▶ 병치

         (어덴덤 = 디덴덤)

      ▶ 고치(EXTERDED ADDENDUM GEAR)

         물림율 증대로 부드러운 치차 구동이 가능하며 소음을 감소시키는 효과가

         크다.  (어덴덤 > 디덴덤)      

 3.8 백래쉬량

     보통 백래쉬(뒷틈)라고 하면 특별히 언급하지 않는한 피치원상에서 측정한 한쪽

     기어의 치홈폭과 상대기어의 이 두께와의 유격량을 의미한다.

     백래쉬을 기어의 맞물림을 원활하게 하는데나 그리고  열의 발생이나 소음 따위을

    방지 하는데나 꼭 필요한 것이다.

3.9 기어의 소음

⊙ 발생 원인

    ① 기어의 정밀도 : 치형,압력각,피치,잇줄방향,편심의각 오차와 치면의 거칠기

    ② 기어의 설계조건 : 맞물림률,압력각,치형,치의크기,치수,기어소재의 형상

         및 그 재질

    ③ 기어의 조립,백래쉬,중심거리,치면접촉,축의 평행도

    ④ 기어의 운전조건,윤활,부하의 상태

    ⑤ 기어의 기구,기어축의 강성,베어링,축계의 진동,기어박스의 공진,기어의

        고정법

3.10 PROFILE CHART

BOD = BLANK OUTSIDE DIAMETER (기어의 최대 외경)

EAP = END OF ACTIVE PROFILE (기어의 면취경)

HSC = HIGH SINGLE CONTACT

OPP = OPERATING PITCH POINT (물림 피치원경)

LSC = LOW SINGLE CONTACT

SAP = START OF ACTIVE PROFILE (상대기어의 외경과 접촉점)

SIP = START OF INVOLUTE PROFILE (단자 허용점)

SIC = START OF INVOLUTE CHECK (치형검사범위의 한계점)

치합길이 = BOD - SAP

검사범위 = BOD - SIC

3.11 물림율

기어가 균일한 각속비로 회전을 전달시키려면 1쌍의 치가 접촉을 끝마칠때 까지는

적어도 다음의 1쌍의 치가 물림상태에 들어가야 되며 이는 접촉호는 반드시 법선피치

보다 커야 한다는 것을 의미한다.

 * 접촉호사이에서 서로 맞물리고 있는 치형의 상대수을 평균값으로 정의

 기어에서는 ε > 1이 필요하며 보통(1.4~3.2)의 범주에 있다.

  ▶ ε값이 클수록 맞물림 잇수가 많고 전달력은 분산되며 회전이 원활하게 된다.

  ▶ ε값의 大,小는 기어의 진동과 소음 또는 마멸등에 크게 영향을 미친다.

물림율은 잇수비(기어비)가 클수록, 압력각이 작을수록 물림율이 증가한다.

    ⊙ 동력 전달용 기어에서는 운전 성능상 물림율의 값을 높이고 또 원퇴측의

       물림율을 접근측보다 크게하는 편이 좋다.

 ★ 참고사항

   물림율을 증가시키기 위한 방법

   ① 외경이 작은기어의 치선원경을 크게 한다.

      이때 특히 주의해야 할 사항은 치의 TOP LAND가 너무 작아지지 않도록 하고

      치끝에서의 CONTACT STRESS에도 유의한다.

   ② 전위량의 합이 더 작아지도록 축간거리를 조정한다.

   ③ 더 작은 압력각을 사용한다.

   ④ 소 MODULE을 사용한다.

   ⑤ OPERATING PRESSURE ANGLE을 작게 한다.

   ⑥ 유효치폭을 크게한다.

   ⑦ 비틀림각을 크게한다

3.12 미끄럼율

맞물림에 따라서 잇면의 접촉점에는 굴림과 미끄럼이 동시에 일어난다.

 미끄럼 때문에 잇면은 마모되고 변형하게된다.

 따라서 미끄럼은 기어 성능의 한 척도가 된다.

   ① 구동기어의 잇면에 대한 미끄럼율
       σ1 =  ds1 - ds2
                 ds1

   ② 피동기어의 잇면에 대한 미끄럼율
       σ2 =  ds2 - ds1
                 ds2

3.13 언더컷

▷ 간섭점 :  a 및 b점이 간섭의 한계를 나타내는 점이며
                  a점이 간섭점이라고 함.

▷ 언더컷 :  절삭공구의 칼날이 b점보다 내부로 먹어

                 들어가면 이의 뿌리부의 유효 치형면이

                  깍여 나간다.

  언더컷을 받는 이뿌리면은 가늘어져서 강도가 감소하고,

  또 미끄럼율이 크게되며 맞물림 잇수도 감소하여 성능이

  대단히 저하된다.

 3.14 치형수정

하중을 부담하고 있는 치는 휘어지지만 새로 맞물림에 들어가는 치는 전혀 휘어져

 있지 않으므로 이끝부에 충격적으로 하중이 작용하게 된다.

 이것을 피하기 위해 변속기용 기어에서는 이끝부의 치면을 약간 깎아내는 치형수정

 을 한다.

 수정량이 너무 많아지면 맞물림율이 감소하여 오히려 불리해지므로 그 선택은 매우

 미묘하고 대개의 경우 경험적으로 정하고 있다.

3.15 치차의 치저형상

- 치차의 치는 아래에 표시되어진 치면 다시말하면 인볼류우트 치형의 밑에

 치저 부분이 있다.

- 인볼류우트 치면의 하한을 T.I.F(TRUE INVOLUTE FORM)경 이라고 합니다만

 이것이 치저의 하한을 표시하는 한계가 아니다.

* FILLET RADIUS는 일반적인 치저형상 규제는 없으나 GEAR 가공 전문 업체

 에서는 GEAR 굽힘강도에 큰 영향을 주는 응력집중 방지용이므로 설계

 SPEC을 준수하도록 요구해야함.

 3.16 상대적 잇줄방향오차와 크라우닝

기어는 한쌍으로서 기어박스에 짜넣어지고 그 때의 치면접촉이 최종적으로 문제가 된다.

치면접촉을 규제하는 주요한 요소는 구동기어와 피동기어간의 상대적 잇줄방향오차다.

실제의 기어에서는 잇줄방향오차나 기어박스의 평행도의 어긋남은 가공상 피할 수 없다.

이들 가공상의 오차와 대비하여 기어의 부하 운전시의 동적오차,예를들면 치의 휨, 축 및

기어박스의 변형이 있다.

이때문에 구동기어와 피동기어간에 상대적 잇줄방향오차 생기고 치의 편측접촉이 일어

난다. 이것을 피하기 위해 크라우닝을 실시하지만, 적정한 크라우닝량의 결정은 상당히

힘든 일로서 실험 또는 경험에 의해 정하는 것이 보통이다.

그러나 동적오차는 별문제로 하고, 기어 및 기어박스의 가공오차는 모두 다 통계량이므로

각오차의 측정값을 통계적으로 처리하여 상대적 잇줄방향오차를 구하고,이 값의 범위내에서

치가 편측접촉을 일으키지 않게 하면 근사적으로 필요한 크라우닝량의 개략을 추정할 수

있다.

                               다음에 계속.....