기어의 파손, 파손 원인, 고장 모드

기어의 파손이란?

 

1. 개요

 

1) 기어의 파손 개요

 기어의 파손은 크게 미끄럼마모 (sliding wear), 부식,과열, 침식, 영구변형(압흔, 소성변형, 리플링, 릿징, 버), 손사, 치면 피로(피팅, 플레이크, 스폴링), 갈라짐, 균열, 이의 절손 등이 있다 

기어의 재료, 기어의 열처리

전위기어, 전위기어의 목적, 전위기어 활용

 

2. 기어 파손 구분 (KS B ISO 10825: 1995) 

 

1) 치면 마모, 부식, 침식 

① 미끄럼 마모

마모 : 불충분한 오일 유막에 의한 금속과 금속의 직접 접촉 등에 의해 발생 
 고점도 오일 사용, 표면 처리 상태의 개선, 오일 온도 및 미끄럼 속도의 감소 등으로 극복 가능 

두 표면이 맞물려 회전할때 치면의 일부분이 떨어져 나가는 현상 

정상적인 마모(길들임마모, runnin-in wear)의 표면 조직은 부드러운 광택이 나는 형상으로 바뀐다 

정상 마모, 광택현상을 볼 수 있음, KS규격

어브레시브 마모(abrasive wear)는 윤활제에 떠도는 거친 입자(금속파편, 산화물, 녹, 모래, 연마재 등)이 맞물리는 치면에 끼어서 재료가 떨어지는 현상을 의미 

abrasive wear, KS

 

스코링(scoring)은 미끄럼 운동방향으로 작동중일때 치면 전체에 불규칙한 간격으로 미세한 홈이 분포되어있는 것 

스코링의 흔적, KS

간섭마모는 이 끝이나, 맞물리는 이와 이 뿌리에서 덧살에 의해 발생. 
이끝과 이뿌리는 마모되어, 이뿌리는 중공화되고 이끝은 둥글게 되는 현상 발생 

② 부식

화학적 부식 (산화 - 녹), 부적당한 윤활제나 산화 등으로 발생 
프렛팅 부식 (fretting corrosion), 한 표며의 반복적인 운동에 의한 표면 손상, 미세하게 나눠진 적갈새의 산화 입자 발생 
스케일링(scaling) : 열처리동안 산화공정에 의해 치면에 올라가는 부분에 하중이 가해질때 초기에 빠르게 금톡 광택이 확산 

 

③ 과열

기어에 부적당한 윤활 혹은 불충분한 백래시가 적용되면 과열된다 
불충분 백래시가 있으면, 부하의 흔적이 작요 치면과 비작용 치면 양쪽 모두에서 발견됨. 
템퍼링색상이 나타나며, 소성 변형이 발견됨 

 

④ 침식, 전식, 전기 침식 

케비테이션 침식 (cavitation errosion) 
고주파 진동이 나타날떄, 혹은 윤활제가 오염이 되었을때 발생할 수 있음 (표면이 샌드블라스트를 한것처럼 오돌토돌함)

액체 침식 
액체의 분사작용에 의한 침식 

전식, 전기침식 (electric errosion)
맞물리는 치면 사이에 발생하는 스파크, 아크 방전으로 인함. 작은 구멍을 만듬 

 

 

2) 스커핑 (scuffing), 스코어링

미끄럼 방향으로 나타나는 줄무늬 모양의 거칠기. 
이끝이나 이뿌리 부분의 작은 손상은 자연스럽게 제거될 수 있으나, 치면에 전체적으로 나타나는 현상은 소음과 진동을 증가시키므로 교정방법이 필요함 

금속 - 금속접촉, 용착과 분리의 반복작용으로 나타나는 점착마모(adhesive)를 허용하게 하는 과열에 의해 윤활막이 국부적 파손되어 시작되는 치표면 마모이다. 

스커핑현상, 네이버 블로그

기어가 비교적 큰 하중, 고속에서 작동되면 면압이나 굽힘강도 외 치면의 긁힘이나 융착 혹은 융착을 대상으로 한 스코어링 강도를 고려해야함 
스커핑도 스코어링의 일종임 (유럽에서는 고온 스코어링 손상을 스커핑이라하고, 저온 스코어링 손상을 스코어링이라 지칭함) 

고온 스코어링 : 고속 운전시 표면의 섬광온도에 기인한 용착과 접촉방향으로 재료를 이탈시키는 형태 
저온 스코어링 : 저속의 기어에서 윤활막 파단으로 표면에 줄질한듯한 손상이 발생 

스코어링에 영향을 주는 인자로는, 설계제원, 가공 및 조립정도, 동력전달특성, 동하중, 과부하, 속도변동, 충격성 부하, 기어재료, 윤활재, 윤활 방버 등이 영향을 끼침 

스코어링 현상

 

3) 영구 변형

① 압흔 (indentation)

외부 물체의 물림 상태에 의한 치면의 함몰 

 

② 소성변형  (툴링에 의한 소성변형, 해머에 의한 소성변형) 

해머작용에 의해 영구적으로 구부러지거나 굽혀질 수 있고, 과도한 부하와 마찰상태에서 작동하는 기어의 구름과 미끄럼 작용에 의해 기어 표면이 휘거나 늘어날 수 있음

 

③ 리플링 (rippling) 

미끄럼방향에 수직으로 나타나는 미세한 릿지들이 치면에서 발견되는 것. 물결무늬 항복 
기어가 무르다면, 기어 재질을 경화시키기도 함 

또한, 접촉응력을 줄이고 오일 점도를 높이면 리플링을 막는데 도움이 됨 

리플링

④ 릿징 (ridging) 

소성 변형, 마멸 등에 의해 기어의 치면에 나타나는 릿지와 홈 
접촉선 방향으로 큰 미끄럼을 갖는 저속기어의 이에서 가장 많이 발견됨 . 또한 경도가 낮을때 발생. 경도가 높아도 접촉응력이 높으면 나타날 수 있음 

릿징

⑤ 버 (burr) 

높은 마찰이 발생하는 과부하, 마찰의 작용에 의해 부품 가장자리에 형성되는 부가물 

 

4) 치면 피로 현상 (surface fatigue)

① 피팅 (pitting)

구름접촉 혹은 구름과 미끄럼이 혼합된 접촉이 존재할 때 발생하는 표면 피로 현상 
기어 재질이 견딜 수 있는 치면용량을 초과시 발생하는 피로파괴 
기어는 표면과 표면 아래 주기적인 응력이 발생하고, 하중이 충분히 높거나 응력 주기가 크면 표면에서 작은 입자가 피로한도를 넘어 떨어져나가 홈이나 공동이 새김 

기어 치면에서 발생하는 피팅

② 박리피팅, 플레이크 피팅 (flake pitting) 

치면의 넓은 영역에 걸쳐 역삼ㅅ각형 모양으로 거칠고 일정한 깊이의 얕은 공동을 남기면서, 얇은 박편의 파괴를 포함한 표면 손상 

 

③ 스폴링 (spalling) 

파인홈 지름이 크고 상당한 여역에 걸쳐있을때, 피팅 대자 

스폴링

④ 치면 압괴 

침탄 경화 재료의 큰 파편이 균열 전진에 의해 분리될때 나타나는 현상 

 

5) 갈라짐과 균열 (fissures and cracks) 

① 경화 균열(퀜칭균열, hardening cracks) 

담금질시 생기는 과도하게 높은 내부응력에 의해 생긴 균열. 부분적으로 경화되는 치면은 전경화 기어의 치면보다 이런 형태의 손상이 발생하기 쉬움. 

 

② 연삭 균열 (grinding crack)

연삭작업 중, 후에 나타나느 규칙적인 표면 균열. 평행한 균열 혹은 잔금이 간 형태로 나타남. 연삭소손과 함께 나타남 

 

③ 피로 균열 (fatigue crack) 

재료의 인장 강도보다 상당히 낮은 반복 응력으로 인한 균열 

 

 

6) 이의 절손 (tooth breakage)  

① 과부하에 의한 절손 : 취성파괴, 연성파괴 

섬유표면같은 단면을 보임 
단단한 재질일수록, 피로의 증거가 보이지 않고 순간적으로 잡아 떼어낸것같은 모양을 함 

갑작스러운 정렬오차, 기어 변속기를 작동 불능 상태로 만드는 베어링의 파손, 이물질이 이빨 사이에 끼었을때 발생함 
헬리컬기어의 경우, 접촉영역 내에 있는 이 몇개가 한 번에 떨어져나가기도 한다 

많은 절손 사례는, 과도한 마모나 피팅 파손 이후 나타나는 2차 효과임.

과부하에 의한 이의 절손

② 이의 전단 

대체로 고강도 재료로 제작된 기어와 맞물리는 낮은 강도 재료로 제작된 기어에 발생 
매우 큰 단일 과부하로 인해 나타남 

 

③ 소성변형 후 저손 

하중에 의한 응력이 재료 강도 초과시 혹은 기어 재료가 운전 중 과열에 의해 약해질때 발생 

 

④ 피로 절손

기어 이 전체나 일부분이 과부하나 충격, 굽힘응력 작용시 굽힘 피로현상으로 깨지는 파손 
설계에서 간과한 초과하중, 호브자국, 이뿌리 구석 노치, 금속개재물, 정렬오차, 열처리로 인한 균열 등에 의해 밠애함. 

외관상 소성 변형이 없이 나타남. 

피로절손의 특징인 눈, 해변무늬를 볼 수 있음

⑤ 이 끝단 절손

이 끝단에서 형성되는, 피로 절손을 야기시키는 심한 피팅이 형성된 후 나타나는 절손